source New Scientist
Decades-old mystery about photosynthesis finally solved
13 may 2023 p.16
Rappel
On appelle photosynthèse le processus permettant aux végétaux et à certaines bactéries de fabriquer de la matière organique à partir du gaz carbonique de l’atmosphère et d’eau, en utilisant la lumière solaire comme source d’énergie et en produisant de l’oxygène.
https://www.larousse.fr/encyclopedie/divers/photosynth%C3%A8se/79404
La photosynthèse, qui signifie littéralement « synthèse de matière organique par la lumière », correspond à la captation de l’énergie lumineuse provenant du Soleil et a son stockage sous la forme de matière organique , des glucides notamment).
Grâce à la photosynthèse, les végétaux et la plupart des bactéries, dites photosynthétiques produisent leurs propres composants à partir de l’énergie solaire (on dit qu’ils sont autotrophes).
On rappelera que la Terre primitive, comme toutes les planètes observables, ne comportait pas d’oxygéne sous sa forme gazeuse. Aucune forme de vie supposant la respiration n’y était donc possible. C’est grâce à la photosynthèse réalisée par des végétaux et des cyanobactéries que l’oxygène est devenu courant.
La phoiosynthèse consomme de l’eau (H2O), du dioxyde de carbone (CO2) et produit de l’oxygène (O2) qui est rejeté dans l’atmosphère qu’il enrichit. Consommé par la respiration des êtres vivants complexe cet oxygène atmosphérique est renouvelé en permanence par l’activité de l’ensemble des organismes photosynthétiques. Rappelons que la photosynthèse réalisée par les bactéries pourpres et des bactéries vertes ne rejette pas d’oxygène, mais d’autres sous-produits (essentiellement du soufre [S]).
L’énergie nécessaire à la photosynthèse est fournie par le rayonnement du soleil. La lumière est donc un facteur décisif dans le processus. L’intensité lumineuse optimale est différente d’une espèce végétale ou bactérienne à une autre. Les diverses radiations qui composent la lumière blanche ont une action spécifique : les radiations rouges (600 nm) et indigo (400-450 nm), absorbées par la chlorophylle, sont les plus efficaces ; les vertes ne sont d’aucun effet.
Chez les plantes et les algues, la photosynthèse s’effectue au niveau des parties vertes, et tout particulièrement au niveau des feuilles : leurs cellules renferment en effet de petites usines à photosynthèse, les chloroplastes, contenant eux-mêmes de la chlorophylle, un pigment de couleur verte qui permet la captation de l’énergie lumineuse. Chez les végétaux qui ne sont pas de couleur verte – par exemple les plantes à feuilles pourpres – le processus et la localisation sont les mêmes : la chlorophylle y est masquée par des pigments d’autres couleurs.
Chez les bactéries (notamment les abondantes cyanobactéries, mais aussi les bactéries vertes et les bactéries pourpres), qui sont dépourvues d’organites, la photosynthèse se fait dans le cytoplasme, sur des invaginations de la membrane cellulaire ou des corpuscules (appelés chlorosomes), qui renferment des bactériochlorophylles.
Chez les végétaux et les cyanobactéries, les pigments photosynthétiques sont groupés en photosystèmes : ceux-ci sont composés d’une antenne collectrice des photons (composée de chlorophylle b, de caroténoïdes et de protéines), et d’un centre réactionnel (composé de deux molécules de chlorophylle a), qui a pour fonction de transférer des électrons à une chaîne d’accepteurs d’électrons. Deux photosystèmes distincts ont été identifiés : le photosystème I et le photosystème II (numérotés dans l’ordre de leur découverte).
La photosynthèse se déroule en deux phases distinctes : une phase dépendante de la lumière (phase photochimique ou phase claire), au cours de laquelle l’énergie solaire est captée par la chlorophylle, suivie d’une phase indépendante de la lumière (phase non photochimique ou phase sombre, beaucoup plus longue, où cette énergie est utilisée pour réaliser les synthèses chimiques.
Chez les végétaux, la phase photochimique, connue aussi sous les noms de phase lumineuse se produit dans des replis de la membrane du chloroplaste, appelés thylakoïdes. Ce nom désigne le réseau de membranes dans le chloroplaste renfermant la chlorophylle et dans lequel se réalise une partie du processus de photosynthèse
Au cours de cette phase, le photosystème I, dit (PS I), frappé par les photons de la lumière solaire, éjecte des électrons. Ceux-ci sont transférés à une chaîne de transporteurs d’électrons, à l’issue de laquelle ils servent à réduire le NADP+ en NADPH + H+ (→ nicotinamide).
Des photons frappent aussi le photosystème II (PS II), qui libère également des électrons. Ceux-ci sont transférés à une chaîne de transfert d’électrons, puis à un complexe appelé cytochrome. Ce dernier transfert déclenche le passage d’ions H+ dans le stroma du chloroplaste (le milieu aqueux à l’intérieur du chloroplaste) .
