La production de la matière organique de la part des plantes chlorophyllienne nécessite de l’énergie. Le soleil est considéré comme la source naturelle de l’énergie sous deux formes: La chaleur et la lumière, alors qu’au sein de la matière organique l’énergie prend une nouvelle forme: l’énergie chimique, et donc les plantes chlorophylliennes doivent présenter des structures responsables de lu captage et de la conversion de l’énergie solaire (surtout lumineuse) et la transformer en énergie chimique (molécules chimiques riche en énergie).

Quelles sont les structures responsables de l’absorption et puis la conversion de l’énergie lumineuse?
Quels sont les mécanismes et réactions intervenant dans l’exploitation de l’énergie pour produire de la matière organique?

Les pigments chlorophylliens

La production de la matière organique est une caractéristique spécifique des plantes vertes ou chlorophylliennes, ce qui implique l’importance des pigments chlorophylliens.

L’extraction des pigments chlorophylliens

Manipulation: les étapes de l’extraction de la chlorophylle brute (comportant l’ensemble des pigments) sont présentées dans la document suivant

La séparation des pigments chlorophylliens (par chromatographie)

Manipulation: Après l’extraction de la chlorophylle brute (solution alcoolique de la chlorophylle) on y ajoute un solvant organique constitué d’un mélange de diluants. Les étapes de cette extraction sont présentées dans le document suivant: La chromatographie permet d’identifier 4 types de pigments chlorophylliens composant la chlorophylle: La chlorophylle b; chlorophylle a, Xanthophylles, carotène.

Propriétés des pigments chlorophylliens

Absorption des rayons lumineux

Le spectre de la lumière blanche

La lumière blanche est constituée de pliusieurs types de rayons lumineux qu’on classe en fonction de leur longueur. L’œil humain ne peut capter et identifier qu’un certain nombre des multiples radiations lumineuses: On appelle cette décomposition de la lulmière en rayonnements monochromatiques perceptibles par l’Homme: le spectre de la lumière blanche ( entre une longueur d'onde dans le vide à partir de 380 nanomètres (nm), perçue comme un violet extrêmement sombre (Ultraviolet) , et jusqu'à 780 nm, correspondant à un rouge également à peine perceptible (infrarouge).

Le spectre d’absorption de la chlorophylle.

- Analyse et déductions:

En comparant le spectre d’absorption de la chlorophylle au spectre de la lumière blanche, Les radiations de couleurs bleu et rouge (surtout) manquent du spectre de la lumière traversant la chlorophylle (spectre d’absorption). Les pigments chlorophylliens absorbent, donc, les radiations lumineuses de longueurs d’ondes compatibles à la couleur bleue et rouge. Les radiations absorbées confèrent à la plante chlorophyllienne l’énergie nécessaire pour l’établissement de la photosynthèse.

Le specctre d’action

Expérience d’Engelmann (1882)

On remarque que les bactérie se concentrent au niveau des cellules exposées aux radiations bleues et rouges, ceci implique qu’au niveau de ces cellules la production de l’oxygène est considérable.
Le rejet de l’O2 est l’un des aspect de la photosynthèse et donc plus la cellule produit de l’O2 et plus efficace sera la photosynthèse.
Le Spectre d’action: L’intensité de la photosynthèse effectuée par une plante (photosynthétique) en fonction de la longueur d’onde de la lumière qu’elle reçoit.
On remarque une concordance entre l’évolution du spectre d’action et du spectre d’absorption et ainsi les radiations les plus absorbées (bleues et rouges) sont les plus efficaces et utiles pour la photosynthèse.

Réception et conversion de l’énergie lumineuse

Les plantes chlorophylliennes reçoivent de l’énergie lumineuse qu’elles ytilisent lors de la photosynthèse mais ne peuvent la conserver et doivent ainsi la convertir en une nouvelle forme d’énergie: l’énergie chimique - La fluorescence: On expose l’une des faces d’une cuvette de chlorophylle brute à l’action de la lumière blanche, on observe que: -La couleur de la face exposée à la lumière reste verte -La couleur de la face postérieure devient rouge. Les atomes des pigments chlorophylliens reçoivent l’énergie lumineuse sous forme de photons, les électrons entourant le noyau reçoivent une nouvelle energie (Ex: photon bleu), deviendront instables et vont changer d’orbite. Ces mêmes electrons, en recuperant leur etat initail (orbite initial) dégagent de l'Energie reçue traduite par des photons de longueur d’onde plus grande (photon rouge): L’energie lumineuse est donc captée par les pigments chlorophylliens qui vont pouvoir la transporter et aussi la convertir en energie chimique utilisable dans la producrtion de la matière organique. On appelle les structures responsables du captage des photons: les photosystèmes. Un photosystème (soit I ou II) est composé de deux centres:

