Biochimie de la Photosynthèse

Voici des notes d'étude détaillées sur la photosynthèse

Biochimie Cellulaire : Photosynthèse

• La biochimie cellulaire englobe l'étude de la photosynthèse comme premier sujet.
• La photosynthèse est le processus par lequel les plantes et certains autres organismes utilisent la lumière pour synthétiser des sucres.

Voyage à l'Intérieur d'une Feuille

• La feuille est un site clé pour la photosynthèse grâce à l'énergie lumineuse qu'elle reçoit.
• Le processus implique un écosystème complexe avec des interactions entre le chloroplaste (site de la photosynthèse) et la mitochondrie (site de la respiration cellulaire).
• Le dioxyde de carbone(CO2) et l'eau(H2O) sont utilisés pour produire des molécules organiques et de l'oxygène(O2)
• L'ATP fournit l'énergie pour le travail cellulaire. L'énergie thermique se dégage du processus.

Plan de Cours

• Le plan de cours propose une exploration de l'autotrophie et de l'hétérotrophie , des structures cellulaires et moléculaires.
• L'étude de la photosynthèse implique sa localisation, son équation et ses réactions photochimiques.
• Les réactions biochimiques comprennent la photoxydation de la chlorophylle, le transport des électrons(cyclique et non-cyclique) et la chimiosmose.
• Les sujets abordés sont le cycle de Calvin, les facteurs influençant la photosynthèse, la photorespiration et les adaptations des plantes C4 et CAM.

Objectifs de la Photosynthèse

• Les objectifs d'étude incluent la distinction entre autotrophie et hétérotrophie et la description du chloroplaste.
• Il faut, énoncer l'équation générale de la photosynthèse et expliquer le lieu de chaque phase.
• Il est nécessaire de connaître les pigments photosynthétiques, la photo-oxydation de la chlorophylle et les photosystèmes.
• Définir la photophosphorylation, décrire les réactions photochimiques et expliquer le transport des électrons
• Il est important d'énoncer le rôle de l'oxydation du NADPH + H+ et de comparer la chimiosmose dans le chloroplaste et la mitochondrie.
• Décrire le cycle de Calvin, identifier les facteurs externes et comprendre le devenir des produits de la photosynthèse.
• L'ensemble des réactions sont celles impliquées dans la production d'énergie.
• Comparer la photosynthèse et la photorespiration, décrire les adaptations des plantes C4 et CAM et comparer diverses voies métaboliques.

Rappel : Introduction

• L'énergie lumineuse est transformée en énergie chimique via la photosynthèse, qui est ensuite emmagasinée dans les liaisons chimiques.
• Les atomes se réorganisent et l'énergie est transformée en matière sous forme d'énergie potentielle stockée dans les liaisons chimiques.
• La respiration cellulaire transforme la matière en énergie (ATP), utilisée pour la contraction musculaire et le transport.

Le Rôle de la Photosynthèse

• La photosynthèse a pour but de fabriquer du glucose à partir de l'eau (H₂O) et du dioxyde de carbone (CO2).
• L'énergie nécessaire à ce processus est fournie par le soleil (lumière).

Équation de la Photosynthèse

• L'équation de la photosynthèse est présentée avec une étape d'oxydation et une étape de réduction.
• Équation simplifiée 6 CO₂ + 6 H₂O + Énergie lumineuse → C6H12O6 + 6 O₂

Introduction à la Photosynthèse

• Les êtres vivants doivent trouver des composés organiques pour produire de l'ATP.

Producteurs :

• Les producteurs élaborent leurs propres molécules organiques à partir de matières inorganiques, utilisant le CO₂ et la lumière, un processus appelé autotrophie.
• La catégorie inclut les végétaux terrestres ainsi que les végétaux, algues et cyanobactéries aquatiques.

Consommateurs :

• Les consommateurs absorbent les molécules organiques synthétisées par d'autres organismes (hétérotrophes).
• Les animaux, champignons et certaines bactéries sont des hétérotrophes.

Photosynthèse : Où Se Déroule-t-Elle ?

• La photosynthèse se déroule principalement dans le tissu fondamental des feuilles, particulièrement dans le mésophylle.

Constituants :

• Tissu de revêtement, tissu conducteur et stomates pour l'échange gazeux (CO2 et O2).

Lieu de la Photosynthèse

• La réaction se produit dans les chloroplastes des feuilles, tiges et fruits non mûrs des végétaux.
• Les chloroplastes sont abondants dans l'épiderme des feuilles et le mésophylle (tissu interne des feuilles).
• Le mésophylle contiens des stomates qui régulent l'entrée du CO₂ et la sortie de l'O₂ et de l'H₂O.
• L'ouverture et la fermeture des stomates dépend de la physiologie de la plante.

