PHOTOSYNTHSE et

CHLOROPHYLLES :

vido sur la photosynthse et la chlorophylles

Le terme photosynthse signifie littralement: synthse ralise laide de lnergie lumineuse.

Bien que, en ce sens, diffrentes ractions synthtiques puissent avoir lieu

indpendamment des tres vivants, il est dusage de ne dsigner par ce mot que la capacit des vgtaux chlorophylliens assimiler le dioxyde de carbone ou gaz

carbonique, la lumire, avec formation de substances organiques. On lappelait autrefois assimilation chlorophyllienne.

Plus prcisment, la photosynthse comprend lutilisation de lnergie lumineuse pour la rduction du dioxyde de carbone par leau, donneur dhydrogne (ou dlectrons + protons), avec synthse de glucides et libration doxygne.

Cette raction est ralise dans des organites intracellulaires spcialiss, les

chloroplastes, porteurs de pigments photorcepteurs, tels que les chlorophylles, les

carotnodes .

La rduction du dioxyde de carbone par leau (ou, chez les bactries chlorophylliennes, par dautres substances telles que lacide sulfhydrique, lhydrogne ou bien un compos organique, un actate par exemple) ncessite un apport dnergie assez lev.

Loriginalit du mcanisme est dutiliser des photons et de les convertir en nergie chimique qui se retrouve dans lnergie de liaison des atomes de carbone et dhydrogne dans les glucides forms.

Huit photons au moins sont ncessaires pour permettre la rduction dune molcule de dioxyde de carbone par leau.

Deux types de ractions participent cette rduction.

Les unes, purement photochimiques, se droulent entre les photons absorbs et les

molcules de pigments.

Les autres, ractions sombres, concernent la biochimie du carbone; elles se prsentent

schmatiquement comme linverse du mcanisme respiratoire consommateur de glucides et doxygne avec formation de dioxyde de carbone et deau.

La liaison entre ces deux types de ractions est ralise par des transporteurs dlectrons (+ protons) appartenant aux nuclotides-phosphates, et par ladnosine-triphosphate, ou ATP, que lon retrouve dans toutes les ractions bionergtiques .

1. Les tapes de la dcouverte

Le dgagement doxygne par les plantes vertes fut dcouvert par le pasteur physicien et philosophe anglais J. Priestley en 1772, quelques annes avant que Lavoisier ne

dmontre que le dioxyde de carbone libr par la respiration animale, ou par la

combustion dune chandelle, est form de carbone et doxygne.

En 1779, le Hollandais J. Ingen Housz dcouvre que ce dgagement na lieu qu la lumire; J. Senebier Genve, en 1782, prouve la ncessit du dioxyde de carbone et, en

1804, N. T de Saussure, de Genve galement, dmontre que leau participe la raction.

En 1845, trois annes aprs avoir nonc le principe de la conservation de lnergie, le physicien allemand R. Mayer discerne laspect fondamental du phnomne: Les plantes prennent une force, la lumire, et engendrent une force, lnergie chimique.

Vingt ans aprs, laccumulation damidon dans des feuilles claires est dcouverte, puis, partir de 1880, les premiers spectres de lumire active sont tracs par C.

Timiriazev, en Russie, et T. W. Engelmann, en Allemagne, reconnat la photosynthse

des algues rouges et la photorduction du gaz carbonique ralise par quelques

bactries.

Au dbut du XXe sicle, on introduit la distinction entre ractions photochimiques,

rsultant de labsorption de la lumire par les pigments, et ractions sombres, catalyses par des enzymes.

la mme poque, on reconnat le caractre quantique des phnomnes

photochimiques; la loi dEinstein stipule que toute transformation photochimique lmentaire exige labsorption dun quantum de lumire (photon) par une des molcules prenant part cette transformation.

Pour tre efficace photochimiquement, la lumire doit tre absorbe.

La photosynthse nchappe pas cette loi: son spectre daction est trs peu prs identique au spectre dabsorption des pigments photosynthtiques (essentiellement les chlorophylles) .

Les radiations photosynthtiquement actives sont comprises entre 400 et 700 nm pour

les vgtaux verts, elles stendent jusqu 890 nm pour les bactries photosynthtiques.

Contrairement aux ractions photochimiques, les ractions sombres (ou encore

thermiques) sont acclres par une lvation de temprature.

Celles de la photosynthse prsentent beaucoup danalogie avec celles du mtabolisme gnral et de la respiration en particulier.

Les ractions sombres se droulent spontanment, avec libration dnergie libre (sens exergonique).

Loriginalit de la photosynthse est de les coupler aux ractions photochimiques, transformant lnergie des photons en nergie chimiquement utilisable, pour raliser un processus par lui-mme globalement endergonique:

La rduction dune molcule de dioxyde de carbone et simultanment loxydation de deux molcules deau donnent lieu la formation dun chanon glucidique (CHOH) et la libration dune molcule doxygne.

Ce processus ncessite au minimum lutilisation de 8 einsteins (ou moles de photons), soit lquivalent de 1380 kJ/mole.

Le rendement de la photosynthse est donc au mieux de 30 p. 100 environ.

Aprs la Seconde Guerre mondiale, les recherches en photosynthse ont connu un essor

considrable.

Dans une premire priode, elles ont t marques par llucidation, grce lemploi des isotopes radioactifs, des nombreuses tapes sombres de lintgration du carbone.

La priode qui lui a succd a vu un trs grand dveloppement des mthodologies

biophysiques (spectroscopie, cintique), des tudes structurales par microscopie

lectronique notamment et des mthodes de plus en plus labores dobtention de fractions subcellulaires actives (sparations diverses, lectrophorse, etc.).

Chacune de ces approches concerne certains aspects seulement de lappareil photosynthtique, mais lensemble converge vers une vision de plus en plus cohrente de la faon dont les structures supramolculaires de lappareil photosynthtique assurent lensemble des fonctions lmentaires permettant la conversion photosynthtique de lnergie lumineuse .

2. Lappareil photosynthtique

Dans les feuilles vertes des plantes, dans les algues, la photosynthse est ralise par des

organites spcialiss: les chloroplastes.

Ils possdent toujours une enveloppe forme de deux membranes: une externe perfore

et une interne dote de permabilit slective.

On y reconnat la prsence dune structure fondamentale, la lamelle, remarquablement constante dans son architecture molculaire gnrale.

Il sagit dune bicouche lipidique (7 nm environ dpaisseur), dans laquelle sont ancres des macromolcules lipoprotiques ou des complexes protiques oligomriques.

La fluidit des lipides membranaires (composs principalement de phospholipides et de

galactolipides) autorise une certaine libert de mouvement latral de ces complexes.

Toutes les molcules fonctionnellement associes aux tapes primaires de la

photosynthse sont intgres soit au sein de la membrane (plastoquinones), soit comme

protines membranaires (cytochromes), soit lies de faon non covalente celles-ci

(chlorophylle des antennes et des centres).

Mais certaines protines (mtallo-protines telles la plastocyanine (Cu) ou la ferrdoxine

(Fe)) sassocient de faon non permanente certains sites de la membrane.

Les plus gros complexes membranaires sont la fois visibles en microscopie lectronique

et isolables aprs destruction mnage de la membrane elle-mme, de sorte quune localisation et une distribution assez prcise de ces particules dans le plan de la

membrane et selon sa normale a pu tre aborde.

Chez les eucaryotes photosynthtiques (tous les vgtaux chlorophylliens), il existe deux

autres niveaux dorganisation englobant lorganisation supramacromolculaire considre ci-dessus.

Dune part, les lamelles forment au sein du chloroplaste un rseau de vsicules (thylakodes) qui dfinissent deux phases sans communication immdiate: lespace stromatique et lespace intrathylakodal (ou lumen).

la polarit stroma-lumen ainsi dfinie correspond une organisation transversale

(normale au plan membranaire) des complexes et composants membranaires, qui est de

la plus haute importance pour lnergtique de la conversion .

Dautre part, les lamelles peuvent saccoler par endroits pour former des empilements de disques (granums, visibles en microscopie photonique) qui restent en relation de

continuit avec des lamelles non accoles disperses dans le stroma .

On pense que cette disposition frquente mais non gnrale reprsente une adaptation pour une rpartition optimale de lnergie lumineuse dans lappareil.

Il est relativement ais de sparer, aprs broyage du tissu foliaire, des fragments de

chloroplastes capables la lumire de dgager de loxygne et de rduire certains accepteurs dlectrons (par exemple le ferricyanure et de nombreux colorants).