Une antenne collectrice composée des diffrents types de pigments et responsable de la recéption des photons
Un centre réactionnel composé des molécules de la chlorophylle « a » qui en recevant les photons de la part de l’antenne collectrice vont s’exciter et devenir instable. La chlorophylle « a » excité perd un éléctron vers des molécules acceptrices d’électrons et devient ainsi oxydée et donc instable. Le retour à l’état stable exige la réduction de la chlorophylle « a » oxydée en recevant un électrons de la part d’autres molécules (donneurs d’électrons)

L’ensemble de ces réaction s’effectuent au niveau du chloroplaste: l’organite renfermant les pigments chlorophylliens.

Le chloroplaste:

Afin de mettre en évidence le role du chloroplaste danss la photosynthèse, on réalise la manipulation présentée par la figure suivante: Analyse et déductions: L’apparition de la couleur noire (indice de la synthèse de l’amidon) n’est possible que dans les conditions suivantes:

Présence de la lumière
Présence du CO2

structure et ultrastructure du chloroplaste

Le chloroplaste est un organite ovoïde de couleur verte composé de deux compartiments importants:

Les thylakoïdes: petits « sacs » renferment les pigments chlorophylliens. Les thylakoïdes s’associent pour former un agrégat appelé Granum.
Le stroma: l’espace interne du chloroplaste ouu baigne l’ensemble des constituants.

Quelles sont les structures responsables de l’absorption et puis la conversion de l’énergie lumineuse?
Quels sont les mécanismes et réactions intervenant dans l’exploitation de l’énergie pour produire de la matière organique?

Les pigments chlorophylliens

La production de la matière organique est une caractéristique spécifique des plantes vertes ou chlorophylliennes, ce qui implique l’importance des pigments chlorophylliens.

L’extraction des pigments chlorophylliens

Manipulation: les étapes de l’extraction de la chlorophylle brute (comportant l’ensemble des pigments) sont présentées dans la document suivant

La séparation des pigments chlorophylliens (par chromatographie)

Après l’extraction de la chlorophylle brute (solution alcoolique de la chlorophylle) on y ajoute un solvant organique constitué d’un mélange de diluants. Les étapes de cette extraction sont présentées dans le document suivant: La chromatographie permet d’identifier 4 types de pigments chlorophylliens composant la chlorophylle: La chlorophylle b; chlorophylle a, Xanthophylles, carotène.

Propriétés des pigments chlorophylliens

Absorption des rayons lumineux

- Le spectre de la lumière blanche

- Le spectre d’absorption de la chlorophylle.

Dans un milieu obscure, on expose une cuvette contenant de la chlorophylle à une source de lumière blanche, la lumière passe à travers la chlorophylle, puis traverse un prisme de verre qui fait dissocier la lumière en spectre projeté sur un écran : Le spectre d’absorption de la chlorophylle Analyse et déductions: En comparant le spectre d’absorption de la chlorophylle au spectre de la lumière blanche, Les radiations de couleurs bleu et rouge (surtout) manquent du spectre de la lumière traversant la chlorophylle (spectre d’absorption). Les pigments chlorophylliens absorbent, donc, les radiations lumineuses de longueurs d’ondes compatibles à la couleur bleue et rouge. Les radiations absorbées confèrent à la plante chlorophyllienne l’énergie nécessaire pour l’établissement de la photosynthèse.

Le spectre d’action

- Expérience d’Engelmann (1882)

Le Bacterium termo est un type de bactériie avide de l’oxygène, on exploite cette carctéristuuque pour comprendre la relation entre l’absorption des radiations lumineuses (bleues et rouges) et la photosynthhjèse chez les plantes vertes. On expose la spirogyre (une algue verte ) à l’action du spectre la lumière blanche, dans un milieu riche en Bacterium termo. Les résultats sont présenttés danss le document suivant: On remarque que les bactérie se concentrent au niveau des cellules exposées aux radiations bleues et rouges, ceci implique qu’au niveau de ces cellules la production de l’oxygène est considérable. Le rejet de l’O2 est l’un des aspect de la photosynthèse et donc plus la cellule produit de l’O2 et plus efficace sera la photosynthèse. Le Spectre d’action: L’intensité de la photosynthèse effectuée par une plante (photosynthétique) en fonction de la longueur d’onde de la lumière qu’elle reçoit. On remarque une concordance entre l’évolution du spectre d’action et du spectre d’absorption et ainsi les radiations les plus absorbées (bleues et rouges) sont les plus efficaces et utiles pour la photosynthèse.