Les Chloroplastes

• Les chloroplastes sont formés d'une membrane externe et d'une membrane interne avec des replis appelés thylakoïdes.
• Les thylakoïdes, empilements de granum, baignent dans le stroma.
• L'espace intrathylakoïdien est l'intérieur de la membrane des thylakoïdes.
• La membrane interne contient des acides gras insaturés et des pigments liposolubles.

Métabolisme : Composition du Vivant

• Le métabolisme est l'ensemble des réactions biochimiques d'un organisme, permettant de construire et de dégrader les macromolécules biologiques.
• L'anabolisme est la synthèse de molécules complexes à partir de molécules simples, comme la synthèse des protéines et de l'ADN.
• Le catabolisme est la dégradation de molécules complexes en molécules simples, comme la dégradation du glucose en énergie.
• La vie émerge du métabolisme, qui découle des interactions ordonnées entre les molécules et l'environnement.

Rappel : Thermodynamique

• Les organismes vivants transforment l'énergie, un processus étudié par la thermodynamique.
• Premier principe : conservation de l'énergie la quantité d'énergie dans un système demeure constante.
• Deuxième principe : Tout échange d'énergie augmente le désordre (entropie) de l'Univers, il y a des pertes d'énergie sous forme de chaleur.

Énergie Potentielle et Couches Électroniques

• Les électrons peuvent passer d'une couche électronique de niveau élevé à une couche de niveau énergétique plus bas lors de réactions chimiques.
• L'énergie cinétique peut soutenir un travail donné dans la synthèse d'ATP.

Fonction des Enzymes

• Les enzymes assemblent de petites molécules en molécules plus grosses (anabolisme) en absorbant de l'énergie.
• Les enzymes dégradent de grosses molécules en molécules plus petites (catabolisme) en libérant de l'énergie.
• Elles modifient aussi les molécules en d'autres molécules semblables, comme le glucose converti en fructose.

Facteurs Influant sur l'Activité des Enzymes

• Les cofacteurs, molécules nécessaires à l'activité catalytique de certaines enzymes, peuvent être inorganiques (ions métalliques) ou organiques (coenzymes).

Rôle des Coenzymes NADP+/NADPH

• Les coenzymes servent de navettes pour les H+ et les électrons lors des processus physiologiques cellulaires.
• Dans la photosynthèse, elles captent les H+ et les électrons, se réduisant en NADPH + H
• Durant la respiration cellulaire, elles se réduisent en NADH + H+.

Transporteurs d'Électrons

• Les transporteurs d'électrons permettent le déplacement des électrons dans la chaîne.
• Le NAD+ accepte des électrons et des protons pour former du NADH.

Régulation de l'Activité des Enzymes par Rétroinhibition

• La cellule régule son activité métabolique.
• L'isoleucine peut inhiber l'activité d'une enzyme, via une rétro-inhibition.
• Un produit final ou intermédiaire peut inhiber une enzyme d'une voie métabolique.

Effet des Inhibiteurs Enzymatiques

• Il existe 2 types d'inhibiteurs enzymatiques soit les inhibiteurs compétitifs et non compétitifs.
• Les inhibiteurs compétitifs bloquent l'accès du substrat au site actif, réduisant ainsi la productivité.
• Les inhibiteurs non compétitifs modifient la conformation de l'enzyme, réduisant ainsi sa productivité.

Adénosine Triphosphate (ATP)

• L'hydrolyse de l'ATP entraîne une phosphorylation, transférant un phosphate actif pour former un intermédiaire phosphorylé réactif.
• D'autres voies cataboliques régénèrent l'ATP à partir de l'ADP et du phosphate inorganique.

Cycle de l'ATP

• Le cycle de l'ATP est une formation et une dégradation continue de l'ATP.
• L'ADP transmet l'énergie emmagasinée vers un groupement phosphate donnant de nouvelles molécules d'ATP.
• L'hydrolise utilise l'énergie libérée dans les processus cellulaires.

Réactions d'Oxydoréduction

• L'énergie est extraite des molécules de nutriments durant les réactions chimiques.
• Une substance cède des électrons à une autre (oxydoréduction).
• La substance qui reçoit les électrons est réduite, celle qui les perd est oxydée.
• L'oxydation et la réductions sont donc couplés.

Équation de la Photosynthèse

• C'est une réaction d'oxydoréduction avec oxydation de l'H2O et réduction du CO2, qui nécessite de l'énergie.
• Les coenzymes servent de transporteurs d'H+ et d'électrons.

Pigments Photosynthétiques

• Les grana sont les unités fonctionnelles de la photosynthèse.

Pigments:

• Les chlorophylles (vertes) possèdent un queue hydrophobe et absorbent préférentiellement les radicaux de lumière méthyle et aldéhyde, pour le a et pour le b respectivement.
• Les caroténoïdes (jaune-orange) et les Xanthophylles (de couleur jaune) sont différents.

