Retour au sommaire des cours

Une version pdf est à votre disposition ici.

Besoins alimentaires

du végétal

 

v Méthodes de détermination :

Ø  Méthodes analytiques :

§  Principe :

 

-          Si un élément est présent dans un tissu, c’est que la plante en a besoin. (quelques exceptions)

-          Si un élément est présent en plus grande quantité qu’un autre, c’est que la plante en plus besoin qu’un autre.

 

§  Résultat :

 

 


9

macro éléments

= éléments plastiques

ou constitutifs

 

C

O

H

N

K, P, Ca, Mg, S

(% de la matière sèche)

40 – 45 %

40 – 45 %

6 – 7 %

1 – 3 %

0.5 % chacun

 

 

4 éléments

≈ 90 – 95 %

 

5 éléments   inf. à 5 %

 

≈ 60

micro éléments

= traces ou oligo-éléments

ou éléments dynamiques

 

 

Fe, Mn,

Cu, Zn,

Mo, Bo,

Al, I, etc.

 

 

 

Inf. à 0.5 %

 

·         Variabilité selon l’espèce :

 

Na, Cl, Si : difficiles à placer :

-          Ils ne sont pas constitutifs, même en grande quantité.

-          Ignorance d’un quelconque rôle dans le dynamisme du végétal.

-          Taux très variable :

Exemple des graminées : présence importante de Si dans les feuilles

(1% de la masse foliaire)

 

·         Variabilité environnementale :

 

Exemple du littoral : les plantes se sont habituées à une salicité importante en séquestrant le sel (NaCl) de manière à ce qu’il ne soit pas toxique.

 

·         Problèmes de cette méthode :

 

-          Chacun des éléments listés est-il réellement indispensable ?

-          Si oui, sous quelle forme alimentaire doit-il être administré ?

 

 

Les plantes peuvent être hyper accumulatrices de traces (métalliques) ; celles-ci sont donc utilisées pour dépolluer des sols saturés (exemple du fer)

 

   Matière fraîche

 

 

Dessiccation

  à 105 °C.                  +

 

                                                           Matière sèche             Incinération                +

                                                              10 – 20 %                   500°C.         

                                                                                                                      Matière minérale

≈ 5 %

 

Ø  Méthodes synthétiques :

§  Principe :

Réponse à la question : sous quelle forme alimentaire ?

 

On suivit la croissance d’un végétal sur un milieu de synthèse qui peut être varié en terme d’éléments ou aliments.

C’est méthode empirique : on recherche la croissance optimale en changeant la composition du milieu. Elle impose un très grand nombre d’essais, avec quelques contraintes :

            ® l’obligation de conditions stériles, pour éviter les interactions néfastes de microorganismes se nourrissant du milieu et excrètent des toxines.

            ® le contrôle des éléments utilisés : différents niveaux de pureté du milieu et apports de traces avec les flacons et la verrerie.

 

§  Méthode :

·         Pour les champignons :

On effectue des cultures de conidies (spores asexuées) en boîtes de pétri (Pasteur et Raulin)

 

·         Pour les végétaux chlorophylliens :

On effectue des cultures de plantes entières sur milieu solide (Liebig et Boussingault)

 

Problème de la composition initiale de la terre.

            ® obligation de calciner la terre pour détruire la matière organique (MO) et laver la matière minérale (MM)

 

Apparition de la culture hydroponique (= aquiculture)

avec Javillier (précurseur de la culture « hors sol »)

= milieu exclusivement liquide :

-          obligation d’asepsie (® graine légèrement nettoyée à la javel),

-          aération (® éviter l’asphyxie),

-          renouvellement le plus fréquemment possible.

 

Contrainte majeure : composition de la graine ® présence d’éléments dans sa réserve

            Cette réserve ne pose pas un gros problème pour les macro éléments mais est très importante quant à la précision des traces.

Exemple de l’Iode : on effectue une étude sur plusieurs générations où l’on appauvrie de plus en plus le milieu ce qui permet de réduire au fur et à mesure la quantité de l’iode dans les graines produites.

 

§  Résultats :

·         Cas des champignons :

On a défini un milieu de Raulin (= le plus favorable à la croissance)

Exemple de Aspergillus niger :

 

Aliment

Quantité

Elément

 

 

 

8 macro éléments

 

chez le

 

champignon :

 

 

le Mg compense l’absence du Ca.

Eau

1500 mL

O, H

Saccharose

70 g

C

Acide tartrique

Pas très utile en soi : effet bactéricide

4 g

/

NH4NO3

4 g

N

NH4PO4H2

0,6 g

P

K2C03

Carbonate de potassium

0,6 g

K

MgCO3

Carbonate de magnésium

0,4 g

Mg

(NH4)2SO4

sulfate d’ammonium

0,25 g

S

 

 

 

Zn, Fe et Si

 

Principaux micro éléments

 

 

·         Cas des végétaux chlorophylliens :

 

Aliment

Quantité

Eléments

 

8 macro éléments

 

+

 

Carbone produit lors de la photosynthèse

Eau

1000 mL

O, H

NH4NO3

4 g

N

KPO4H2

0,6 g

P, K

Ca(NO3)2

0,6 g

Ca

MgSO4

Sulfate de magnésium

0,4 g

Mg, S

 

§  Action d’un élément sur la croissance et interaction entre élément :

Courbe d’action de E :

Croissance

 

                                       E est déficient                     E est excès

                                        = carence            Doses                 = toxicité

                                               en E           optimales              de E

 

Eléments indispensables

(+ quelques traces)                                    e1                e2         [ E ]

Carence               Sub-carence     e1  (agriculture        Luxe alimentaire e2    Excès

                                                           raisonnée)

Micro-éléments :  10–8 g.L–1                                         10–6 g.L–1

Macro-éléments : 10–4         g.L–1                                 10–2 g.L–1

 

Constatation vis-à-vis de la situation d’excès : la plante ne « trie » pas les éléments en fonction de ses besoins mais absorbe tout ce qui se présente à elle.

