Le fonctionnement des pigments chlorophylliens

Les pigments de la feuille (chlorophylles a et b, caroténoïdes) sont des capteurs de lumière : ils absorbent surtout le bleu et le rouge, et transmettent cette énergie à la chlorophylle a qui déclenche la photosynthèse.

Objectifs

Extraire et séparer les pigments d'une feuille par chromatographie, et les identifier.
Lire et interpréter un spectre d'absorption des pigments.
Comparer spectre d'absorption et spectre d'action (expérience d'Engelmann).
Expliquer le rôle des pigments : antenne collectrice et centre réactionnel.

1. La lumière, une énergie en couleurs

La lumière visible est formée de radiations de longueurs d'onde \(\lambda\) comprises environ entre \(400\ \text{nm}\) (violet) et \(700\ \text{nm}\) (rouge). Un pigment est une molécule colorée qui absorbe certaines radiations et laisse passer ou renvoie les autres. La couleur que l'on voit est celle des radiations non absorbées.

Une feuille paraît verte. Cela signifie que ses pigments…

absorbent surtout le vert.
absorbent peu le vert, qui est renvoyé vers nos yeux.
n'absorbent aucune lumière.

On voit la couleur qui n'est pas absorbée. Les chlorophylles absorbent le bleu et le rouge et renvoient surtout le vert.

2. Extraire et séparer les pigments : la chromatographie

Le protocole

Broyer des feuilles fraîches (épinard, feuilles de manioc…) avec un peu de sable et d'alcool (éthanol ou acétone) : on obtient une solution verte, la solution brute de chlorophylle.

Déposer plusieurs fois une goutte de cette solution sur une ligne tracée au crayon, en bas d'une bande de papier, en laissant sécher entre chaque dépôt.

Placer la bande dans un récipient contenant un fond de solvant (par exemple un mélange d'éther de pétrole et d'acétone), la ligne de dépôt au-dessus du liquide.

Le solvant monte dans le papier et entraîne les pigments à des vitesses différentes : on obtient des bandes colorées séparées, le chromatogramme.

Le résultat

Du haut vers le bas on observe habituellement : les carotènes (orange), les xanthophylles (jaune), la chlorophylle a (vert bleuté) puis la chlorophylle b (vert jaunâtre). Carotènes et xanthophylles forment le groupe des caroténoïdes.

Place chaque nom sur le chromatogramme :

Au début de la saison sèche, certaines feuilles jaunissent avant de tomber. Quelle explication est la plus juste ?

La feuille fabrique soudain des chlorophylles jaunes.
La lumière du soleil devient jaune.
Les chlorophylles se dégradent et laissent voir les caroténoïdes, déjà présents.

Les caroténoïdes sont présents toute l'année mais masqués par les chlorophylles, plus abondantes. Quand les chlorophylles disparaissent, le jaune et l'orange apparaissent.

3. Le spectre d'absorption : quelles couleurs sont captées ?

On éclaire une solution de pigments avec des radiations de différentes longueurs d'onde et on mesure la part absorbée : on obtient le spectre d'absorption.

Les chlorophylles absorbent fortement dans le bleu-violet (vers \(430\) à \(450\ \text{nm}\)) et dans le rouge (vers \(640\) à \(680\ \text{nm}\)), très peu dans le vert et le jaune.
Les caroténoïdes absorbent dans le bleu et le bleu-vert (entre \(400\) et \(500\ \text{nm}\) environ), et pas dans le rouge.

Le graphique ci-dessous est un modèle simplifié (allure générale, pas des mesures) : absorption des chlorophylles, à laquelle on ajoute la part des caroténoïdes avec le curseur \(c\). Observe la zone entre \(500\) et \(600\ \text{nm}\) (vert-jaune) :

Sous un éclairage uniquement vert, une plante…

fait très peu de photosynthèse, car le vert est peu absorbé.
fait une photosynthèse maximale.
fait autant de photosynthèse qu'en lumière rouge.

Le vert est la couleur la moins absorbée par les pigments : peu d'énergie est captée, donc peu de photosynthèse.

4. Le spectre d'action : l'expérience d'Engelmann

Le spectre d'action montre l'intensité de la photosynthèse selon la longueur d'onde reçue. En 1882, le biologiste Theodor Engelmann éclaire une algue verte filamenteuse avec la lumière décomposée par un prisme ; il ajoute des bactéries qui se rassemblent là où il y a du dioxygène.

Exemple résolu : interpréter l'expérience

Observation : les bactéries s'accumulent surtout devant les zones de l'algue éclairées en bleu et en rouge, très peu devant le vert. Cherche d'abord l'interprétation.

