Activité enzymatique dans la photosynthèse

Contenu

• Qu'est-ce que la photosynthèse?
• Équation de la photosynthèse
• La photosynthèse par rapport à la respiration cellulaire
• La structure des plantes
• Structure de la cellule végétale
• Le chloroplaste
• Les réactions lumineuses
• Les sombres réactions
• Entrez Rubisco

La photosynthèse peut sans aucun doute être qualifiée de réaction la plus importante de toute la biologie. Examinez n’importe quel réseau alimentaire ou système de flux d’énergie dans le monde et vous constaterez qu’il dépend en définitive de l’énergie du soleil pour les substances qui nourrissent les organismes qui y sont contenus. Les animaux dépendent à la fois des nutriments à base de carbone (glucides) et de l'oxygène généré par la photosynthèse, car même les animaux qui se nourrissent entièrement en s'attaquant à d'autres animaux finissent par se nourrir d'organismes qui vivent eux-mêmes principalement ou exclusivement de plantes.

De la photosynthèse découle donc tous les autres processus d'échange d'énergie observés dans la nature. Comme la glycolyse et les réactions de la respiration cellulaire, la photosynthèse comporte une multitude d'étapes, d'enzymes et d'aspects uniques à prendre en compte, et la compréhension du rôle que jouent les catalyseurs spécifiques de la photosynthèse dans ce qui revient à la conversion de la lumière et du gaz en aliments est essentielle à la maîtrise biochimie de base.

Qu'est-ce que la photosynthèse?

La photosynthèse avait quelque chose à voir avec la production de la dernière chose que vous mangiez, peu importe ce que c'était. Si elle était basée sur une plante, la réclamation est simple. S'il s'agissait d'un hamburger, la viande provenait certainement d'un animal qui lui-même vivait presque entièrement sur des plantes. Considéré un peu différemment, si le soleil se fermait aujourd’hui sans provoquer un refroidissement du monde, ce qui conduirait à la raréfaction des plantes, les réserves alimentaires mondiales disparaîtront bientôt; les plantes, qui ne sont clairement pas des prédateurs, sont au bas de toute chaîne alimentaire.

La photosynthèse est traditionnellement divisée en réactions de lumière et en réactions d'obscurité. Les deux réactions dans la photosynthèse jouent des rôles critiques; les premiers dépendent de la présence de lumière solaire ou d'une autre énergie lumineuse, tandis que les derniers ne dépendent pas uniquement des produits de la réaction lumineuse pour pouvoir travailler avec un substrat. Dans les réactions à la lumière, les molécules d'énergie dont la plante a besoin pour assembler les glucides sont fabriquées, tandis que la synthèse des glucides elle-même produit les réactions sombres. Cela ressemble à certains égards à la respiration aérobie, où le cycle de Krebs, bien qu'il ne soit pas une source directe majeure d'ATP (l'adénosine triphosphate, la "monnaie énergétique" de toutes les cellules), génère de nombreuses molécules intermédiaires qui entraînent la création d'un beaucoup d'ATP dans les réactions en chaîne de transport d'électrons suivantes.

L'élément critique chez les plantes qui leur permet de mener la photosynthèse est chlorophylle, une substance qui se trouve dans des structures uniques appelées chloroplastes.

Équation de la photosynthèse

La réaction nette de la photosynthèse est en réalité très simple. Il déclare que le dioxyde de carbone et l'eau, en présence d'énergie lumineuse, sont convertis en glucose et en oxygène au cours du processus.

6 CO₂ + lumière + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

La réaction globale est la somme des réactions légères et le réactions sombres de la photosynthèse:

Réactions légères: 12 h₂O + lumière → O₂ + 24 h⁺ + 24e⁻

Réactions sombres: 6CO₂ + 24 h⁺ + 24 e⁻ → C₆H₁₂O₆ + 6 H₂O

En bref, les réactions lumineuses utilisent la lumière du soleil pour effrayer les électrons que la plante canalise ensuite pour fabriquer des aliments (glucose). La manière dont cela se produit dans la pratique a été bien étudiée et témoigne de milliards d'années d'évolution biologique.

La photosynthèse par rapport à la respiration cellulaire

Les personnes qui étudient les sciences de la vie pensent à tort que la photosynthèse est simplement la respiration cellulaire inversée. Cela est compréhensible, étant donné que la réaction nette de la photosynthèse ressemble à la respiration cellulaire - commençant par la glycolyse et se terminant par les processus aérobies (cycle de Krebs et chaîne de transport d'électrons) de la mitochondrie - se déroule précisément en sens inverse.