Cette raction de Hill, du nom du biochimiste anglais qui la dcouverte, permet de dmontrer que cest au sein des structures thylakodales que seffectue lintgralit de la conversion au sens nergtique.

En effet, ces fragments de membranes isols sont capables de rduire le NADP

(nicotinamide dinuclotide-phosphate) et de phosphoryler lADP (adnosine-diphosphate), partir de quoi lintgration du carbone en glucides peut seffectuer de faon enzymatique spontane.

On sait aller beaucoup plus loin dans la fragmentation de lappareil en blocs lmentaires fonctionnels, notamment grce une attaque mnage des membranes par

des dtersifs.

Les centres ractionnels bactriens o seffectue lacte photochimique de la conversion donnent un bon exemple de cette dmarche.

On a pu dterminer la composition minimale dun complexe, ncessaire sa fonction: 3 sous-units polypeptidiques, 4 molcules de bactriochlorophylle, 2 molcules de

bactriophophytine (macrocycle de chlorophylle priv de Mg), 1 molcule de

carotnode, 2 molcules dubiquinone et 1 atome de fer.

Dautres blocs fonctionnels sont, de nos jours encore, difficiles extraire et purifier (stchiomtrie variable) ou perdent une partie de leur activit au cours de lisolement.

Mais le dmontage de la micromachine photosynthtique dcouvre une remarquable

unit darchitecture molculaire preuve vidente dune parent phylognique et nous apprend que la structure de ces complexes, cest--dire la disposition gomtrique de ses parties, tout autant que leur nature biochimique, dtermine spcifiquement leurs

fonctions.

La structure granaire dominante chez les vgtaux suprieurs a longtemps pos un problme dinterprtation.

quoi sert-elle?

De nombreuses recherches ont t consacres ce problme.

On sest aperu finalement que cette structure ntait pas statique, mais relativement mobile: sous linfluence de multiples facteurs (par exemple les ions Mg++ dans le stroma), les lamelles peuvent saccoler ou se sparer rversiblement; paralllement, on assiste une migration des complexes membranaires qui peuvent se rassembler ou se

disperser.

Un des rsultats inattendus de ces recherches en un sens contredit le schma en Z,

pourtant si solidement tabli .

Celui-ci, en effet, suggre naturellement quil doit exister dans la membrane une entit morphologique correspondant la chane photosynthtique et constitue des deux

principaux complexes: systme II + systme I.

Or, si cette chane est bien une ralit sur le plan fonctionnel, son existence

morphologique est extrmement fluctuante.

Ainsi, on a dmontr, en les isolant, que les disques granaires ne comportent que des

complexes systme II et que tous les complexes systme I (plus une minorit de systme

II) se rassemblent dans les lamelles disperses dans le stroma.

Il faut videmment que des transporteurs mobiles cest le cas des plastoquinones puissent tablir une communication entre ces deux sortes ddifices lamellaires.

Cette singulire complication doit jouer un rle, pense-t-on, dans ladaptation de lappareil photosynthtique au rgime lumineux.

3. Les mcanismes primaires

Lunit photosynthtique: antenne et centre

On doit deux chercheurs amricains (R. Emerson et W. Arnold) la notion dunit photosynthtique qui a jou un rle fondamental dans la manire dont se comprend la

relation structure-fonction dans lappareil photosynthtique.

Leurs travaux dans les annes 1930-1940 ont rvl que, sous leffet dclairs brefs et saturants (quelques microsecondes, quelques 10_2 joule/cm2), lacte photochimique lmentaire nimpliquait pas moins de 600 molcules de chlorophylle.

Par ailleurs, on savait quau contraire, en faible lumire, labsorption de tout photon se traduit par un acte photochimique lmentaire, avec un rendement quantique proche de

lunit.

Le concept dunit photosynthtique devait rsoudre ce paradoxe. La chlorophylle remplit deux rles essentiels: comme convertisseur photochimique dans les centres et

comme collecteur de lumire dans les antennes.

En fait, chaque chlorophylle centre sont associes quelques centaines de molcules de

chlorophylle antenne, en sorte que tout photon absorb par lune dentre elles est transmis presque sans perte par transfert de rsonance au centre o seffectue la conversion.

Cette disposition est compatible avec un excellent rendement en faible lumire.

En revanche, au cours dun clair bref et saturant, chaque centre est activ, mais ne peut fonctionner quune fois, car le temps total de conversion ncessaire pour quun centre, aprs avoir t excit, soit de nouveau capable dtre activ est beaucoup plus long (environ 10_4 s) que la dure dun clair. Tout se passe donc comme si une petite fraction seulement de la chlorophylle (1/600) tait active dans ces conditions.

Linverse de ce rapport dfinit prcisment la taille de lunit photosynthtique.

Par analogie avec la photochimie non biologique, on pouvait sattendre ce que lacte de conversion implique un phnomne doxydorduction.

Un ensemble de rsultats exprimentaux, pour lesquels la spectroscopie par clairs a

jou un grand rle, a impos la notion que la conversion photochimique consiste en une

sparation de charges entre un donneur primaire P et un accepteur primaire A selon les

deux tapes:

P est la chlorophylle centre; cest un dimre de chlorophylle (ou de bactriochlorophylle); Pz est son tat excit (singulet).

P fonctionne donc la fois comme pige pour lexcitation lumineuse et comme donneur dlectron.

A est une phophytine (ou une chlorophylle). Ce schma est gnral et se vrifie chez

tous les organismes photosynthtiques.

La conversion photochimique consiste donc transformer lnergie dun photon en la diffrence de potentiel doxydorduction existant entre les couples P+/P et A/A_.

Le rendement nergtique de cette opration est excellent (de lordre de 60 p. 100).

Quant son rendement quantique (paire de charges spares/photon absorb), il est trs

proche de lunit.

Les facteurs de cette remarquable performance ne sont pas dfinitivement lucids.

Du moins, deux proprits de lensemble centre-antenne permettent-elles de la comprendre. Dune part, la vitesse des deux tapes ci-dessus est notablement plus grande (1011 s_1) que celle de la dsactivation spontane de lexcitation dans lantenne (de 107 108 s_1) .

Dautre part, la recombinaison des charges, qui dissiperait lnergie emmagasine dans ltat P+A_ (en redonnant ltat PA) na quune infime probabilit de se produire.

Mais, pour parfaite quelle soit, la conversion photochimique ne va pas sans pertes qui, mme trs faibles, constituent de prcieux indicateurs sur ltat et le fonctionnement des centres et des antennes.

Ces pertes se manifestent en effet par une fluorescence et une luminescence de la

chlorophylle, dont les proprits spectroscopiques et surtout cintiques ont puissamment

contribu tablir la validit du schma de conversion.

Les deux systmes photochimiques et le schma en Z

Le bilan de la photosynthse chez les plantes suprieures, cest--dire simultanment loxydation dune molcule deau et la rduction dune molcule de dioxyde de carbone, implique la mobilisation de 4 lectrons (et de 4 protons, soit de 4 atomes dhydrogne).

Lexigence quantique de la photosynthse (8 hn / O2 ou CO2) indique donc que 2 photons sont ncessaires pour transfrer 1 lectron.

La signification de ce facteur 2 ne fut bien comprise qu partir des annes 1957-1960 lorsque R. Emerson, tudiant le spectre daction de la photosynthse, montra que les radiations absorbes vers 690 nm et au-del sont peu efficaces, moins quelles ne soient supplmentes par des radiations de plus courtes longueurs donde.

On ne tarda pas comprendre que chez les vgtaux suprieurs la photosynthse est un

processus biphotonique mettant en jeu deux sortes densembles antennes-centre dont les spectres dabsorption sont lgrement dcals (en particulier dans le rouge lointain).

Lexplication du facteur 2 tait donc que 2 photoractions devaient oprer en srie pour porter chaque lectron du potentiel de O2/H2O jusquau potentiel de CO2/(CHOH).

Ce schma en srie, plus connu sous le nom de schma en Z , sest trouv confort par un corps trs important de rsultats, particulirement dordre cintique.

Mais la preuve sans doute la plus loquente de sa validit est donne par la possibilit

disoler aprs fragmentation de la membrane deux sortes de subparticules possdant sparment chacune des activits photochimiques postules.

Chaque photoraction, ainsi que les transporteurs directement associs, a reu le nom de

photosystme.

Convenant dorienter les flches dans le sens du transfert des lectrons, on voit que le photosystme II extrait les lectrons de leau ( + 0,8 volt) et les porte un potentiel rducteur assez bas (_ 0,2 volt), mais encore insuffisant pour la rduction du CO2.

