Physiologie Végétale - Autotrophie des Végétaux (PHV2021) PDF

PHYSIOLOGIE VEGETALE Autotrophie des végétaux L’usine cellulaire : Autotrophie des végétaux Clé : PHV2021 Note : TP = 25% de la note finale I- Introduction La physiologie est la science qui étudie le f...

PHYSIOLOGIE VEGETALE Autotrophie des végétaux L’usine cellulaire : Autotrophie des végétaux Clé : PHV2021 Note : TP = 25% de la note finale I- Introduction La physiologie est la science qui étudie le fonctionnement des végétaux et cherche à préciser la nature et les mécanismes grâce auxquels les différents niveaux d’organisation remplissent leur fonction. C’est une science intégrative : il nous faut des infos de plusieurs disciplines pour comprendre un organisme entier : anatomie, chimie, physique, biochimie, biologie moléculaire, génétique… Ces connaissances pluridisciplinaires contribuent à la compréhension de niveaux supérieurs d’organisation. Physiologie = discipline qui étudie les mécanismes qui permettent la vie (mécanismes/fonctionnement). La physiologie végétale parle de : → Nutrition : absorption des éléments minéraux/fonctions de synthèse → Respiration et échanges gazeux chez les plantes → Mouvements et phénomènes de sensibilité → Croissance et développement → Reproduction (végétative ou sexuée). Capacité de totipotence phénoménale chez la plante II- Le chloroplaste Les végétaux fabriquent leur propre matière organique (ce que les animaux ne sont pas capables de faire). Ce sont des organismes autotrophes. Nous allons nous intéresser aux mécanismes physiologiques qui permettent à la plante d’être autotrophe (aspect mécanistique). Image : Si on regarde ce schéma d’une cellule végétale, on trouve des chloroplastes qui font environ 3 à 6 microns de long et 1 à 2 microns d’épaisseur : ce sont de très gros organites (en comparaison, une mitochondrie est au moins 10 fois plus petite qu’un chloroplaste). On peut voir des chloroplastes en microscopie optique (image d’une Elodée = algue). Ils sont gros et colorés. 1 PHYSIOLOGIE VEGETALE Autotrophie des végétaux 1) Localisation dans la plante A) La feuille La feuille est l’organe qui contient le plus de chloroplastes. Les chloroplastes ne sont pas dans toutes les parties de la plante (exemple : ils ne sont pas dans les racines). Image : 2 tissus, xylème et phloème (tissus conducteurs). Le xylème conduit la sève brute (éléments minéraux qui viennent du col) et le phloème conduit la sève élaborée (ce qui vient des feuilles). On trouve dans ce qu’on appelle le limbe foliaire (partie spécifique de la feuille) un parenchyme palissadique : on le trouve sur la face supérieure des feuilles. En-dessous des feuilles, on trouve un parenchyme un peu différent, un tissu avec des « trous » : le parenchyme lacuneux. Le parenchyme est un tissu caractéristique des feuilles. Les feuilles sont recouvertes d’une cuticule (en orange sur le schéma). La cuticule n’est pas imperméable, pour permettre les échanges gazeux : on trouve des « trous » dans la cuticule, les stomates, qui s’ouvrent et se ferment en fonction des conditions. Il y a plus de stomates sur la face inférieure (lieux des échanges gazeux) que sur la face supérieure. B) Le parenchyme chlorophyllien C’est le tissu du limbe foliaire (de l’organe). C’est lui qui joue un rôle dans la photosynthèse. Le tissu est orienté avec une face supérieure et une face inférieure. En fluorescence, on voit la chlorophylle dans les parenchymes (donc on voit où se trouvent les chloroplastes). Les nervures n’ont pas de chloroplastes (xylème et phloème). Leur rôle est seulement de constituer des conduits pour la sève. Les tissus conducteurs ne sont pas totalement isolés des parenchymes : il faut qu’il y ait un échange entre les deux pour faire Feuille de blé passer les sucres par exemple : tout est en continuité, les cellules se touchent. Monocotylédones : La différence est qu’on n’a pas qu’une nervure centrale mais beaucoup de nervures parallèles. On n’a pas de parenchyme palissalique mais uniquement des parenchymes lacuneux. 2 PHYSIOLOGIE VEGETALE Autotrophie des végétaux C) La cellule chlorophyllienne Modèle d’étude très simple : l’Elodée du Canada. Ses feuilles ne contiennent que 2 couches de cellules, pas besoin de coupe pour observer car la structure est très fine. Image A : In vivo, on observe une cellule avec ses chloroplastes (grains verts). Les chloroplastes ne sont pas répartis de manière homogème : ils sont sur les bords. Dans une cellule végétale, on a une vacuole qui pousse les organistes sur les bords de la cellule. La vacuole a un rôle défensif, de stockage, etc… Le chloroplaste est un organite complexe avec des Image A structures particulières découvertes dans les années 40-50 avec l’arrivée de la microscopie électronique. 