La plante, productrice de la matière organique grâce à la photosynthèse

Qu’est-ce que la photosynthèse

• Les couches supérieures de la feuille, les plus exposées au soleil, possèdent des cellules riches en chloroplastes.
• La présence d’un grand nombre de chloroplastes dans les couches supérieures est directement liée à la fonction de la feuille et des chloroplastes : capter l’énergie solaire.
• Le chloroplaste est composé de :
• deux membranes séparant le stroma du cytoplasme de la cellule ;
• de compartiments qu’on appelle thylakoïdes ;
• lorsque les thylakoïdes sont empilés les uns sur les autres, ils forment le granum ;
• l’intérieur du thylakoïde est appelé le lumen.
• La membrane des thylakoïdes est composée de chlorophylles qui permettent de capter l’énergie solaire.
• La photosynthèse est le mécanisme qui transforme l’énergie lumineuse en énergie chimique.
• Elle se déroule en deux phases faisant intervenir une réaction d’oxydo-réduction :
• la phase claire ou photochimique en présence de lumière ;
• et la phase sombre ou chimique.

Mécanismes de la photosynthèse

La phase claire

• La phase claire se déroule dans la membrane des thylakoïdes.
• Au cours de ce processus, la plante consomme de l’$\text{H}_2\text{O}$ et du $\text{CO}_2$, ainsi que des intermédiaires, qui permettront de former des sucres lors de la phase sombre.
• L’eau drainée par les racines est acheminée par la sève brute dans le xylème jusqu’aux chloroplastes où elle est alors absorbée par les cellules.
• La photolyse moléculaire de l’eau est rendue possible grâce aux pigments chlorophylliens photosynthétiques contenus dans les thylakoïdes lorsqu’ils sont excités par les photons lumineux.
• L’eau cède des électrons et des protons pour donner du dioxygène : c’est l’oxydation.
• Les électrons sont transférés le long de la membrane du thylakoïde, transfert au cours duquel, il y a un échange de protons $\text{H}^+$ du stroma vers l’intérieur du thylakoïde.
• La production de protons $\text{H}^{+}$ permet de motiver la production d’énergie chimique sous forme d’ATP.
• L’énergie lumineuse a ainsi été transformée en énergie chimique.
• Le bilan de la phase claire est donc le suivant :

$2\ \text{H}_2\text{O}+2\ \text{ADP}+2\ \text{Pi}+2\ \text{H}^{+}\rightarrow\text{O}_2+4\ \text{H}^{+}\text{(stroma)}+2\ \text{ATP}$

La phase sombre

• La phase sombre a lieu dans le stroma.
• Au cours de cette phase, les produits de la phase claire sont utilisés pour former des sucres.
• La phase sombre a été notamment expliquée par Calvin et Benson : elle se déroule en trois étapes qu’on nomme le cycle de Calvin :
• La fixation du $\text{CO}_2$ et la formation d’$\text{APG}$ (phosphoglycérate)
• L’utilisation des produits de la phase claire ($\text{ATP} + \text{H}^{+}$) pour la production de phosphoglycolate
• La régénération de RuBP (soit le retour au point de départ)
• Le phosphoglycolate est ensuite métabolisé pour former du glucose ($\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$). Il faut donc deux cycles de Calvin pour produire une molécule de glucose.
• Ainsi, pour réaliser la photosynthèse, il y a donc eu :
• oxydation de l’eau $\text{H}_2\text{O}$
• réduction du $\text{CO}_2$
• transformation de l’énergie lumineuse en énergie chimique
• Bilan de la photosynthèse :

$12\text{H}_2\text{O} + 6\text{CO}_{2} + \text{énergie lumineuse}\,\rightarrow\,\text{C}_{6}\text{H}_{12}\text{O}_{6} + 6\text{O}_{2} + 6\text{H}_{2}\text{O}$

Le devenir des produits photosynthétiques

• Le glucose produit par la photosynthèse est dans un premier temps stocké, avant d’être remobilisé pour différentes fonctions essentielles à la survie de la plante.
• Chez la plante, la molécule qui permet de stocker le glucose est l’amidon, un polymère du sucre.
• Cet amidon est stocké dans un premier temps au niveau de la feuille dans les chloroplastes.
• Il peut être exporté dans d’autres organes de la plante par la sève élaborée qui circule dans le phloème.
• Il existe un grand nombre d’organes de stockage (tige, racine, fruit, graine) et de nombreuses molécules de stockage (lipides, glucides complexes ou réducteurs, protéines).
• Chez certaines espèces végétales, il existe des organes de stockage spécialisés (bulble, tubercule).
• Le métabolisme du glucose permet de produire de l’énergie sous forme d’$\text{ATP}$ au niveau de la mitochondrie.
• Cette énergie chimique permet à la plante de réaliser les réactions nécessaires : notamment la division cellulaire et donc sa croissance.
• Le glucose produit par la plante lors de la photosynthèse est également transformé en cellulose, un autre des polymères de glucose que l’on retrouve dans la paroi des cellules (essentielle donc à la structuration de la plante).
• Enfin, les plantes étant fixées et donc sensibles à la pression de prédation des herbivores, elles ont développé des mécanismes de défense.
• Elles produisent des molécules toxiques qui peuvent rendre malade ou même tuer les prédateurs