photosynthèse (suite)
Phase lumineuse
Lorsqu’une molécule de chlorophylle est exposée à la lumière, elle reçoit des photons ; elle passe alors de l’état fondamental à un état excité, caractérisé essentiellement par une accumulation d’énergie au niveau des électrons ; ce passage est extrêmement rapide (10–15 s). Ce phénomène est typique des pigments assimilateurs. L’état excité est instable, et la molécule de pigment revient à son état fondamental en un temps très bref (10–8 s). Cependant, dans le cas de la chlorophylle, on a observé un état métastable qui persiste plus longtemps (jusqu’à 10–4 s). L’énergie ainsi captée par la chlorophylle et intégralement restituée ensuite, quoique plus lentement, peut être utilisée de diverses façons : une partie est dispersée sous forme de chaleur ; une autre peut réapparaître sous forme de photons (il y a alors fluorescence des molécules) ; on met également en évidence une transmission de l’excitation à des molécules du voisinage, qui doivent obligatoirement être proches de la molécule excitée (moins de 8 mμ) ; enfin, on a pu observer une conversion soit de la molécule excitée elle-même (conversion interne rapide), soit de molécules voisines, ce qui entraîne une réaction chimique. Cette conversion externe est la plus lente et n’existe que si la molécule excitée originelle possède des formes d’excitation métastables. Ainsi, une part importante de l’énergie lumineuse a été transformée en énergie chimique.
Lorsque la molécule de chlorophylle vient d’absorber de l’énergie lumineuse apportée par la lumière bleue, elle passe à un état excité de haut niveau, mais très instable (65 kcal). Elle perd très rapidement une partie de cet excès d’énergie sous forme de chaleur, par exemple, et est ramenée à un état de plus faible niveau énergétique (41 kcal), correspondant à l’état qu’une molécule de chlorophylle à l’état fondamental atteindrait si elle était frappée par de la lumière rouge. Enfin, cette molécule, qui a une durée de vie très courte, perd de nouveau de l’énergie sous forme de chaleur ou de fluorescence et est ramenée à une forme métastable contenant encore un excès énergétique (31 kcal). C’est alors seulement que des conversions externes sont possibles et que l’énergie chimique peut être utilisée à l’extérieur de la molécule de chlorophylle. Le retour à l’état fondamental s’accompagne d’une transformation chimique au voisinage immédiat. Les molécules de chlorophylle agencées régulièrement en grand nombre dans les lamelles plastidales réagissent simultanément : il faut en effet 100 molécules pour obtenir une conversion externe correspondant au déplacement d’un électron d’un corps A vers un corps B, l’électron étant soit arraché à A et livré ensuite à B par l’action de la chlorophylle, soit cédé par la chlorophylle à B et récupéré par la suite sur A. Le corps B n’est, le plus souvent, qu’un transporteur d’électron, qu’il cède à un autre, et ainsi de suite, par l’intermédiaire d’une chaîne de transporteurs ; les électrons apportent ainsi l’énergie nécessaire aux transformations chimiques ; ainsi, l’ADP (adénosine diphosphate) est transformée en ATP (adénosine triphosphate). Présent dans la cellule végétale aussi bien que dans la cellule animale, l’ATP est une réserve d’énergie disponible et utilisée pour réaliser de très nombreuses et diverses réactions. Par ses liaisons chimiques, elle permet donc le stockage momentané de l’énergie. La chlorophylle b est incapable d’assurer ces mêmes fonctions ; cependant, elle cède aux molécules actives l’énergie qu’elle a absorbée et, par là, joue aussi un rôle important : le rendement de cette retransmission par résonance est élevé (95 p. 100). D’autres pigments caroténoïdes et les biliprotéines (phycoérythrine [Algues rouges] et phycocyanine [Algues bleues]) ont un rôle analogue, mais de rendement moindre (45 p. 100). Par ailleurs, on a pu démontrer que de l’eau contenue dans la cellule est hydrolysée. Le réactif de Hill, utilisé pour mettre ce phénomène en évidence, contient des sels ferriques transformés en sels ferreux au cours de la réaction, qui a lieu dans un milieu riche en chloroplastes in vitro. L’énergie captée par la chlorophylle sert à provoquer cette réaction ; l’oxygène libéré est celui qui se dégage à l’extérieur de la plante lors de la photosynthèse. Cela a été démontré en utilisant de l’oxygène marqué18O. Si l’on fournit à des chlorelles de l’eau contenant de l’oxygène18O, c’est cet oxygène lourd qui apparaît. Par contre, si c’est le gaz carbonique fourni qui contient de l’oxygène 18, on n’en retrouve pas dans l’oxygène dégagé lors de la réaction. C’est donc bien l’oxygène de l’eau libéré par la photolyse qui est rejeté par la plante. Dans celle-ci, le réactif de Hill n’existe pas, mais c’est le NADP (nicotiamide-adénine-dinucléotide-phosphate) qui joue son rôle et aussi, sans doute, l’acide thioctique qui participe parmi bien d’autres à la chaîne de transport des ions H (ceux-ci ne sont jamais libérés dans le milieu). Le NADP se transforme en NADPH2, forme réduite du précédent. En somme, en présence de lumière fixée par les chloroplastes, on observe la formation de deux substances qui seront nécessaires dans la suite des transformations
et aussi d’après la réaction suivante ADP + P + énergie lumineuse → ATP.
Ces deux photophosphorylations ont lieu simultanément, l’énergie lumineuse étant nécessaire aussi bien à l’excitation de la chlorophylle qu’à la décomposition de l’eau (libération d’oxygène).
Phase obscure
Cette phase obscure de la photosynthèse peut s’effectuer indifféremment avec ou sans lumière. On assiste à la réduction du gaz carbonique fixé et à sa transformation en molécule organique. Diverses techniques permettent de suivre le gaz carbonique ainsi que ses transformations dans les différents produits formés. Ce sont surtout les éléments radioactifs qui sont utilisés, particulièrement le14C, qui peut être introduit dans une molécule de CO2 fournie à la plante. Sa séparation par chromatographie des substances contenues dans les cellules permet de déterminer où se retrouve le carbone marqué.