 

·         Symptômes diagnostics :

= observation de la plante pour constater une situation alimentaire.

 

-          Carence :

® Chloroses (= zone défraîchie)

            ® Sensibilité aux pathogènes

Exemple de la betterave sucrière : la carence en Bohr (Bo) entraîne une fragilisation de la plante qui favorise l’envahissement du Phoma (champignon)

 

® Mise en place de méthodes alternatives de lutte qui permettent d’éviter les fongicides.

 

-          Excès (en particulier l’azote) :

® Verse

Exemple du blé : excès de NH4+ (ion ammonium) La plante emploie des mécanismes de désintoxication utilisant du Carbone pour fabriquer les acides aminés. Celui-ci n’est donc plus disponible pour la solidification en cellulose des parois. De plus, l’ammoniaque entraîne une montée rapide en longueur.

 

·         Interactions :

¨      Facteur limitant :

= Elément dont la concentration pénalise le rendement alors que les concentrations des autres éléments sont optimales.

                        Croissance

            C.max                                                Courbe d’action de référence de A

                             d C.max                                        (= avec [ B ] non limitant)

            C.max

                                                                                  Courbe d’action de A

                                                                                              avec [ B ] limitant (= B déficient)

 

                                                                                       [ A ]

¨      Interaction antagoniste :

 


1

                                                                                      Courbe d’action du Ca2+

        0,6                                                                     avec [ Mg2+ ] = 1,5 mM

        0,4                                                              Courbe d’action du Ca2+

                                                                                  avec [ Mg2+ ] = 1,5 mM

1                    2            [ Ca2+ ] en mM

C.max pour :   Ca2+/ Mg2+ = 1/1,5 = 2/3 = constante

 

Ca2+ et Mg2+ = ions bivalents (= leur sites d’absorption racinaires identiques)

 

Si, dans le sol, [ Ca2+ ] augmente sans que [ Mg2+ ] augmente, on observe une déficience par saturation vis-à-vis du ratio Ca2+/ Mg2+.

 

On utilise ce genre d’interaction pour dépolluer une terre saturée en effectuant plusieurs niveaux de culture. Il suffit de traiter la plante en fin de dépollution pour qu’elle retrouve un ratio équilibré.

 

Polluant

Antagoniste

Rubidium

Rb+

Potassium

K+

Séléniate

SeO42–

Sulfate

SO42–

Arséniate

H2As04

Phosphorate

H2PO4

Chlore

Cl

Iode

I

 

¨      Interaction antagoniste inverse (= synergie) :

Exemple :

Fertilisation phosphorée (2 niveaux)

Fertilisation azotée (2 niveaux)

 

P 1 (inf.)

 

P2 (sup.)

N1 (inf.)

x

+ 150 quintaux/ha

N2 (sup.)

+ 150 quintaux/ha

+ 60  quintaux/ha

 

§  Difficulté : établissement d’un critère de rendement :

Exemple : la betterave sucrière :

 


MF (tonnes. ha–1)                                                            Sucre (tonnes. ha–1)

 

                                                                                          10

                                                                                                                      Plante entière

     100                                                                                                           Racine

                                                                                          5

 

 

 

                                             200        250         300          Azote (kg. ha–1)

 

-          250 kg. ha–1 ® quantité maximale d’azote pour la croissance de la racine.

-          300 kg. ha–1 ® quantité maximale d’azote pour la croissance de la plante entière.

 

Les 50 derniers kg. ha–1 sont en surplus, la plante fabrique des feuilles pour piéger l’azote dans des squelettes carbonés (acides aminés)       ® Détoxication

 

 

Les cultivateurs sont payés en fonction de la concentration en sucre dans la betterave :

-          200 kg. ha–1 ® quantité maximale d’azote pour la synthèse du sucre.

-          250 kg. ha–1 ® quantité maximale d’azote pour la croissance de la racine.

 

Le réservoir est plein à 200 kg. ha–1. Les 50 derniers kg. ha–1 servent à l’agrandissement de la réserve. Pendant que le volume augmente, la synthèse de sucre est stoppée :

® La concentration diminue et la récolte devient moins rentable.

 

§  Correction avec des engrais :

Souvent les éléments : Azote, Phosphore, Potassium.

Pour les autres éléments, on ne se pose des questions qu’après avoir surexploité le terrain.

 

            a + b + c = constante

 

                                      A      a2           B

                                           a1     b1

                                                           b2

        c1                     c2

   C

 

 

  N                       P

     N     P     K    

      8     8     8

     12    4     8

 K

 

 

  N                         P

                                                                                  6, 9, 9 : dosage optimal

 

 

    K

 

Seul problème : on ne possède aucune explication avec résultats.

 

Ø  Méthodes physiologiques :

§  Analyse chimique :

Exemple : la ferrodoxine :

e ˉ

(donneur)  Fe2+                                    Fe3+ (accepteur)

                  (Red.)                                             (Ox.)

e ˉ

 

§  Emploi de radioéléments :

= marquage d’éléments.

§  Symptôme diagnostic :

N

                                                                              ® « verse » des céréales

                                                                                   

                                               N                                        Ca

® Chlorose               ® chlorose    calcique

 

                               Bo

          ® Phoma

(pour la betterave)

 

 

Mg = métalochlorophyllie (= métal présent au corps de la chlorophylle)

Ca2+ = divalent.          Si [Ca2+ ] augmente,

[ i 2+ ] diminuent        ® carence en ces autres divalents.

