by Stefanie on 10/08/2015 | Culture

La photosynthèse : phase lumineuse

Photosynthèse La phase lumineuse représente la première étape de la photosynthèse et convertit l'énergie solaire en énergie chimique. La lumière est absorbée par des complexes formés de chlorophylles et de protéines appelées photosystèmes, qui se trouvent dans les chloroplastes.


Dans cet article, nous étudions la physiologie du Cannabis sativa L. À cette occasion, nous étudierons le processus biochimique le plus important de la nature depuis les origines de la vie il y a plusieurs millions d’années, puisqu’il a entraîné la modification de la composition de l’atmosphère à l’échelle planétaire. À savoir, la photosynthèse.

Illustration montrant la croissance d’une plante de cannabis tout au long de la photosynthèse, ainsi que sa corrélation avec l’énergie lumineuse, la production d’oxygène et l’absorption du dioxyde de carbone, le stockage de sucres ou d’amidon, la vapeur d’eau et l’absorption de l’oxygène et des minéraux par les racines.

C’est grâce à ce processus que notre planète possède aujourd’hui une atmosphère riche en oxygène. Conséquence : les plantes supérieures sont parvenues à dominer la surface de la Terre, offrant de la nourriture à beaucoup d’autres organismes qui s’alimentent ou trouvent refuge grâce à elle. L’atmosphère primitive contenait des gaz tels que l’ammonium, l’azote et le dioxyde de carbone, mais très peu d’oxygène.

Les plantes trouvèrent le moyen de transformer ce CO2 si abondant en aliment, avec l’aide de la lumière du soleil. Mais enfin : comment peut-on transformer l’eau et le dioxyde de carbone en hydrates de carbone ? Quel est le rôle du rayonnement solaire dans ce processus ? Nous allons tenter de répondre à ces questions de façon agréable.

Que est la Photosynthèse?

La photosynthèse est la conversion de matière inorganique en matière organique grâce à l’énergie apportée par la lumière du soleil (ou les lampes de culture, dans certains cas). Au cours de ce processus, l’énergie lumineuse se transforme en énergie chimique stable, et l’adénosine triphosphate (ATP) est la première molécule dans laquelle est emmagasinée cette énergie chimique. Par la suite, l’ATP sert à synthétiser les molécules organiques présentant une plus grande stabilité.

En outre, il ne faut pas oublier que la vie sur notre planète est possible essentiellement grâce à la photosynthèse des algues, en milieu aquatique, et des plantes, en milieu terrestre, qui ont la capacité de synthétiser la matière organique (indispensable à la constitution des êtres vivants) à partir de la lumière et des éléments minéraux essentiels, les macro et micronutriments.

Nous pouvons considérer les plantes comme des usines de sucre et d’autres hydrates de carbone, dont les matières premières sont l’eau et le dioxyde de carbone, et qui utilisent la lumière comme source d’énergie. Pour résumer, nous pouvons décrire le processus à l’aide d’une équation chimique simple :

H2O + Lumière + CO2 = C6H12O6

Les responsables de cette réaction au sein des cellules végétales sont les chloroplastes. Ces structures, de formes différentes et de couleur verte (cette coloration est due à la présence du pigment chlorophylle), sont propres aux cellules végétales. Tout comme les mitochondries (organites responsables de la respiration cellulaire chez les plantes comme chez les animaux), les chloroplastes disposent de leur propre ADN et étaient probablement à l’origine des bactéries symbiotiques intracellulaires.

À l’intérieur de ces organites se trouve une chambre contenant un milieu interne appelé stroma, qui héberge divers composants parmi lesquels des enzymes chargées de transformer le dioxyde de carbone en matière organique et des saccules aplatis appelés thylakoïdes, dont la membrane contient des pigments photosynthétiques (chlorophylles).

Diagramme représentant la structure chimique simplifiée de la molécule d'adénosine triphosphate (ATP), une source d'énergie présente chez tous les êtres vivants.
Structure chimique simplifiée de la molécule d’adénosine triphosphate (ATP), source d’énergie présente chez tous les êtres vivants.

La photosynthèse n’est pas un processus isolé, mais englobe plusieurs réactions biochimiques complexes. En gros, afin d’en faciliter l’étude, la photosynthèse peut être divisée en trois étapes : la phase lumineuse, la phase obscure et la photorespiration. Ce chapitre décrit uniquement la phase lumineuse, afin de ne pas fournir trop d’informations.

La phase lumineuse

La phase lumineuse représente la première étape de la photosynthèse et convertit l’énergie solaire en énergie chimique. La lumière est absorbée par des complexes formés de chlorophylles et de protéines appelées photosystèmes, qui se trouvent dans les chloroplastes. On l’appelle phase lumineuse ou claire, car l’utilisation de l’énergie de la lumière n’est possible que dans des conditions de grande luminosité, qu’elle soit naturelle ou artificielle. Cette phase ne peut pas se réaliser dans l’obscurité.

Le photosystème I et le photosystème II (ci-après PSI et PSII) sont tous deux chargés de capter la lumière et d’utiliser son énergie pour déclencher le transport des électrons à travers une chaîne de récepteurs. Pour simplifier, il s’agit de faire sauter les électrons de la molécule d’eau jusqu’à ce qu’ils forment l’ATP, en passant par différentes formes chimiques intermédiaires, comme s’il s’agissait d’une chaîne de transport.