2) Structure du chloroplaste A) Les chloroplastes granaires des cormophytes On distingue des grana dans les chloroplastes. On parle de chloroplastes granaires en raison de ceux-ci. Autour du chloroplaste, on trouve une enveloppe constituée d’une double membrane (une interne et une externe). A l’intérieur du chloroplaste, on trouve un stroma = milieu liquide dans le chloroplaste. On trouve également des thylakoïdes qui se regroupent en amas plus sombres : ces amas sont appelés grana (singulier = granum). 3 PHYSIOLOGIE VEGETALE Autotrophie des végétaux Cormophytes : « plantes supérieures ». Ici on parle des chloroplastes granaires de ces plantes- là. Chez les algues il existe d’autres structures particulières. Entre les grana on trouve des thylakoïdes inter- granaires, et à l’intérieur ce sont des thylakoïdes granaires. Note : les chloroplastes sont capables de fabriquer les lipides bien que ce ne soit pas leur fonction première. Dans ces « tubes » formés par les thylakoïdes (grana), on trouve des lumen : compartiment « entre » les thylakoïdes (sorte de zone « vide »). En colorant le lumen (l’intérieur des thylakoïdes), on s’est aperçu que les thylakoïdes communiquent entre eux : ils sont en interconnexion. Les grana sont donc formés de tuyaux interconnectés : ce ne sont pas des empilements de thylakoïdes. Le chloroplaste contient 3 membranes et 3 compartiments. Membranes : Membrane interne, membrane externe et membrane des thylakoïdes. Compartiments : lumen, stroma et espace inter-membranaire. Attention : question posée à l’examen (combien de membranes/compartiements dans le chloroplaste ?). 4 PHYSIOLOGIE VEGETALE Autotrophie des végétaux B) Structures particulières observées chez les algues On a des thylakoïdes complètement isolés chez les algues : on ne trouve pas de grana. On trouve entre les thylakoïdes des phycobilisomes : ils contiennent les pigments photosynthétiques, les phycobiliprotéines. Autre structure particulière chez les algues : le pyrénoïde, constitué à 90% d’une enzyme, la RUBISCO. C’est l’enzymé clé qui permet aux plantes chlorophylliennes de capter le CO2 pour permettre la photosynthèse. Ici elle se trouve donc dans les pyrénoïdes. Le pyrénoïde est une sorte de chloroplaste d’algue. 3) Différentiation du chloroplaste Cellules méristématiques : cellules embryonnaires, dans les méristèmes des plantes (apicaux ou racinaires). Dans ces cellules embryonnaires, on trouve des proplastes = avant le plaste. Ces proplastes possèdent déjà 2 membranes. Si le méristème se développe en feuille, le proplaste se transforme en chloroplaste avec acquisition de fonctions particulières. On peut avoir d’autres types de plastes que les chloroplastes. La transformation d’un proplaste en chloroplaste dans une feuille se fait en moins de 24h, grâce à la lumière visible. Si le proplaste n’est pas mis en contact avec la lumière, on a une plante blanche et allongée, étiolée : on trouvera des étioplastes plutôt que des chloroplastes. L’étioplaste pourra ensuite se transformer en chloroplaste au contact de la lumière. Dans un étioplaste on trouve des corps prolamellaires (avant les thylakoïdes) : s’ils sont mis en contact avec la lumière, en 3h, on a un début de différentiation des thylakoïdes à partir des corps prolamellaires. En 12h, on a un chloroplaste fonctionnel. 5 PHYSIOLOGIE VEGETALE Autotrophie des végétaux Il existe aussi des chromoplastes qui accumulent des pigments colorés (dans les pétales de fleurs par exemple). Les plastes ont des noms et fonctions différents en fonction de l’organite et en fonction des conditions (lumière/obscurité). Dans les parties les plus souvent souterraines de la plante, on trouve des leucoplastes, qui servent de réserves de stockage. Si ces réserves sont de l’amidon spécifiquement, on parle d’amyloplaste, qui est un cas particulier de leucoplaste. On peut trouver les leucoplastes par exemple dans les tubercules de pomme de terre. Ils pourront se différencier en chloroplastes. En somme, une cellule végétale n’est pas caractérisée par la présence de chloroplastes : dans d’autres organes et conditions, on a d’autres plastes. Tous les autres plastes pourront se différencier en chloroplaste par la suite. 4) Composition chimique des chloroplastes A) Composition chimique générale La teneur en eau n’a rien d’exceptionnel. Dans la composition de la matière sèche on remarque la présence d’acides nucléiques (ADN/ARN) et de lipides. 