Ce passage permet à une enzyme, l’ATP-synthétase, de produire des molécules d’ATP (adénosine triphosphate. L’ATP est la molécule universelle de stockage de l’énergie chez les êtres vivants. Du cytochrome, les électrons passent sur le PS I, pour compenser la perte d’électrons subie à la suite de l’action des photons. Les photons provoquent également la destruction des molécules d’eau (c’est la photolyse).
Cette réaction (H2O →2H+ + ½ O2 + 2e-) produit des protons qui vont rejoindre le stroma du chloroplaste et des électrons qui vont combler le trou électronique du PS II ; c’est aussi cette réaction qui dégage de l’oxygène (on voit ainsi que l’oxygène est un sous-produit, un déchet du mécanisme de la photosynthèse).
La phase non photochimique, autrefois appelée phase sombre ou phase obscure, se déroule dans le stroma du chloroplaste et ne nécessite pas de lumière. Elle correspond à la synthèse de la matière organique ; elle consomme du CO2 et libère de l’eau. L’ATP et le NADPH + H+ produits par la phase photochimique servent à transformer le CO2 en glucides, au cours d’une série de réactions biochimiques appelées cycle de Calvin. Celui-ci débute par la fixation du dioxyde de carbone sur un composé appelé RuDP (ribulose-1,5-diphosphate), grâce à une enzyme, la Rubisco (ribulose-1,5 bisphosphate carboxylase/oxygénase).
La Rubisco est le facteur majeur de la transformation du CO2 en composés organiques, Elle est de ce fait la protéine la plus abondante sur Terre.
Le cycle de Calvin produit un triose (un sucre en C3), le glycéraldéhyde-3-phosphate (pour une consommation de 3 CO2, 9 ATP et 6 NAPH + H+). Les trioses se combinent ensuite pour former d’autres sucres, comme le glucose (sucre en C6 ou hexose).
Une quinzaine de secondes après l’absorption du CO2 apparaissent les premiers sucres. À partir de certains hexoses se constituent le saccharose et l’amidon. Outre des glucides, la photosynthèse peut également élaborer des lipides et des protéines par liaison avec une molécule azotée.
Ce cycle existe chez les algues, les plantes des régions tempérées et tous les arbres ; ces végétaux sont dits « plantes en C3 », car le cycle produit un triose.
La découverte à laquelle l’article du NewScientist fait allusion concerne le nombre de particules de lumière ou photons qui devraient rencontrer un complexe protéinique dit photosystem II ou PSII se trouvant dans les organismes photosynthétiques tels que les plantes. Il avait déjà été constaté que 4 photons suffisaient à déclencher le processus. Quand les photons rencontrent un PSII, ils sont absorbés par un complexe d’atomes de manganèse, de calcium et d’oxygène. Le PSII brise alors les molécules d’eau, libérant de l’oxygène. Mais l’on ignorait jusqu’ici ce qui se passait juste après l’arrivée du 4e proton.;
Aujourd’hui, des expériences permettent d’y voir plus clair. Des scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory dirigé par Yan Kern ont illuminé des algues bleues-vertes avec des éclats de lumière ordinaire puis utilisé des rayons X pour observer la suite. Après le choc avec les 4 photons, PSII a brisé des molécules d’eau en en extrayant l’oxygéné, ceci dans un délai de quelques millionièmes de seconde. Les rayons X furent assez rapides pour mettre en évidence ce délai.
Il fut constaté alors que les atomes d’oxygène formèrent brièvement une nouvelle structure avec PSII en échangeant 3 protons et un électron. Dans le même temps, de l’hydrogène a été libéré
Comprendre ce processus sera important lorsqu’il s’agira de décomposer l’eau pour en extraire l’hydrogène destiné a servir de carburant
Voir ci-dessous Nature, doi.org/j8h8).
Référence
Decades-old mystery about photosynthesis finally solved
Karmela Padavic-Callaghan
WE NOW know in microscopic detail how oxygen is formed during photosynthesis, and this understanding could advance our development of clean fuels.
Plants, algae and some bacteria use photosynthesis to harness sunlight to create the energy they need to grow. It was already established that just four consecutive particles of light, or photons, must hit a protein complex within these organisms to kick-start this process.
When the photons reach the protein complex – called photosystem II, or PSII – they are absorbed by a cluster of manganese, calcium and oxygen atoms. PSII then breaks apart water molecules, releasing oxygen from them. What exactly happens after the fourth photon arrives has eluded us for decades, however. Now, two experiments have filled in some of the detail.
Jan Kern at Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) in California and his colleagues have illuminated blue-green algae with pulses of visible light, then used X-rays to capture what happened.
After being hit by the fourth photon, PSII breaks down water molecules within a few millionths of a second. The X-rays were fast enough to show that there was a delay between splitting water to free oxygen atoms and the formation of molecular oxygen, or O₂.
The arrangement of the PSII molecules around those oxygen atoms indicated that the oxygen briefly formed a new structure (Nature, doi.org/j8h8). The oxygen atoms were probably briefly bound to another part of PSII, say the researchers. This step of the process has previously only been theorised, says Kern.
Europe Solidaire 