Réception et conversion de l’énergie lumineuse

- La fluorescence:

On expose l’une des faces d’une cuvette de chlorophylle brute à l’action de la lumière blanche, on observe que:

La couleur de la face exposée à la lumière reste verte
La couleur de la face postérieure devient rouge.

Les atomes des pigments chlorophylliens reçoivent l’énergie lumineuse sous forme de photons, les électrons entourant le noyau reçoivent une nouvelle energie (Ex: photon bleu), deviendront instables et vont changer d’orbite. Ces mêmes electrons, en recuperant leur etat initail (orbite initial) dégagent de l'Energie reçue traduite par des photons de longueur d’onde plus grande (photon rouge): L’energie lumineuse est donc captée par les pigments chlorophylliens qui vont pouvoir la transporter et aussi la convertir en energie chimique utilisable dans la producrtion de la matière organique. On appelle les structures responsables du captage des photons; les photosystèmes. Un photosystème (soit I ou II) est composé de deux centres:

Une antenne collectrice composée des diffrents types de pigments et responsable de la recéption des photons
Un centre réactionnel composé des molécules de la chlorophylle « a » qui en recevant les photons de la part de l’antenne collectrice vont s’exciter et devenir instable. La chlorophylle « a » excité perd un éléctron vers des molécules acceptrices d’électrons et devient ainsi oxydée et donc instable. Le retour à l’état stable exige la réduction de la chlorophylle « a » oxydée en recevant un électrons de la part d’autres molécules (donneurs d’électrons)

L’ensemble de ces réaction s’effectuent au niveau du chloroplaste: l’organite renfermant les pigments chlorophylliens

Le chloroplaste:

Afin de mettre en évidence le role du chloroplaste danss la photosynthèse, on réalise la manipulation présentée par la figure suivante: Analyse et déductions: L’apparition de la couleur noire (indice de la synthèse de l’amidon) n’est possible que dans les conditions suivantes:

Présence de la lumière
Présence du CO2

Le chloroplaste est donc le siège de la synthèse de la matière organique en absorbant le CO2 du milieu extérieur avec l’exploitation de l’énergie lumineuse (les photons) captés par les pigments chlorophylliens ou photosystèmes dont le siège s’avère aussi le chloroplaste. e- structure et ultrastructure du chloroplaste Le chloroplaste est un organite ovoïde de couleur verte composé de deux compartiments importants:

Les thylakoïdes: petits « sacs » renferment les pigments chlorophylliens. Les thylakoïdes s’associent pour former un agrégat appelé Granum.
Le stroma: l’espace interne du chloroplaste ouu baigne l’ensemble des constituants.

Les principales réactions de la photosynthèse

Mise en évidence

Travaux de F.F Blackman (1905)

on expose une plante chlorophyllienne à l’action de quelques paramètres externes: La température et l’éclairement. Les résultats ^de cette expérience sont représentés par la courbe suivante: Analyse et déductions:

Intervalle 1: augmentation de l’intensité photosynthétique en fonction de l’intensité de l’éclairement et indépendamment de la Température.
Intervalle 2: l’intensité photosynthétique dépend de la température, plus la température avoisine les 25°C et plus forte sera l’intensité de la photosynthèse

À partir de cette évolution, on peut distinguer deux phases de réactions chez les plantes chlorophylliennes:

Une phase photochimique: dépendant surtout de la lumière
Une phase thermochimique: dépendant surtout de la température

Travaux de R. Emerson et W. Arnold (1932)

On expose des chlorelles (algues chlorophylliennes d’eau douce) à l’action des éclairs lumineux suivant les conditions expérimentales suivantes:

La durée de l’éclair est constante
On augmente la période obscure entre les éclairs

Le document suivant présente les résultats de cette expérience: Analyse et déductions:

Lorsque les éclairs sont très rapprochés: la période éclairée est plus longue , l’intensité photosynthétique augmente pour atteindre son maximum
Lorsque les éclairs deviennent de plus en plus éloignés, la durée sombre devient plus longue, l’intensité photosynthétique change suivant la température du milieu

