Photosynthèse

phytobiologie

La photosynthèse est un processus qui permet aux plantes de fabriquer de la matière organique nécessaire à sa vie, à partir du carbone extrait de l’air ambiant. Pour que la photosynthèse puisse s’effectuer un arbre a aussi besoin d’eau (H2O) et d’énergie lumineuse fournie par les rayons du soleil. Pour schématiser on pourrait résumer la photosynthèse à:

Air+Eau —› (Énergie lumineuse) —› Glucose + Oxygène.

La photosynthèse s’effectue au niveau des feuilles dont les cellules contiennent la chlorophylle*, essentielle pour extraire le carbone de l’air:
6 molécules de gaz carbonique présent dans l’air (CO2) + 6 molécules d’eau présent dans la plante (H2O) vont être décomposées et ré-assemblées dans les feuilles grâce à la chlorophylle pour donner 1 molécule de glucose brut (C6H12O6) et 6 molécules d’oxygènes (O2). Le glucose sera ensuite transformé en amidon, en cellulose, en fructose, en lipides, en protéines, …, et l’oxygène sera rejeté.

La photosynthèse se résume donc à : 6 CO2 + 6 H2O  + Énergie lumineuse =>  C6H12O6 + 6 O2

Ce phénomène de transformation des molécules se fait en deux phases:

  1. Phase lumineuse ou photochimique: les pigments chlorophylliens absorbent l’énergie lumineuse et produisent une molécule appelée Adenosine Triphosphate (ATP) et des enzymes. L’ATP est une source d’énergie nécessaire à l’enchaînement de réactions d’hydrolyse et d’oxydoréduction: l’eau (H2O) présente dans la sève brute des feuilles est divisée en hydrogène (H), utilisé par la suite,  et en oxygène (O2), rejeté à l’extérieur par les stomates:
                              12H2O + énergie lumineuse => énergie chimique (ATP) + Enzymes+ 6 O2
  2. Phase obscure ou non photochimique: le carbone extrait de l’air va être inséré dans la matière organique de la plante durant la phase de fixation du carbone qui aboutira à la production de glucose.

*Il existe cinq forme de chlorophylle, simplement nommée a, b, c, d, e.
La chlorophylle a transforme l’énergie lumineuse en énergie chimique,  et la chlorophylle b fixe cette énergie pour que l’arbre puisse l’utiliser.

Les molécules de glucose seront ensuite catabolisées en glucides structuraux, en glucides solubles ou de réserve puis seront distribuées dans toute la plante.

réserves glucides

-Photosynthèse en C3 , C4 et CAM-

Toutes les plantes terrestres de la planète effectuent leur photosynthèse en suivant le cycle de Calvin, mais il ne peut se faire que la journée car il nécessite de la lumière et une grande photo-respiration en découle, d’où une dépense importante d’eau. Nos arbres autochtones, ainsi que la majorité des plantes de la planète, fonctionnent ainsi mais certaines plantes ont du s’adapter à la sécheresse environnante et ont modifié la façon de fixer le carbone au début du processus de photosynthèse pour économiser l’eau.

Les plantes en C3 absorbent directement le carbone nécessaire à la photosynthèse avec le cycle de Calvin. Leur nom vient de la première étape du cycle qui fixe ensemble 3 atomes de Carbone. La photosynthèse se produit alors exclusivement la journée et sur les  faces externes des feuilles, dans les cellules du mésophylle palissadique, et les échanges gazeux y sont nombreux.

Les plantes en C4 ont une voie d’assimilation qui vient se superposer au cycle de Calvin pour limiter la photo-respiration. La photosynthèse va débuter à la surface des feuilles par la fixation de 4 atomes de carbone qui vont être transporter dans les cellules sous-jacentes du mésophylle lacuneux, où les échanges gazeux avec l’atmosphère sont très limités. Ensuite seulement le cycle de Calvin peut s’enclencher. Ce processus consomme plus d’énergie (ATP) qu’une fixation unique en C3. Ces plantes sont essentiellement des graminées des régions tempérées/tropicales aux conditions particulières (maïs, canne à sucre, sorgo, cactées…) et ne représente que 3% des plantes.

Les plantes CAM (Crassulacean Acid Metabolism), vont fonctionner comme des plantes en C4 mais vont différer la photosynthèse dans le temps afin des fermer complètement leurs stomates durant la journée pour ne pas perdre d’eau. Ce métabolisme CAM  permet aux plantes d’absorber le dioxyde de carbone la nuit, en fixant 4 atomes de carbone ensemble donc, puis de stocker ces molécules dans les cellules. La journée les stomates se ferment mais le cycle de calvin, dépendant de la lumière peut se dérouler normalement dans les cellules sous-jacentes. Ce processus demande encore plus d’énergie (ATP) qu’une fixation en C3 ou C4. Ce métabolisme est présent chez les plantes grasses des déserts ou poussant sur des sol avec une grande salinité.

-Cycle de Calvin-

Ce processus va former les molécules de glucose grâce au carbone extrait de l’air. Il se déroule en trois phases complexes qui vont se renouveler en permanence tant que la photosynthèse a lieu. Les glucides sont formés en une quinzaine de seconde après le début du processus.

  1. Fixation du carbone: Grâce à la Rubisco, une enzyme fabriquée lors de la phase lumineuse, la plante va incorporer le dioxyde de carbone à des molécules organiques déjà présentes (les ribuloses 1,5-biphosphate);
  2. Réduction: Grâce aux enzymes de NADPH et à l’énergie fournie par les ATP, les nouvelles molécules créées (3-phosphoglycerate) vont être réduites plusieurs fois en libérant des phosphates, jusqu’à obtenir des glyceraldehydes 3-phosphate.
  3. Régénération: A partir de ces molécules (glyceraldehydes 3-phosphate), des molécules de glucoses vont être synthétisées et des molécules de ribulose 1,5-phosphate vont se régénérer et être disponible pour recommencer le cycle.

cycle-de-calvin

-Sy.Lo.-

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