Les réactions qui transforment le dioxyde de carbone en glucose lors de la photosynthèse sont toutefois bien différentes de celles utilisées pour réduire le glucose en dioxyde de carbone lors de la respiration cellulaire. N'oubliez pas que les plantes ont également recours à la respiration cellulaire. Les chloroplastes ne sont pas "les mitochondries des plantes"; les plantes ont aussi des mitochondries.

Pensez à la photosynthèse comme quelque chose qui se produit principalement parce que les plantes n'ont pas de bouche, mais dépendent toujours de la combustion du glucose en tant que nutriment pour fabriquer leur propre carburant. Si les plantes ne peuvent pas ingérer de glucose tout en ayant besoin d'un apport constant en glucose, elles doivent alors faire ce qui semble impossible et le faire elles-mêmes. Comment les plantes font-elles de la nourriture? Ils utilisent la lumière externe pour y conduire de minuscules centrales électriques. Cela dépend dans une large mesure de leur structure réelle.

La structure des plantes

Les structures qui ont une grande surface par rapport à leur masse sont bien placées pour capter une grande partie de la lumière du soleil qui les traverse. C'est pourquoi les plantes ont des feuilles. Le fait que les feuilles tendent à être la partie la plus verte des plantes est le résultat de la densité de la chlorophylle dans les feuilles, car c'est là que le travail de la photosynthèse est effectué.

Les feuilles ont évolué à la surface des pores appelés stomates (singulier: stomie). Ces ouvertures sont le moyen par lequel la feuille peut contrôler l’entrée et la sortie de CO₂, nécessaire à la photosynthèse, et O₂, qui est un déchet du processus. (Il est contre-intuitif de penser que l'oxygène est un déchet, mais dans ce contexte, à proprement parler, c'est ce qu'il est.)

Ces stomates aident également la feuille à réguler sa teneur en eau. Lorsque l'eau est abondante, les feuilles sont plus rigides et "gonflées" et les stomates ont tendance à rester fermés. Inversement, lorsque l’eau est rare, les stomates s’ouvrent pour aider la feuille à se nourrir.

Structure de la cellule végétale

Les cellules végétales sont des cellules eucaryotes, ce qui signifie qu’elles possèdent à la fois les quatre structures communes à toutes les cellules (ADN, membrane cellulaire, cytoplasme et ribosomes) et un certain nombre d’organites spécialisées. Les cellules végétales, cependant, contrairement aux cellules animales et autres cellules eucaryotes, ont des parois cellulaires, comme les bactéries mais construites à l'aide de produits chimiques différents.

Les cellules végétales ont également des noyaux et leurs organites comprennent les mitochondries, le réticulum endoplasmique, les corps de Golgi, le cytosquelette et les vacuoles. Mais la différence critique entre les cellules végétales et d’autres cellules eucaryotes est que les cellules végétales contiennent chloroplastes.

Le chloroplaste

Dans les cellules végétales se trouvent des organites appelées chloroplastes. Comme les mitochondries, on pense que celles-ci ont été incorporées à des organismes eucaryotes relativement tôt dans l'évolution des eucaryotes, l'entité devant devenir un chloroplaste existant alors en tant que procaryote autonome effectuant une photosynthèse.

Le chloroplaste, comme tous les organites, est entouré d'une double membrane plasmique. Dans cette membrane se trouve le stroma, qui fonctionne un peu comme le cytoplasme des chloroplastes. Les chloroplastes contiennent également des corps appelés thylakoïdes, disposés comme des piles de pièces de monnaie et enfermés dans une membrane qui leur est propre.

La chlorophylle est considérée comme "le" pigment de la photosynthèse, mais il existe plusieurs types de chlorophylle et un pigment autre que la chlorophylle participe également à la photosynthèse. Le principal pigment utilisé dans la photosynthèse est la chlorophylle A. Certains pigments non chlorophylliques participant au processus photosynthétique sont de couleur rouge, brune ou bleue.

Les réactions lumineuses

Les réactions lumineuses de la photosynthèse utilisent l’énergie lumineuse pour déplacer les atomes d’hydrogène des molécules d’eau. Ces atomes d’hydrogène, alimentés par le flux d’électrons finalement libérés par la lumière entrante, sont utilisés pour synthétiser le NADPH et l’ATP, nécessaires aux réactions sombres ultérieures.