Llectron, dabord capt par une phophytine, se trouve stabilis sur une plastoquinone spciale, Q, puis transmis par lintermdiaire dune seconde plastoquinone, B (mobile), au pool principal des plastoquinones, PQ.

La communication des lectrons au photosystme I passe par un complexe

cytochromes (b6 et f ) contenant galement une protine fer et soufre (centre de

Rieske) et par un transporteur mobile, la plastocyanine (PC, une protine Cu).

Le dplacement des potentiels o opre le systme I dans le sens rducteur rsout la

difficult nergtique voque ci-dessus: llectron se trouve port, lissue du deuxime acte photochimique, un potentiel suffisamment rducteur (_ 1,0 volt) pour rduire

facilement le NADP. Comme pour le photosystme II, plusieurs accepteurs associs au

centre: A1, A2, etc., de la famille des ferrdoxines (Fd), stabilisent llectron avant son transfert au NADP via une enzyme, la Fd-NADP oxydorductase.

Des protons sont galement mis en jeu paralllement au transfert des lectrons: ils sont

librs aux tapes doxydation de H2O et de PQH2 et inversement, fixs celles de rduction de PQ et NADP.

Le schma montre enfin quun transfert cyclique dlectrons peut avoir lieu, dans certaines circonstances, autour du systme I. Le schma en Z est commun tous les

organismes photosynthtiques oxygniques.

Par contre, les bactries photosynthtiques, incapables doxyder leau, sadressent des donneurs dhydrogne plus faciles oxyder (composs du soufre, substrats organiques) et leur appareil ne comporte quun seul photosystme.

Une rgion qui est encore mal connue du systme II concerne loxydation de leau.

On sait seulement quelle se produit de faon squentielle et cyclique en accumulant 4 quivalents oxydants capables de dcomposer 2 molcules deau tout en librant 1 molcule doxygne.

Cest ce quont lgamment dmontr les expriences du Franais P. Joliot et de lAmricain B. Kok .

La thorie de Mitchell

Le schma en Z exprime de manire compacte la connexion mcanistique des

transporteurs de la chane photosynthtique les uns aux autres.

Il est remarquable quil reflte assez fidlement lorganisation macromolculaire de la membrane du thylakode, principalement dans le sens transversal .

Cest ainsi que laxe de la sparation de charges dans les deux photosystmes est normal au plan membranaire; son sens est tel quelle tend projeter llectron lextrieur du thylakode.

Deux consquences en rsultent. En premier lieu, la sparation des charges dans les

deux photosystmes cre un champ lectrique transmembranaire. Comme la montr lAllemand H. T. Witt, ce champ est assez fort (105 volt / cm) pour influencer par lectrochromisme les pigments photosynthtiques, qui subissent des variations

spectrales (par exemple 515 nm) faibles, mais bien dtectables.

Notons que, linstar dun condensateur, une certaine nergie se trouve ainsi momentanment stocke dans le dilectrique de la membrane. En second lieu, cette

nergie est utilise pour acclrer la fixation de protons sur la face externe du thylakode

et leur libration dans sa phase interne (lumen).

Comme la membrane est trs peu permable aux ions et quelle dlimite un volume ferm, elle maintient donc entre ses deux faces un gradient de pH. Lnergie lectrostatique est ainsi transforme en une nouvelle forme de stockage: lnergie chimiosmotique du gradient de pH.

Cest en rflchissant la signification de la compartimentation chez les mitochondries et les chloroplastes, qui permet une accumulation dnergie sous forme chimiosmotique, que lAnglais P. Mitchell (prix Nobel 1978) a pu proposer la thorie chimiosmotique [cf. BIONERGTIQUE].

Celle-ci fournit notamment une explication cohrente de la photophosphorylation chez

les chloroplastes.

La membrane du thylakode porte en effet dans son paisseur et sur sa face externe un

complexe enzymatique, lATP-synthtase (CF0 et CF1 sur la ), capable de canaliser les protons en excs dans la phase interne et dutiliser lnergie du gradient de pH pour synthtiser des molcules dATP.

En dfinitive, celui-ci, relch, ainsi que le NADPH2 dans la phase stromatique y seront

les vecteurs dnergie et dlectrons + protons suffisants pour lintgration du carbone catalyse par les enzymes du cycle de Calvin (cf. chap. 4).

4. Les ractions sombres: la rduction du

dioxyde de carbone

Les ractions sombres de la photosynthse, (ou ractions thermiques, en raison de leur

sensibilit la temprature) sont maintenant bien connues grce la conjonction de

mthodes et de techniques dveloppes pendant et aprs la Seconde Guerre mondiale:

utilisation disotopes traceurs, en particulier du radiocarbone 14 dcouvert en 1940, et analyse chimique par chromatographie.

Aprs avoir offert du 14CO2 une plante, il devient possible de suivre les diffrentes

tapes de sa fixation dans les molcules organiques et de sa rduction. Les molcules

nouvelles, grce leur composition isotopique, se distinguent des molcules de mme

nature chimique qui prexistaient dans les tissus, avant loffre.

Aujourdhui, la sparation des diffrents mtabolites est relativement simple, car la mesure de la radioactivit acquise aprs lintgration du 14C est rapide et trs sensible. La figure illustre les rsultats obtenus.

Comme le 14C ne perd la moiti de sa radioactivit quen 5 000 ans environ, on peut le considrer comme un outil stable notre chelle.

On doit lquipe de chercheurs de luniversit de Berkeley dirige par M. Calvin (prix Nobel de chimie, 1961) le dveloppement des recherches sur ce sujet, depuis 1946. Chez

les vgtaux dits C3 (cf. chap. 5), le premier compos form, lacide phosphoglycrique, comporte 3 atomes de carbone

. Il contient la quasi-totalit du radiocarbone du gaz carbonique fix aprs quelques

secondes, en prsence de lumire.

Il est form par la fixation du dioxyde de carbone sur un glucide 5 atomes de carbone,

le ribulosediphosphate.

Cette fixation (5 C + 1 C) engendre 2 molcules dacide phosphoglycrique (3 C Z 2). Ensuite apparat un glucide, galement tricarbon: laldhyde phosphoglycrique, produit de la rduction du corps prcdent. Cette rduction est ltape nergtique la plus importante des ractions sombres; elle utilise les deux transporteurs NADPH2 et

ATP, rechargs lors des ractions photochimiques.

Ensuite, lunion de deux molcules de trioses forme un sucre 6 atomes de carbone, le fructose-bisphosphate, puis monophosphate, pour lequel deux voies sont possibles:

dune part, la rgnration du ribulose-disphosphate, par des transformations entre glucides phosphoryls, permettant la poursuite de la fixation du dioxyde de carbone, et,

dautre part, lengagement vers la formation daccumulats glucidiques .

La rgnration du ribulose-diphosphate forme un cycle ractionnel auto-entretenu, ou

cycle de Calvin, qui est parcouru en quelques secondes. Lexcdent de carbone, d la fixation du dioxyde de carbone, est lorigine de la synthse de lamidon qui se dpose frquemment dans les chloroplastes.

Une fraction des trioses-phosphates migre hors des chloroplastes et est lorigine du saccharose, form dans le cytosol. (Lenveloppe des chloroplastes est trs permable aux trioses-phosphates et au phosphate minral.)

Toutes ces ractions sont catalyses par des enzymes, et il est possible de les raliser in

vitro, condition que les fournisseurs dlectrons et dnergie soient prsents.

Il est remarquable de constater quelles mettent en jeu des composs phosphoryls qui appartiennent au mtabolisme intermdiaire le plus courant. Les tapes allant de lacide phosphoglycrique aux sucres parcourent exactement, en sens inverse, celles de la

glycolyse fermentaire ou respiratoire, et la rgnration du ribulose-diphosphate

emprunte la voie inverse de la chane respiratoire des pentoses-phosphates.

Cest le pouvoir rducteur des chloroplastes, aliment par la recharge photochimique de NADPH2 et de lATP, qui gouverne cette inversion.

Loriginalit de ce cycle ractionnel rside dans le mode de fixation et de rduction du dioxyde de carbone, propre aux vgtaux chlorophylliens et de nombreuses bactries

autotrophes pour le carbone, et dans son couplage nergtique avec les ractions

photochimiques.

Le cycle de Calvin comporte galement quelques voies latrales qui aboutissent la

synthse dacides-amins et de prcurseurs des lipides . Ainsi, lacide phosphoglycrique est lorigine de lacide pyruvique qui, par amination (fixation du groupe N H2), est transform en a-alanine, acide amin 3 atomes de carbone.