6 PHYSIOLOGIE VEGETALE Autotrophie des végétaux On remarque aussi la présence de pigments nécessaires à la photosynthèse. Les membranes des thylakoïdes ont une forte proportion en acides gras insaturés, notamment en acide linoléique et linolénique = oméga 3 et oméga 6, qui sont des AG essentiels pour l’Homme. Les thylakoïdes sont le lieu de synthèse de ces oméga 3 et 6 (plus particulièrement dans leur membrane). B) Composition chimique des différentes parties du chloroplaste a) Enveloppe On trouve ici beaucoup de protéines, protéines de synthèse et transporteurs. Les transporteurs permettent les échanges : ce sont des canaux, des pompes… permettant le passage de certaines molécules. On trouve aussi des lipides polaires car c’est une membrane, et des pigments caroténoïdes mais pas de chlorophylle. b) Stroma On trouve ici beaucoup de protéines : 50% des protéines du chloroplaste se trouvent dans le stroma. On trouve beaucoup d’espèces moléculaires, notamment des enzymes, par exemple celles du Cycle de Calvin qui a lieu dans le stroma. On a aussi des protéines ribosomales et des acides nucléiques. Le génome du chloroplaste se trouve dans le stroma. 7 PHYSIOLOGIE VEGETALE Autotrophie des végétaux On trouve de l’amidon dans le stroma, la fonction du chloroplaste étant de fabriquer des sucres. Il commence à être stocké directement dans le stroma. c) Thylakoïdes On va trouver des éléments essentiels permettant les fonctions des thylakoïdes : captation de la lumière. Les thylakoïdes contiennent : → 50% des protéines du chloroplaste : enzymes, chaîne de transfert d’électrons, photosystèmes → Beaucoup de lipides (car beaucoup de membrane) : riche en glycolipides → Pigments : − 95% des caroténoïdes − 100% des chlorophylles 5) Fonctions des chloroplastes Le chloroplaste permet une réduction et une incorporation sous forme de composés organiques du carbone, de l’azote et du soufre. L’azote et le soufre se retrouvent dans les AA, les acides nucléiques… ils sont essentiels. Toutes les molécules organiques nous permettant de vivre sont construites grâce au chloroplaste. Il permet aussi une biosynthèse des AG insaturés et des glycolipides des chloroplastes (les animaux dépendent de ces AG). On aura au sein du chloroplaste une biosynthèse des dérivés terpéniques : → Isoprénoïdes (phytol, plastoquinones) → Caroténoïdes → Certaines hormones végétales 6) Autonomie des chloroplastes A) Le chloroplaste en tant que compartiment cellulaire Les chloroplastes sont très à part des autres organites de la cellule. Ils sont très autonomes avec des fonctions spécialisées. Le chloroplaste est entouré par une enveloppe dont la membrane interne est hémiperméable : elle sélectionne ce qui entre et sort (le contenu du stroma est différent du contenu du cytoplasme). Le chloroplaste possède son propre pH ainsi que sa propre pression osmotique. Nous avons donc très peu de continuité entre cet organite et le reste de la cellule. 8 PHYSIOLOGIE VEGETALE Autotrophie des végétaux B) Autonomie génétique… 2ème niveau d’autonomie de l’organite : génétique. Le chloroplaste possède son propre génome : une à plusieurs molécules d’ADN dans le chloroplaste (ADN circulaire superenroulé). La taille de ce génome est de 1 à 109 daltons. Tabac : la taille du génome du chloroplaste est de 120 000 paires de base → très petit par rapport au génome contenu dans le noyau. Le génome du chloroplaste est très petit. Ces génomes chloroplastiques sont circulaires et on trouve en leur sein des régions répétées- inversées : on trouve ces régions en plusieurs copies et de manière inversée. Gène rbcL : gène codant pour la RUBISCO. Cette enzyme clé pour la photosynthèse dont une partie (grosse sous-unité) est codée par le génome chloroplastique et l’autre partie (petites sous-unité) est codée par le génome nucléaire : le noyau va aussi participer pour constituer des molécules du chloroplaste contenant plusieurs sous-unités. Un chloroplaste a la capacité de répliquer son ADN. Il peut se diviser en 2 chloroplastes → augmentation du nombre de chloroplastes dans une même cellule. Il peut aussi transcrire ses gènes et faire la synthèse des protéines = traduction. C) …mais une autonomie limitée Le chloroplaste ne produira lui-même que 20% de ses protéines : les 80% restantes viendront du noyau. Les protéines viendront ensuite être acheminées dans le chloroplaste via des transporteurs : on a une coopération entre le chloroplaste et le noyau. 3 membranes et 3 compartiments = 6 destinations possibles pour les protéines venant du noyau. L’adressage des protéines devra donc être très précis. Cet adressage sera effectué via un peptide-signal (sorte de code permettant d’aller vers la bonne destination). 7) Origine phylogénétique du chloroplaste Théorie endosymbiotique développée par Mereschkovsky fin 19ème. Cette théorie repose sur le principe d’une cellule eucaryote hétérotrophe ayant internalisé une cyanobactérie procaryote phototrophe, il y a 1,5 milliards d’années. Progressivement, ces cellules eucaryotes sont devenues photoautotrophes. Au cours de l’évolution, cette cyanobactérie s’est probablement transformée en chloroplaste. Elysia Chlorotica = limace verte se nourrissant exclusivement d’une algue : Vaucheria litorea. Cette limace peut vivre dans un aquarium pendant 9 mois dans lui donner de nourriture, avec seulement de l’eau et de la lumière. Est-elle capable d’une certaine autotrophie ? Les chercheurs de sont intéressés aux cellules