Résultats d’apprentissage
- Identifier les réactifs et les produits de la photosynthèse
La photosynthèse est un processus en plusieurs étapes qui nécessite la lumière du soleil, le dioxyde de carbone (qui est faible en énergie) et l’eau comme substrats (figure 1). Une fois le processus terminé, il libère de l’oxygène et produit du glycéraldéhyde-3-phosphate (GA3P), des molécules d’hydrates de carbone simples (qui sont riches en énergie) qui peuvent ensuite être converties en glucose, en saccharose ou en l’une des dizaines d’autres molécules de sucre. Ces molécules de sucre contiennent de l’énergie et du carbone dynamisé dont tous les êtres vivants ont besoin pour survivre.
Figure 1. La photosynthèse utilise l’énergie solaire, le dioxyde de carbone et l’eau pour produire des glucides stockant de l’énergie. L’oxygène est généré comme un déchet de la photosynthèse.
Voici l’équation chimique de la photosynthèse (figure 2) :
Figure 2. L’équation de base de la photosynthèse est d’une simplicité trompeuse. En réalité, le processus se déroule en de nombreuses étapes impliquant des réactifs et des produits intermédiaires. Le glucose, la principale source d’énergie des cellules, est fabriqué à partir de deux GA3P à trois carbones.
Bien que l’équation semble simple, les nombreuses étapes qui ont lieu pendant la photosynthèse sont en réalité assez complexes. Avant d’apprendre les détails de la façon dont les photoautotrophes transforment la lumière du soleil en nourriture, il est important de se familiariser avec les structures impliquées.
Dans les plantes, la photosynthèse a généralement lieu dans les feuilles, qui sont constituées de plusieurs couches de cellules. Le processus de photosynthèse se produit dans une couche intermédiaire appelée le mésophylle. L’échange gazeux de dioxyde de carbone et d’oxygène se fait par de petites ouvertures régulées appelées stomates (singulier : stoma), qui jouent également un rôle dans la régulation des échanges gazeux et de l’équilibre hydrique. Les stomates sont généralement situés sur la face inférieure de la feuille, ce qui permet de minimiser la perte d’eau. Chaque stomate est flanqué de cellules de garde qui régulent l’ouverture et la fermeture des stomates en gonflant ou en rétrécissant en réponse aux changements osmotiques.
Dans tous les eucaryotes autotrophes, la photosynthèse a lieu à l’intérieur d’un organite appelé chloroplaste. Chez les plantes, les cellules contenant des chloroplastes existent dans le mésophylle. Les chloroplastes possèdent une double enveloppe membranaire (composée d’une membrane externe et d’une membrane interne). À l’intérieur du chloroplaste se trouvent des structures empilées en forme de disque appelées thylakoïdes. La membrane thylakoïde renferme la chlorophylle, un pigment (molécule qui absorbe la lumière) responsable de l’interaction initiale entre la lumière et la matière végétale, ainsi que de nombreuses protéines qui constituent la chaîne de transport des électrons. La membrane thylakoïde renferme un espace interne appelé lumière thylakoïde. Comme le montre la figure 3, un empilement de thylakoïdes est appelé un granum, et l’espace rempli de liquide entourant le granum est appelé stroma ou « lit » (à ne pas confondre avec stoma ou « bouche », une ouverture sur l’épiderme des feuilles).
Question pratique
Figure 3. La photosynthèse a lieu dans les chloroplastes, qui possèdent une membrane externe et une membrane interne. Des empilements de thylakoïdes appelés grana forment une troisième couche de membrane.
Lors d’une journée chaude et sèche, les plantes ferment leurs stomates pour conserver l’eau. Quel impact cela aura-t-il sur la photosynthèse ?