La carboxylation de lacide pyruvique donne naissance lacide oxaloactique. Ce dernier peut tre rduit, avec formation dacide malique, ou amin, avec synthse dacide aspartique. Ces trois derniers composs sont 4 atomes de carbone et appartiennent la mme famille mtabolique. Lacide pyruvique, par dcarboxylation (perte de gaz carbonique), engendre le radical actyle, origine des acides gras des lipides

[cf. MTABOLISME].

Tout le droulement du cycle de Calvin se situe dans les chloroplastes. lexception des trioses-phosphates, les glucides phosphoryls ne traversent que trs lentement les

membranes qui limitent ces organites; la voie synthtique des ractions se trouve ainsi

compartimente.

En revanche, trioses-phosphates et acides organiques circulent trs aisment entre les

chloroplastes et le cytosol.

Aprs migration dans le cytosol et les autres organites cellulaires, lexcdent des composs, par rapport aux ncessits du droulement du cycle, alimente les synthses de

protines, de lipides, etc. et la respiration.

5. Les types mtaboliques de photosynthse,

daprs le mode de fixation initial de CO2

Les ractions enzymatiques dcrites ci-dessus sont sensiblement les seules voies dentre du CO2 dans le mtabolisme photosynthtique, pour la majorit des plantes

primitivement tudies. 90 p. 100 du carbone au moins empruntent directement la voie

du phosphoglycrate, compos 3 atomes de C, do le qualificatif de type C3 donn ces vgtaux qui comprennent presque toutes les plantes originaires des rgions

tempres, toutes les Fougres, Mousses, Algues et enfin tous les arbres quel que soit

leur habitat climatique.

Mais, parmi les plantes herbaces et quelques arbustes des rgions tropicales, semi-

tropicales, ou encore des sols sals des rgions tempres, on trouve, dans prs de vingt

familles appartenant toutes aux Phanrogames Angiospermes, un procd diffrent de

fixation initial de CO2.

Celui-ci a t reconnu entre 1963 et 1966. Dans le cytosol des cellules sous-pidermiques

de leurs feuilles (msophylle) la raction suivante intervient pour la quasi-totalit du

CO2 fix.

Elle est catalyse par une phosphonolpyruvate carboxylase:

do lexpression de plantes de type C4 qui leur a t attribue. LOAA, corps instable, y est immdiatement rduit en malate (MAL) ou amin en aspartate (ASP). Ces

deux derniers composs fournissent, aprs migration dans des cellules plus internes, le

CO2 la raction caractristique du type C3:

Cette dernire a lieu dans les chloroplastes exclusivement.

Ces cellules, plus internes que celles du msophylle, entourent les vaisseaux conducteurs

de sve et constituent la gaine privasculaire.

Lensemble forme une structure dite en couronne. Puis les oprations de rduction du PGA et de transformation des glucides, avec rgnration du ribulose-diphosphate,

formation damidon et de saccharose, se poursuivent comme dans les plantes de type C3. La figure schmatise les 2 cycles raliss, lun dans les cellules du msophylle, lautre dans celles de la gaine privasculaire.

Ainsi lensemble du mtabolisme photosynthtique du carbone se trouve rparti entre deux tissus dont les cellules ont une compartimentation enzymatique nettement

diversifie.

De plus, le type C4 prsente plusieurs variantes.

Pour le mas, la canne sucre, le malate est le transporteur essentiel de CO2 et, dans les

chloroplastes des cellules des gaines, une enzyme malique catalyse la raction:

Le malate fournit le CO2 et enrichit galement le pouvoir rducteur des chloroplastes

des gaines en rduisant le NADP en NADPH2.

Pour dautres espces de type C4: Panicum maximum, Chloris guyana, laspartate, aprs amination de loxaloactate dans le cytoplasme des cellules du msophylle, migre dans les gaines, y rgnre lOAA qui enfin fournit le CO2 aux chloroplastes de ces

dernires, aprs une dcarboxylation par une PEP-carboxykinase selon une raction du

type:

Le phosphonolpyruvate, ltat de pyruvate, est ensuite amin, donnant naissance la-alanine qui retourne dans le msophylle, assurant la fourniture la fois dun chanon tricarbon et dune fonction amine ncessaire la poursuite du cycle.

Pour les espces telles que Amaranthus edulis, Panicum miliaceum, o laspartate est galement la principale forme de transport de CO2 du msophylle aux cellules des

gaines, cet acide amin est reconverti en malate dans les mitochondries des cellules des

gaines et une enzyme malique assure la libration du CO2 selon la raction:

Aprs amination du pyruvate, avec formation da-alanine, le retour de cet acide amin tricarbon permet la reprise du cycle dans les cellules du msophylle.

Si, dans ces trois modalits, le cycle rducteur du CO2 en glucides se situe toujours dans

les chloroplastes des cellules des gaines privasculaires et par le mme processus

incluant la carboxylation du ribulose-diphosphate avec formation de PGA et rduction

de ce dernier en trioses-phosphates, le mode dapport de CO2 lintrieur des tissus prsente des modalits diffrentes.

Le mtabolisme photosynthtique du carbone est clat, partag entre des lieux

cellulaires ou des organites divers: cytosol, chloroplastes, voire mitochondries, avec une

spcialisation des cellules sous-pidermiques externes du msophylle dans la fixation

initiale du CO2 et une spcialisation des chloroplastes des cellules plus interne des gaines

dans sa rduction au niveau glucidique.

Il en rsulte une compartimentation du mtabolisme diffrente de celle des plantes de

type C3.

Dautres complications interviennent dailleurs, les chloroplastes des cellules du msophylle pouvant participer la rduction dune fraction du phosphoglycrate venant des plastes des gaines, mais seuls les chloroplastes de ces dernires possdent la ribulose-

diphosphate-carboxylase.

Cet clatement avec une compartimentation complexe implique diverses migrations de

mtabolites intermdiaires, facilites par des communications directes (plasmodesmes

entre les cytosols des diffrentes cellules en continuit, quelles appartiennent au msophylle ou aux gaines).

Cette compartimentation implique aussi une dpense nergtique supplmentaire

correspondant la multiplicit des transports et aux ractions plus nombreuses quand

on compare le mtabolisme C4 au mtabolisme C3.

Mais cette dpense supplmentaire est couverte par ladaptation des plantes C4 au fort ensoleillement de leurs rgions dlection.

Par ailleurs, ainsi quon lexposera plus loin, propos de la photorespiration, le pouvoir de fixation de CO2 de la PEP-carboxylase est beaucoup plus lev que celui de la

ribulose-diphosphate-carboxylase et leur assure une beaucoup plus grande activit

mtabolique de photosynthse quand le flux lumineux nest pas limitant.

Les plantes de type C4 sont capables dabsorber la totalit du CO2 prsent dans une enceinte close, ce que ne peuvent raliser les plantes de type C3 dont la photosynthse

sannule lorsque la pression partielle de CO2 dans latmosphre sabaisse au-dessous de 40 50 microlitres par litre dair (point de compensation de CO2).

De ce fait, en atmosphre normale, les plantes de type C4 absorbent presque aussi

rapidement le CO2 dont le carbone est lisotope 13C que le CO2 carbone 12C (le 13CO2 reprsente environ 1,1 p. 100 du CO2 total de lair), alors que les plantes de type C3 prsentent lgard du 13CO2 un retard lassimilation de 20 p. 1 000 par rapport au 12CO2 (fractionnement isotopique), contre 4 p. 1000 pour les plantes C4.

Elles peuvent utiliser des clairements beaucoup plus levs que les plantes de type C3.

Leur saturation lumineuse nest pas toujours atteinte dans les jours les plus riches en lumire (500 W par m2), alors que les plantes de type C3 sont satures de lumire entre

50 et 150 watts par mtre carr. Leur optimum thermique de photosynthse est

galement plus lev (de 30 47 0C contre 15 25 0C pour les plantes C3).

La structure en couronne des tissus foliaires des plantes de type C4 est favorable la

migration des produits de photosynthse, en raison de la proximit des cellules des

gaines o se ralise la synthse des glucides (amidon et saccharose) et des vaisseaux

conducteurs de la sve qui distribuent les mtabolites aux divers organes de la plante et

peuvent ainsi leur assurer une croissance plus rapide, dans les conditions climatiques

qui leur sont favorables.

Un autre avantage leur est aussi confr dans leurs rgions dorigine par leur conomie hydrique, leur transpiration tant, en prsence dun ensoleillement fort, plus faible que celui des plantes C3 et leur rapport carbone assimil/eau transitant dans les tissus plus

lev.

Elles se trouvent sur la voie dune adaptation aux climats arides dont le terme est donn par les plantes grasses au mtabolisme acide crassulacen (CAM) qui constitue un

troisime type adapt aux conditions des dserts aux tempratures diurnes leves.