du tractus digestif de la limace : ils ont trouvé des chloroplastes de l’algue dont elle se nourrit à l’intérieur de ces cellules. Comment une cellule végétale peut-elle vivre dans une cellule animale (manque de gènes pour alimenter le chloroplaste, qui ne sont pas présents dans le noyau animal) ? On vérifie les hypothèses une par une : 9 PHYSIOLOGIE VEGETALE Autotrophie des végétaux → Il n’y a plus de gènes du noyau végétal dans la cellule animale → Le génome chloroplastique n’est pas autonome → Les protéines ne vivent pas 9 mois (quelques semaines au plus) Les protéines seraient-elles codées directement par le génome du noyau animal ? Il est possible que certaines protéines codées par le noyau ou les mitochondries aient été détournées pour entrer dans le chloroplaste pour assurer ses fonctions. Cependant, au moins une enzyme n’existe pas chez les cellules animales : RUBISCO. D’où provient donc la petite sous-unité de la RUBISCO ? → Il y a eu un transfert de gènes entre le noyau végétal et le noyau animal. Le gène RUBISCO a été intégré dans le génome nucléaire animal de la limace. Nous avons ici un nouvel animal capable d’autotrophie. III- La phototrophie photosynthétique Les plantes sont photoautotrophes. Cette autotrophie a besoin d’énergie. Cette énergie provient d’énergie redox (NADPH, Ferredoxine) et de l’ATP (énergie chimique). Les chloroplastes fournissent cette énergie : ils sont phototrophes → ils récupèrent directement leur énergie du soleil. 2 parties distinctes : → Phototrophie : mécanismes de captation de la lumière (réactions photochimiques) → Conversion de l’énergie lumineuse en énergie redox et chimique 1) Les réactions photochimiques de la photosynthèse A) Nature de la lumière La lumière est une onde : radiation électromagnétique qui se déplace. On parle de radiation lumineuse (= lumière). Cette onde se déplace à une vitesse appelée c (célérité) de 3.108 m.s-1. Elle est caractérisée par : → λ : longueur d’onde (km, m, nm) → ν : fréquence (en Hz = 1s-1). La fréquence représente le nombre de λ dans 1 seconde → T : période (s), correspond au nombre de secondes dans un λ. T = 1/ ν. La période est l’inverse de la fréquence → c = λ ν (m.s-1) La lumière fait partie d’une famille de radiations électromagnétiques nous entourant, classées selon leur longueur d’onde. La lumière comprend les radiations du visible et une petite partie d’UV. La lumière peut aussi être considérée comme un flux de particules (théorie corpusculaire) : photons. Photon = particule de masse nulle mais chargée d’énergie (quantum) se déplaçant à la vitesse c. 10 PHYSIOLOGIE VEGETALE Autotrophie des végétaux Pour chaque longueur d’onde, E (énergie) = h (constante de Planck) ν = c/λ). On a donc une énergie inversement proportionnelle à la longueur d’onde : plus la longueur d’one augmente, moins le photon sera chargé en énergie. Les photons avec le plus d’énergie seront alors les photons violets. B) Spectres d’absorption et spectres d’action La lumière n’est efficace pour la photosynthèse que si elle est absorbée (grâce aux pigments). Une plante reçoit de la lumière incidente : certaines longueurs d’ondes sont absorbées, d’autres sont transmises. Les radiations absorbées sont appelées spectre d’absoption. Le rôle des pigmetns dans la photosynthèse est appelé spectre d’action. a) Spectres d’absoption Un pigment reçoit de la lumière visible incidente (soit toutes les longueurs d’ondes). Imaginons qu’il soit capable d’absorber toutes les longueurs d’ondes sauf le rouge : il apparaîtra rouge. Exemple inverse : pigment noir, qui absorbe toutes les longueurs d’ondes et n’en transmettre aucun. Un pigment blanc n’absorbera aucune longueur d’onde et transmettra tout. Chez les plantes, le vert est une longueur d’onde très peu absorbée. Spectre d’absorption : pourcentage de lumière absorbée en fonction de différentes longueurs d’ondes. Ce sera une courbe. On peut observer sur le graphique que le rouge est très absorbé par les plantes. Spectrophotomètre : mesure un spectre d’absorption via un faisceau lumineux incident arrivant dans une cuve, puis mesure de la lumière transmise. Mesure la densité optique (D.O.) = Absorbance/Transmittance pour chaque longueur d’onde. La D.O. maximale est 1 lorsqu’on a 100% d’absorbance. b) Spectres d’action Spectre = mesure en fonction de longueurs d’ondes. Ici on va mesurer l’intensité de la photosynthèse en fonction des longueurs d’ondes. L’intensité photosynthétique est définie par : → La quantité de CO2 absorbé → La quantité d’O2 dégagée (moles) → La quantité de glucides synthétisés Le tout est mesuré par unité de temps (s) et par unité de masse végétale (g) pour un nombre de quanta équivalent. 