Les étapes de la photosynthèse

Le chloroplaste est un organite spécifique des végétaux autotrophes. Il est localisé dans les parties chlorophylliennes et observable au niveau des cellules des parenchymes palissadiques et lacuneux des feuilles où il apparait de couleur verte.

Le chloroplaste est entouré d’une double membrane qui délimite un espace intramembranaire et entoure le milieu intérieur appelé stroma. Dans ce dernier, se trouvent des saccules empilés, appelés thylacoïdes, qui communiquent entre eux. Leur membrane délimite l’espace intrathylacoïdien. L’empilement des saccules est appelé granum.

Le chloroplaste est donc un organite organisé en trois compartiments :

• l’espace intramembranaire ;
• le stroma ;
• l’espace intrathylacoïdien.

Cet organite contient aussi une molécule d’ADN porteuse de gènes et des ribosomes, héritage de son origine endosymbiotique.

Au cours de la photosynthèse, la plante chlorophyllienne fixe du CO₂ pour produire de la matière organique. Cette réaction a lieu en présence de lumière. Il est possible de montrer l’existence de deux phases pour la réalisation de la photosynthèse.

En 1905, le physiologiste anglais Frederick Blackman compare deux conditions de culture. Il constate que lorsque le facteur limitant de la réaction est la concentration de CO₂, la vitesse de la photosynthèse dépend de la température. En revanche, lorsque le facteur limitant est l’intensité lumineuse, la vitesse de la réaction n’est pas thermodépendante.

Il en déduit que la photosynthèse se réalise en deux phases :

• Une phase photodépendante, qui sera appelée phase photochimique, qui utilise la lumière ;
• Une phase thermodépendante, qui sera appelée phase chimique, au cours de laquelle le CO₂ se fixe. Cette phase met en jeu des activités enzymatiques.

En 1958, le physiologiste américain Daniel Israel Arnon, après avoir isolé des chloroplastes, sépare le stroma et les thylacoïdes. Il les place ensuite dans différentes conditions expérimentales en présence de ¹⁴CO₂ afin de suivre la fixation du carbone et la synthèse des molécules organiques.

(D’après Arnon, 1958)

Il observe que la synthèse des molécules organiques se fait uniquement en présence de stroma et que la lumière n’a d’effet que sur les thylacoïdes. On peut en déduire que la phase photochimique a lieu dans les thylacoïdes alors que la phase chimique a lieu dans le stroma.

Si on place des chlorelles, algues unicellulaires chlorophylliennes, en présence de lumière, on constate que la fixation du C est optimale et perdure durant quelques secondes une fois à l’obscurité.

D'après Gaffron et coll., 1951

Ces résultats montrent que la phase chimique au cours de laquelle le carbone est fixé pour produire des molécules organiques, même si elle n’est pas photodépendante, nécessite des composés produits par la phase photochimique. À l’obscurité, elle s’arrête lorsque ces composés ne sont plus disponibles.

Ainsi, la photosynthèse se déroule en deux phases distinctes qui sont néanmoins couplées : la phase photochimique dans les thylacoïdes et la phase chimique dans le stroma.

Les thylacoïdes contiennent des pigments photosensibles qui sont responsables de la couleur des feuilles de la plante. Ces pigments ont la propriété d’être solubles dans les solvants organiques. Il est donc possible de les séparer par chromatographie en fonction de leur masse.

La séparation par chromatographie de ces pigments montre qu’il existe plusieurs types de pigments : les chlorophylles a et b, les xanthophylles et les caroténoïdes. Chacun de ces pigments possède la capacité d’absorber l’énergie lumineuse. En revanche, tous n’absorbent pas les rayonnements avec la même efficacité. On définit pour chaque pigment son propre spectre d’absorption. Les proportions des pigments dans la feuille vont lui donner sa couleur qui correspond aux longueurs d’ondes non absorbées.

On constate que tous ces pigments absorbent de façon importante les longueurs d’ondes comprises entre 400 et 550 nm et entre 630 et 750 nm. De même, l’activité photosynthétique d’une feuille varie aussi en fonction de la longueur d’onde à laquelle elle est soumise. Cette activité est superposable avec le spectre d’absorption des pigments foliaires.

On peut en déduire que ce sont les pigments foliaires qui sont responsables de l’absorption de l’énergie lumineuse par les chloroplastes.

Les pigments foliaires font partie d’un complexe protéique enchâssé dans la membrane des thylacoïdes : le photosystème. On décrit deux photosystèmes différents : le photosystème 1 et le photosystème 2. Au sein de ces complexes, les pigments constituent des antennes collectrices qui absorbent l’énergie lumineuse sous la forme de photons. Cette absorption conduit à l’excitation du pigment qui transmet son état d’excitation (son énergie) aux pigments voisins jusqu’au centre réactionnel du photosystème contenant la chlorophylle a. Les pigments retrouvent ensuite leur état initial, dit fondamental.

La chaine photosynthétique correspond à des complexes protéiques enchâssés dans la membrane plasmique : deux photosystèmes associés à des transporteurs d’électrons.

Lorsque la chlorophylle est excitée dans le photosystème 2, elle libère des électrons au profit d’une chaine de transporteurs d’électrons qui va les acheminer jusqu’au photosystème 1.

Le photosystème 2 est couplé à une oxydase qui catalyse la photolyse des molécules d’eau. Cette dernière permet de restituer à la chlorophylle a les électrons perdus et conduit à la production du dioxygène libéré au cours de la photosynthèse.

Lorsque la chlorophylle a du photosystème 1 est excitée, elle cède ses électrons à un composé R qui est alors réduit en RH₂. L’arrivée des électrons provenant de la chaine de transporteurs permet à la chlorophylle a de retrouver son état fondamental.

Ainsi, la phase photochimique de la photosynthèse correspond chimiquement à une réaction d’oxydoréduction conduisant au transfert d’électrons entre un donneur initial, la molécule d’eau et un accepteur final, le composé R. Au cours de cette réaction, des protons sont libérés et transférés dans l’espace intrathylacoïdien dont le pH s’acidifie. Un gradient de protons se met donc en place de part et d’autre de la membrane du thylacoïde qui va servir de moteur à la production d’ATP, forme chimique de l’énergie du vivant.

L’ATP, ou adénosine triphosphate, est produite à partir de l’ADP (adénosine diphosphate) et d’un phosphate inorganique (Pi). La formation de la liaison phosphate qui lie l’ADP et le Pi nécessite de l’énergie. Son hydrolyse permet de libérer l’énergie au profit d’une réaction biochimique qui a lieu dans la cellule.

Associée à chaque chaine photosynthétique se trouve une ATP synthase couplée à un transporteur de protons. Des expériences réalisées in vitro montrent que la mise en place du gradient de protons permet la synthèse d’ATP.

Des thylacoïdes sont isolés et placés à l’obscurité dans un milieu à pH4. Après équilibrage des pH entre l’espace intrathylacoïdien et le milieu extérieur, on les place dans un milieu à pH8.

La synthèse d’ATP n’a lieu que lorsque le pH est plus faible dans l’espace intrathylacoïdien, ce qui correspond à une plus forte concentration en protons.

Ainsi, le gradient de protons mis en place le long de la chaine photosynthétique sert de moteur à la production d’ATP et permet la conversion de l’énergie lumineuse en énergie chimique.