b) La deuxième phase de la photosynthèse: l'incorporation du CO2 au cours de réactions biochimiques.
Il apparaît nécessaire, au terme de nos investigations, de distinguer, dans le processus de photosynthèse, les mécanismes énergétiques qui résultent de la conversion de la lumière en énergie disponible
(production d'ATP) au cours desquels la cellule chlorophyllienne acquiert des propriétés réductrices et les mécanismes synthétiques au cours desquels la matière minérale (dioxyde de carbone) est réduite pour aboutir à la synthèse de molécules organiques.
LES EXPERIENCES DE GAFFRON ET COLL. (1951) (page 203)
Du dioxyde de carbone radioactif (14CO2) est fourni à une suspension d'algues unicellulaires (chlorelles) fortement éclairée. Dans un premier temps, on dose le 14CO2 fixé (graphe de gauche), dans un second temps, on dose le dioxygène dégagé (graphe de droite).
Doc1.
- A l’obscurité, la production de O2 cesse instantanément, ce sont les mécanismes de la phase photochimique qui nécessitent obligatoirement la présence de lumière :
(pas de lumière, pas de photolyse de l’eau, pas de dégagement de O2).
- A l’obscurité la fixation de CO2 diminue progressivement. Elle ne dépend donc pas
DIRECTEMENT de la lumière mais des intermédiaires (ATP, RH2) produits au cours de la phase photochimique. Ceux-ci sont progressivement utilisés (diminution) jusqu’ à épuisement (0).
Les 2 phases semblent donc liées, couplées.
Pb : Comment le CO2 est-il fixé au cours de la phase biochimique ? quels sont les produits formés ?
LES EXPERIENCES DE CALVIN ET BENSON (1962) (page 202) http://www.snv.jussieu.fr/bmedia/Photosynthese/exp45.html
Des chlorelles sont maintenues en suspension à la lumière, dans un récipient où l'on fait barboter du dioxyde de carbone. Celles-ci sont refoulées dans une tubulure souple et transparente qu'elles parcourent en un temps donné grâce à une pompe dont le débit est connu.
En un point variable de la tubulure, on injecte du 14CO2: le temps pendant lequel les algues peuvent l'incorporer est variable selon l'endroit de l'injection.
Les cellules tombent enfin dans du méthanol bouillant qui bloque instantanément toutes les réactions chimiques.
- Il s’agit d’un marquage radioactif des molécules carbonées produites, Plus on rapprochera l’injection de C marqué de l’extrémité de la tubulure, moins les chlorelles seront restées longtemps au contact du 14C.
- On va pouvoir ainsi établir une CHRONOLOGIE de la formation des molécules.
Doc 2.
Par radio-chromatographie, Calvin et Benson déterminent ainsi les molécules formées en fonction du temps.
NB : couleurs = révélateurs spécifiques pour reconnaître les molécules.
On remarque que de nombreux types de molécules sont produits : des sucres, des acides aminés ; des acides gras.
Parmi les composés identifiés:
- APG: l'acide phospho-glycérique (corps à trois atomes de carbone).
- C3P: des corps phosphatés à trois atomes de carbone.
- C5P2: un corps phosphatés à cinq atomes de carbone, le ribulose bi-phosphate.
Doc 3.
Si on s’intéresse à la chronologie de l’apparition de ces molécules : Doc4.
- Au bout de 2s, APG = c’est le premier corps formé, c’est une molécule carbonée en C3
L'acide phosphoglycérique (APG) est le premier composé formé et donc est à l'origine de toutes les synthèses.
- Au bout de 5s = tjrs de l’APG, des molécules en C3 et un corps en C5 : le ribulose biphophate L'acide phosphoglycérique (APG), premier composé formé, n'est pas un sucre. Pour entrer dans les réactions de synthèse des composés organiques, il doit être réduit en trioses phosphate (C3) qui apparaissent effectivement rapidement dans les radiochromatogrammes.
On pouvait s'attendre à ce que l'accepteur du CO2 soit un composé en C5( C6 ou C3 +C3) Or un pentose (C5) bisphospate (le RUBP ou Ribulose bis-phosphate) peu connu apparaît rapidement dans les radiochromatogrammes.