11 PHYSIOLOGIE VEGETALE Autotrophie des végétaux Expérience d’Engelman (1882) : il éclaire avec une lumière blanche des algues vertes, et des bactéries capables de chimiotactisme positif à l’oxyggène sont venues se positionner sur l’algue. Il a ensuite l’idée de décomposer la lumière via un prisme : il éclaire une algue en rouge, une en bleu, etc… il observe que les bactéries, attirées par l’oxygène, vont se positionner beaucoup sur les algues éclairées en bleu et en rouge. Les algues rouges ont un spectre d’action inverse à celui des algues vertes. c) Comparaison des 2 Algue verte : tous les pigments qui absorbent la lumière jouent un rôle dans la photosynthèse car les spectres d’action et d’absorption se superposent. Algue rouge : à l’inverse, tous les pigments absorbant la lumière ne jouent pas un rôle dans la photosynthèse. C) Les pigments chloroplastiques a) Diversité de l’équipement des chloroplastes selon les types de végétaux Commentaire d’image : La chlorophylle a, les carotéinoïdes sont présents partout. En revanche, les phycobiliprotéines ne sont présentes que chez les algues rouges. Les Bryophytes, Ptéridophytes, Spermaphytes et Chlorophycées possèdent les mêmes pigments (chlorophylle a et b, carotéinoïdes). Avec les algues vertes, on a quasiment le spectre entier de la lumière qui peut être utilisé (elles vivent près de la surface). Les algues brunes, plus profond dans l’eau, ont un spectre réduit par rapport à celui des algues vertes. Les algues rouges, elles, encore plus au fond de l’eau, ont le spectre le plus réduit : 12 PHYSIOLOGIE VEGETALE Autotrophie des végétaux chaque algue possède les pigments nécessaires à la photosynthsèe en fonction des longueurs d’ondes qui lui arrivent. b) Les chlorophylles ➔ Structure moléculaire On a une tête polaire = noyau tétrapyrrolique. Noyau pyrrole = C4H5N. Ce noyau renferme un atome manganèse. C’est ce noyau qui joue un rôle dans la captation de la lumière. On a également une queue apolaire phytol = radical phytol. C’est une queue hydrocarbonée. On a 4 répétitions d’un motif isoprène. La queue phytol, très apolaire, se situe dans une membrane : c’est l’ancrage de la chlorophylle dans la membrane du thylakoïde. La différence entre les chrlorophylles a et b est une différence de fonction moléculaire : CH3 chez la a, CHO chez la b. La chlorophylle b est donc plus hydrophile (OH). ➔ Spectre d’absorption Les spectres d’absorption des 2 chlorophylles sont très similaires. Elles absorbent dans le bleu et le rouge. En revanche, la a absorbe avec un maxium à 430 nm dans le bleu et 665 nm dans le rouge, là où pour la b, on a une absorption max à 455 dans le bleu et 645 dans le rouge. Ce sont ces petites différences qui permettent de les différencier. Posséder les deux types de chlorophylles permet d’augmenter le spectre d’absorption. ➔ Etat natif des chlorophylles dans les thylakoïdes Les spectres présentés précédemment sont issus de chlorophylles isolées. Si on laisse les chlorophylles intégrées dans les thylakoïdes, la chlorophylle a a un décalage de son spectre d’absorption dans le rouge de 10 nm. Dans le bleu, on ne sait pas. c) Les caroténoïdes C’est une famille complexe avec beaucoup de représentants. Elle sont caractérisées par leur couleur jaune-orangée. 2 grandes familles : → Les carotènes : représentant classique = β carotène (se trouve dans les carottes). 2 extrémités cyclisées permettant de capter la lumière, avec au milieu un multiple d’isoprènes (8). Cette longue chaîne hydrocarbonée permet d’intégrer le pigment dans la membrane des thylakoïdes → Les Xanthophylles : par exemple lutéine. Ce sont des carotènes oxydées, un peu plus polaires que les carotènes, avec une structure très similaire Le spectre d’absorption des caroténoïdes est strictement le même pour tous les représentants. Les pigments sont spécialisés dans l’absoption du bleu uniquement. 13 PHYSIOLOGIE VEGETALE Autotrophie des végétaux d) Les phycobiliprotéines On ne les trouve que chez les algues rouges. Chez les algue rouges, on toruve des chromoprotéines = pigments particuliers permettant l’absoption de la lumière (allophycocyanine, phycocyanine, phycoérythrine). Ces pigments absorbent le vert notamment (les algues sont donc vues plutôt rouges). Les chromoprotéines contiennent un groupement chromophore spécialisé dans l’absorption, les phycobilines, qui contiennent 2 parties : phycocyanobiline et phycoérythrobiline. Les phycobilines se trouvent dans les phycobilisomes se trouvent entre les thylakoïdes. e) Comparaison entre le spectre d’absorption des pigments et le specre gobal d’absoption d’un extrait végétal Dans l’extrait brut, on a bien uniquement les 3 pigments (on n’a pas d’autre spectre). Si l’on cumule les 3 spectres, on obtient bien le spectre de l’extrait brut. Le spectre d’absorption du végétal est le cumul des 3 spectres. D) Les réactions photochimiques a) Généralités Quand une molécule reçoit l’énergie d’un photon, il y a une modification électronique de ses atomes. On a une délocalisation électronique. Pour les chlorophylles par exemple, cela concernera