Photosynthèse

Photosynthèse : explication

La photosynthèse a lieu sur la feuille. Les feuilles possèdent plusieurs propriétés structurelles qui leur permettent de réaliser efficacement la photosynthèse :

• Une structure large et plate, créant une grande surface qui absorbe une grande quantité de lumière solaire.

• Une organisation en couches fines avec un chevauchement minimal entre les feuilles. Cela minimise le risque qu'une feuille fasse de l'ombre à une autre, et leur finesse permet de limiter la diffusion des gaz.

• La cuticule et l'épiderme sont transparents, permettant à la lumière du soleil de pénétrer jusqu'aux cellules du mésophylle situées en dessous. Le mésophylle est le nom donné à la structure interne de la feuille.

Comme cela est illustré par la Figure 1, les feuilles présentent également de multiples adaptations évolutives de leurs cellules qui permettent à la photosynthèse de se produire :

• Des cellules internes allongées. Cela permet de loger davantage de chloroplastes à l'intérieur de celles-ci. Les chloroplastes sont chargés de capter l'énergie lumineuse du soleil.

• Des stomates multiples qui permettent l'échange gazeux, il y a donc un court chemin de diffusion entre les cellules du mésophylle et les stomates. Les stomates s'ouvrent et se ferment également en réponse aux changements d'intensité lumineuse afin de limiter la perte d'eau par transpiration.

• Des réseaux de xylème et de phloème qui, respectivement, apportent l'eau aux cellules des feuilles et transportent les produits de la photosynthèse - notamment le glucose.

• De multiples espaces d'air dans le mésophylle inférieur. Ils permettent une diffusion plus efficace du dioxyde de carbone et de l'oxygène.

La photosynthèse se produit dans les chloroplastes de la plante. Les chloroplastes contiennent de la chlorophylle, un pigment vert qui peut < capter > la lumière du soleil. La chlorophylle se trouve dans la membrane des disques thylakoïdes, qui sont de petits compartiments à l'intérieur de la structure du chloroplaste. La réaction dépendante de la lumière a lieu le long de cette membrane thylakoïde. La réaction indépendante de la lumière a lieu dans le stroma, un liquide à l'intérieur du chloroplaste qui entoure les piles de disques thylakoïdes (collectivement appelés "grana").

La Figure 2 ci-dessous présente la structure générale d'un chloroplaste :

Fig. 2 - Schéma d'un chloroplaste.

Légende : 1 = Membrane externe

2 = Espace intermembranaire

3 = Membrane interne

4 = Stroma

5 = Lumen du thylakoïde

6 = Membrane du thylakoïde

7 = Granum (empilement de thylakoïdes)

8 = Thylakoïde

9 = Amidon

10 = Ribosome

11 = ADN chloroplastique

12 = Plastoglobule (goutelette lipidique)

Équation de la photosynthèse

Chez les plantes, la photosynthèse se déroule comme suit :

Dioxyde de carbone + Eau + Énergie solaire → Glucose + Oxygène

L'équation-bilan de la photosynthèse est :

$6C{O}_2+6H_{2}O\stackrel{Énergiesolaire}{\to }{C}_6{H}_{12}{O}_6+6O_2$

Bilan de la photosynthèse

La photosynthèse comporte cinq étapes.

Étape 1 : Absorption de la lumière

La première étape consiste en l'absorption de la lumière par la chlorophylle fixée au photosystème II dans les thylakoïdes des chloroplastes. La chlorophylle est ionisée lorsque les électrons quittent la molécule de chlorophylle du photosystème II et sont transportés par une chaîne de transfert d'électrons le long de la membrane thylakoïde.

Étape 2 : Réaction légère : Oxydation

En utilisant l'énergie lumineuse absorbée par la chlorophylle, la réaction dépendante de la lumière se produit. Celle-ci se produit dans deux photosystèmes, qui sont situés le long de la membrane thylakoïde. L'eau se divise en oxygène, en ions H+ et en électrons. Les électrons sont ensuite transportés par la plastocyanine (protéine contenant du cuivre qui assure le transfert des électrons) du photosystème II au photosystème I pour la partie suivante de la réaction lumineuse.

L'équation de cette réaction est :

$2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to {\mathrm{O}}_2+4{\mathrm{H}}^{+}+4{\mathrm{e}}^{-}$

Étape 3 : Réaction légère : Réduction

Les électrons produits lors de la dernière étape passent par le photosystème I et sont utilisés pour fabriquer du NADPH (NADP réduit). Le NADPH est une molécule essentielle pour la réaction indépendante de la lumière.

L'équation de cette réaction est :

${\mathrm{NADP}}^{+}+{\mathrm{H}}^{+}+2{\mathrm{e}}^{-}\to \mathrm{NADPH}$

Étape 4 : Réaction dépendante de la lumière : Génération d'ATP

Au cours de l'étape finale de la réaction dépendante de la lumière, l'ATP est généré dans la membrane thylakoïde des chloroplastes. L'ATP, également connu sous le nom d'adénosine 5-triphosphate, est souvent considéré comme la monnaie énergétique de la cellule. Comme le NADPH, il est essentiel pour la réaction indépendante de la lumière.

L'équation de cette réaction est :

$\mathrm{ADP}+\mathrm{Pi}\to \mathrm{ATP}$

Étape 5 : Réaction sombre : Fixation du carbone

Cela se produit dans le stroma du chloroplaste. Grâce à une série de réactions, l'ATP et le NADPH sont utilisés pour transformer le dioxyde de carbone en glucose. Vous pouvez trouver l'explication de ces réactions dans l'article sur les réactions indépendantes de la lumière.