Ca2+ sert dans le revêtement ionique (rigidité de la membrane)

Un excès de Ca2+entraîne un déficit de fluidité des membranes.

Ca2+

 

 

 

 

 

 


Principaux types trophiques

 

v Alimentation carbonée :

Ø  Autotrophie pour le Carbone :

§  Les plantes lithotrophes :

Energie

lumineuse ou chimique

CO2 + H2O + AH2         ®         —HCHO  + 2 A + H2O

        Oxydant                                          (produit réduit)   forme oxydée

                        = CMinéral             = pouvoir                         = COrganique

-          gazeux,                                    réducteur                    = maillon d’hydroxyde carbonique

-          dissous                        (H2O ou minéraux)                (exemple : chaîne de sucre)

(ou recombiné dans l’eau comme le carbonate)

 

            Que des substances minérales 

 

·         Les plantes photo – lithotrophes :

¨      Les végétaux chlorophylliens :

= algues, bryophytes et plantes vasculaires.

Aérobiose

CO2 + H2O + 2 H2O     ®       —HCHO  + 2 O2 = + H2O

 

¨      Les bactéries primitives :

= Chlorobactériales (bactéries vertes) et Thiobactériales (bactéries pourpres)

Anaérobiose

CO2 + H2O + 2 SH2      ®       —HCHO  + 2 S + H2O

 

 

·         Les plantes chimio – lithotrophes :

Pouvoir réducteur quelconque

CO2 + H2O + (4 H+)      ®       —HCHO  + H2O

          Substances

           minérales

[ Réd. ]                        [ Ox. ]

 

Ressources énergétiques ( ¹ pouvoir réducteur) :

-          NH4+ : Nitrobactériales,

-          SH2 : Thioleucobactériales (« leuco » = blanc ® pas besoin de pigments),

-          FeCO3 : Ferrobactériales,

-          H2 : Hydrogénobactériales.

 

Ø  Hétérotrophie pour le Carbone :

= le Carbone est déjà sous forme organique.

® Plante chimio – organotrophes.

 

3 types de comportements alimentaires :

 

§  Les parasites :

·         Les végétaux supérieurs :

Exemple du Gui (Viscum album) :

 

Il n’est pas hétérotrophe obligatoire (présence d’un feuillage vert et persistant)

 

Printemps – été (pommier en feuille) ® pompage.

Hivers ® autotrophie.

 

·         Les Champignons :

Exemple d’Auricularia judae.

 

§  Les saprophytes :

= nutrition de corps morts avec l’aide de micro-organismes qui s’occupent de la décomposition.

 

·         Les végétaux supérieurs :

Exemple de Limodorum arbortivum (orchidée)

 

·         Les Champignons :

Exemple de Pleurotus eryndii.

 

§  Les symbiotes :

= les Lichens (associations champignon – algue)

 

L’algue fixe et distribue le Carbone.

 

v Alimentation Azotée :

Ø  Autotrophie pour l’Azote :

Nitrate      Ammonium

N2   /   NO3ˉ   /   NH4+

          Atm. / en solution    forme réduite

 

Ø  Hétérotrophie pour l’Azote :

On retrouve les 3 mêmes types de comportement alimentaire que pour le Carbone.

 

AZOTE

 

CARBONE

Autotrophie

Pas de corrélation avec

Hétérotrophie

Hétérotrophie

Donc forcément :

Hétérotrophie

 

 

 

La photosynthèse

 

v Principe :

Ø  Généralités et rappels :

150 milliards de tonnes de Carbone fixées par an :

-          135 milliards de tonnes par le plancton,

-          15 milliards de tonnes par les végétaux terrestres :

-          11 par les forêts,

-          4 par les prairies.

La fixation se fait par des pigments assimilateurs.

 

Ø  Les pigments assimilateurs :

§  Les pigments actifs :

® acte photochimique :       Energie photonique ® Energie chimique

                        X l       l = longueur d’onde du pic d’absorption

 

·         Chez les végétaux supérieurs et les algues :

® La chlorophylle a (sur les chloroplastes)

2 types dont la composition moléculaire est identique : on parle de polymères de la chlorophylle a ou d’holochromes (quand il y a association avec des protéines) :

P 700 et P 680

 

·         Chez les bactéries :

® La chlorophylle a (sur les chromoplastes, corps un peu granuleux adhérant la membrane)

                        B860 (bactériochlorophylle pour bactéries pourpres)

et B890 (bactérioviridine pour bactéries vertes)

·         La chlorophylle :

 


Chlorophylle a :          R = CH3

Chlorophylle b :         R = CHO

 

4 noyaux pyrroles reliés par des ponts carbonés

= Hème

= Tétrapyrrole fermé

 

 

 

Partie non protéique

 

 

 

 

 

La molécule schématisée s’appelle le Chromophore et fait partie de la Chromoprotéine qui appartient à famille des Métalloprotéines.

 

§  Les pigments accessoires :

Energie photonique      ®      ®        (Pigments actifs)                     ®         Energie chimique

   Rôle de transmetteur

 

·         Les végétaux supérieurs :

-          Ca 670,

-          Ca 690,

-          Chlorophylle b,

-          Caroténoïdes.

 

·         Les algues :

-          Chlorophylle b : chlorophycées (= algues vertes),

-          Chlorophylle c : phéophycées (= algues brunes),

-          Chlorophylle d : rhodophycées (= algues rouges),

-          Caroténoïde (la Fucoxantine) : phéophycées,

-          Biliprotéines :

-          la Phycoérythrine : rhodophycées

-          et la Phycocyanine : algues bleues.