Les réactions lumineuses se produisent sur la membrane thylacoïdienne, à l'intérieur du chloroplaste, à l'intérieur de la cellule végétale. Ils commencent lorsque la lumière frappe un complexe protéine-chlorophylle appelé système de photos II (PSII). C'est cette enzyme qui libère les atomes d'hydrogène des molécules d'eau. L'oxygène dans l'eau est alors libre et les électrons libérés au cours du processus sont attachés à une molécule appelée plastoquinol, la transformant en plastoquinone. Cette molécule à son tour transfère les électrons à un complexe enzymatique appelé cytochrome b6f. Ce ctyb6f prend les électrons de la plastoquinone et les déplace vers la plastocyanine.

À ce point, photosystème I (PSI) obtient le travail. Cette enzyme prend les électrons de la plastocyanine et les attache à un composé contenant du fer appelé ferrédoxine. Enfin, une enzyme appelée ferrédoxine – NADP⁺réductase (FNR) pour fabriquer le NADPH à partir du NADP⁺. Vous n'avez pas besoin de mémoriser tous ces composés, mais il est important d'avoir une idée de la nature "en cascade" des réactions impliquées.

En outre, lorsque PSII libère de l'eau de l'hydrogène pour alimenter les réactions ci-dessus, une partie de cet hydrogène a tendance à vouloir quitter le thylakoïde pour le stroma, en aval de son gradient de concentration. La membrane thylacoïdienne tire parti de cet écoulement naturel en l’utilisant pour alimenter une pompe d’ATP synthase dans la membrane, qui lie les molécules de phosphate à l’ADP (adénosine diphosphate) pour produire de l’ATP.

Les sombres réactions

Les réactions sombres de la photosynthèse sont appelées ainsi parce qu'elles ne reposent pas sur la lumière. Cependant, ils peuvent se produire lorsque la lumière est présente, donc un nom plus précis, si plus lourd, est "réactions indépendantes de la lumière"Pour éclaircir davantage les choses, les sombres réactions sont également connues sous le nom de Cycle de calvin.

Imaginez que, lorsque vous inspirez de l'air dans vos poumons, le dioxyde de carbone qu'il contient puisse pénétrer dans vos cellules, qui l'utilisent ensuite pour fabriquer la même substance résultant de la décomposition par votre corps des aliments que vous consommez. En fait, à cause de cela, vous n’auriez jamais à manger du tout. C’est essentiellement la vie d’une plante qui utilise le CO₂ il récupère de l’environnement (qui résulte principalement des processus métaboliques d’autres eucaryotes) pour produire du glucose, qu’il stocke ou brûle ensuite pour ses propres besoins.

Vous avez déjà vu que la photosynthèse commence par éliminer les atomes d'hydrogène de l'eau et à utiliser l'énergie de ces atomes pour produire du NADPH et de l'ATP. Mais jusqu'à présent, aucune autre contribution à la photosynthèse, le CO2, n'a été mentionnée. Maintenant, vous verrez pourquoi tout ce NADPH et ATP a été récolté en premier lieu.

Entrez Rubisco

Dans la première étape des réactions sombres, le CO2 est lié à un dérivé du sucre à cinq carbones appelé ribulose 1,5-bisphosphate. Cette réaction est catalysée par l’enzyme ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase / oxygénase, beaucoup plus mémorable Rubisco. On pense que cette enzyme est la protéine la plus abondante au monde, étant donné qu’elle est présente dans toutes les plantes soumises à la photosynthèse.

Cet intermédiaire à six carbones est instable et se divise en une paire de molécules à trois carbones appelée phosphoglycérate. Ceux-ci sont ensuite phosphorylés par une enzyme kinase pour former le 1,3-bisphosphoglycérate. Cette molécule est ensuite convertie en glycéraldéhyde-3-phosphate (G3P), libérant des molécules de phosphate et consommant de la NAPDH dérivée des réactions lumineuses.

Le G3P créé lors de ces réactions peut ensuite être introduit dans différentes voies, ce qui entraîne la formation de glucose, d’acides aminés ou de lipides, en fonction des besoins spécifiques des cellules végétales. Les plantes synthétisent également des polymères de glucose qui, dans l'alimentation humaine, contribuent à l'amidon et aux fibres.