Au moins vingt-six familles de Phanrogames et quelques Fougres possdent des

espces de type CAM.

En 1804, N. T. de Saussure avait dcrit que les raquettes de figuier-de-Barbarie

(Opuntia ficus indica) fixaient le CO2 la nuit, quand les orifices de leurs stomates sont

ouverts.

Le jour, ils sont ferms et la transpiration de la plante est ainsi supprime pendant la

priode de chaleur sche de leur climat dorigine.

La fixation aboutit alors, comme dans les plantes de type C4, la formation de malate

qui saccumule durant la nuit, dans les vacuoles des cellules. Le jour suivant, la lumire, le malate fournit le CO2 ncessaire la synthse des glucides qui a lieu dans les

chloroplastes.

Il y a disjonction dans le temps entre la fixation initiale de CO2 et sa rduction.

Il existe des espces vgtales dont les caractres sont intermdiaires entre les types

mtaboliques prcdemment dcrits, mais elles sont apparemment moins frquentes que

les types tranchs.

Sans doute tmoignent-elles des modalits dvolution avortes ou en cours. Le type C3 est le plus primitif des trois, daprs les fossiles connus et les caractristiques de la composition isotopique en carbone 13 et en carbone 12 des charbons.

Il faut noter aussi que dans la mme famille botanique (Caryophyllaceae,

Chenopodiaceae, Euphorbiaceae...) se trouvent des reprsentants des trois types

mtaboliques.

Enfin, des essais dhybridation ont t tents entre espces voisines C3 et C4 appartenant au mme genre (Atriplex).

Les croisements donnent des descendances viables, mais les nombreux caractres

distinctifs, anatomiques, cytologiques, enzymatiques, dpendent de gnes diffrents.

Ils se disjoignent avec une forte indpendance, une grande irrgularit dans la

distribution chromosomique, qui, jusqu prsent, na pu tre matrise en vue de conduire une amlioration comparable celle des plantes de grande culture telles que

les bls ou les mas.

6. Photosynthse nette et photosynthse

brute; la photorespiration

la lumire, les vgtaux chlorophylliens continuent respirer, cest--dire absorber de loxygne et mettre du CO2.

Cette respiration possde plusieurs composantes.

Les unes, tout fait semblables celles que lon constate lobscurit, sont gnralement dprimes la lumire, lnergtique lumineuse se substituant lnergtique chimique fournie par les oxydations mitochondriales.

De plus stablit la lumire un type de respiration particulier, appel photorespiration (Pr).

Il en dcoule, sur le plan quantitatif, le fait suivant: lmission photosynthtique dO2 ainsi que labsorption de CO2 observes la lumire expriment la photosynthse nette (Pn) qui est plus faible que la photosynthse totale ou photosynthse brute (Pb), selon

lquation: Pn = Pb _ Pr.

En fait, Pr reprsente lensemble de la respiration la lumire comprenant essentiellement la photorespiration stricto sensu, si lon nglige le faible reliquat des

mcanismes respiratoires normalement manifests lobscurit et qui se trouvent dprims la lumire.

Limportance de la photorespiration varie selon les types mtaboliques dcrits dans le paragraphe prcdent. Pour les feuilles dune plante de type C3, dont la photosynthse nette peut atteindre 30 milligrammes de CO2 fix par dcimtre carr et par heure, dans

lair ordinaire, la photorespiration peut avoir une valeur presque gale (soit 40 50 p. 100 de la photosynthse brute) et se prsenter comme une perte trs importante du

pouvoir photosynthtique total.

Elle est en moyenne cinq fois plus intense que la respiration ralise lobscurit par les mmes organes.

En raison des changes des mmes gaz, quoique inverss, la mesure de la

photorespiration est dlicate.

La mthode la plus sre est celle qui consiste placer les vgtaux en prsence dune atmosphre enrichie en oxygne de masse atomique 18 (non radioactif), distinct de

loxygne courant de masse 16.

Alors que par photosynthse les vgtaux librent 16O aprs photoxydation de leau H216O, la mesure de labsorption de 18O par spectromtrie de masse permet dvaluer lintensit de la photorespiration.

Si la dure de lexprience dappauvrissement de latmosphre en 18O nest pas trop longue, afin dviter les changes mtaboliques doxygne, lapproche est quantitativement la plus fidle.

Dautres mthodes sont bases sur les changes de CO2: mission de ce gaz dans une atmosphre sans CO2 qui balaie les feuilles et entrane le CO2 libr par

photorespiration, extrapolation la concentration nulle des courbes dintensit de la photosynthse en prsence de concentrations en CO2 dcroissantes, mission brusque de

CO2 aprs interruption de la lumire, traduisant dune manire transitoire lintensit de la photorespiration plus lente sannuler que la photosynthse.

Rciproquement lestimation de la photosynthse brute peut tre obtenue par la mesure de labsorption de 14CO2 pendant des temps trs courts, prcdant la mise en route du mtabolisme photorespiratoire.

Les mesures par la voie des changes de CO2 donnent gnralement des valeurs

infrieures celles obtenues avec lisotope 18O de loxygne

Le mcanisme de la photorespiration est complexe. Dune part, des transporteurs intermdiaires dlectrons peuvent tre directement oxyds par loxygne au niveau des membranes chloroplastiques, au voisinage du photosystme I.

Dautre part, et cest la voie la plus importante quantitativement, lenzyme de fixation de CO2, la ribulose-diphosphate-carboxylase, peut galement fixer loxygne la place

du CO2 et jouer le rle dune oxygnase (ribulose-diphosphate-carboxylase/oxygnase est son nom complet).

On pense que le mme site enzymatique entre en jeu et quune comptition sy manifeste entre les 2 petites molcules, CO2 et O2, ce qui se traduit par une acclration de la

photorespiration en prsence datmosphres enrichies en O2 ou appauvries en CO2 et, inversement, en sa quasi-disparition en prsence datmosphres pauvres en O2 ou riches en CO2.

La figure rsume les ractions mises en jeu par la fixation dO2 sur le ribulose-diphosphate (RuBP) lorsque lenzyme fonctionne comme oxygnase. Dans les chloroplastes, la fixation doxygne engendre non plus 2 molcules de phosphoglycrate comme lors de la fixation de CO2, mais une seule molcule de phosphoglycrate et une

molcule de phosphoglycolate, compos dont les 2 atomes de C proviennent du ribulose.

Le phosphoglycolate, aprs dphosphorylation, fournit du glycolate qui migre dans un

autre organite cellulaire, un peroxysome.

Il sy trouve oxyd en glyoxylate avec formation deau oxygne. Lenzyme, la glycolate oxydase, est strictement localise dans les peroxysomes.

Ces derniers renferment aussi une catalase qui dcompose leau oxygne toxique.

Une transaminase, prsente galement, catalyse la transformation du glyoxylate en

glycine ou glycocolle aux dpens de glutamate fournisseur de fonction amine.

Ensuite la transformation de glycine en srine a lieu dans les mitochondries, avec

libration de CO2, dammonium et rduction de nicotinamide adnine nuclotide, source dune rcupration partielle dnergie.

La srine, aprs retour dans les peroxysomes, fournit du glycrate. Ce dernier aprs

migration dans les chloroplastes et phosphorylation pourra, sous forme de

phosphoglycrate, rentrer dans le cycle photosynthtique rductif du carbone.

Toutes ces migrations de mtabolites, dorganites en organites diffrents, sont imposes par les strictes localisations des enzymes, do rsulte une compartimentation et un trajet mtabolique compliqus de composs carbons et azots.

Lensemble se solde par la perte dune molcule de CO2 et labsorption de 3 molcules dO2 pour 2 molcules de ribulose-diphosphate oxyd. Cette photorespiration nest connue en fait que depuis les annes 1960-1970.

Elle reprsente une perte trs variable du pouvoir photosynthtique selon les types

vgtaux.

Trs importante chez diverses plantes de type C3: bl, tabac, tournesol, soja, elle est

beaucoup plus faible chez dautres vgtaux, appartenant cependant au mme type mtabolique.

Il en est ainsi chez diverses algues deau douce ou marines qui excrtent du glycolate.

Les plantes de type C4 ont aussi une photorespiration dont tmoigne leur sensibilit aux

pressions partielles leves doxygne et la prsence de peroxysomes dans leurs tissus, mais elle est efface par la forte affinit de la phosphonolpyruvate carboxylase qui

retient le CO2 libr dans les tissus foliaires.

Par suite, elle ne peut tre dcele que par labsorption de 18O.

