Activité enzymatique dans la photosynthèse

La photosynthèse peut être qualifiée de réaction la plus importante de toute la biologie. Examinez n'importe quel réseau trophique ou système de flux d'énergie dans le monde, et vous constaterez qu'il dépend en fin de compte de l'énergie du soleil pour les substances qui soutiennent les organismes qui s'y trouvent. Les animaux dépendent à la fois des nutriments à base de carbone (glucides) et de l'oxygène que la photosynthèse génère, car même les animaux qui obtiennent toute leur nourriture en s'attaquant à d'autres animaux finissent par manger des organismes qui eux-mêmes vivent principalement ou exclusivement sur les 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 à comprendre les les rôles que les catalyseurs spécifiques de la photosynthèse jouent dans ce qui équivaut à la conversion de la lumière et du gaz en nourriture est essentiel pour maîtriser les bases biochimie.

La photosynthèse avait quelque chose à voir avec la production de la dernière chose que vous avez mangée, quelle qu'elle soit. Si c'était à base de plantes, la demande est simple. S'il s'agissait d'un hamburger, la viande provenait presque certainement d'un animal qui lui-même subsistait presque entièrement de plantes. Vu un peu différemment, si le soleil se coupait aujourd'hui sans refroidir le monde, ce qui conduirait à la raréfaction des plantes, l'approvisionnement alimentaire mondial disparaîtrait bientôt; les plantes, qui ne sont clairement pas des prédateurs, sont au bas de toute chaîne alimentaire.

La photosynthèse est traditionnellement divisée en réactions lumineuses et réactions sombres. Les deux réactions dans la photosynthèse jouent des rôles critiques; les premiers dépendent de la présence de la lumière du soleil ou d'une autre énergie lumineuse, tandis que les seconds ne dépendent que des produits de la réaction lumineuse pour avoir un substrat avec lequel travailler. Dans les réactions lumineuses, les molécules d'énergie dont la plante a besoin pour assembler les glucides sont produites, tandis que la synthèse des glucides elle-même se produit dans les réactions sombres. Ceci est similaire à certains égards à la respiration aérobie, où le cycle de Krebs, bien que n'étant pas une source directe majeure d'ATP (adénosine triphosphate, la "monnaie énergétique" de toutes les cellules), génère une grande quantité de molécules intermédiaires qui entraînent la création d'une grande quantité d'ATP dans la chaîne de transport d'électrons suivante réactions.

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

La réaction nette de la photosynthèse est en fait très simple. Il indique 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 + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

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

Réactions légères :12 heures₂O + lumière → O₂ + 24H⁺ + 24e⁻

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

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

Une idée fausse commune parmi les personnes qui étudient les sciences de la vie est que la photosynthèse est simplement la respiration cellulaire à l'envers. Cela est compréhensible, étant donné que la réaction nette de la photosynthèse ressemble à la respiration cellulaire - à commencer par glycolyse et se terminant par les processus aérobies (cycle de Krebs et chaîne de transport d'électrons) dans les mitochondries - exécutés précisément dans sens inverse.

Les réactions qui transforment le dioxyde de carbone en glucose dans la photosynthèse sont cependant très différentes de celles qui sont utilisées pour réduire le glucose en dioxyde de carbone dans la respiration cellulaire. Les plantes, n'oubliez pas, utilisent également la respiration cellulaire. Les chloroplastes ne sont pas « les mitochondries des plantes »; les plantes ont aussi des mitochondries.

Considérez 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 comme nutriment pour fabriquer leur propre carburant. Si les plantes ne peuvent pas ingérer de glucose mais en ont encore besoin d'un approvisionnement régulier, alors elles doivent faire l'impossible en apparence et le faire elles-mêmes. Comment les plantes fabriquent-elles de la nourriture? Ils utilisent la lumière externe pour faire fonctionner de minuscules centrales électriques à l'intérieur d'eux. Qu'ils puissent le faire dépend dans une large mesure de la manière dont ils sont réellement structurés.

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 passe sur leur chemin. C'est pourquoi les plantes ont des feuilles. Le fait que les feuilles aient tendance 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 se fait.

Les feuilles ont développé des pores à leur surface appelés stomates (singulier: stomie). Ces ouvertures sont les moyens par lesquels le vantail peut contrôler l'entrée et la sortie de CO₂, qui est nécessaire à la photosynthèse, et O₂, qui est un déchet du processus. (Il est contre-intuitif de considérer l'oxygène comme un déchet, mais dans ce contexte, à proprement parler, c'est ce que c'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 se fait rare, les stomates s'ouvrent pour aider la feuille à se nourrir.