Le PSI et le PSII absorbent la lumière, ce qui augmente l’énergie des électrons à des niveaux supérieurs à leur état fondamental. Cette énergie se déplace entre différentes molécules de chlorophylle, jusqu’au centre du photosystème II où l’eau est séparée en composants suivants : deux protons (H+), un atome d’oxygène (O) et deux électrons.

L’oxygène se lie à l’atome excédentaire d’une autre molécule d’eau pour créer l’oxygène atmosphérique (O2). C’est grâce à ce phénomène que nous autres, animaux terrestres, pouvons respirer à la surface de la planète… Petite plaisanterie.

L’énergie lumineuse qu’absorbe la chlorophylle répond grosso modo à deux longueurs d’onde spécifiques : 680 et 700 nanomètres. Ces deux longueurs d’onde stimulent l’un des deux photosystèmes et, selon celui qui libère les électrons à chaque instant, le chemin suivi par la photosynthèse est légèrement différent, quoique complémentaire. L’énergie lumineuse sous forme de photon est transmise aux électrons externes des molécules de chlorophylle, qui s’échappent de la même façon et produisent une sorte de courant électrique à l’intérieur du chloroplaste en intégrant la chaîne de transport des électrons (voir l’illustration suivante).

Cette énergie peut servir à la synthèse de l’ATP au moyen de la photophosphorylation et à la synthèse du NADPH. Les deux composés sont nécessaires à la phase suivante, ou cycle de Calvin, où se synthétisent les premiers sucres, qui serviront à la production de saccharose et d’amidon. Nous verrons ce phénomène au chapitre suivant.

Structure de nicotinamide adénine dinucléotide oxydée (NAD+), une coenzyme qui intervient dans de nombreuses voies anaboliques.
La nicotinamide adénine dinucléotide phosphate (abrégée en NADP+ dans sa forme oxydée et en NADPH+ dans sa forme réduite) est une coenzyme qui intervient dans de nombreuses voies anaboliques.

Il existe toutefois deux variantes de la photophosphorylation : acyclique et cyclique, en fonction du chemin emprunté par les électrons à travers les deux photosystèmes. Les conséquences résident principalement dans la production ou non de NADPH et dans la libération ou non d’oxygène gazeux. Voyons d’abord ce qu’est la photophosphorylation de façon schématique.

Dans la photophosphorylation cyclique, une molécule appelée plastocyanine transporte les électrons (e) jusqu’au photosystème I, qui possède également un centre réactionnel et une structure de captation de la lumière. Une fois que l’électron a excité le centre réactionnel (P700 dans le schéma suivant), les électrons qui atteignent le PSI sont de nouveau stimulés par l’énergie de la lumière à un niveau énergétique supérieur et sont également transportés à travers la nouvelle chaîne d’accepteurs jusqu’à ce qu’une molécule finale les accepte. Cette molécule, qui capte les électrons, s’en sert pour convertir l’ADP (une forme non énergétique de l’ATP) et un atome de phosphore en ATP, c’est-à-dire, l’espace de stockage de l’énergie.

Au cours de la photophosphorylation acyclique, le processus est différent. Les photons agissent sur le PSII en l’excitant et en libérant deux électrons, qui atteignent le premier accepteur d’électrons, la phéophytine. Le donneur primaire d’électrons, le donneur Z, remplace les électrons par ceux provenant de la photolyse de l’eau à l’intérieur du thylakoïde.

Les protons de la photolyse s’accumulent à l’intérieur et l’oxygène est libéré sous forme gazeuse. Les électrons traversent une chaîne de transport, qui inversera l’énergie libérée lors de la synthèse de l’ATP. Comment ? En théorie, comme suit : les électrons sont cédés aux plastoquinones, qui captent également deux protons du stroma. Les électrons et les protons sont ensuite transférés sur le complexe cytochrome bf, qui pompe les protons à l’intérieur du thylakoïde. On obtient ainsi une grande concentration de protons dans le thylakoïde (entre ceux-ci et ceux qui résultent de la photolyse de l’eau).

Par ailleurs, les électrons des cytochromes atteignent la plastocyanine, qui les transfère à son tour au PSI. Avec l’énergie de la lumière, les électrons sont à nouveau libérés et captés par l’accepteur. Ils se déplacent ensuite à travers une série de molécules jusqu’à la ferrédoxine (Fd dans le schéma). Cette molécule les transmet à l’enzyme NADP+-réductase, qui capte également deux protons du stroma. Avec les deux protons et les deux électrons, NADP+ se réduit pour former NADPH + H+ (voir le schéma suivant).

Diagramme représentant la photophosphorylation cyclique. L’électron libéré lors de la formation de l’ATP stimule de nouveau le PSI.
Photophosphorylation acyclique. L’électron libéré lors de la formation d’ATP excite le PSI pour produire de la NADPH.

Cet ensemble de processus représente ce que l’on appelle la phase lumineuse. Nous pouvons maintenant nous dire au revoir. Nous nous retrouverons dans le prochain numéro, dans lequel nous finirons d’expliquer le processus photosynthétique en décrivant la phase obscure et la photorespiration. D’ici là : portez-vous bien et fumez bien !

Auteur : Manel

Commentaires

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Paulus

Bjr,
J'en déduis que la plante doit atteindre un niveau de maturité et structurel adéquat qui lui fourniront le potentiel nécessaire à la photorespiration.
La phase lunaire croissante favorisera autant dans la phase lumineuse que nocturne tandis que la phase montante influencera la partie aérienne alors que la descendante les racines.

17/07/2018

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