 

·         Les bactéries pourpres :

-          Caroténoïdes.

 

·         Les Caroténoïdes :

Xanthophylle, b – carotène, etc.

Ils font partie de la famille des lipides et présente une structure terpénique (= isoprène) :

 

 


b – carotène : C40H62

 

 

 

 

 

1 vitamine A                          1 vitamine A

 

Provitamine A

 

§  Rôle des pigments accessoires :

 

Pigment accessoire (= antenne collectrice)

               hl

                                                                                  Pigment actif (= centre réactionnel)

 

Excitation par vibration

                                                                                  ® transmission de l’énergie par vibration

                                               = résonance de l’énergie photonique (hl) par vibration

 

Puis le pigment actif convertit cette énergie en énergie chimique en libérant des électrons.

 

§  Spectre d’absorption des pigments :

e = f( l )

Exemple d’un extrait brut des pigments foliaires d’épinard :

 

  e        410 – 430                       660

                        inf. 560                      

                                                                                 

                                                                                  Longueurs d’onde éteintes (= absorbées)

                                                                                              (bleu et rouge)

 

                                                                                 

                                                                                  Longueur d’onde réfléchie

                                                                                              (vert – jaune)

            400                       600                        l (nm)

Spectre d’absorption de la feuille d’épinard

Spectre d’absorption de la Chlorophylle a               

Spectre d’absorption de la b – Carotène                                                                                         

 

 

 

 

 

 

           

                                               650                            

                                   560                                         Spectre d’absorption de la Phycoérythrine

            400                                                                 Spectre d’absorption de la Phycocyanine

                                                                                  Spectre d’absorption de la Bactériopupurine

                                                                                  un pic dans les UV (400) et un autre dans les IF

                                                                       La vie en eaux profondes entraîne le besoin

                                                                       d’une longueur d’onde qui parvienne jusque dans

                                                                                  les fonds marins.

§  Spectre d’action de la photosynthèse :

·         Techniques d’établissement des spectres :

 

Expérience de T. W. Engelman (1843 – 1909) sur Bacterium thermo (algues vertes)

            (chimiotactisme positif à l’O2)

On effectue un suivi d’une algue verte avec une culture de bactéries. S’il y a une activité photosynthétique, il y a un dégagement d’O2 et donc une prolifération bactérienne.

L’algue est éclairée à plusieurs longueurs d’onde.

 

® la photosynthèse est plus importante dans une lumière rouge que dans une lumière bleue.

 

Lumière = énergie photonique (contient des photons)

                        1 photon ® 1 quantum (énergie électrique, en Joules)

 

Max Planck (1858 – 1947) : établissement de la constante de Planck, h = 6,626 . 10–31

 

Quantum = q = h.n               n (en Hertz) = c / l = 3.1010 / l

            q = 6,626 . 10–31. 3.1010 / l

               = 19,878 . 10–21 / l

 

1 mole de photons « bleus » : Nq470 = 255 kJ

1 mole de photons « rouges » : Nq670 = 179 kJ

Alors que l’on s’attend à : Nq670 > Nq470

 

Photosynthèse :          1 photon expulse 1 électron.

Si on se met à énergie (ou intensité) électrique constante : q670 = q470 ,

il faut   plus d’énergie « rouge » que d’énergie « bleue »

Û         plus de photons « rouges » que de photons « bleus »

Û         il y aura plus d’électrons expulsés avec la lumière rouge qu’avec la lumière bleue (à même intensité)

Û         la photosynthèse est plus importante avec la lumière rouge qu’avec la lumière bleue.

 

·         Résultats :

Exemple d’une algue rouge : Delesseria sanguinea.

Présence de 3 pigments : 1 pigment actif (la chlorophylle a) et 2 pigments accessoires (la chlorophylle b et la phycoérythrine)

 

 


                                                                       Il faut travailler à intensité constante.

 

                                                           Spectre d’absorption des pigments

 

                                                           Spectre d’action de la photosynthèse

 

 

 

400      500      600      700      800          l (en nm)

Ø  Le devenir de l’énergie absorbée :

Soit PE0 : un pigment à l’état fondamental, stable, avec une énergie potentielle E0.

Et P’E1 : le même pigment à l’état excité, instable, avec une énergie potentielle E1

 

hn                                                (E1 supérieure à E0, soit par surplus d’énergie,

PE0        10 -15 sec.                         soit par une structure électronique modifiée)

 

                                               P*E1

                                                                                    PE0  +  hn  Þ  P*E1

Énergie de restitution (sous différentes natures)

 

 

§  Restitution par fluorescence :

10 -8 à 10 -12 sec.

Effet Joules (perte de chaleur w0)                    P*E1  Þ  PE0  +  w0  +  hn

            + émission d’un photon hn

                                                                                                                      = hn

                                                                                              Donc :  hn  <  hn

                                                                                              Donc :   q’   <   q

                                                                                              Donc :   l   >   l

 

Exemple de la chlorophylle a :

-          Éclairage à 460 nm

-          Fluorescence à 560 nm.

Cette expérience n’est possible in vivo, mais impossible à reproduire in situ.

