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Cours de SVTHEEB Premiere D – Conversion de l’énergie lumineuse en énergie chimique

Objectifs :
Démontrer que les plantes vertes captent l’énergie lumineuse
Expliquer le mécanisme de conversion de l’énergie lumineuse en énergie chimique
Déterminer la relation existant entre le programme génétique et le mécanisme de la photosynthèse
Les végétaux chlorophylliens synthétisent les substances organiques (glucides, protides, lipides) en utilisant l’énergie lumineuse captée par la chlorophylle logée dans les chloroplastes : c’est la photosynthèse. La source de carbone indispensable aux synthèses est le dioxyde de carbone que la plante chlorophyllienne éclairée puise dans le milieu. Ces synthèses s’accompagnent d’un dégagement de dioxygène dont la mesure permet d’évaluer l’importance de la photosynthèse.
• Comment l’énergie lumineuse est-elle convertie en énergie chimique par les végétaux chlorophylliens?
• Comment est assurée l’assimilation du dioxyde de carbone c’est-à-dire son incorporation dans les molécules organiques produites par la photosynthèse?

Quelques rappels
La photosynthèse est le processus bioénergétique qui permet à des organismes (comme les bactéries photo autotrophes) de synthétiser de la matière organique en utilisant l’énergie lumineuse.
Intensité photosynthétique (IP) : c’est le volume de dioxyde de carbone absorbé (ou le volume de dioxygène rejeté) par unité de temps et de masse végétale ou par unité de temps et de surface foliaire. Elle mesure l’importance de la photosynthèse.
Quotient photosynthétique (QP) : c’est le rapport du volume de dioxygène rejeté au volume de dioxyde de carbone absorbé.
L’analyse par chromatographie de la chlorophylle brute permet de distinguer plusieurs types de pigments photosynthétiques (voir tableau suivant):

Chlorophylle brute (1 % de la matière sèche des feuilles)Chlorophylles (0.8 %)Chlorophylle a (vert) 0.6 %
Chlorophylle b (vert) 0.2 %
Caroténoïdes (0.2 %)Xanthophylles (jaune)
Carotènes (orange)

La chlorophylle a est le véritable moteur de la photosynthèse. La chlorophylle b, les xanthophylles et les carotènes sont les pigments surnuméraires ; ils captent la lumière mais ne font pas la photosynthèse.

I. Mise en évidence de la capture de l’énergie lumineuse par les plantes chlorophylliennes
1) Spectre d’émission de la lumière blanche
La lumière blanche est constituée de plusieurs radiations lumineuses. La décomposition de la lumière blanche grâce à un prisme permet d’observer sur un écran 7 radiations dont les longueurs d’ondes varient entre 400 et 700 nm. Ces radiations constituent le spectre d’émission de la lumière blanche.
Le spectre d’émission est la décomposition de la lumière blanche en ses différentes radiations monochromatiques.

spectre lumiere blanche2) Spectre d’absorption de la chlorophylle
La chlorophylle brute a la propriété d’absorber certaines radiations monochromatiques. Si on interpose entre la source lumineuse et le prisme, une cuve contenant une solution de chlorophylle brute, on constate que toutes les radiations à l’exception du vert sont devenus plus ou mois sombres. Les radiations sombres sont les radiations absorbées par la solution de chlorophylle brute.
Les bandes les plus sombres sont le rouge et le bleu ; cela montre que ces radiations sont les plus absorbées. La radiation verte n’est pas du tout absorbée car son image est intacte sur l’écran.
spectre d absortion

