Mécanisme général de la photosynthèse

Expérience de RUBEN et KAMEN

\(CO_{2} ~(+H_{2}O) \xrightarrow[\begin{array} {c} \textrm{Cellule chlorophylienne} \\ \textrm{Chloroplaste} \end{array}] {\overset{\textrm{Lumi\`ere}}{\downarrow}} (CH_{2}O) + O_{2}\)

L'équation globale de la réaction photosynthétique ( voir ci-dessus ) ne nous permet pas de savoir d'où vient le dioxygène produit : du \(CO_{2}\) ou de \(H_{2}O\) ?

L'hypothèse que l'\(O_{2}\) dégagé provenait du \(CO_{2}\) est apparue longtemps comme la plus vraisemblable.

RUBEN et KAMEN ont alors imaginé de marquer les différents substrats possibles avec de l'oxygène lourd (\(~^{18}O\)).

Lorsque l'on marque l'oxygène de l'eau, le dioxygène produit lors de la photosynthèse est marqué.

\(2~H_{2}O \rightarrow ~O_{2}\) ; \(H_{2}\) n'étant pas marqué par l'oxygène lourd.

Cette expérience démontre que le dioxygène provient de l'eau et a plusieurs conséquences :

  • L'eau est impliquée directement dans les réaction chimiques de la photosynthèse.

  • Pour produire une molécule de dioxygène, il faut décomposer deux molécules d'eau.

    On est donc amené à modifier la réaction globale de la manière suivante, en ce qui concerne la transformation de l'eau :

    \(2~H_{2}O \xrightarrow[\textrm{Chloroplaste}] {\overset{\textrm{Lumi\`ere}}{\downarrow}} 4H + O_{2}\)

Nous obtenons ainsi globalement :

\(CO_{2} + 2~H_{2}O \xrightarrow[\begin{array} {c} \textrm{Cellule chlorophylienne} \\ \textrm{Chloroplaste} \end{array}] {\overset{\textrm{Lumi\`ere}}{\downarrow}} (CH_{2}O) + O_{2} + H_{2}O\)

On peut alors séparer la photosynthèse en deux réactions d'oxydoréduction :

  • l'une d'oxydation de l'eau ( \(H_{2}O \rightarrow O_{2}\) )

  • l'autre de réduction du \(CO_{2}\) (\(CO_{2} \rightarrow (CH_{2}O)\) )

Expériences de Hill

HILL, grâce à une série d'expériences a pu préciser les mécanismes sous-jacents à une oxydation de l'eau.

  • HILL utilise une suspension de chloroplastes isolés.

  • Il ajoute à cette préparation un corps oxydé susceptible d'exister à l'état réduit (dans son expérience historique, HILL utilisait le ferrocyanure de potassium, mais on peut utiliser expérimentalement d'autres substrats comme le DCPIP par exemple).

  • L'expérience est réalisée en l'absence de \(CO_ {2}\) en mesurant le dioxygène produit à l'aide de l'électrode à oxygène. La suspension de chloroplastes est soumise à une alternance obscurité / lumière / obscurité en l'absence de \(CO_{2}\).

Fig. 01 : Etude polarographique en présence (+ DCPIP) ou en absence (- DCPIP) d'un accepteur d'hydrogène.

Des chloroplastes isolés produisent du dioxygène à la lumière à condition qu'ils soient en présence de l'accepteur d'hydrogène.

La photosynthèse ne peut pas théoriquement fonctionner (puisqu'il n'y a pas de source de carbone) ; et pourtant, nous observons une production de dioxygène uniquement lorsque les chloroplastes sont incubés en présence de l'accepteur d'hydogène.

Dans le même temps, l'accepteur d'hydrogène oxydé passe à l'état réduit.

Cette expérience montre qu'en l'absence de \(CO_{2}\), l'oxydation de l'eau peut se réaliser s'il existe un accepteur d'H2 (\(H^{+} + e^{-}\)) ce que l'on peut schématiser de la manière suivante :

\(\underset{\textrm{DCPIP~ox}}{2~A + 2~H_{2}O} \xrightarrow[\textrm{Chloroplastes}]{\overset{\textrm{Lumi\`ere}}{\downarrow}} \underset{\textrm{DCPIP~r\'ed}}{2~AH_{2} + O_{2}}\)

La réaction d'oydation de l'eau peut donc être disjointe de la réaction de réduction du \(CO_{2}\).

Conclusion

La photosynthèse peut être disjointe en deux types de réactions :

  • Une réaction provoquée directement par la lumière (phase photochimique), utilisant l'eau comme substrat et produisant de l'énergie chimique ainsi que, en particulier, des accepteurs réduits.

  • Une phase d'incorporation du CO_{2} et de synthèse de molécules carbonées réduites (phase biochimique) qui utiliserait l'énergie produite par la phase photochimique.

\(CO_{2} + H_{2}O \xrightarrow[\textrm{Chloroplastes}]{\overset{\textrm{Lumi\`ere}}{\downarrow}} (CH_{2}O) + O_{2}\)

\(CO_{2} \xrightarrow[\textrm{R\'eduction}] {~} (CH_{2}O)\)

\(H_{2}O \xrightarrow[\textrm{oxydation}]{\overset{\textrm{Lumi\`ere}}{\downarrow}} O_{2}\)

Remarque : Les mécanismes de production et de transfert d'énergie sont détaillés dans le sous chapitre "Réactions photochimiques".