 

§  Restitution par résonnance :

  P*E1    Þ  PE0  +  w0  .

hn                                                  P’E’0      P’*E’1

 

     PE0                                               

 

                                                                 P*E1

                                                                      

            P’*E’1

                              Chaleur w0

                                                           P’E’0

 

Et ainsi de suite…

 

§  Restitution par conversion de l’énergie :

= émission d’un proton (caractéristique des végétaux supérieurs)

  P*E1  Þ  PE0  +  w0  +  eˉ

 

      hn          

PE0                                            

 

                                                            P*E1                          

                                   PE0                                                                pigment métastable

  eˉ                 Pigment                                                         = stable en énergie

Molécule                  métastable             Chaleur w0                                    et instable en électron.

réductrice                                          +

(pouvoir réducteur)                                    eˉ

                                                                       ® chaîne de transporteurs d’électrons

 

Synthèse de glucides :

Test de Dugol :

Exemple de Pelargonium sp. (géranium ornemental)

 


                ®  Récolte le matin                                                                     ®

                        (pas de lumière)

                ®  Récolte le midi                        ® éthanol, 100°C                  ®

                        (12H d’éclairement)

                ®  Récolte le midi                                                                       ®

                        (12H d’éclairement avec un cache)

 

v Mécanisme de la photosynthèse :

Ø  Existence de 2 grands types de réaction :

§  Effet de la température sur la photosynthèse :

Exemple de Chlorella pyrenoidosa :             

 

        Intensité                         Courbe d’action de la température :

de la photosynthèse :

 

 

 

                                                                       Lumière forte (température limitante)

                                                                                  ® réaction photochimique, dite « claire »

 

                                                                       Lumière faible (hn limitant)

                                                                                  ® réaction thermochimique,

                        12        16        20        24                                dite « obscure » ou « sombre »

     Température (en °C)                     (s’effectue aussi en phase lumineuse)

 

À température constante, c’est la lumière qui détermine l’intensité de la photosynthèse.

§  Effet de la lumière intermittente sur la photosynthèse :

Expérience de la lumière R. Emerson (1932) :

            ® éclairage par flash est meilleur que continu.

 


                                                                    On conserve les mêmes durée et intensité des flashs.

 

      VO2 (en mL)

 

Phase obscure (en sec.)

Nombre d’éclair

Rendement par éclair

1/1000

5

VO2 /5

1/500

3

VO2 /3

1/100

2

VO2 /2

1/50

1

VO2 /1

1/10

1

VO2 /1

 

Plus les éclairs sont espacés, plus le rendement est bon.

 

                                               Courbe d’action de la phase obscure :

Rendement

de la photosynthèse

                                               Durées optimales

  100%                                                                                               25° C

                                                                       1° C

 

 

 

 

 

            0          0,1       0,2       0,3       0,4       0,5       Phase obscure (en sec.)

 

Jusqu’à 0,2 seconde, la phase obscure est limitant. À 1° C, le métabolisme est au ralenti et il faut une phase obscure plus longue pour que les réactions thermochimiques aient le temps de se faire (assimilation du Carbone minéral en Carbone organique) La lumière ne sert qu’à exciter les pigments et apporter le pouvoir réducteur (réactions photochimiques)

 

Ø  Scission de la molécule H2O :

§  Mise en évidence du rôle de H2O :

Rappel sur les végétaux chlorophylliens (algues, bryophytes, plantes vasculaires) :

 

 


CO2  +  2 H2O  Þ  –HCHO–  +  O2=  +  H2O

                                                                         Aérobiose

À priori :         Photo – oxydoréduction.

                        CO2                              –HCHO–

            H2O    +                                 +    H2O

                        H2O                              O2                             H2O : pouvoir réducteur originel.

Expérience de R. Hill (1937) :

Suspension de chloroplastes fonctionnels + milieu isotonique.

® Incubation sous vide (pas de CO2 ni de O2)

+ ajout d’hémoglobine                             oxyhémoglobine (avec un spectre d’absorption

   Fixation d’O2                      différent de l’hémoglobine)

Observation :

Dégagement d’O2 que s’il y a un broyat cellulaire, en fait qu’en présence d’un oxydant puissant.

Exemple :        2 Fe3+  +  H2O  Þ  2 Fe2+  +  ½ O2  +  2 H+

 

« Mais… Si ça marche avec Fe3+, alors l’eau rentre dans l’oxydoréduction pour la formation de l’O2 » « Donc, il y a scission de la molécule de l’eau ! »

 

 2 H2O  Þ  2 H+  +  2 OHˉ  Þ  H2O  +  2 eˉ  +  ½ O2.

 

                                   H2O  Þ  2 H+  +  2 eˉ  +  ½ O2

                                               Pouvoir réducteur

                                   = photolyse (scission dans la photosynthèse)

 

§  L’émission d’O2 provient de la scission de H2O…

Expérience de Rubens (1941)

            ® Utilisation d’isotopes (= marqueur radioactif)

                                   H218O             et        C18O2

 

                                                    Chlorelles.

 

                                          18O2                     16O2

 

CO2  +  2 H2O  Þ  –HCHO–  +  O2  +  H2O

 

Analogies avec la photosynthèse bactérienne :

CO2  +  2 SH2  Þ  –HCHO–  +  2S  +  H2O

 

-          Chlorobactériales (= bactéries vertes)

® B890 = Bactérioviridine.

 

-          Thiobactériales (= bactéries pourpres)

® B860 = Bactériochlorophylle ; Bactériopupurine.

-          Thiorhodobactériales : exemple de Chromatium warmingii qui garde le souffre, ce qui leur donne leur coloration rouge.

-          Athiorhodobactériales : exemple de Rhodopseudomonas sp. qui, en aérobiose, est hétérotrophe et, en anaérobiose, est photo-organotrophe.

 

CO2 +  2 CH3–CHOH–CH3  Þ  HCHO  +  2 CH3COCH  +  H2O

                                                  Pouvoir réducteur

 

§  Scission de H2O et transfert de pouvoir réducteur :

Le photosystème II (P680) :

 


                                                                       Antenne collectrice

                                                                                              = pigments accessoires (Ca670,

       Chlorophylle b, Caroténoïdes)

2 photons

                                                                                                          Centre réactionnel

E0 = 0,82 V                                                                                                   = pigment actif.