C'est donc lui l'accepteur de CO2.
- Au bout 30s : tjs de l’APG, C3P et RUBP. Mais apparition de nouvelles molécules, sucres, acides aminés, acides gras…
Pour que l'ensemble fonctionne, il faut que le RUBP (qui existe en faible quantité) soit régénéré et ceci ne peut se faire qu'à partir des composés dérivés des trioses phosphate.
On essaye de comprendre les relations existant entre les autres composés mis en évidence et leurs liens avec la phase photochimique de la photosynthèse.
UN COUPLAGE AVEC LA PHASE PHOTOCHIMIQUE:
Des chlorelles sont cultivées dans un milieu où barbote de l'air enrichi en 14CO2. La culture, éclairée dans un premier temps, est subitement mise à l'obscurité. On mesure la radioactivité de deux composés organiques: le ribulose bi-phosphate ou C5P2, l'APG.
- A la lumière : APG, stable, tjs > àC5P2 : l’APG est formé par fixation du CO2 (2X C3) Il permet, en partie, la formation du C5P2 (près réduction en 2 trioses P) .
- A l’obscurité :
APG puis , symétriquement à
C5P2
L’APG continue d’être produit (fixation CO2) jusqu’à ce qu’il n’y ait plus de molécules pour fixer le CO2 (C5P2), qui s’épuise et n’est plus renouvelé :
Il s’agit donc d’un CYCLE : le cycle de Calvin.
Et que tous les intermédiaires produits pendant la phase photochimique soient épuisés
Les 2 réactions sont bien COUPLEES,
- La phase photochimique produit de l’ATP et un transporteur réduit(RH2).
- La phase biochimique utilise ces intermédiaires pour fixer le CO2 Exercice page 214. Voir rubrique « Correction »
BILAN DE LA PHASE "SOMBRE" DE LA PHOTOSYNTHESE
C'est la synthèse de molécules organiques à partir du CO2 et de protons et d'électrons fournis par les transporteurs au cours d'un cycle complexe de réactions couplées aux réactions de la phase "claire"; elle a lieu dans la matrice du chloroplaste et ne nécessite pas la présence de lumière : le cycle de Calvin (4 page 203)
Animation
http://xxi.ac-reims.fr/leon-bourgeois/site/Pedagogie/SVT/svt/terminale/calvin3.swf
Formation d'acide phosphoglycérique à partir du ribulose-biphosphate (ou C5P2) qui fixe une molécule de CO2 pour donner 2 molécules d'acide phosphoglycérique à 3 atomes de C.
Formation de triose-phosphate (ou C3P) à partir de l'acide phosphoglycérique qui entre dans un cycle de réactions complexes (cycle de CALVIN) au cours desquelles il est réduit par l'oxydation du transporteur d'électrons (RH2);
l'hydrolyse de l'ATP fournit l'énergie
indispensable à cette synthèse qui n'exige pas la présence de lumière.
Synthèse de nombreuses molécules organiques à partir du triose-phosphate,
- Régénération du ribulose-biphosphate.
- Formation de nombreues molécules : Des glucides à 6 atomes de C comme le glucose, précurseurs de molécules essentielles comme le saccharose ou l'amidon,
Des acides gras,
Des acides aminés, des protides, des acides nucléiques.
L'ensemble de ces réactions (ou anabolisme )consomme de l'énergie qui est fournie par l'ATP.
Cycle simplifié
BILAN PHOTOSYNTHESE
Ainsi on observe un couplage des 2 phases de la photosynthèse :
Animation sur la phase photochimique (en anglais)
http://www.fw.vt.edu/dendro/forestbiology/photosynthesis.swf Animation sur la phase biochimique (en anglais)
http://highered.mcgraw-hill.com/sites/0070960526/student_view0/chapter5/animation_quiz_1.html cycle de Calvin :
http://pagesperso-orange.fr/jean-jacques.auclair/psynthese/cycle.htm Les 2 phases ( à regarder lentement et attentivement)
http://www.johnkyrk.com/photosynthesis.fr.html
Intermédiaires
Phase biochimique
H2O
Lumière
Phase photochimique
ATP RH2 O2
CO2
C6H12O6 ADP
R+