Deux parties de la photosynthèse
La photosynthèse se déroule en deux étapes séquentielles : les réactions dépendantes de la lumière et les réactions indépendantes de la lumière. Dans les réactions dépendantes de la lumière, l’énergie de la lumière solaire est absorbée par la chlorophylle et cette énergie est convertie en énergie chimique stockée. Dans les réactions indépendantes de la lumière, l’énergie chimique récoltée au cours des réactions dépendantes de la lumière entraîne l’assemblage de molécules de sucre à partir du dioxyde de carbone. Par conséquent, bien que les réactions indépendantes de la lumière n’utilisent pas la lumière comme réactif, elles ont besoin des produits des réactions dépendantes de la lumière pour fonctionner. En outre, plusieurs enzymes des réactions indépendantes de la lumière sont activées par la lumière. Les réactions photodépendantes utilisent certaines molécules pour stocker temporairement l’énergie : On les appelle les transporteurs d’énergie. Les transporteurs d’énergie qui déplacent l’énergie des réactions dépendantes de la lumière vers les réactions indépendantes de la lumière peuvent être considérés comme « pleins » car ils sont riches en énergie. Une fois l’énergie libérée, les transporteurs d’énergie « vides » retournent à la réaction dépendant de la lumière pour obtenir davantage d’énergie. La figure 4 illustre les composants à l’intérieur du chloroplaste où se déroulent les réactions dépendantes et indépendantes de la lumière.
Figure 4. La photosynthèse se déroule en deux étapes : les réactions dépendantes de la lumière et le cycle de Calvin. Les réactions dépendantes de la lumière, qui ont lieu dans la membrane thylakoïde, utilisent l’énergie lumineuse pour fabriquer de l’ATP et du NADPH. Le cycle de Calvin, qui a lieu dans le stroma, utilise l’énergie dérivée de ces composés pour fabriquer du GA3P à partir de CO2.
Photosynthèse à l’épicerie
Figure 5. Les aliments que l’homme consomme proviennent de la photosynthèse. (crédit : Associação Brasileira de Supermercados)
Les principales épiceries des États-Unis sont organisées en rayons, comme les produits laitiers, les viandes, les fruits et légumes, le pain, les céréales, etc. Chaque allée (figure 5) contient des centaines, voire des milliers, de produits différents que les clients peuvent acheter et consommer.
Bien qu’il y ait une grande variété, chaque article est lié à la photosynthèse. Les viandes et les produits laitiers sont liés parce que les animaux ont été nourris avec des aliments à base de plantes. Les pains, les céréales et les pâtes proviennent en grande partie de grains amylacés, qui sont les graines de plantes dépendant de la photosynthèse. Et les desserts et les boissons ? Tous ces produits contiennent du sucre – le saccharose est un produit végétal, un disaccharide, une molécule de glucide, qui provient directement de la photosynthèse. En outre, de nombreux articles sont moins manifestement dérivés de plantes : par exemple, les articles en papier sont généralement des produits végétaux, et de nombreux plastiques (abondants comme produits et emballages) peuvent être dérivés d’algues ou de pétrole, les restes fossilisés d’organismes photosynthétiques. Pratiquement toutes les épices et tous les arômes du rayon des épices ont été produits par une plante sous forme de feuille, de racine, d’écorce, de fleur, de fruit ou de tige. En fin de compte, la photosynthèse est liée à chaque repas et à chaque aliment qu’une personne consomme.
En résumé : un aperçu de la photosynthèse
Le processus de photosynthèse a transformé la vie sur Terre. En exploitant l’énergie du soleil, la photosynthèse a évolué pour permettre aux êtres vivants d’accéder à d’énormes quantités d’énergie. Grâce à la photosynthèse, les êtres vivants ont eu accès à une énergie suffisante qui leur a permis de construire de nouvelles structures et d’atteindre la biodiversité évidente aujourd’hui.
Seuls certains organismes, appelés photoautotrophes, peuvent effectuer la photosynthèse ; ils nécessitent la présence de chlorophylle, un pigment spécialisé qui absorbe certaines parties du spectre visible et peut capter l’énergie de la lumière solaire. La photosynthèse utilise le dioxyde de carbone et l’eau pour assembler des molécules d’hydrates de carbone et libérer de l’oxygène comme déchet dans l’atmosphère. Les autotrophes eucaryotes, tels que les plantes et les algues, possèdent des organites appelés chloroplastes dans lesquels la photosynthèse a lieu et l’amidon s’accumule. Chez les procaryotes, comme les cyanobactéries, le processus est moins localisé et se produit à l’intérieur de membranes repliées, d’extensions de la membrane plasmique et dans le cytoplasme.
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