La signification de la photorespiration reste nigmatique: consquence initiale de la

double activit de la protine la plus abondante du monde, la ribulose-diphosphate-

carboxylase/oxygnase, prix pay sa structure molculaire, limination dun excs de pouvoir rducteur fourni par les photosystmes membranaires aux enzymes du stroma

chloroplastique, fourniture dacides amins, sont des faits quune vision de finalit absolue tend ngliger.

Les essais de sa suppression par divers inhibiteurs denzymes tels que la glycolate oxydase nont pas jusqu prsent russi amliorer la production vgtale par une intensification de la photosynthse. Son effacement, dans les plantes de types C4, est d,

non la suppression de son mcanisme, mais la mise en jeu dune procdure plus efficace de fixation de CO2 que celle qui est ralise dans les plantes de type C3.

7. nergtique et importance de la

photosynthse dans la biosphre

Le bilan de la photosynthse nette laisse un excdent de substances organiques trs

important, puisque les pertes totales dues la respiration de tous les organes vgtaux

ne dpassent pas 40 50 p. 100 du gain positif de synthse nette.

Dune manire gnrale, la vitesse ou intensit de la photosynthse crot avec lintensit de lclairement, jusqu une valeur limite, au-del de laquelle la saturation lumineuse est atteinte, comme il est indiqu propos des diffrents types mtaboliques de

photosynthse.

Pour les plantes de type C3, qui reprsentent les plus grandes masses de vgtation, cette

saturation est nettement infrieure lintensit maximale de la lumire qui arrive au sol (500 W/m2 environ).

En revanche pour ces plantes, la tension partielle de CO2 dans latmosphre (330 ml/l dair) est un facteur limitant, ce qui explique le succs de la fertilisation des cultures sous abri, par apport de dioxyde de carbone dans lair.

Le doublement de la concentration partielle de CO2 multiplie par 2 en moyenne

lintensit de la photosynthse des plantes de type C3, alors quelle est sans effet sur les plantes de type C4.

Enfin, comme dans tout mcanisme li lactivit denzymes, la vitesse de la photo synthse est sensible la temprature, elle augmente jusqu un optimum variable selon les espces et en particulier selon le type mtabolique (voir chap. 5), puis dcrot ensuite

rapidement par suite dune dsorganisation de lappareil photosynthtique. Notons

cependant que quelques organismes thermophiles, appartenant aux Photobactries ou

aux Cyanobactries (nagure nommes Cyanophyces ou algues bleues) supportent

des tempratures voisines de 60-70 0C.

La sensibilit de la photosynthse la fois lintensit de lclairement et la temprature souligne bien lexistence des 2 types de ractions: photochimiques dune part, sombres (ou thermiques) dautre part.

Lorsque deux des trois facteurs externes (lumire, temprature, concentration partielle

de CO2) sont optimaux, lintensit de la photosynthse dpend de la valeur du troisime, selon la loi trs gnrale dite loi du minimum [cf. NUTRITION].

Lorsque les trois facteurs sont loptimum, lintensit atteint un plafond absolu qui dpend de lquipement pigmentaire et enzymatique dun vgtal, donc de facteurs propres lorganisme.

De fait, la vitesse optimale nest jamais atteinte dans les conditions naturelles, et il en est de mme du rendement nergtique dfini par le rapport entre le CO2 assimil, ou

loxygne mis, et lnergie lumineuse absorbe.

Dans les meilleures conditions exprimentales de laboratoire, lexigence quantique de la photosynthse peut tre de 8 10 quanta par molcule de CO2 fix, soit gale ou trs

voisine du minimum thorique de photons, tel que lon peut le dduire daprs les donnes du chapitre 3 et de la figure .

Il faut souligner dailleurs que cette exigence photonique minimale, correspondant un rendement nergtique maximum denviron 30 p. 100, nest obtenue quen prsence dclairements trs faibles.

En prsence des clairements naturels, le rendement nergtique maximal de la

photosynthse nette ne dpasse pas 10 15 p. 100, correspondant une exigence

quantique de 20 30 photons. Si lon tient compte du rythme nycthmral dclairement, le rendement nergtique rapport un cycle naturel de 24 heures ne dpasse pas 7 10 p. 100. En moyenne, pendant les priodes de vgtation active, il ne

dpasse pas 4 8 p. 100 (betterave, bl, par ex.) par rapport lnergie lumineuse arrivant au sol pour les plantes de culture des rgions tempres et 6 8 p. 100 pour

celles des rgions subtropicales ou tropicales (canne sucre, par exemple).

Cependant et bien que les vgtaux, lexception des forts trs touffues, soient loin dutiliser la totalit, voire la majeure partie de la lumire qui parvient leur niveau, les quantits de carbone fixes annuellement et les synthses de matires organiques sont

normes.

Les estimations fondes sur les rcoltes et la mesure de la croissance des arbres

indiquent que les vgtaux terrestres accumuleraient annuellement environ 50 milliards

de tonnes de carbone et les vgtaux marins environ 20 milliards de tonnes,

correspondant au total un excdent de synthse de substances organiques de 170

milliards de tonnes. Il y correspond un stockage dnergie de lordre de 2,7 Z 108 kJ qui est environ 10 fois plus grand que la consommation annuelle mondiale dnergie.

Il faut aussi se souvenir de lorigine vgtale du charbon, des bitumes et ptroles pour estimer limportance de la photosynthse sa juste valeur. On lui doit aussi la purification de lair par la soustraction du dioxyde de carbone et le dgagement doxygne.

Il est probable que la totalit du carbone prsent sur la terre comme celle de loxygne de lair et de leau sont passes de nombreuses fois par le mcanisme photosynthtique (cf. BIOSPHRE et ).

Aussi comprend-on quactuellement nombre de chercheurs, scientifiques ou conomistes estiment quun accroissement de la photosynthse, ou une plus efficace utilisation de ses produits, puisse contribuer la satisfaction des besoins nergtiques mondiaux. Les

biotechnologies solaires sen proccupent activement.

Multiformes, encore en qute dtre compltement adoptes, elles prtendent prolonger lagronomie classique (slection vgtale), orienter partiellement la production vgtale (cultures nergtiques), mieux tirer parti des dchets dorigine agricole (biogaz) ou forestire (combustion).

Bien plus, elles visent exploiter le phnomne en conditions semi-artificielles (cultures

dalgues pour la production de molcules haute valeur ajoute) ou mme limiter pour le perfectionner (voie biomimtique): cet aspect du sujet est examin dans larticle Biomasse in .

CHLOROPHYLLES Le nom de chlorophylle a t donn en 1818 par P. J. Pelletier et J. B. Caventou aux

pigments verts des feuilles.

Trente ans plus tard environ, leur parent chimique avec les pigments sanguins fut

souponne, puis la diversit des chlorophylles reconnue.

Au dbut du XXe sicle, commencrent les travaux qui en revlrent la structure et

permirent den raliser la synthse en laboratoire.

Ces composs organiques lis au magnsium sont engags dans diffrents complexes

lipoprotiques membranaires des chloroplastes des cellules vgtales.

Les Bactries phototrophes possdent galement des chlorophylles spcifiques

(bactriochlorophylles).

Ces pigments ralisent les premires tapes de la photosynthse, cest--dire les tapes photochimiques. Aprs absorption de photons, les molcules de chlorophylle sont

excites, avec transition lectronique, certains de leurs lectrons tant expulss de leur

orbite.

Les tats excits, de courte dure de vie, peuvent donner lieu une perte dlectrons nergiss, origine dun transfert oxydo-rducteur.

Plusieurs tats molculaires de la chlorophylle assurent ainsi dune part la collecte nergtique de photons et dautre part la rduction de transporteurs dlectrons.

Cette double fonction permet la transformation du bioxyde de carbone et de leau en molcules organiques, cest--dire photosynthse.

Leur rle de sensibilisateurs de ractions enzymatiques lnergie lumineuse fut longtemps traduit par lexpression dassimilation chlorophyllienne, premier nom de la photosynthse.

1. Structure et proprits chimiques

Les chlorophylles sont les pigments verts des vgtaux capables de photosynthse.

On en trouve galement dans diverses bactries qui utilisent aussi lnergie lumineuse.

Les chlorophylles les plus communes sont les chlorophylles a et b, prsentes dans les

chloroplastes des cellules de tous les vgtaux de couleur verte: plantes fleurs,

fougres, mousses, algues vertes.

Les algues brunes (Fucus, Diatomes) possdent les chlorophylles a et c, dautres algues brunes, les Xanthophyces, a et e. Les algues rouges renferment a et d.

