Échanges gazeux chlorophylliens et mécanisme de la photosynthèse

1. Les échanges gazeux à la lumière et à l'obscurité

Dans l'expérience ci-dessus :

• à l'obscurité, la plante absorbe du O₂ et rejette du CO₂ : c'est la respiration, qui a lieu jour et nuit dans toutes les cellules vivantes ;
• à la lumière, la plante rejette du O₂ et absorbe du CO₂ : la photosynthèse l'emporte sur la respiration.

À la lumière, la respiration continue, mais elle est masquée : la plante produit plus de O₂ par photosynthèse qu'elle n'en consomme par respiration. Ce que l'on mesure à la lumière est donc un bilan.

• Photosynthèse apparente (ou nette) P_a : l'échange mesuré à la lumière (dégagement net de O₂ ou absorption nette de CO₂).
• Respiration R : l'échange mesuré à l'obscurité (supposé identique à la lumière).
• Photosynthèse réelle (ou brute) P_r : ce que la photosynthèse produit vraiment.

P_r = P_a + R

Le point de compensation. Quand l'éclairement est faible (aube, crépuscule, sous-bois), la photosynthèse réelle peut être exactement égale à la respiration : les échanges gazeux sont nuls, P_a = 0. L'intensité lumineuse correspondante est le point de compensation. En dessous, la plante consomme plus de matière organique qu'elle n'en produit.

Le quotient photosynthétique (QP). C'est le rapport entre le volume de O₂ dégagé et le volume de CO₂ absorbé par la photosynthèse :

QP = V(O₂) dégagéV(CO₂) absorbé

D'après l'équation 6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂, quand la plante fabrique des glucides, elle dégage 6 moles de O₂ pour 6 moles de CO₂ absorbées : QP = 1. Les mesures réelles donnent des valeurs voisines de 1.

2. D'où vient le dioxygène rejeté ?

Hypothèse 1 : il vient du CO₂. Hypothèse 2 : il vient de l'eau.

L'expérience de Ruben et Kamen (1941). On utilise un isotope lourd de l'oxygène, l'oxygène 18 (¹⁸O), que l'on peut repérer. On cultive des algues vertes (chlorelles) dans deux conditions :

Conclusion : le dioxygène rejeté par la photosynthèse provient de l'eau, et non du CO₂. L'oxygène du CO₂ se retrouve dans la matière organique (et dans de l'eau formée).

L'expérience de Hill (1937). Hill isole des chloroplastes (broyage de feuilles puis centrifugation) et les place dans une solution sans CO₂, contenant un sel ferrique (Fe³⁺). À la lumière, il observe un dégagement de O₂, et les ions Fe³⁺ sont réduits en ions Fe²⁺. À l'obscurité, rien ne se passe.

Interprétation : à la lumière, les chloroplastes décomposent l'eau (c'est la photolyse de l'eau), ce qui libère du O₂ et des électrons. Ces électrons réduisent un accepteur (ici Fe³⁺ ; dans la cellule, un transporteur naturel). Ce dégagement de O₂ se fait sans CO₂ : la production de O₂ et la fixation du CO₂ sont deux étapes distinctes.

2 H₂O xrightarrowlumière, chlorophylle O₂ + 4 H^+ + 4 e^-

Pour tenir compte de l'origine du O₂, on écrit l'équation bilan sous une forme plus exacte :

6 CO₂ + 12 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ + 6 H₂O

Les 12 molécules d'eau fournissent les 12 atomes d'oxygène des 6 O₂ ; de l'eau est reformée à partir de l'oxygène du CO₂.

3. La phase claire (phase photochimique)

Elle se déroule dans les membranes des thylakoïdes et exige la lumière.

1. Les pigments chlorophylliens captent l'énergie lumineuse ; la chlorophylle excitée perd des électrons.
2. Ces électrons sont remplacés par ceux de l'eau : c'est la photolyse de l'eau, qui libère le O₂ et des ions H^+.
3. Les électrons circulent le long d'une chaîne de transporteurs de la membrane et aboutissent à un transporteur, le NADP, qui est réduit en NADPH (on écrit aussi NADPH,H^+ ou, dans certains manuels, R'H₂).
4. L'énergie libérée pendant ce transport sert à fabriquer de l'ATP (à partir d'ADP et de phosphate).

Bilan de la phase claire : l'énergie lumineuse est convertie en énergie chimique sous forme d'ATP et de NADPH ; du O₂ est rejeté.

4. La phase sombre (non photochimique) : le cycle de Calvin

Elle se déroule dans le stroma. Elle n'utilise pas directement la lumière, mais elle a besoin de l'ATP et du NADPH produits par la phase claire (c'est pourquoi elle s'arrête peu après qu'on éteint la lumière).

L'expérience de Calvin. Dans les années 1950, Calvin et ses collaborateurs fournissent à des chlorelles éclairées du CO₂ marqué au carbone 14 (radioactif), puis les tuent après des temps très courts et recherchent les molécules radioactives. Après quelques secondes seulement, la radioactivité apparaît d'abord dans une molécule à 3 carbones, l'acide phosphoglycérique (APG) ; puis, après des temps plus longs, dans des sucres phosphorylés, puis dans le glucose et l'amidon.

Le cycle comprend trois étapes :

1. Fixation (carboxylation) : une molécule de CO₂ se fixe sur un sucre à 5 carbones, le ribulose diphosphate (RuDP), grâce à une enzyme, la rubisco. On obtient 2 molécules d'APG (à 3 carbones).
2. Réduction : l'APG est réduit en triose phosphate (un sucre à 3 carbones, appelé aussi aldéhyde phosphoglycérique) grâce à l'ATP et au NADPH de la phase claire.
3. Régénération : la plupart des trioses phosphates servent à reformer le RuDP (ce qui consomme encore de l'ATP) ; les autres sortent du cycle pour former du glucose, puis de l'amidon ou du saccharose.

Preuve des liens entre les deux phases. Si l'on éteint brusquement la lumière, la quantité d'APG augmente un court moment et celle de RuDP diminue : sans ATP ni NADPH, l'APG ne peut plus être réduit (il s'accumule), et le RuDP n'est plus régénéré mais continue d'être consommé par la fixation du CO₂. Inversement, si l'on supprime le CO₂ à la lumière, le RuDP s'accumule et l'APG diminue.