H2O  Þ  ½ O2                                                                                 P680           E0 = 0,90 V

                   +  2 H+  +  2 eˉ

       Pouvoir réducteur          

                                                  P+680                                                                 P*680       E1

                                                           E0                                                                  

Donneur d’eˉ = réducteur

Accepteur d’eˉ = oxydant

            E0 Red  <  E0 Ox                                                                    2 eˉ

                                                                                                    ® Chaîne de transporteurs

 

 

PS II

Centre réactionnel

P680

E0 = + 0,90 V

Transfert

par

apport

d’énergie

 

 

 

 

 

Transfert

Spontané

 

Transport

de H+ et eˉ

Plastoquinone

PQ

 

E0 = 0 V

Transport

que d’eˉ

Cytochrome

F

 

E0 = + 0,34 V

Plastocyanine

Pc

 

E0 = + 0,37 V

PS I

Centre réactionnel P700

Ratio Chl. b/Chl a

> Ratio du PS II

E0 = + 0,43 V

Ferredoxine

Fd

 

E0 = – 0,43 V

Transport

de H+ et eˉ

FAD /

FADH 2

 

E0 = – 0,38 V

NADP + / NADPH, H +

Nicotinamide

E0 = + 0,38 V

·         Structure du chloroplaste :

Diamètre : 3 à 10 µm                                                            Thylakoïde = membrane

 


Lumen du thylakoïde                                                       thylakoïde intergranaire

(pH acide)                                                                                                   stroma

= compartiment                                                                              thylakoïde granaire

intrathylakoïdal                                                                                         granum

                                                                                                          enveloppe

ADN circulaire                                                                                          

Chloroplastique                                                                 accumulation transitoire d’amidon

                                   Globule lipidique plastidiaux

                        (10 à 15 nm) ® caroténoïdes dissous

 

·         Schéma général de la chaîne des transporteurs :

Stroma intra chloroplasmique                                                                                 NADPH  + H+

 

2 photons                                                                  2 photons

   ( l = 680 nm)                                                              ( l = 700 nm)

                                                                                                                 Fd                                    NADP+

                                   PQ            PQH2

 

                           2 e ˉ

            P680                                                                          P700

                                                                                                                            FAD

   2 e ˉ                   Cyt f                     

                                                                                                                                       FADH2

                                                                           Pc

       PS II                                                                                   PS I

Stroma intra vésiculaire

 

                        (protons prélevés à l’extérieur et libérés à l’intérieur)                                               ® gradient de protons

 

Ø  Fixation et devenir du carbone minéral (cycle de Calvin) :

§  Méthode d’étude :

Melvin Calvin (1911 – 1997) : montage « Lollipop »

Carbone radioactif : 14CO2    ® Radio chromatographie.

     CO2                    Agitateur

       O2                                                      Pompe                            Capillaire en serpentin

                                                                                                          où l’on peut injecter du

                                                                                                          CO2 radioactif à des moments

                                                                                                          précis d’écoulement.

 

Extraction et radiographie des sucres solubles dans de l’éthanol à 100° C

§  Résultats :

= radio chromatogrammes des produits formés (rayonnement b du 14C)

-          Nature des molécules ?

-          Ordre de parution ?

-          Quantité de marquage ?

 

5 sec.                                       10 sec.                                     30 sec.

                                                                                                                              malate

                                                                                         alanine        glutamate

     80%                                                        glycine sérine        aspartate

                                                                                              saccharose                   APG

                                                                                                          trioseP oseP

                                                                                                                                 ose diP

                                                                                                                      UDPG

Acide 3_phosphoglycérique                                                   Sucre

(APG)                                                                        Acides aminés

CH2OP–CHOH–COOH                                                     Acides organiques

 

§  Fixation du CO2 :

Calvin et Benson (1944 – 1959) :

                                               Rubisco (= ribulose 1,5 biphosphate carboxylase oxygénase)

RUBP  +  CO2  +  H2O  Þ  2 APG (acide_3_phosphoglycérique)

   C5          C1                         2 C3                On parle de photosynthèse « C3 »

CH2O—P                                            CH2O—P        +          CH2O—P

|                                                         |                                 |

C=O                                                   CHOH                       CHOH

|                                                         |                                 |

CHOH                                               COOH                       COOH

|

CHOH

|

CH2O—P

La rudisco :     rôle de carboxylase (lors de la photosynthèse)

et rôle d’oxygénase (lors de la photo-respiration)

-          Elle est activée par le Magnésium Mg2+,

-          Et est constituée de 16 sous-unités (masse totale : 550 kDa)

-          Elle constitue 50 % des protéines foliaires et 70% des protéines du chloroplaste.

 

Arguments expérimentaux :

Lumière                 Obscurité

C.P.M                                                                        Glucides

(coups par minute)                                                                            APG

 

 


                                                                                                          RUBP

 


            + 14CO2 (1%)  =                                30            40         Temps (en minutes)

Lumière                             Obscurité

C.P.M                      + CO2 (1%)                               – CO2   (sous vide)

(coups par minute)

                                                                                                                                 R.U.B.P

 


                                                                                                                                 A.P.G

 


                                               – 200               – 100               0          – 10O             Tps (en sec.)

-          L’absence de CO2 entraîne une incapacité à réduire le R.U.B.P qui va donc s’accumuler.

Ce qui veut dire qu’il continue à être synthétisé. D’où vient-il ?