Ces diffrentes chlorophylles ne diffrent entre elles que par de petits dtails de

structure. Seule la chlorophylle a est constante pour tous les vgtaux. Parmi les

bactries phototrophes, lune, le Prochloron, possde les chlorophylles a et b; les autres ont des bactriochlorophylles qui leur sont propres.

Tous ces pigments ont une structure chimique semblable; tous comprennent un mtal, le

magnsium.

Les feuilles renferment environ 1 g de chlorophylles pour 100 de substance sche, soit 1

2 pour 1000 de substance frache.

Elles ont deux fois plus de a que de b. Les chlorophylles sont responsables dune partie importante, souvent majeure, de labsorption de la lumire par les vgtaux.

Pure, la chlorophylle a se prsente en aiguilles cristallines bleu sombre, sa formule brute

est C55H72O5N4Mg.

La chlorophylle b est vert fonc.

Les molcules des chlorophylles ont une masse molculaire voisine de 900.

Elles sont toutes formes de quatre noyaux pyrrole I, II, III, IV lis entre eux .

Un cycle cyclopentanone (V) est accroch au noyau pyrrole III. Toutes les molcules

contiennent encore un groupe driv du mthanol et un groupe driv dun alcool vingt atomes de carbone, le phytol.

Ce sont des esters de mthanol et de phytol. Aprs libration de ces deux alcools par

hydrolyse alcaline, il reste lensemble ttrapyrrolique li au magnsium, ou chlorophylline. Une enzyme prsente dans les cellules vgtales, la chlorophyllase,

catalyse le dcrochement du seul phytol et laisse une chlorophyllide, tape galement de

la synthse des chlorophylles.

Enfin, laction des acides dcroche le magnsium et les composs bruns obtenus sont des phophytines.

Les noyaux pyrroliques possdent de courtes chanes latrales, vestiges du mcanisme de

leur formation.

Les chlorophylles b, c, d, e et la bactriochlorophylle ne diffrent de la chlorophylle a

que par la nature de ces courtes chanes; ainsi, la chlorophylle b possde un groupe CHO sur le noyau pyrrole, la place dun CH3.

De telles diffrences en entranent aussi dimportantes dans les spectres dabsorption de la lumire .

Lensemble ttrapyrrolique de la molcule est plan: il a environ 1,5 nm de ct et son paisseur est un peu infrieure 0,4 nm.

Il forme ce que lon appelle parfois la tte de la molcule; le phytol en est la queue, dune longueur de 1,5 nm.

Lensemble ttrapyrrolique est riche en groupes polaires azots ou oxygns qui lui confrent une grande affinit pour leau.

Les chlorophylles sont solubles dans les solvants des lipides tels que les alcools, lther ordinaire, lther de ptrole, lactone.

La technique de la chromatographie, si employe maintenant dans la sparation et la

purification des substances chimiques, a pour origine la sparation des chlorophylles a

et b des feuilles.

Elle fut ralise en 1906 par le botaniste M. S. Tswett; aprs avoir vers une solution des

pigments des feuilles sur une colonne de carbonate, il constata que les chlorophylles et

les carotnodes se sparaient les uns des autres, tant entrans par le solvant des

vitesses diffrentes.

Les chlorophylles et les autres pigments foliaires se sparent aisment par

chromatographie des extraits, soit sur papier, soit sur colonne de cellulose. Cest au phytol (C20H39OH) que les chlorophylles doivent leur solubilit dans les solvants

organiques.

Les chlorophylles se dcolorent par oxydation. Avec les sels ferriques, loxydation est rversible et les oxychlorophylles formes peuvent tre rduites et rgnrer les

chlorophylles. Mais les oxydants nergiques provoquent une dcoloration irrversible.

Il en est de mme de la lumire intense, agent dune photo-oxydation qui peut aboutir la dcoloration complte des feuilles (solarisation).

On a attribu aussi aux chlorophylles des proprits dsodorisantes dues sans doute ce

quelles fixent diffrentes substances et les soustraient lodorat.

Il faut galement souligner la parent chimique entre la chlorophylle,

lhmochromogne (ou hme de lhmoglobine) et lhmatine qui en drive.

Il sagit toujours de molcules quatre noyaux pyrroliques.

Mais dans lhme, ces noyaux sont lis un atome de fer et il ny a pas de groupes phytol et mthanol.

Les pigments bleus et rouges des algues bleues et des algues rouges sont des protines,

les phycocyanines et phycorythrines.

Ils doivent leur couleur des composs, ou chromophores, galement ttrapyrroliques.

Les noyaux pyrrole y sont unis entre eux, mais ne forment pas un ensemble ferm sur

lui-mme.

Ils ne sont pas lis un mtal. Par leur structure, ces chromophores sont trs voisins des

pigments biliaires.

2. Proprits optiques

La richesse des molcules de chlorophylles en doubles liaisons conjugues entre les

atomes de carbone et dazote, doubles liaisons spares par une seule liaison simple ( = C _ C = ou = C _ N = ), leur communique une intense coloration.

En solution dans lther, lactone ou le mthanol, la chlorophylle a est bleu-vert alors que la chlorophylle b est vert-jaune.

Ces pigments possdent deux bandes dabsorption intense.

Lune concerne les radiations bleues (420-480 nm, ), elle est commune tous les pigments ttrapyrroliques (bande de Soret); lautre se situe dans la partie rouge du spectre (640-680 nm).

Leurs spectres montrent limportance de labsorption des radiations visibles dans le bleu et le rouge .

Dans les chloroplastes o les chlorophylles sont concentres en agrgats, on observe un

dcalage des maximums dabsorption vers les grandes longueurs donde. Lagrgation

des molcules de chlorophylles entre elles et avec dautres molcules, en complexes collodaux, saccompagne en effet dun dplacement des maximums dabsorption de 10 15 nanomtres vers les grandes longueurs donde.

Les solutions collodales aqueuses de chlorophylles prsentent un dplacement du mme

ordre.

Une partie de la diffusion de la lumire par les cellules vgtales est due un tel tat

dagrgation.

Quant aux bactriochlorophylles, leurs maximums dabsorption sont situs dans le proche infrarouge. In vivo, ils se situent 800, 850, 890 nm, pour les bactries pourpres.

Les solutions de chlorophylles prsentent une belle fluorescence rouge correspondant

une mission de radiations de plus grande longueur donde que celle de la lumire absorbe. Cette fluorescence est diminue par laddition de quinone qui joue le rle dextincteur (quencher).

Les monocouches de molcules de chlorophylles juxtaposes, obtenues partir de

solutions inertes convenablement tales et dont le solvant a t vapor, ne sont pas

fluorescentes tandis que les chlorophylles in vivo le sont.

On ne peut donc assimiler leur tat biologique celui de monocouches amorphes.

3. Synthse, biogense

La synthse de la chlorophylle a a t compltement ralise in vitro en 1960 par R.

B. Woodward et son quipe Harvard, en plusieurs tapes.

Le principe de la mthode comprend la synthse des noyaux pyrrole, leur accrochage

entre eux, leur rduction partielle, laddition progressive des chanes latrales, des plus courtes aux plus longues.

Mais les moyens emprunts la chimie organique de synthse sont trs diffrents du

mcanisme de la biogense.

Ce dernier, pour la synthse du pyrrole, utilise des mtabolites banaux: lacide succinique, compos intermdiaire du mtabolisme respiratoire, et un acide amin, le

glycocolle. Leur condensation en acide d-aminolvulinique et la condensation de deux

molcules de ce dernier donne un noyau pyrrole dj muni de ses chanes latrales, ou

porphobilinogne .

Les chanes facilitent la liaison des quatre noyaux (protoporphyrine).

Linsertion du magnsium conduit une mtalloporphyrine.

Lestrification de mthanol, la cyclisation du noyau cyclopentanone, donnent naissance une protochlorophyllide.

Une rduction, par fixation de deux atomes dhydrogne en 7 et 8 du noyau IV, demande gnralement lintervention de la lumire et aboutit la chlorophyllide a. Lestrification du phytol termine la synthse.

Dans les plantes tioles, la fixation du phytol prcde la rduction, aussi y trouve-t-on

de la protochlorophylle a, qui, aprs un clairement, se rduit en chlorophylle a. La

formation de chlorophylle b est toujours secondaire, elle drive de la a. Toutes les tapes

de la synthse sont enzymatiques.

4. tat des chlorophylles in vivo

Les chlorophylles sont localises dans les membranes internes des chloroplastes des

cellules vgtales.

Ces membranes forment des sortes de sacs (thylacodes) la cohsion desquels les

chlorophylles participent.