uniquement le noyau tétrapyrolique. Délocalisation d’électrons : un atome est caractérisé par 2 états d’énergie = basse énergie et énergie supérieure. Avec l’arrivée d’un photon, l’atome est excité et passe d’un état fondamental à un état d’énergie supérieur (excité) grâce à la délocalisation d’un électron. Lorsque l’électron change d’orbitale (en 10-13s), l’électron est instable et revient donc très rapidement sur sa position d’équilibre, en réémettant l’énergie reçue. Il y a plusieurs formes de réémission d’énergie. Donc photon → délocalisation électron sur niveau énergie supérieur (état excité) → retour à l’état fondamental avec libération d’énergie sous différentes formes. Libération d’énergie par : → Conversion interne : − Emission de chaleur (perdu pour la photosynthèse, ne sert à rien = dissipé) − Emission de fluorescence : réémission d’une lumière de longueur d’onde légèrement supérieure à la longueur d’onde d’excitation. Tous les atomes ne peuvent pas faire de la 14 PHYSIOLOGIE VEGETALE Autotrophie des végétaux fluorescence : condition = temps d’excitation de l’atome entre 10-6 et 10-9 secondes (temps relativement long). Le photon réémis a une énergie plus faible que le photon initial en raison de l’émission de chaleur (perte d’énergie). Comme la lumière émise est d’énergie plus faible, elle a une longue d’onde plus grande − Résonnance : l’atome excité ne réémet pas d’énergie mais la transmet à une autre molécule sous forme d’excitons (pigment) : la molécule receveuse doit nécessiter moins d’énergie pour être excitée que la molécule donneuse (molécule absorbant à des longueurs d’ondes supérieures) = maxima d’absorption lumineuse de longueur d’onde supérieure. La résonnance ne se fait que dans un sens. Les molécules doivent être très proches (probabilité de résonnance = 1/d6). La durée de l’état excité peut être très courte (10-12s) → Conversion externe : − Acte photochimique : la molécule excitée perd l’électron délocalisé porteur de l’énergie = il ne revient jamais à son état fondamental. Une molécule proche va « voler » l’électron délocalisé. Il faut donc à côté de la molécule un accepteur d’électron sous forme oxydée possédant un potentiel d’oxydo-réduction moins électronégatif. Le vol d’électron ne peut se faire que si la molécule volant l’électron est un oxydé = a déjà perdu un électron (elle a besoin d’en récupérer un, donc elle le vole). Pour qu’il y ait passage d’électron d’une molécule à une autre, il faut un potentiel redox : l’électron va toujours de la molécule avec un potentiel redox plus électronégatif vers la molécule avec un potentiel redox moins électronégatif. Durée de l’état d’excitation de l’électron : 10-9s b) Les réactions photochimiques des pigments assimilateurs ➔ Caroténoïdes et phycobilines Si les pigments sont excités par la lumière, la durée de la délocalisation électronique sera très courte (inférieure à 10-9s) : la conversion externe est impossible, pas d’acte photochimique. Il y aura réémission d’énergie sous forme de résonnance uniquement (pas non plus de fluorescence). ➔ Chlorophylles 2 bandes d’absorption dans le bleu et le rouge = 2 états d’excitation différents (chaque photon porte une énergie différente). → Excitation lumineuse dans le bleu = correspond à l’absorption d’un quantum : E = hν = hc/λ = hc/430x10-9 = 1,104 x 10-19 calories → Excitation lumineuse dans le rouge = correspond à l’absorption d’un quantum : E = hν = hc/λ = hc/680x10-9 = 0,7 x 10-19 calories 15 PHYSIOLOGIE VEGETALE Autotrophie des végétaux Les chlorophylles sont particulières car capables de réémettre les 3 formes possibles d’énergie, notamment l’acte photochimique = perte d’un électron. Quelle que soit la longueur d’onde d’excitation, on n’aura qu’un seul électron perdu par photon. Seules les chlorophylles ont la capacité de perdre un électron par photochimie : cette perte d’électron est nécessaire à la production d’énergie redox. E) Antennes collectrices et centres de réactions a) Fluorescence des chlorophylles in vivo et in vitro In vitro : Un chercheur s’est aperçu qu’en isolant chaque chlorophylle (a et b), chacune émettait, en réponse à un éclairement, une lumière d’une longueur d’onde spécifique : a = 690-720, b= 660-680 (rouge). In vivo : Des chloroplastes isolés, éclairés par lumière blanche, réémettent une très faible lumière de fluorescence caractéristique de celle émise par la chlorophylle a. En excitant la chlorophylle b, on observe une réponse de la chlorophylle a (qui a été excitée également si elle réémet). On a une faible fluorescence de la chlorophylle a. La chlorophylle b transmet son énergie par résonnance à la chlorophylle a. Lors de cette expérience sur des plantes dont la photosynthèse est inhibée (exemple : sécheresse, plus d’eau, donc croissance ralentie et arrêt de la photosynthèse), on observe qu’il n’y a plus de consommation d’électrons et plus de perte d’électron pat la chlorophylle. On observe alors une forte fluorescence de la chlorophylle a. Conclusions : → Seule la chlorophylle a est impliquée dans les réactions photochimiques de la photosynthèse → Transmission d’énergie lumineuse, captée par les caroténoïdes et la chlorophylle b, vers la chlorophylle a b) Toutes les chlorophylles a jouent-elles le même rôle ? Pour libérer une molécule de dioxygène, il faut oxyder 2 molécules d’eau, donc consommer 4 électrons, donc exciter 4 chlorophylles par 4 photons. 