 

-          La lumière, l’APG et toutes ses transformations permettent de régénérer le RUBP. La photosynthèse commence avec la synthèse du glucide RUBP (=précurseur) et cherche à le régénérer.

 

-          La photosynthèse « C4 » :

Chez les graminées tropicales (maïs, canne à sucre, etc.)

                                                      PEP Case (= phospho-énol pyruvate carboxylase)

                        PEP  +  CO2  +  H2O  Þ  OAA  +  2 H+  +  2 eˉ

Phospho-énol pyruvate           Acide oxaloacétique

 

-          La photosynthèse « CAM » (= Crassuleam Acid Metabolism) :

Chez les plantes dites grasses ou succulentes (agave, etc.)

 

§  Réduction et devenir de l’APG :

·         Étape 1 :

                                    Triose_P déshydrogénase

2 APG  +  2 (NADPH + H+)  Þ  2 Ald PG  +  2 H2O  +  2 NADP+

     ATP                       ADP  +  Pi      (réaction non spontanée)

CH2O—P                                                       CH2O—P

|                                 2 H+                            |                      glycéraldéhyde_3_P

CHOH            +          +                                 CHOH            = aldéhyde phosphoglycérique

|                                 2 eˉ                             |

COOH                                                          CHO

Tout sera multiplié par 2 pour une mole de CO2 fixé.

Il faut donc 4 eˉ pour réduire une molécule de CO2 fixé.

 

·         Étape 1’ :

 

Ald PG            Þ        DHA—P  (déshydroxyacétone_P)

 

CH2O—P                                            CH2O—P

|                                                         |

CHOH                                               C=O

|                                                         |

CHO                                                  CH2OH

·         Étape 2 :

                               Aldolase

Ald PG  +  DHA—P  Þ  Fructose 1,6 bi_P

   C3                C3                   C6

CH2O—P                    CH2O—P                                CH2O—P

|                                 |                                             |

CHOH            +          C=O                                       C=O

|                                 |                                             |

CHO                          CH2OH                                  CHOH

                                                                                  |

                                                                                  CHOH

                                                                                  |

                                                                                  CHOH

                                                                                  |

                                                                                  CH2O—P

 

·         Étape 3 :

                               Fructose biphosphatase

Fructose 1,6 bi_P  +  H2O  Þ  Fructose 6_P  +  Pi

 

§  Rôle central du Fructose 6_P :

Fructose 6_P

                                                                                              Glucose 6_P

                                                                       Condensation

Régénération              Saccharose bi_P                                              Isomérisation

du RUBP                                                                              Glucose 1_P

 


                                   Saccharose  +  PPi                                            Polymérisation

                                                                                              n Glucose 1_P

            Réserves pour

les plantes saccharifères

                                                                                              Amidon  +  n Pi

(stockage temporaire durant la phase photosynthétique, puis stockage dans les organes spécifiques durant la nuit)

 

§  Régénération du RUBP :

·         Étape 1 :

Trans-cétolase

Fructose 6_P  +  Ald PG  Þ  Xylose 5_P  +  Érythrose 4_P

       C6                    C3                C5                    C4

                                                                                  CHO

                                   Isomérisation                          |

                                               Ribulose 5_P              CHOH

                                                                                  |

                                                                                  CHOH

                                                                                  |

                                                                                  CH2O—P

·         Étape 2 :

 

    Aldolase

 

Érythrose 4_P  +  DHA—P  Þ  Sedoheptulose 1,7 bi_P

       C3                    C3                       C7

CH2O—P                    CH2O—P                                CH2O—P

|                                  |                                             |

CHOH                       C=O                                       C=O

|                                 |                                             |

CHOH                       CH2OH                                  CHOH

|                                                                                |

CHO                                                                         CHO

                                                                                  |

                                                                                  CHOH

                                                                                  |

                                                                                  CHOH

                                                                                  |

CH2O—P

 

·         Étape 3 :

 

Trans-cétolase

Sedoheptulose 1,7 bi_P  +  Ald PG  Þ  Xylose 5_P  +  Ribose 5_P

       C7                        C3                   C5               C5

                                                                                  Isomérisation                                                                                                                       2 Ribulose 5_P

 

CH2O—P                    CH2O—P                                            CH2O—P                    CHO

|                                 |                                                         |                                 |

C=O                           CHOH                                               CHOH                       CHOH

|                                 |                                                         |                                 |

CHOH                       CHO                                                  CHO                          CHOH

|                                                                                            |                                 |

CHO                                                                                     C=O                           CHOH

|                                                                                            |                                 |

CHOH                                                                                  CH2OH                      CH2O—P       

|

CHOH

|

CH2O—P

 

·         Étape 4 :

 

2 Ribulose 5_P  Þ  RUBP

ATP                ADP  +  Pi      (réaction non spontanée)

 

§  BILAN en Carbone du cycle de Calvin :

 


H2O                                       Ald PG

CO2                2 APG

RUBP                                     Ald PG            DHA_P                      Fructose 1,6 bi_P

 

 


H2O                                       Ald PG                        Érythrose 4_P  +  Xylose 5_P

CO2                2 APG                                                                                               RUBP

RUBP                                     Ald PG                        Sedoheptulose 1,7 bi_P

 

 


H2O                                       Ald PG            DHA_P               Ribose 5_P  +  Xylose 5_P

CO2                2 APG

RUBP                                     Ald PG            DHA_P

 

D Tout est à multiplier par 2 pour une mole de CO2 fixé.

 

§  Influence de hn sur les réactions thermochimiques :

Expérience de Calvin et Benson (1948) sur Scenedesmus sp. cultivée à l’obscurité sans CO2.