Les bactéries recherchent le dioxygène : là où elles s'accumulent, l'algue rejette beaucoup de \(\ce{O2}\).

Le dégagement de \(\ce{O2}\) traduit l'intensité de la photosynthèse : elle est donc maximale dans le bleu et le rouge.

Ces zones correspondent aux pics d'absorption des chlorophylles.

Conclusion : les radiations efficaces pour la photosynthèse sont celles absorbées par les pigments chlorophylliens ; le spectre d'action suit le spectre d'absorption.

Le spectre d'action est un peu plus élevé que celui de la chlorophylle a seule vers \(470\) à \(500\ \text{nm}\). Pourquoi ?

Parce que le vert est très absorbé.
Parce que les pigments accessoires (chlorophylle b, caroténoïdes) captent aussi cette lumière et en transfèrent l'énergie.
Parce que les bactéries produisent du dioxygène.

L'énergie captée par les pigments accessoires est transmise à la chlorophylle a : ces radiations deviennent donc utiles à la photosynthèse.

5. Comment les pigments travaillent ensemble

Dans la membrane des thylakoïdes, les pigments sont groupés en photosystèmes. Chacun comprend :

une antenne collectrice : de nombreux pigments (chlorophylles a et b, caroténoïdes) qui absorbent la lumière et se transmettent l'énergie de proche en proche ;
un centre réactionnel : une paire de chlorophylles a qui reçoit cette énergie, s'excite et cède un électron. Cet électron perdu est remplacé grâce à la photolyse de l'eau : c'est le départ de la phase photochimique.

flowchart LR
L[Lumiere] --> A[Pigments de l antenne]
A -->|transfert d energie| C[Chlorophylle a du centre reactionnel]
C -->|electron cede| T[Chaine de transport]
E[Eau] -->|photolyse| C

Les caroténoïdes ont aussi un rôle de protection : ils évacuent l'excès d'énergie lorsque la lumière est trop forte, ce qui limite les dégâts sur les chlorophylles.

Pourquoi une solution de chlorophylle extraite devient rouge sous une forte lumière ? Cherche puis vois la réponse

Dans la feuille, l'énergie absorbée est transmise au centre réactionnel et utilisée. Dans la solution, les molécules de chlorophylle sont isolées : l'énergie ne peut plus être transmise, elle est réémise sous forme de lumière rouge. C'est la fluorescence de la chlorophylle, preuve qu'elle a bien absorbé de l'énergie.

Quel est le rôle de l'antenne collectrice ?

Fixer le \(\ce{CO2}\) dans le stroma.
Fabriquer du glucose.
Capter la lumière et transmettre son énergie au centre réactionnel.

L'antenne réunit de nombreux pigments qui absorbent la lumière et font converger l'énergie vers la chlorophylle a du centre réactionnel. La fixation du \(\ce{CO2}\) a lieu plus tard, dans le stroma.

Erreurs fréquentes

Dire que la feuille absorbe le vert : c'est la couleur la moins absorbée.
Confondre spectre d'absorption (ce que le pigment capte) et spectre d'action (ce qui fait fonctionner la photosynthèse).
Oublier les pigments accessoires, qui élargissent la gamme de lumière utilisée.
Penser que les caroténoïdes apparaissent à la saison sèche : ils étaient là, masqués par les chlorophylles.

Récapitulatif

Pigments de la feuille : chlorophylle a, chlorophylle b, caroténoïdes (carotènes, xanthophylles), séparables par chromatographie.
Les chlorophylles absorbent le bleu-violet et le rouge ; les caroténoïdes le bleu et le bleu-vert ; le vert est peu absorbé.
Le spectre d'action suit le spectre d'absorption : la lumière absorbée est la lumière utile.
Photosystème : antenne collectrice, puis centre réactionnel (chlorophylle a) qui cède un électron, remplacé grâce à la photolyse de l'eau.

Chromatographie

Séparation des pigments entraînés par un solvant sur du papier, à des vitesses différentes.

Spectre d'absorption

Part de lumière absorbée par un pigment selon la longueur d'onde.

Spectre d'action

Intensité de la photosynthèse selon la longueur d'onde (Engelmann, 1882).

Pigments accessoires

Chlorophylle b et caroténoïdes : élargissent la lumière captée et transmettent l'énergie.

Centre réactionnel

Chlorophylle a qui reçoit l'énergie de l'antenne et cède un électron.

Couleur verte des feuilles

Le vert est peu absorbé par les chlorophylles : il est renvoyé vers nos yeux.