Les réactions photosynthétiques sont dons réparties en deux phases: photochimique et thermochimique

Les réactions de la phase photochimique

La photolyse de l’eau

La photolyse de l’eau est la réaction responsable de la dissociation de la molécule de l’eau suite à l’action de la lumière. La photolyse de l’eau permet d’identifier l’origine des molécules du dioxygène rejetées lors de la photosynthèse:

Soit le CO2
Soit le H2O
Soit les deux

- Travaux de Ruben et Kamen:

on cultive des chlorelles dans deux milieux de cultures riches en CO2 et H2O et exposés à la lumière mais en modifiant la nature des atomes d’oxygène (radioactif ou non) pour les deux molécules d’H2O et de CO2 du milieu ambiant. les résultats sont présentés dans le document suivant:

Analyse et déductions:

l’oxygène rejeté dans les deux milieux est semblable à l’oxygène de la molécule d’eau et non pas au à celui du CO2 et donc l’origine de l’oxygène rejeté durant la phase photochimique est la molécule d’eau absorbée du milieu extérieur suivant la réaction suivante:
La photolyse de l’eau permet le rejet de l’oxygène mais libère aussi des électrons, qui doivent être capturés par d’autres molécules. On parle ainsi de réactions d’oxydoréduction qui se succèdent jusqu’au récepteur final des électrons: la molécule du Nicotinamide Adénine Dinucléotide NADP+ présente dans le stroma des chloroplastes: NADP+ + 2 e- + 2H+ ----> NADPH,H+

Destinée des électrons perdus par la chlorophylle (a)

En principe, le transport des électrons se fait en fonction du Potentiel d’oxydoréduction ou potentiel REDOX en deux sens:

De la molécule ayant le plus faible potentiel vers une autre molécule avec un potentiel plus fort de façon spontanée et sans consommation d’énergie
De la molécule avec un potentiel redox plus fort vers celle avec le plus faible potentiel avec consommation d’énergie.

En respectant ce principe, le transport des «électrons issus de la photolyse de la molécule d’eau se fait à travers la membrane des thylakoïdes : siège des des photosystèmes I et II et de différents transporteur (de nature protéique) et d’enzymes. Le document suivant présente les différentes étapes du transport des électrons:

Ce processus de transport d’électrons va s’achever par la réduction d’une molécule du récepteur final (NADP+) en NADPH2. Le transport d’électrons se fait en parallèle avec la modification de la concentration des H+ des deux cotés de la membrane thylakoïdale (le stroma et le lumen) en créant un gradient de concentration, au niveau duquel c’est le lumen qui aura le plus de H+ (pH plus faible) et cela suite à deux phénomènes: La photolyse de l’eau qui libère les H+ dans le lumen D’autres protons en provenance du stroma vont enrichir le lumen et augmenter ainsi sa concentration en H+. La création de ce gradient de concentration est nécessaire pour l’activation des sphères pédonculées responsables de la synthèse de molécules énergétiques utilisables dans les différentes activités cellulaires: les ATP (Adénosine triphosphate). Cette synthèse se fait selon la réaction suivante: ADP + Pi ---- > ATP

Les réactions de la phase biochimique (thermochimique)

Interdépendance des deux phases de la photosynthèse

Expérience de Gaffron (1951)

Dans un milieu riche en CO2 radioactif, on expose un échantillon de chlorelles à un fort éclairage

pendant 20min suivi d’une période sombre. Les résultats sont présentés dans le document suivant: Analyse et déductions:

Pendant la phase éclairée: la quantité du CO2 fixé (dans les molécules organiques produits) est élevée et constante.
Pendant la phase sombre: diminution progressive de la quantité du CO2 fixé

La fixation du CO2 dans les molécules organiques dépend de la lumière, mais cette dépendance n’est pas directe, du fait que lors de la phase sombre cette fixation ne chute pas automatiquement pour s’annuler mais diminue progression (durant 20s) .