La Nature de la Lumière

• La lumière est une forme d'énergie électromagnétique se propageant en ondes.
• Le photon est la quantité minimale d'énergie transportée par une onde.
• La lumière visible a des longueurs d'ondes entre 380 et 720 nm.

Spectre d'Absorption et d'Action

• Les pigments photosynthétiques absorbent certaines longueurs d'onde et réfléchissent les autres.
• Le spectre d'absorption de la chlorophylle a est plus efficace avec la lumière bleue et rouge.

Information supplémentaire:

• Chlorophylle a : pics à 430 nm (bleu) et 660 nm (rouge).
• Chlorophylle b : pics à 450 nm et 643 nm.
• Caroténoïdes : pics à 420-440 nm (bleu) et 460 nm (vert) .

Les Chloroplastes

• Les chloroplastes contiennent des membranes, des thylakoïdes, du stroma et des granum.

Les Thylakoïdes :

• Les thylakoïdes forment des piles appelées granum et contiennent un espace intrathylakoïdien.
• La membrane interne des thylakoïdes contient des lipides et des pigments.

Métabolisme : Cycle de l'ATP

• La photosynthèse et la respiration cellulaire sont des processus interdépendants.
• Durant la photosynthèse, le CO₂ et l'H₂O sont convertis en glucose et en oxygène grâce à l'énergie lumineuse.
• La respiration cellulaire dégrade le glucose pour produire de l'énergie (ATP) en libérant du CO₂ et de l'H₂O.

Facteurs Influant sur la Photosynthèse

• L'Eau: L'eau fournit les électrons aux réactions photochimiques et est rarement un facteur limitant sauf en climat aride.
• Le CO₂: Le CO2 est la source de carbone pour les sucres. En serre, augmenter le taux de CO2 peut augmenter la photosynthèse.
• La température: Augmenter cette dernière accélère la photosynthèse mais trop de chaleur peut endommager les enzymes.
• La lumière: Son intensité et sa qualité sont des facteurs importants. Les plantes nécessitent une quantité minimale d'éclairement.

La Nutrition minérale

• Un milieu appauvri nuit à la structure des chloroplastes.
• Des élément comme Mg(magnésium), le N(nitrogène), le Fe(fer), le Cu(cuivre), le soufre etc peuvent être affectés.

Photorespiration

• La photorespiration est liée à l'union du Rubisco à l'O₂ au lieu du CO₂ .
• Elle peut réduire l'efficacité de la photosynthèse en empêchant la fixation de CO₂ et en provoquant une perte d'énergie.

La Photosynthèse en Deux Étapes

• Les deux réactions sont les réactions photochimiques et le cycle de Calvin.
• Les réactions photochimiques se déroulent dans les thylakoïdes et convertissent l'énergie solaire en énergie chimique (ATP et NADPH).
• Le cycle de Calvin, qui se déroule dans le stroma, fixe le CO₂ et produit de la matière organique.

Lieux Des Photosynthèses Des Réactions Photochimiques et du Cycle de Calvin

• Les réactions photochimiques nécessitent la lumière
• Le cycle de Calvin peuvent se dérouler de jour.

Les Types de Photosystèmes

• Les photosystèmes, présents dans les membranes des thylakoïdes, sont composés de chlorophylle et de protéines.
• Le photosystème II (P680) et le photosystème I (P700) fonctionnent avec différents longueurs d'ondes de lumière.
• Photosystème II : son centre de réaction absorbe à 680 nm.
• Photosystème I son centre de réaction absorbe à 700 nm.

Les Photosystèmes

• Tout photosystème est composé de 2 parties. Complex collecteur de lumière.
• C'est un ensemble centres collecteur, il y est transféré .

Le Transport Non Cyclique d'Électrons

• Durant ce transfère ,il a pompage des H+ .

Transport cyclique et non cyclique d'électrons

Transport Non Cyclique:

• Nécessite la lumière pour effectuer un courant continu électrons entre l'H2O et la NADP+.

Produits:

• Nécessaire au cycle de Calvin. I'ATP pour la phosphorylation et les NADP pour la réduction.

Transport Cyclique:

• N'as lieu que dans le PSI. Cette ferme redonne les e de bases au PSI.
• A pour effet de produire de l'ATP.

La Régulation de l'Activité des Enzymes par Rétroinhibition

• La threonine peut agir sur une enzyme ce qui provoque une rétro-inhibition.

Cycle de Calvin

• Les réactions du cycle de Calvin se déroulent donc en phase non lumineux.

Cycle de Calvin : Bilan

• Le bilan général est 3CO2+ 3 RuDP + 9 ATP + 6 NADPH donne 1PGAL.
• Pour la production du glucose il faut la consommation 18 ATP et 12 NADPH . C’est donc un faible processus.