C.P.M                                                                C.P.M

       Sans CO2             +  CO2                                              Sans CO2 Sans CO2     +  CO2

 

 

 

 

 

 

 


                         0                     50                    Min.                – 10           0                   50     Min.

 

Conclusions :

La fixation du CO2 est possible à l’obscurité dès lors que les cellules chlorophylliennes contiennent de l’ATP et du pouvoir réducteur produits dans les réactions photochimiques.

 

Ø  Réactions entre les réactions photo- et thermochimiques :

§  Exigence quantique :

® combien d’énergie q faut-il pour fixer une mole de CO2 ?

 

On a vu qu’il fallait 4 eˉ pour fixer 1 molécule de CO2. La photosynthèse fonctionne sur le principe qu’un photon permet l’expulsion d’un électron :

         4 q                                                                    4 q

 

                                                                       4 eˉ                                                                4 eˉ

                                   PS II                                                                        PS I

Il faut 8 q pour fixer une molécule de CO2 et donc 8 Nq pour fixer une mole de CO2.

 

Calcul théorique :

            6 CO2  +  6  H2O       Þ        C6H12O6  +  6 O2

                                   DG0 = + 680 kCal

680/6 = 113 kCal pour une mole de CO2 fixée.

Nq470 = 255 kJ = 61 kCal

                        113/61 » 2 Nq

Nq670 = 179 kJ = 43 kCal

                        113/43 = 2,65 » 3 Nq

Or, on fonctionne sur l’hypothèse de 8 Nq. Il y a donc une perte énergétique de 5 à 6 Nq.

 

Mesure expérimentale :

              Énergie fixée sous forme chimique

Ratio =

                 Énergie photonique absorbée

(rapporté à une masse de végétal et pour une durée donnée)

 

-          Pour des algues vertes : 8 à 10 Nq par mole de CO2.

Rendement = 8 x 100 /10 = 80 %                

® 80% de l’énergie fixée sert à la transformation du CO2 en sucre.

 

-          Pour les végétaux supérieurs : 12 à 20 Nq par mole de CO2.

Rendement = 8 x 100 /20 = 40 %                

® 40% de l’énergie fixée sert à la transformation du CO2 en sucre.

 

            … la perte par effet Joule n’explique pas tout…

… Mais où va la fuite ?

 

§  Les photo – phosphorylations :

EN                                                                                                              Besoin d’un apport

– 0,43              Fd                                                                                       d’énergie

– 0,07                                                 Cyt b 6

    0                                                                             PQ

+ 0,34                                                 Cyt f

+ 0,37                                     PC

+ 0,43                         PS I

 

(en Volt)                                                                             Les eˉ vont des

   réductions vers les oxydants.

 

En présence de lumière, la concentration en ATP augmente et ce même en anaérobiose.

Ces réactions ce passent donc, non pas dans les mitochondries, mais dans les chloroplastes.

Il n’y a pas de production d’O2.

 

·         Phosphorylations cycliques :

(1954)

       ADP + Pi                ATP

– 0,43              Fd       

– 0,07                                                 Cyt b 6

    0                                                                            PQ                 

+ 0,34                                                 Cyt f                   ADP + Pi                 Grand saut énergétique

+ 0,37                                     PC                              ATP

+ 0,43              PS I

                                   700 nm

(en Volt)

Quand le saut est grand, l’énergie produite est récupérée.

Mais quand saut est trop petit, l’énergie est perdue.

 

·         Phosphorylations acycliques :

= chaîne de transporteur de pouvoir réducteur

(parfois, il y a production d’O2)

 


– 0,43                                                             Fd       

– 0,38                                                                                     FAD

– 0,32              ADP + Pi                                                                               NADP+

    0                  PQ                ATP      

+ 0,34                         Cyt f   

+ 0,37                                                 PC                  

+ 0,43                                                                         PS I

                                                                                                   700 nm

+ 0,82              H2O

+ 0,9                              PS II

(en Volt)                                          680 nm

 

D’un point de vue évolutif, la PS II est observée en dernier. Il semble être typiquement associé à la production d’O2. Comme on observait des cyanobactéries, on ne constatait évidemment pas de production d’O2.

 

§  Théorie chimio – osmotique de Michell :

Peter D. Michell (1920 – 1992)

    ATPase                                           ADP + Pi                        ATP

ATP                            ADP + Pi

         ATPsynthétase

                                                                                                          CF 1

Espace intra chloroplastique

Membrane

imperméable

aux protons                    Chaîne de transporteurs                            CF 0

                                         « pompe à protons »

Thylacoïde

Espace intra vésiculaire

 
 


CF 1 : synthèse d’ATP                          Nature protéique

CF 0 : canal membranaire

 

Les chloroplastes produisent de l’ATP surtout pour son usage personnel. L’ATP pour l’organisme est produit par les mitochondries.

 

·         Arguments expérimentaux :

-          Sur une suspension de chloroplastes :

 

[H+]

 

 

 

 

 


                                                  Ionophore (découpe la membrane, la rendant perméable)

 


             0                     20                    40

 

-          pH = 4 :

 

Thylakoïde isolé et à l’obscurité :

            Simple diffusion

 

 

 


H+                         PH = 7

                                                           Quelques heures après :

 

 

                                                                                                                  PH = 4

 

                                                           Équilibre de [H+]

 

-          pH = 8 :

Ajout d’ADP + Pi                                ATP

 

 

 


       PH = 4

 

 

 

 

v BILAN :

 

-          Photo – lithotrophes :                  ® Photosynthèse

-          Présence de pigments actifs et accessoires

 

Complémentarité entre l’aspect structural et le spectre d’action de la photosynthèse.

 

-          Énergie absorbée par les pigments restituée :

-          Par résonnance,

-          Par fluorescence,