Expérience d’Arnon (1958)

on isole les deux compartiments des chloroplastes: le stroma et les thylakoides et on les fait cultiver dans deux milieux indépendants. Afin d’identifier l’interdependence entre les deux phases de la photosynthèse (photochimique et biochimique), Arnon effectue l’expérience suivante:

La fixation du CO2 dans les molécules organiques se fait dans le stroma pendant la phase biochimique
Les thylakoïdes (éclairés) fournissent au stroma les éléments nécessaires à la fixation du CO2: ATP et NADPH,H+
La fixation du CO2 dans les molécules organiques se fait dans le stroma (nécessite l’ATP et NADPH,H+)
l’ATP et NADPH,H+ sont fournis par les thylakoïdes éclairés (phase photochimique)

Devenir du CO2 absorbé par les plantes chlorophylliennes

Expérience de calvin et Benson

A l'aide d'un dispositif appliqué à des algues vertes unicellulaires (chlorelles) cultivées en conditions optimales pour réaliser la photosynthèse, il est possible de les mettre en contact avec du CO2 marqué au carbone 14 pendant un temps connu. A l'issue de ce contact, les algues sont fixées instantanément par de l'éthanol bouillant. Les molécules organiques sont extraites, séparées puis soumises à l’action de deux solvants agissants dans deux direcctions perpendiculaires : C’est le chromatographie bidimensionnelle. L’utilisation de réactifs appropriés permet l’identification de ces différentes molécules organiques produites lors de la photosynthèse ainsi que l’ordre de leur apparition. La première molécule organique dans cet ordre d’apparition est l’acide phosphoglycérique (APG) est c’est donc la première molécule organique formée suite à la fixation du CO2 et qui représente donc l’initiation de la fomration des différentes mollécules organiques. Vu son importance dans la formation des différentes molécules organiques, l’APG s’use rapidement mais sera régénéré par le RudiP

cMécanisme de fixation du CO2

Experience de Bassham et Calvin

On mesure ches des chlorelles, placées dans un milieu nutritif, le tau des glucides, le RudiP et l’APG en fonction de la variation de deux paramètres: La lumière et le CO2. la courbe ci-après montre les résultats obtenus:

Tau de CO2 constant, éclairage variable (fig 1)
Eclairage constant, CO2 variable (fig.2)

Fig1: En présence du CO2 et de la lumière:

Augmentation puis constance de l’APG et du RudiP

En présence du CO2 et absence de la lumière:

Disparition progressive du RudiP
Accumulation de l’APG
Arret de la synthèse des glucides

La formation du RudiP et des glucides se fait donc à partir de l’APG et nécessite la lumière et le CO2 Fig.2: En présence du CO2:

Stabilité des deux composés

En absence du CO2:

Disparition progressive de l’APG
Accumulation du RudiP

L’APG provient de la transformation du RudiP suite à la fixation du CO2 Nécessite une enzyme: Rubis CO ( ribulose biphosphate carboxylase oxygénase) Conclusion: La photosynthèse est un mécanisme qui se fait en deux phases s’alternant de façon continue et permettant la production de la matière organique:

La phase photochimique : durant laquelle se fiat la production de l’ATP et NADPH,H+ nécessaires au renouvellement de la RudiP et glucides à partir de l’APG (phase biochimique)
Phase biochimique : utilisation de l’ATP et NADPH,H+ pour fixer le CO2

Cycle de Calvin

Pour Calivin, l’intervention de l’ensemble des réactions au cours de la phase biochimique ou obscure de la photosynthèse, se fait de façon cyclique: le cycle de Calvin.

Diversité des sources de l’énergie et de la matière utilisées par les êtres vivants

Les différentes espèces dans la nature, ne se trouvent pas dans les mêmes conditions de vie des plantes chlorophylliennes, ce qui les oblige à s’adapter avec les conditions de leur milieu de vie concernant surtout la source de la matière et la source d’énergie nécessaires pour la production de leur propre matière organique.

La chimiosynthèse

Dans des milieux en obscurité permanente, tel que les grands fonds des océans, ouu les conditions de vie sont complètement austères à toute sorte de vie, on y trouve une espèce de ver géant appelé Riftia pachyptila. En absence de la lumière mais en présencce de la fumée noir (provenant des sources hydrothermales) riche en produit toxique tels que CO2 et HS, l’animal ingère de la matière chimique et la fait acheminer vers sa base ouu vivent des bactéries en symbiose, ces dernière se nourissent des produits chimiques ingérés pour produire et rejeter du formaldéhyde dont se nourrit l’animal hôte.

Diversité des mécanisme de prodution de la matière organique

Divers sont les mécanismes utilisés de la part des etres vivants afin de produire leur matière organique. Le tableau suivant résume ces mécanismes: