L'Homme, ou Homo Sapiens, est omnivore. Il doit se nourrir pour vivre, car la nourriture contient des éléments organiques nécessaires au besoin de son organisme, comme les protides, les lipides ou les glucides.
L'Homme est donc un organisme hétérotrophe: il a besoin d'éléments organiques déjà présents sur Terre pour vivre. Ces éléments sont soit d'origine animale, soit d'origine végétale. Autrement dit, l'Homme ne se nourrit pas d'éléments minéraux. Ces éléments organiques, dont il se nourrit, proviennent donc des éléments qui sont autotrophes, c’est à dire des éléments qui produisent eux-mêmes leur matière organique, qui leur sert à vivre.
En conséquence, l'homme ne peut pas survivre sans ces organismes autotrophes. Le plus gros producteur de matière organique est la photosynthèse, qui utilise les minéraux et la lumière pour les produire.
Nous pouvons donc nous demander comment le bon fonctionnement de la photosynthèse favorise la vie sur Terre.
La photosynthèse est un processus bioénergétique qui se déroule au sein des plantes (aussi bien terrestres que marines). Ce processus permet la production de chaînes carbonées, d’oxygène et d’eau à partir de l’énergie solaire et de dioxyde de carbone. L’eau est amenée au niveau des feuilles par l’intermédiaire de la sève brute qui vient des racines. L’eau utilisée par la photosynthèse provient donc du sol. Le dioxyde de carbone provient de l’air environnant les feuilles, il est prélevé dans l’atmosphère par l’intermédiaire des stomates. L’énergie utilisée par la plante provient des photons des rayons du soleil.
La photosynthèse peut être représentée par l’équation suivante :
6CO2 + 6H2O à C6H12O6 + 6O2
Energie lumineuse
Chez la
plupart des Dicotylédones (feuilles en position plus ou moins horizontales), il existe un tissu chlorophyllien ou parenchyme formant une palissade à la face supérieure et un tissu lacuneux à la face inférieure. Chez beaucoup de Monocotylédones (feuilles en position verticale), on observe le plus souvent un seul tissu, plus ou moins lacuneux.
Le parenchyme chlorophyllien, lieu de la photosynthèse, est mis en relation avec la feuille vers l'extérieur pour les échanges gazeux, par les stomates, et vers l'intérieur pour l’apport d'eau et des sels minéraux par les nervures.
Le processus de photosynthèse est régit par deux phases, une phase appelée phase claire (ou photochimique) et une autre appelée phase sombre (ou non-photochimique, ou encore cycle de Calvin). Ces deux phases s’effectuent dans les chloroplastes plus précisément dans la chlorophylle.
La phase claire
La phase claire se déroule au niveau des thylakoïdes. On peut la diviser en trois étapes :
1. La capture des photons.
2. L’oxydation de l’eau et la production de dioxygène.
3. La synthèse d’ATP.
La capture des photons
La photosynthèse a lieu dans les chlorophylles, eux même situées dans les chloroplastes. Les chlorophylles absorbent l'énergie transportée par les photons. Les longueurs d'ondes captées sont situées entre 500 et 700 nanomètres, c’est à dire comprise entre la lumière bleue et rouge. Il faut savoir que l’Homme est capable de voir les radiations entre 400 et 700 nanomètres.
Les chlorophylles sont présentes dans la membrane des thylakoïdes, dès qu'un pigment absorbe un photon, qui correspond à sa capacité d'absorption, un électron passe à l'état excité.
A l'obscurité, ces électrons sont dans un état non excité.
Il existe deux principaux états excités de la molécule de chlorophylle. C’est l’absorption des photons qui fait passer un électron de l'état fondamental à l’état excité. L’électron peut soit être à l'état excité supérieur (S1), soit à l'état excité inférieur (S2), selon l'énergie du photon capté, qui varie en fonction de sa radiation. Les électrons de lumière bleue (500 nanomètres) possède plus d'énergie que les électrons de lumière rouge (700 nanomètres), ainsi les électrons de lumière bleue permettent le passage en état S1 tandis que ceux de lumière rouge permettent le passage en état S2. Ceci est expliqué par la loi de Planck (cf : Annexe : Bon à savoir p.9).
Pour que la molécule de chlorophylle repasse de l’état excité à l’état fondamental, il y a trois possibilités. Elle peut émettre de la lumière, transférer son énergie à une molécule très proche, ce procédé est appelé résonance, ou perdre un électron.
Pour la photosynthèse, la molécule de chlorophylle procédera à la perte d’un électron.
L’oxydation de l’eau et la production de dioxygène
Chaque photon absorbé par la chlorophylle libère un électron. Ainsi, l’eau peut être oxydée.
Ce système d’oxydation peut être représenté par l’équation suivante :
2 H2O à O2 + 4 H+ + 4 e-
La synthèse d’ATP
L’ATP, aussi appelé adénosine triphosphate est un nucléotide à haut potentiel énergétique, qui est synthétisé dans le chloroplaste au niveau de la membrane du thylakoïde.
Cette synthèse est poss
ible grâce au transfert d’électrons, créant l’énergie nécessaire à la création de l’ATP et grâce à l’ATPase (ATP synthase). Cette synthèse d'ATP, réalisable grâce à la lumière, est appelée photophosphorylation.
En résumé, la première phase consiste à convertir l’énergie lumineuse en énergie chimique qui est utilisée par le chloroplaste pour la deuxième phase de la photosynthèse.
Cette phase claire peut se résumer par l'équation suivante :
12H2O + lumière à 6O2 + énergie chimique (24 Hydrogènes).
La phase sombre
La phase sombre, ou cycle de Calvin a donc besoin de l’énergie chimique fournit par la première phase.
La phase sombre se déroule dans le stroma des chloroplastes. On peut la diviser en trois étapes :
1. L’incorporation du CO2
2. La réduction de l'APG en trioses-P
3. La régénération du RUBP
L'incorporation du CO2
Comme son nom l'indique,
Seule la fonction "carboxylase" joue un rôle important lors de la photosynthèse. La fonction "oxygénase" n’est néc
essaire que pour la photorespiration.
Equation bilan :
RUBP + dioxyde de carbone à 2 APG (catalysé par
La réduction de l'APG en trioses-P
L'APG est le résultat de l
’incorporation du CO2 dans le RUBP.
Une étape importante consiste donc en la réduction de l'APG.
L’APG est d’abord réduit par l’ATP, ce qui donne du 1.3-bisphosphoglycérate et de l’ADP. Ens
uite, le 1.3-bisphosphoglycérate est réduit par le NADPH, ce qui permet de synthétisé du glyceraldéhyde-3-phosphate et du NADP+. Ici, ce sont les glyceraldéhyde-3-phosphate qui nous intéresse, on les appelle plus couramment les trioses-P.
La régénération du RUBP
Le principe même du cycle de Calvin est de permettre la régénération du RUBP à partir d'une partie des trioses obtenus.
A partir de 5 trioses-P (C3P) il se forme 3 pentoses-P (C5P), c’est donc
Seuls les nombres de carbones des molécules son
t pris en compte.
Les pentoses-P, ou RU
P, sont convertis en RUBP grâce à l'ATP. Cette réaction de phosphorylation est catalysée par
La régénération du RUBP néce
ssite donc une molécule d’ATP supplémentaire par molécule de C02 fixé.
Dans le stroma, l’autre partie des trioses-P obtenus lors de la réduction, qui n’ont pas servit à la régénération, peuvent suivre deux voies : soit ils descendent dans la glycolyse et alimentent la respiration mitochondriale, source d'énergie pour l'ensemble des réactions métaboliques de la cellule, soit ils remontent dans les réactions de la glycolyse et permettre ainsi la formation de glucose 1-phosphate (G-1-P).
Le G-1-P est à l'origine de la synthèse de saccha
rose par association à une molécule très riche en énergie, qui s’appelle l'Uridine Tri Phosphate, ou UTP. Il en résulte de l'uridine di-phosphate-glucose, ou UDPG :
G-1-P + UTP à UDPG
L'UDPG, associé au fructose, permet d'obtenir du s
accharose ou du saccharose-P :
UDPG + fructose 6-P à UDP + saccharose-P
UDPG + fructose à UDP + saccharose
Ce saccharose est à l’origine de sucre, d'amidon ou encore des acides aminés.
Cette phase sombre peut se résumer par l'équation suivante :
6CO
2 + énergie chimique (24
Hydrogènes) à C6H12O6 + 6H2O
BILAN DE
La photosynthèse est un processus qui consiste, dans une première phase, en la transformation de l’énergie des photons en énergie chimique. Cette énergie est utilisée, dans une seconde phase, après l’incorporation du CO2, pour réd
uire le composé carboné obtenu en autres chaines carbonées, qui permettront à leur tour de produire du sucre en C6, de l’amidon, des acides gras et des acides aminés. Ces deux phases sont des phases complémentaires pour la photosynthèse, l'une ne pourrait pas fonctionner sans l'autre.
La photosynthèse peut se résumer par l'équation suivante :
6CO2 + 12H2O + lumière à C6H12O6 + 6O2 + 6H2O.
Le bon fonctionnement de la photosynthèse permet donc la création de chaines carbonées, c'est-à-dire d’éléments organiques, à partir d’éléments minéraux. Sans ces organismes autotrophes tels que les plantes, qui utilisent la photosynthèse, l’homme ne pourrait pas subvenir à ses besoins quotidiens, et ainsi vivre.
Annexe : Bon à savoir
- La photosynthèse permet à la plante d’absorber du dioxyde de carbone et de rejeter de l’oxygène dans l’atmosphère, cependant la plante respire comme la plupart des êtres vivants, ainsi elle consomme aussi de l’oxygène et du glucide et rejette du dioxyde de carbone.
La respiration de la plante s’effectue jour et nuit alors que la photosynthèse ne se déroule que de jour lorsque la plante peut recevoir des rayons lumineux.
La respiration de la plante peut être représentée par l’équation suivante :
C6H12O6 + 6O2 à 6CO2 + 6H2O
Le bilan au niveau de la capture du CO2 dans l’atmosphère (photosynthèse moins respiration) varie suivant les végétaux. Cependant le bilan est très positif puisqu’il est estimer à 50% (soit la moitié du CO2 capté n’est pas rejeter et sert à la croissance de la plante).
- A l’échelle planétaire, ce sont les algues phytoplanctons marins qui produisent le plus d’oxygène suivi des forêts.
- La loi de Planck permet de donner l’intensité de l’énergie selon la longueur d’onde et donc selon la couleur.
- Les plantes ont une couleur verte. Cela s'explique par le fait que la plante ne capte pas bien la lumière verte.
- De nos jours, on ne connait qu'un animal qui utilise la photosynthèse pour produire de l'énergie. Cet animal est la limace de mer, ou de son vrai nom Elysia chlorotica. Cette photosynthèse est possible grâce aux chloroplastes d'algues qui sont sa principale source d'alimentation. Cette limace conserve les chloroplastes dans son système digestif durant plusieurs mois. Les chloroplastes peuvent alors continuer la photosynthèse.
- Les recherches sur la photosynthèse artificielle n'ont toujours pas débouchées.
Définition
L'ATP est un intermédiaire énergétique qui doit être continuellement reformé à partir de l'ADP (couple ADP/ATP). Le NADPH est un intermédiaire d'oxydoréduction qui doit être maintenu continuellement à l'état réduit (couple NADPH / NADP). En d'autre terme, le NADPH et l'ATP produits par la phase photochimique permettent la réalisation de la phase biochimique mais leur régénération par la phase photochimique est indispensable à la poursuite de la phase biochimique.
Dicotylédone : les dicotylédones sont des espèces végétales. Elles comptent environ 200 000 espèces de plantes. Ces espèces font partie des plantes à graines
Parenchyme : tissus végétaux constitués de cellules végétales.
ATP (ou adénosine triphosphate) est un nucléotide qui participe à la transformation du glycogène en glucose dans les organismes vivants. Il sert à emmagasiner et à transporter de l'énergie. L'ATP doit être continuellement reformé à partir de l'ADP (couple ADP/ATP).
Stomate : Pore de l'épiderme des végétaux.
Monocotylédone : Plantes chez lesquelles la semence ne produit qu'une seule feuille à semence (ou cotylédon).
Thylakoïde (ou thylacoïde) : ensemble de membrane dans les chloroplastes.
ATPase : enzyme qui synthétise les molécules d'adénosine-triphosphate (ATP)
RubisCO : enzyme qui permet la fixation du carbone du CO2, dans la matière organique. Sur terre c'est l'enzyme la plus importante quantitativement.
NADPH (ou Nicotinamide adénine dinucléotide phosphate) : est un intermédiaire d'oxydoréduction qui doit être maintenu à l'état réduit (couple NADPH / NADP+).
ADP (ou adénosine diphosphate) : est une substance chimique qui utilise de l'énergie pour former l'ATP.
Glycolyse : dégradation du glucose lors du métabolisme
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