Les bactriochlorophylles des Bactries phototrophes sont incorpores dans les

membranes des vsicules des cellules bactriennes.

Alors que la dispersion des molcules de chlorophylles dans un solvant confre leurs

solutions une rpartition molculaire homogne, le statut du pigment in vivo est

beaucoup plus compliqu et trs htrogne.

On appelle holochrome ltat biologique du pigment.

On peut distinguer, daprs leurs maximums dabsorption de la lumire dans le rouge, diffrents holochromes absorbant, par exemple, essentiellement 673 ou 685 ou 700 nm.

Il est vraisemblable que chacun deux est form par un complexe lipoprotine-pigment diffrent.

Des molcules de chlorophylles identiques entre elles dans leur structure peuvent donc

tre topochimiquement distinctes.

Dautres sont associes par deux, en dimres.

Non seulement les chlorophylles sont concentres dans des organites cellulaires

spcialiss, les chloroplastes, mais, de plus, on ne les trouve que dans des structures

membranaires situes lintrieur de ces organites.

La formation de ces structures membranaires est en partie conditionne par la

biosynthse des chlorophylles.

Les plastes des plantes dveloppes lobscurit (tioles) sont pauvres en membranes et trs pauvres en pigments chlorophylliens.

Si on claire les plantes tioles, le dveloppement des structures membranaires des

plastes va de pair avec lactive synthse de chlorophylles.

On peut penser que les molcules de chlorophylles, par leur ple hydrophobe (chane

phytol), plongent dans les couches lipidiques des membranes, tandis que, par leur ple

hydrophile (groupe ttrapyrrolique), elles saccrochent aux protines elles-mmes hydrophiles. Elles pourraient ainsi servir de ciment.

Il est vraisemblable quune fraction des molcules de chlorophylles est plus lchement lie que lautre aux constituants membranaires.

Elle est plus aisment extraite par les solvants organiques et est constitue de molcules

de formation rcente.

Ce fait se dcle quand on provoque le marquage des pigments par loffre aux organismes de 14CO2 au carbone radioactif: les molcules de pigments synthtiss

ensuite la lumire renferment du carbone 14C, alors que celles qui prcdaient loffre nen renferment pas.

Lextraction progressive des chlorophylles, par contact des feuilles avec les solvants pendant des dures croissantes, montre que les fractions les plus rapidement extraites

sont les plus radioactives, donc les plus riches en molcules frachement synthtises en

prsence du radiocarbone.

5. Excitation photochimique des

chlorophylles et photosynthse

La photosynthse se caractrise matriellement par un transfert dlectrons et de protons de leau au bioxyde de carbone qui se trouve rduit avec formation de glucides . Cette opration requiert de lnergie et, dans les meilleures conditions, il faut 8 photons-grammes (8 einsteins) par molcule-gramme de bioxyde de carbone rduit, soit

lquivalent denviron 1 460 2 300 kilojoules, selon la longueur donde de la lumire.

Lexcitation des molcules de chlorophylle par les photons peut provoquer plusieurs phnomnes selon la stabilit des lectrons concerns et la longueur donde de la lumire absorbe. Seuls les lectrons p, faiblement lis au squelette molculaire, sont excits par

les radiations visibles.

Diffrents tats ou niveaux nergtiques de la chlorophylle, ou excitons, ont pu tre

caractriss, soit dans les organismes eux-mmes, soit dans des cristaux de chlorophylle,

par ltude des spectres basse temprature, de la polarisation, de la fluorescence, du spectre de diffusion Raman de rsonance des diffrentes formes pigmentaires. Leur

formation et leurs transformations sont extrmement rapides.

Ainsi un lectron peut tre expuls de son orbite, la molcule ayant subi une transition

entre son tat lectronique fondamental stable et un tat excit. Pour la chlorophylle, il

existe deux niveaux nergtiques correspondant labsorption de photons dans le bleu-violet, dune part, et deux correspondant labsorption dans le rouge, dautre part. Chaque transition lectronique est caractrise par son nergie E, fonction de la

frquence n de la radiation dexcitation (E = hn; h : constante de Planck, et n = c/l; c : vitesse de la lumire; l: longueur donde).

Le passage de la molcule de son tat stable ltat excit C* est ralis dans un temps trs court, correspondant la priode de vibration de la lumire, soit de 10-14 10-

15 seconde. Or un lectron appartient toujours une paire; les moments angulaires de

spin des deux lectrons dune paire peuvent rester antiparallles, ce qui dfinit ltat singulet. La dure de vie dune molcule excite par des photons violets qui, dans le visible, permettent datteindre ltat nergtique le plus lev, est infrieure 5 . 10-12 seconde.

Dans le cas dexcitation par la lumire rouge, moins nergtique, ltat atteint a une dure de vie plus longue, de 1 5 . 10-9 seconde.

La molcule ltat singulet le plus lev peut se convertir en ltat le plus bas en 10-15 seconde, avec mission de chaleur: C*v X C*r + chaleur.

Ltat nergtique le plus bas C*r peut retourner ltat fondamental, avec mission de lumire rouge, origine de la fluorescence rouge de la chlorophylle in vivo et in vitro, et

de chaleur.

Les tats excits peuvent aussi transfrer leur nergie des molcules voisines, soit par

collision, soit par rsonance.

Ces transferts ne sont efficaces que si les molcules sont trs rapproches les unes des

autres, comme cest le cas in vivo o les molcules de chlorophylle sont concentres dans les membranes des chloroplastes.

Enfin, ces tats excits singulets peuvent se transformer en un autre tat nergtique,

ltat triplet, pour lequel les moments angulaires de spin sont parallles. Ltat triplet a une dure de vie beaucoup plus longue, de lordre de 1 . 10-3 seconde.

On le dit mtastable.

partir de cet tat, le retour ltat fondamental peut seffectuer avec dgagement de chaleur ou par transfert dnergie une autre molcule pigmente.

Un autre type de transformation possible a t galement mis en vidence. Il sagit dune oxydo-rduction dans laquelle intervient une sparation de charge, un lectron quittant

la molcule de chlorophylle qui se trouve alors ionise, charge positivement.

Elle peut ainsi intervenir dans une srie de transferts dlectrons entre un donneur, lacide ascorbique par exemple, et un accepteur, une quinone, selon la squence:

Ainsi, la rduction de la quinone par lascorbate, qui naurait pas lieu spontanment en raison de son besoin nergtique, se trouve-t-elle sensibilise lnergie lumineuse par la chlorophylle excite, pont lectronique entre lnergie lectromagntique de la lumire et lnergie chimique.

Dautres donneurs dlectrons et dautres accepteurs peuvent tre ainsi mis en relation et ce modle simple constitue une image schmatique du processus doxydo-rduction des transporteurs dlectrons par leau, au cours de la photosynthse. In vivo, un dimre de chlorophylle, dont le maximum dabsorption dans la lumire rouge est 700 nm et

appel pour cette raison P700, est ainsi capable, aprs clairement, dassurer la rduction dun transporteur biologique, le nicotinamide-dinuclotide phosphate qui se charge dlectrons + protons.

Ce dimre ne reprsente quenviron un pour cent des molcules totales de chlorophylle prsentes.

Un autre dimre de chlorophylle, P682, intervient galement dans les transferts

dlectrons qui prennent leur origine dans les ions OH- venant de la dissociation de leau.

Ces deux dimres de chlorophylle appartiennent aux centres actifs, fonctionnels, des

deux photosystmes de la photosynthse [cf.

PHOTOSYNTHSE].

ct de ces centres actifs, et pouvant en tre spars par voie danalyse chimique, par lectrophorse, en raison de leur couplage avec des protines, la majeure partie des

molcules de chlorophylle a ainsi que la chlorophylle b chez les vgtaux verts, une

partie des carotnodes, dont le fucoxanthol des algues brunes, et enfin les pigments

rouges (phycorythrines) et bleus (phycocyanines) des algues rouges et des

cyanobactries constituent une antenne collectrice de photons. Dans cette antenne, les

transferts dexcitons par rsonance apparaissent de rgle.

Ces transferts sont dmontrs par la possibilit de provoquer la fluorescence de la

chlorophylle a, dans un mlange des pigments cits, avec de la lumire absorbe dune manire exclusive par ces autres pigments. Les rendements de transfert sont de lordre de 90 p. 100.

La pluralit pigmentaire tend la gamme des longueurs donde de la lumire pouvant tre absorbe.

Les transferts en canalisent lnergie vers les centres actifs o dbute le cheminement des transferts dlectrons gnrateurs de la rduction du bioxyde de carbone en molcules organiques.

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