16 PHYSIOLOGIE VEGETALE Autotrophie des végétaux Une molécule d’O2 servira à 2500 molécules de chlorophylle, donc une seule chlorophylle sur 625 réalise l’acte photochimique. c) Notion d’unité photosynthétique Ce qu’on appelle une unité photosynthétique est constitué d’une antenne collectrice et d’un centre réactionnel (ou centre actif ou centre de réaction). On trouve dans les thylakoïdes des structures (unités photosynthétiques) disposées d’une certaine façon : antenne collectrice, composée des différents pigments, en haut (pour recevoir la lumière du soleil), puis au centre un centre réactionnel composé uniquement de chlorophylle a. Cette dernière reçoit toute l’énergie des autres pigments et est responsable de la photosynthèse. Cependant, une chlorophylle a ne peut pas passer de l’énergie à une autre chlorophylle a. F) Existence de deux types de centres réactionnels a) Effet Emerson A 680, photosynthèse maximale ; à 700, plus du tout de photosynthèse. Emerson qualifie ça de « chute dans le rouge » (red drop). On a un effet synergique = il montre qu’en éclairant à 680 nm et à 700 nm en même temps, la réponse de chacun des deux est amplifiée. Il existe donc 2 types de systèmes pigmentaires travaillant en synergie : → L’un absorbant à 680 nm : centre de réaction P680 → L’un absorbant à 700 nm : centre de réaction P700 Aujourd’hui, on parle de photosystèmes I et II. b) Les photosystèmes I et II 2 types de photosystèmes dans les thylakoïdes = PSI et PSII, constituées de : → Centre actif : P680 (PSII) ou P700 (PSI). Ce centre actif est un dimère de chlorophylle a, absorbant à 680 nm pour le PSII ou à 700 nm pour le PSI → Complexes protéiques associés au centre actif : − Contiennent des accepteurs et des donneurs d’électrons − Contiennent des molécules de pigments (chlorophylles a et b, caroténoïdes) formant des antennes collectrices internes et externes 17 PHYSIOLOGIE VEGETALE Autotrophie des végétaux Conclusion : Les pigments des antennes collectrices transmettent l’énergie lumineuse sous forme d’excitons jusqu’aux chlorophylles a des centres actifs, sans que ces chlorophylles ne reçoivent jamais directement de photons. 2) Conversion de l’énergie lumineuse en énergie redox et en énergie chimique A) Conversion de l’énergie lumineuse en énergie redox Les électrons ne peuvent thermodynamiquement pas passer de l’eau au NADPH+. Le potentiel redox caractérise la capacité à perdre ou à gagner un électron : plus la molécule a tendance à perde un électron, plus son potentiel redox est négatif (et inversement). Un électron passe donc toujours d’une molécule avec un potentiel redox plus négatif à une molécule avec un potentiel redox plus négatif. a) Mise en évidence de la création d’un pouvoir réducteur : réaction de Hill Hill utilise : → Chloroplastes isolés → Accepteur électronique : DCPIP isolé changeant de couleur avec l’oxydation/la réduction (bleu à l’état oxydé, incolore lorsque réduit) Il remplit une cuve avec les chloroplastes et le DCPIP. Ce dernier est bleu. Lorsqu’il éclaire, le DCPIP devient incolore en quelques secondes. Quelle molécule a réduit le DCPIP ? La molécule ayant réduit le DCPIP doit avoir un potentiel redox inférieur à 0,180V (potentiel du DCPIP). Ça ne peut pas être l’eau. On prend alors des fractions de chloroplastes enrichies en PSI et PSII : → Fractions enrichies en PSII → Fractions enrichies en PSI : LE DCPIP ne se réduit pas Les deux photosystèmes travaillent en synergie (réduction de l’eau puis du DCPIP). b) La réduction photosynthétique du NADP+ aux dépends de l’eau ➔ Conversion de l’énergie lumineuse en énergie redox au niveau du PSII Le dimère P680 a un potentiel redox très électropositif (ne perd pas son électron). Lorsque P680 passe à l’état excité après avoir reçu de l’énergie par résonnance, on a délocalisation d’un électron et son potentiel redox passe à une valeur très électronégative : tendance forte à perdre l’électron. Phéophytine à l’état oxydé = pique l’électron de P680 car elle a un potentiel redox moins électronégatif. Puis la Quinone A pique 18 PHYSIOLOGIE VEGETALE Autotrophie des végétaux l’électron à la phéophytine, et se la fait à son tour piquer par la quinone B… Le dimère P680 revient à son état initial mais il lui manque un électron : elle voudra en attirer un. Elle le prendra à la tyrosine Z qui vient elle-même de le prendre au système