L'équation générale est la suivante :

$6{\mathrm{CO}}_2+12\mathrm{NADPH}+18\mathrm{ATP}\to {\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6+12{\mathrm{NADP}}^{+}+18\mathrm{ADP}+18\mathrm{Pi}$

Quels sont les produits de la photosynthèse ?

Les produits des réactions de la photosynthèse, qui dépendent de la lumière, sont l'ATP, le NADPH et les ions H+.

Les produits des réactions indépendantes de la lumière sont le glycéraldéhyde 3-phosphate (qui est utilisé pour fabriquer du glucose) et les ions H+.

Les produits globaux de la photosynthèse sont le glucose et l'oxygène.

Qu'est-ce qu'un facteur limitant ?

Un facteur limitant est un paramètre susceptible d'inhiber ou de ralentir la vitesse d'un processus. Dans le cas de la photosynthèse, un facteur limitant serait la présence insuffisante d'un élément nécessaire à la réaction dépendante ou indépendante de la lumière comme le dioxyde de carbone et l'énergie lumineuse, ou cela peut également être la température si elle n'est pas favorable au métabolisme de la photosynthèse. Lorsque ces trois facteurs atteignent des niveaux optimaux, le taux de photosynthèse augmente régulièrement jusqu'à atteindre un plateau (un état de peu ou pas de changement). Le plateau se produit parce que l'un de ces trois facteurs devient limitant, ce qui fait que le taux de photosynthèse cesse d'augmenter ou diminue même.

Quels sont les facteurs limitants de la photosynthèse ?

Le taux de photosynthèse est affecté par un certain nombre de facteurs, notamment :

La lumière

Plus l'intensité de la lumière augmente, plus la vitesse de réaction de photosynthèse dépendante de la lumière augmente. Par conséquent, l'augmentation de l'intensité de la lumière accroît le taux global de la photosynthèse. Car en effet, davantage de photons (l'élément de base de la lumière) atteignent alors la feuille, ce qui permet d'oxyder l'eau plus rapidement. Par conséquent, la production d'ATP et de NADPH augmente et davantage de cycles de la réaction indépendante de la lumière se produiront ainsi.

Cependant, à partir d'un certain point, le taux de photosynthèse reste constant même si l'intensité lumineuse augmente, car il n'y a pas assez d'énergie thermique, d'enzymes ou de dioxyde de carbone disponible pour augmenter davantage le taux de photosynthèse.

La concentration de dioxyde de carbone

L'augmentation de la concentration de dioxyde de carbone tend à augmenter le taux de photosynthèse jusqu'à un certain point (de façon similaire aux effets de l'intensité lumineuse). Si davantage de molécules de dioxyde de carbone sont disponibles, les cycles de la réaction indépendante de la lumière se produisent alors à un rythme plus élevé. Cela signifie que davantage de molécules de glucose sont produites, entraînant une utilisation accrue de NADPH et d'ATP ainsi qu'une production supérieure de ribulose-1,5-bisphosphate (RuBP), et tout cela contribue à augmenter le taux global de photosynthèse.

Cependant, à un certain niveau, le taux de photosynthèse sera limité par d'autres facteurs. Il se peut que l'énergie lumineuse ne soit pas suffisante pour produire suffisamment de NADPH et d'ATP qui sont essentiels pour alimenter davantage de cycles de la réaction indépendante de la lumière. Par conséquent, le taux de photosynthèse n'augmentera pas même si la concentration de dioxyde de carbone augmente.

Il se peut également que l'énergie thermique disponible ne soit pas suffisante pour catalyser à un taux plus élevé les réactions contrôlées par les enzymes dans la réaction indépendante de la lumière, de sorte que le taux de photosynthèse ne pourra pas augmenter avec la concentration de dioxyde de carbone.

La température

Comme les enzymes contrôlent la photosynthèse, la température est un facteur limitant important pour le taux de photosynthèse. Le taux de photosynthèse augmente avec la température. Cependant, contrairement à la concentration de dioxyde de carbone et à l'intensité lumineuse, le taux de photosynthèse atteint un point optimal avant de diminuer radicalement. Si la température augmente au-delà du point optimal de fonctionnement des enzymes, ces dernières commencent à se dénaturer. La forme du site actif de l'enzyme (où se fixe le substrat) est modifiée, et le substrat (substance sur laquelle l'enzyme agit) ne s'ajuste plus. Cela explique la forte diminution du taux de photosynthèse à des températures plus élevées.

La photosynthèse artificielle

La photosynthèse artificielle est un processus qui reproduit les principes de base de la photosynthèse naturelle. Le système de photosynthèse artificielle comprend un réacteur à lit d'enzymes (également appelé « réacteur enzymatique ») pour fixer le CO₂ présent dans l'air (ou toute autre source nécessitant l'élimination du CO₂, comme des centrales à charbon, par exemple). Les composants clés d'un système global de photosynthèse artificielle sont :

• la production d'électricité via des panneaux photovoltaïques ;

• l'agriculture sèche : les glucides (aliments), les carburants liquides, les matières premières chimiques et les polymères (pour la fabrication de fibres textiles par exemple), peuvent être produits avec des besoins en eau proches ou absolument minimes ;

• la production d'hydrogène : la dissociation électrochimique de l'eau en H₂ et O₂.

Même si la technologie de la photosynthèse artificielle n'en est qu'à ses débuts et ne peut pas encore être utilisée à grande échelle, il est fortement probable qu'à l'avenir, elle sera capable de réduire la demande mondiale en eau, et de soutenir les systèmes d'énergie propre en produisant directement de l'électricité et de l'hydrogène à partir de l'énergie solaire.