b) La deuxième phase de la photosynthèse: l`incorporation du CO2

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 suspensionà 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 pointvariable 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 bouillantqui 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.
BILAN PHOTOSYNTHESE
Cycle simplifié
Ainsi on observe un couplage des 2 phases de la photosynthèse :
CO2
ADP
R+
H2O
Phase
photochimique
Intermédiaires
Phase
biochimique
Lumière
ATP
RH2
O2
C6H12O6
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