OEC (réservoir de 4 électrons). Lorsque OEC est vide (plus d’électrons), il présentera le pouvoir oxydant le plus puissant sur Terre : OEC (très électropositif) pourra piquer 4 électrons à 2 molécules d’eau et libérer un dioxygène. OEC doit être vide pour que cela se passe : l’eau ne s’oxydera jamais spontanément, il faut le pouvoir d’une molécule très électropositive. Donc, même si l’eau ne peut pas s’oxyder spontanément, cela est rendu possible par OEC et la cascade d’évènements en amont de la fabrication Schéma à lire de droite à gauche d’un OEC vide d’électrons. ➔ Transfert d’électron entre le PSII et le PSI La quinone B, après avoir reçu 2 électrons, va changer de structure et se transformer en plastoquinone (PQ) ; c’est la même molécule que la quinone B mais avec une conformation différente lui permettant de migrer dans la membrane des thylakoïdes. Elle récupère 2 protons du stroma (devient PQH2). L’accepteur de PQH2 est le complexe cytochrome b6/f = récupère 2 électrons. Un seul de ces électrons sera transmis à un autre récepteur, la plastocyanine (PC). 1er tour : b6/f = cytochrome f + b. Chaque cytochrome prend un électron à PQH2. PQH2 perd les 2 électrons (elle se les fait prendre) et perd ses 2 protons dans le lumen pour redevenir PQ. Les 2 électrons auront un chemin différent : le cytochrome f se fait à son tour prendre un électron par la plastocyanine, et le cytochrome b va se faire prendre son électron par une plastoquinone (PQ) oxydée de la membrane à forme semi-réduite (elle n’a qu’un électron). 2ème tour : PQH2 perd à nouveau 2 protons. Le cytochrome b se fait prendre un électron par une PQ semi-réduite qui prend un électron et deux protons pour repasser dans la membrane sous forme PQH2. Pour le cytochrome f, il se passe la même chose qu’au premier tour. La plastocyanine permet d’amener les électrons jusqu’au photosystème I, notamment P700 qui a un potentiel redox de 680. ➔ Conversion de l’énergie lumineuse en énergie redox au niveau du PSI PSI est constitué de plusieurs sous-unités protéiques constituant la chaîne de transfert d’électrons. On trouve en partie terminale une antenne collectrice constituée de pigments : LHCI. Les photons arrivant au centre collectif (= constitué d’un dimère de chlorophylle a) transfèrent leur énergie à P700 par résonnance. P700 passe à l’état excité et un électron est délocalisé. 19 PHYSIOLOGIE VEGETALE Autotrophie des végétaux A0 prendra l’électron délocalisé de P700, puis on a un transfert A0 → A1 → Fx → FB → FA. Le dernier accepteur d’électrons qui va intervenir est la Ferrédoxine (dans le stroma) : elle fournira l’électron à la dernière réaction = le NADP+ devient du NADPH grâce à une enzyme, la Ferrédoxine NADP+ réductase. Ce schéma du transfert d’électrons est appelé « Schéma en Z du transfert d’électrons ». Au fur et à mesure, tout ce qui est du côté du lumen deviendra très oxydant, et tout ce qui est du côté du stroma deviendra très réducteur. B) Conversion de l’énergie rédox en force proton motrice C’est une forme d’énergie intermédiaire avant d’avoir de l’ATP. Le lumen devient très oxydant et acide, alors que le stroma devient très réducteur et basique. On a une accumulation de protons à l’intérieur du lumen, appelée force proton motrice. L’accumulation des ions dans un compartiment crée une force : la membrane du thylakoïde est intacte et imperméable aux protons. Il manque dont un élément permettant la sortie des protons (qui entrent grâce à la chaîne de transporteurs d’électrons). C) Conversion de la force proton motrice en ATP Des chloroplastes éclairés sont capables de synthétiser de l’ATP dans le stroma : pour ceci, la membrane des thylakoïdes doit être intacte (imperméable). La synthèse d’ATP provient de la force proton motrice. Une pompe ATPase est une « porte » permettant de faire sortir les protons afin d’alimenter une turbine pour permettre la synthèse d’ATP. 20 PHYSIOLOGIE VEGETALE Autotrophie des végétaux ATPase = 2 parties : canal à protons + CF1 où se déroule la synthèse d’ATP. Lorsqu’on a accumulation de protons, le canal s’ouvre. Chaque fois que 3 protons sortent du système, on a une molécule d’ATP qui est synthétisée. Cette réaction globale s’appelle phosphorylation. Les deux formes d’énergie, NADPH et ATP, sont synthétisées dans le stroma (là où se déroule le cycle de Calvin). La photosynthèse est soumise à de nombreuses régulations pour s’adapter à des conditions particulières (exemple : environnement désertique). 3) Conclusions → Les thylacoïdes : siège de la phototrophie des cellules végétales chlorophylliennes → Importance de la structure compartimentée du chloroplaste dans l’utilisation de l’énergie lumineuse → Les différents éléments du mécanisme de la phototrophie répartis dans différentes régions des thylacoïdes mais constituent une unité fonctionnelle dans la captation et la conversion de l’énergie lumineuse 21