Mécanisme de la photosynthèse

La photosynthèse est le processus par lequel les organismes chlorophylliens (plantes vertes, algues, cyanobactéries) transforment l'énergie lumineuse en énergie chimique.

Elle permet de convertir le dioxyde de carbone (CO₂) et l'eau (H₂O) en glucose (C₆H₁₂O₆) en utilisant l'énergie lumineuse.

Le processus libère du dioxygène (O₂) comme sous-produit.

Cette réaction semble simple, mais elle se déroule en plusieurs étapes complexes à l'intérieur des cellules végétales.

• 1 Producteur primaire : base de la chaîne alimentaire
• 2 Production d'oxygène : maintien de l'atmosphère respirable
• 3 Fixation du carbone : conversion du CO₂ atmosphérique
• 4 Stockage d'énergie : conversion de l'énergie solaire en énergie chimique

Les chloroplastes sont les organites cellulaires responsables de la photosynthèse.

Ils sont présents dans les cellules végétales et les algues.

Chaque cellule peut contenir plusieurs dizaines de chloroplastes.

• Membrane externe : enveloppe du chloroplaste
• Membrane interne : régule le passage des substances
• Stroma : matrice interne contenant enzymes et ADN
• Thylakoïdes : sacs aplatis contenant chlorophylle
• Granum : pile de thylakoïdes

• Chlorophylle a : principale, absorbant à 430 et 660 nm
• Chlorophylle b : accessoire, absorbant à 450 et 640 nm
• Caroténoïdes : accessoires, absorbant dans le bleu-vert

Les réactions lumineuses se déroulent dans les thylakoïdes.

Les réactions enzymatiques (cycle de Calvin) se déroulent dans le stroma.

Se déroulent dans les thylakoïdes.

Les photons sont absorbés par les pigments photosynthétiques.

Deux photosystèmes sont impliqués : PSII et PSI.

• Excitation des électrons : absorption de lumière par chlorophylle
• Transport d'électrons : chaîne de transport dans les thylakoïdes
• Production d'ATP : phosphorylation
• Production de NADPH : réduction
• Dégagement d'O₂ : photolyse de l'eau

Se déroulent dans le stroma.

Ne nécessitent pas directement la lumière mais les produits des réactions lumineuses.

Fixation du CO₂ dans un composé organique.

• Fixation du CO₂ : fixation sur RuBP (5C)
• Réduction : utilisation de NADPH et ATP
• Régénération : reforme le RuBP

Le PSII est excité par des photons de 680 nm (P680).

Les électrons sont transférés à la plastoquinone.

L'eau est dissociée (photolyse) : 2H₂O → 4H⁺ + 4e⁻ + O₂

Électrons transférés de PSII à PSI via cytochromes.

Pompage de protons (H⁺) dans l'espace thylakoïdal.

Création d'un gradient électrochimique.

Le PSI est excité par des photons de 700 nm (P700).

Électrons réduisent le NADP⁺ → NADPH.

Énergie chimique stockée dans NADPH.

Le gradient de protons permet la synthèse d'ATP via l'ATP synthase.

Phosphorylation : ADP + Pi → ATP

Énergie chimique stockée dans les liaisons phosphates.

Le CO₂ est fixé sur le RuBP (ribulose-1,5-bisphosphate) par la RuBisCO.

Produit instable à 6 carbones se scinde en 2 molécules de 3-PGA (3-phosphoglycerate).

Étape critique : catalysée par l'enzyme RuBisCO, la plus abondante sur Terre.

Les molécules de 3-PGA sont phosphorylées par ATP.

Elles sont ensuite réduites par NADPH pour former G3P (glycéraldéhyde-3-phosphate).

Énergie chimique stockée dans les liaisons du G3P.

La plupart des molécules de G3P sont recyclées pour reformer le RuBP.

Processus nécessitant de l'ATP.

Une molécule de G3P quitte le cycle pour former du glucose.

Pour produire une molécule de glucose (C₆H₁₂O₆) :

• 6 CO₂ doivent être fixés
• 18 ATP sont consommés
• 12 NADPH sont consommés

• Irradiance : E = 800 W·m⁻²
• Surface : S = 0,05 m²
• Durée : t = 1 h = 3600 s
• Rendement : η = 1% = 0,01
• Énergie de combustion du glucose : 2800 kJ·mol⁻¹

Puissance reçue : P = E × S = 800 × 0,05 = 40 W

Énergie reçue : E_reçue = P × t = 40 × 3600 = 144 000 J

Soit E_reçue = 144 kJ

Énergie chimique : E_chimique = η × E_reçue

E_chimique = 0,01 × 144 000 = 1 440 J

Soit E_chimique = 1,44 kJ

1 mole de glucose libère 2 800 000 J

Donc nombre de moles : n = 1 440 / 2 800 000 = 5,14×10⁻⁴ mol

Soit environ 0,51 mmol de glucose produites

• CO₂ fixé : 12 mol/h
• Masse molaire du glucose : M = 180 g·mol⁻¹
• Équation : 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

6 moles de CO₂ produisent 1 mole de glucose

Donc 12 moles de CO₂ produisent : 12 / 6 = 2 moles de glucose

m = n × M = 2 × 180 = 360 g

Soit 360 grammes de glucose par heure

1 mole de glucose produit 6 moles d'O₂

Donc 2 moles de glucose produisent : 2 × 6 = 12 moles d'O₂

6 moles de CO₂ consomment 6 moles de H₂O

Donc 12 moles de CO₂ consomment : 12 moles de H₂O

Nombre de molécules : 12 × 6,022×10²³ = 7,23×10²⁴ molécules

L'intensité lumineuse est un facteur limitant à faible éclairement.

La photosynthèse augmente avec l'intensité jusqu'à un point de saturation.

La qualité de la lumière (longueur d'onde) est également importante.

La photosynthèse dépend de la concentration en CO₂ atmosphérique.

À faible concentration, le CO₂ est un facteur limitant.

Avec l'augmentation du CO₂, la photosynthèse s'accélère jusqu'à un plateau.

Les réactions enzymatiques du cycle de Calvin dépendent de la température.

À basse température, l'activité enzymatique est réduite.

À haute température, les enzymes peuvent être dénaturées.

• Humidité : influence l'ouverture des stomates
• Nutriments : azote, phosphore, potassium
• Structure de la plante : surface foliaire, anatomie

• Se déroulent dans les thylakoïdes
• Convertissent l'énergie lumineuse en énergie chimique (ATP, NADPH)
• Produisent de l'oxygène par photolyse de l'eau

• Se déroulent dans le stroma
• Utilisent ATP et NADPH pour fixer le CO₂
• Produisent du glucose à partir de CO₂

Le rendement global de la photosynthèse est d'environ 1-2%.

Certaines algues et plantes peuvent atteindre 3-6%.

Comparé à l'énergie solaire reçue, la conversion est relativement faible.

La photosynthèse est la base de la vie sur Terre.

Elle produit l'oxygène de l'atmosphère et fixe le carbone.

Elle constitue la base de la chaîne alimentaire.