Objectifs

• Définir la photosynthèse et écrire son équation bilan.
• Localiser la photosynthèse dans la cellule : le chloroplaste et ses parties.
• Expliquer les deux phases : la phase photochimique (thylakoïdes) et la phase chimique ou cycle de Calvin (stroma).
• Interpréter des expériences classiques : dégagement de dioxygène, test à l'eau iodée, origine du dioxygène.
• Expliquer l'effet de la lumière, du \(\ce{CO2}\) et de la température sur l'intensité de la photosynthèse.

1. Qu'est-ce que la photosynthèse ?

La photosynthèse est la production de matière organique (glucose, puis amidon, saccharose…) par les cellules chlorophylliennes, à partir de matière minérale (\(\ce{CO2}\) et \(\ce{H2O}\)), en utilisant l'énergie lumineuse. Elle libère du dioxygène. Les plantes chlorophylliennes sont dites autotrophes : elles fabriquent leur propre matière organique.

Équation bilan simplifiée :

Pour montrer que tout le dioxygène vient de l'eau, on écrit souvent :

Mise en évidence expérimentale

• Dégagement de dioxygène : un rameau d'élodée (plante aquatique) placé à la lumière dans de l'eau enrichie en \(\ce{CO2}\) produit des bulles ; le gaz recueilli ravive une bûchette incandescente : c'est du \(\ce{O2}\). À l'obscurité, les bulles s'arrêtent.
• Production d'amidon : on cache une partie d'une feuille de géranium avec un papier opaque pendant une journée ensoleillée. Après décoloration à l'alcool chaud, on verse de l'eau iodée : seule la partie éclairée devient bleu-noir. L'amidon n'a été fabriqué qu'à la lumière.

2. Le lieu : le chloroplaste

La photosynthèse se déroule dans les chloroplastes, organites des cellules chlorophylliennes (surtout celles du parenchyme des feuilles). Un chloroplaste comprend :

• une enveloppe formée de deux membranes ;
• des thylakoïdes, sacs aplatis empilés en grana, dont la membrane contient la chlorophylle et les autres pigments : ce sont les « panneaux solaires » ;
• le stroma, liquide qui entoure les thylakoïdes et contient les enzymes du cycle de Calvin : c'est « l'atelier » ;
• des grains d'amidon, réserve de la matière produite.

Place chaque nom sur la bonne partie du schéma :

3. Les deux phases de la photosynthèse

La phase photochimique (dans les thylakoïdes)

Elle a besoin de lumière. La photolyse de l'eau s'écrit :

Les électrons et les protons servent à réduire le transporteur \(\ce{NADP+}\) en NADPH, et l'énergie libérée permet de former de l'ATP à partir d'ADP et de phosphate.

La phase chimique : le cycle de Calvin (dans le stroma)

Elle n'utilise pas directement la lumière, mais elle dépend des produits de la phase photochimique.

1. Fixation (carboxylation) : une enzyme, la Rubisco, fixe le \(\ce{CO2}\) sur un sucre à 5 carbones, le ribulose bisphosphate (RuBP). Il se forme deux molécules d'acide phosphoglycérique (APG), à 3 carbones.
2. Réduction : grâce à l'ATP et au NADPH, l'APG est réduit en triose phosphate (aldéhyde phosphoglycérique).
3. Régénération : la plupart des trioses reforment du RuBP (avec de l'ATP) ; les autres servent à fabriquer le glucose, puis l'amidon et le saccharose.

flowchart LR
A[CO2 + RuBP 5C] --> B[2 APG 3C]
B -->|ATP et NADPH| C[Trioses phosphate]
C -->|ATP| A
C --> D[Glucose amidon saccharose]

Exemple résolu : compter les carbones

Combien de tours du cycle de Calvin faut-il pour produire une molécule de glucose \(\ce{C6H12O6}\) ? Cherche d'abord.

4. Les facteurs qui influencent la photosynthèse

• Intensité lumineuse : l'intensité de la photosynthèse augmente avec la lumière, puis atteint un palier (saturation).
• Teneur en \(\ce{CO2}\) : plus il y a de \(\ce{CO2}\), plus la photosynthèse est rapide, jusqu'à un palier.
• Température : les enzymes (comme la Rubisco) ont une température optimale ; trop froid ou trop chaud, la photosynthèse ralentit.

Le modèle ci-dessous (courbe théorique, sans valeurs réelles) représente l'intensité de la photosynthèse \(P\) en fonction de l'intensité lumineuse \(x\) : \(P = \dfrac{p\,x}{k + x}\). Le paramètre \(p\) représente le palier (fixé par un autre facteur, par exemple le \(\ce{CO2}\)) ; \(k\) indique la vitesse à laquelle on s'en approche. Augmente \(p\) pour simuler plus de \(\ce{CO2}\) :

Erreurs fréquentes

• Croire que le dioxygène vient du \(\ce{CO2}\) : il vient de l'eau (photolyse).
• Croire que la plante prend sa matière dans le sol : l'essentiel du carbone vient du \(\ce{CO2}\) de l'air.
• Croire que la plante ne respire pas : elle respire jour et nuit ; le jour, la photosynthèse est simplement plus intense que la respiration.
• Placer le cycle de Calvin dans les thylakoïdes : il se déroule dans le stroma.

Récapitulatif

• \(\ce{6CO2 + 6H2O -> C6H12O6 + 6O2}\), grâce à la lumière et à la chlorophylle.
• Lieu : le chloroplaste ; thylakoïdes pour la phase photochimique, stroma pour le cycle de Calvin.
• Phase photochimique : lumière absorbée, photolyse de l'eau, libération de \(\ce{O2}\), production d'ATP et de NADPH.
• Cycle de Calvin : fixation du \(\ce{CO2}\) sur le RuBP par la Rubisco, réduction en trioses, régénération du RuBP, synthèse du glucose.
• Facteurs limitants : lumière, \(\ce{CO2}\), température.