3) Spectre d’action de la chlorophylle
Expérience d’Engelmann
Bacterium termo est une espèce de Bactéries très avide de dioxygène. Dans une préparation microscopique contenant des bulles d’air, on remarque que ces bactéries se rassemblent autour de ces bulles d’air.
En I885. Engelmann a place en suspension une algue verte filamenteuse dans une goutte d’eau et éclaire par le spectre de la lumière solaire. Engelman Introduit dans cette préparation des bactéries terme et obtient les résultats illustres par la figure suivante.
experience engelmannAnalysez, interpréter et conclure ces résultats
Les bactéries sont réparties de façon inégale le long de l’algue verte. Elles sont plus abondantes autour des radiations bleue et rouge.
L’algue verte filamenteuse absorbe les radiations lumineuses pour réaliser la photosynthèse. Ceci se caractérise par un dégagement de dioxygène déterminant la répartition des bactéries. Celles-ci sont plus sont plus abondantes au niveau des radiations où le dégagement de dioxygène est important. Ce sont les radiations bleue et rouge.
Engelmann conclut que les radiations les plus absorbées sont celles qui sont les plus efficaces pour la photosynthèse, c’est-à-dire celles pour lesquelles l’intensité photosynthétique(IP) est importante. L’IP est faible dans le jaune et nulle dans le vert.
Le spectre d’action de la chlorophylle est l’ensemble des radiations lumineuses efficaces pour la photosynthèse. Il est superposable au spectre d’absorption de la chlorophylle.
spectre d action chlorophyle
II. Mécanisme de la photosynthèse
1) Siège de la photosynthèse : les chloroplastes
En microscopie électronique, les chloroplastes apparaissent formés de stroma entourés de deux membranes (une interne et une externe) et contenant de nombreux thylakoïdes. Les membranes de ces thylakoïdes sont riches en protéines, contiennent des chaines de transporteurs d’électron et des pigments photosynthétiques.
2) Les différentes phases de la photosynthèse
a) Les expériences de pré-illumination
expériences de pre illuminationle dosage des matières organiques formées par les chlorelles (algues chlorophylliennes unicellulaires) dans différentes conditions d’éclairage donne les graphes ci-dessus
Analyser et interpréter les résultats.
L’incorporation du dioxyde de carbone dans les matières organiques ne dépend pas directement de la lumière mais plutôt de certains facteurs dont la lumière induirait la synthèse.
b) Expérience de Ruben et Kamen, 1940
Une suspension d’algues fortement éclairée et placée dans une eau marquée par l’isotope radioactif \(_{}^{18}\textrm{O}\),  dégage à la lumière seulement, du dioxygène contenant uniquement des atomes d’oxygène radioactifs.
Conclusion : En présence de la lumière, on assiste à la photolyse de l’eau (photodissociation de l’eau) :
\(H_2O\overset{Lumiere}{\rightarrow}\) \(H_2+\frac{1}{2}O_2\)
Ces résultats expérimentaux montrent que la photosynthèse se réalise en deux phases successives :
• Une phase lumineuse ou photochimique ou claire au cours de laquelle l’énergie lumineuse est convertie en énergie chimique.
• Une phase sombre ou d’assimilation du CO2 au cours de laquelle le dioxyde de carbone est incorporé dans les molécules organiques.
Phase lumineuse ou photochimique
Elle se déroule dans les thylakoïdes. Différents pigments chlorophylliens contenus dans la membrane des thylakoïdes absorbent l’énergie des radiations lumineuses et les transmettent à la chlorophylle a qui devient ainsi une molécule excitable. Les photons lumineux excitent ainsi la chlorophylle a et lui arrachent des protons ; elle devient ainsi la chlorophylle a oxydée (chl a+).
chl a + photons \(\longrightarrow\) chl a+
La chlorophylle a excitée par la lumière cède des électrons à une chaîne des transporteurs d’électrons. L’accepteur final T (NADP+) se réduit en TH2 (NADPH2 ).
Le système ne peut être continu que si la chlorophylle a oxydée (chl a+) se réduit en chl a. Cette chl a+ oxyde l’eau selon l’équation. C’est la photolyse de l’eau.
Cette photolyse produit le dioxygène qui est rejeté ; des protons H+ qui réduisent les assurant les
transporteurs dans le chloroplaste et activent des enzymes ATP synthétases ; ces dernières catalysent la synthèse de l’ATP.
synthese de ATPBilan de la phase claire
• Production d’ATP
• Réduction du NADP+ en NADPH2
• Oxydation de l’eau en O2
Phase sombre ou d’assimilation du CO2
Cette phase se déroule dans le stroma et ne nécessite ni la lumière, ni les pigments photosynthétiques.
Au cours de cette phase, l’ATP et le NADPH2 formés lors de la phase claire, sont utilisés au cours des réactions d’incorporation de CO2 dans les molécules organiques.
Une molécule de CO2 se fixe sur le ribulose diphosphate, réaction catalysée par la ribulose
diphosphate carboxylase (rubisco). L’assimilation d’une molécule de CO2 nécessite 3 molécules d’ATP et 2NADPH2 ; elle a lieu au cours du cycle de Calvin-Benson. Il faut en tout 6 tours de cycle de Calvin pour une molécule de glucose.
cycle de calvinBilan de la photosynthèse :
\(6CO_2+6H_2O\xrightarrow[Chlorophile]{lumiere}\) \(6O_2+\underset{Glucose}{C_6H_{12}O_6}\)

III. Mobilisation des produits synthétisés
La matière organique synthétisée constitue l’énergie chimique qui peut être soit utilisée (par la respiration et la fermentation) soit stockée. La matière organique destinée au stockage est d’abord stocké sous forme d’amidon insoluble, puis déstockée sous forme de saccharose soluble qui est véhiculé dans la sève élaborée aux différents organes de réserve (tiges, racines, graines, fleurs).

IV. Les réactions de la photosynthèse et le programme génétique
L’information génétique d’un être vivant est l’ensemble des gènes portés par ses chromosomes et dirigeant le fonctionnement de ses cellules. Les réactions de la photosynthèse se déroulent à l’intérieur des chloroplastes, dans les conditions biologiques et nécessitent des enzymes. Etant donné que les enzymes sont des protéines synthétisées sous codage de l’information génétique, nous pouvons conclure que les réactions de la photosynthèse dépendent du programme génétique.
L’intensité photosynthétique (IP) varie en fonction de:
• L’espèce végétale
• Le nombre et le degré d’ouverture des stomates qui sont des structures par où diffuse le CO2 atmosphérique
• L’âge de la feuille
• La teneur du milieu en dioxyde de carbone
• L’intensité de l’éclairement
• La température

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