Les cellules végétales sont des cellules eucaryotes, c'est-à-dire 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 spécialisés. Cependant, contrairement aux cellules animales et autres cellules eucaryotes, les cellules végétales ont des parois cellulaires, comme le font 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, un cytosquelette et des vacuoles. Mais la différence critique entre les cellules végétales et les autres cellules eucaryotes est que les cellules végétales contiennent chloroplastes.

Dans les cellules végétales se trouvent des organites appelés chloroplastes. Comme les mitochondries, on pense qu'elles ont été incorporées dans des organismes eucaryotes relativement tôt dans l'évolution de eucaryotes, avec l'entité destinée à devenir un chloroplaste existant alors comme un acteur de photosynthèse autonome procaryote.

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

La chlorophylle est considérée comme "le" pigment de la photosynthèse, mais il existe plusieurs types différents de chlorophylle, et des pigments autres que la chlorophylle participent également à la photosynthèse. Le principal pigment utilisé dans la photosynthèse est la chlorophylle A. Certains pigments non chlorophylliens qui participent aux processus photosynthétiques sont de couleur rouge, brune ou bleue.

Les réactions lumineuses de la photosynthèse utilisent l'énergie lumineuse pour déplacer les atomes d'hydrogène des molécules d'eau, avec ces atomes d'hydrogène, alimentés par le flux d'électrons finalement libéré par la lumière entrante, utilisé pour synthétiser le NADPH et l'ATP, qui sont nécessaires pour l'obscurité suivante réactions.

Les réactions lumineuses se produisent sur la membrane thylakoïde, à l'intérieur du chloroplaste, à l'intérieur de la cellule végétale. Ils commencent lorsque la lumière frappe un complexe protéine-chlorophylle appelé photosystème II (PSII). Cette enzyme est ce qui libère les atomes d'hydrogène des molécules d'eau. L'oxygène de 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 transfère à son tour 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) se met au travail. Cette enzyme prend les électrons de la plastocyanine et les attache à un composé contenant du fer appelé ferredoxine. Enfin, une enzyme appelée ferredoxine-NADP⁺réductase (FNR) pour fabriquer du 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 et de « transfert » des réactions impliquées.

De plus, lorsque le PSII libère de l'hydrogène de l'eau pour alimenter les réactions ci-dessus, une partie de cet hydrogène a tendance à vouloir quitter le thylakoïde pour le stroma, vers le bas 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 attache des molécules de phosphate à l'ADP (adénosine diphosphate) pour produire de l'ATP.

Les réactions sombres de la photosynthèse sont ainsi nommées car elles ne dépendent pas de la lumière. Cependant, ils peuvent se produire lorsque la lumière est présente, donc un nom plus précis, bien que plus encombrant, est "réactions indépendantes de la lumière." Pour éclaircir davantage les choses, les réactions sombres sont ensemble également connues sous le nom de cycle de Calvin.

Imaginez qu'en inhalant de l'air dans vos poumons, le dioxyde de carbone contenu dans cet air puisse se frayer un chemin dans votre cellules, qui l'utiliseraient ensuite pour fabriquer la même substance que celle résultant de la décomposition par votre corps des aliments que vous manger. 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 puise dans l'environnement (qui est là en grande partie grâce aux processus métaboliques d'autres eucaryotes) pour fabriquer du glucose, qu'il stocke ou brûle ensuite pour ses propres besoins.

Vous avez déjà vu que la photosynthèse commence en libérant les atomes d'hydrogène de l'eau et en utilisant l'énergie de ces atomes pour fabriquer du NADPH et de l'ATP. Mais jusqu'à présent, il n'y a eu aucune mention de l'autre entrée dans la photosynthèse, le CO2. Maintenant, vous verrez pourquoi tout ce NADPH et cet ATP ont été récoltés en premier lieu.

Dans la première étape des réactions sombres, le CO2 est lié à un dérivé de sucre à cinq carbones appelé ribulose 1,5-bisphosphate. Cette réaction est catalysée par l'enzyme ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygénase, plus connue sous le nom de Rubisco. Cette enzyme est considérée comme la protéine la plus abondante au monde, étant donné qu'elle est présente dans toutes les plantes qui subissent la photosynthèse.

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

Le G3P créé dans ces réactions peut ensuite être placé dans un certain nombre de voies différentes, résultant dans la formation de glucose, d'acides aminés ou de lipides, selon les besoins spécifiques de la plante cellules. Les plantes synthétisent également des polymères de glucose qui, dans l'alimentation humaine, contribuent à l'amidon et aux fibres.