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7.6 : La photosynthèse et l'importance de la lumière - Biologie


compétences à développer

  • Décrire la fonction et l'emplacement des pigments photosynthétiques chez les eucaryotes et les procaryotes
  • Décrire les principaux produits des réactions dépendantes et indépendantes de la lumière
  • Décrire les réactions qui produisent du glucose dans une cellule photosynthétique
  • Comparer et contraster la photophosphorylation cyclique et non cyclique

Les organismes hétérotrophes allant de E. coli pour l'homme reposent sur l'énergie chimique trouvée principalement dans les molécules de glucides. Beaucoup de ces glucides sont produits par photosynthèse, le processus biochimique par lequel les organismes phototrophes convertissent l'énergie solaire (lumière du soleil) en énergie chimique. Bien que la photosynthèse soit le plus souvent associée aux plantes, la photosynthèse microbienne est également un important fournisseur d'énergie chimique, alimentant de nombreux écosystèmes divers. Dans cette section, nous nous concentrerons sur la photosynthèse microbienne.

La photosynthèse se déroule en deux étapes séquentielles : les réactions dépendantes de la lumière et les réactions indépendantes de la lumière (Figure (PageIndex{1})). Dans la réaction dépendante de la lumières, l'énergie de la lumière solaire est absorbée par les molécules de pigment dans les membranes photosynthétiques et convertie en énergie chimique stockée. Dans la réaction indépendante de la lumières, l'énergie chimique produite par les réactions dépendantes de la lumière est utilisée pour conduire l'assemblage de molécules de sucre à l'aide de CO2; cependant, ces réactions sont toujours dépendantes de la lumière car les produits des réactions dépendantes de la lumière nécessaires pour les conduire sont de courte durée. Les réactions dépendantes de la lumière produisent de l'ATP et du NADPH ou du NADH pour stocker temporairement de l'énergie. Ces vecteurs énergétiques sont utilisés dans les réactions indépendantes de la lumière pour entraîner le processus énergétiquement défavorable de « fixation » du CO inorganique.2 sous forme organique, le sucre.

Figure (PageIndex{1}) : Les réactions photo-dépendantes de la photosynthèse (à gauche) convertissent l'énergie lumineuse en énergie chimique, formant l'ATP et le NADPH. Ces produits sont utilisés par les réactions indépendantes de la lumière pour fixer le CO2, produisant des molécules de carbone organique.

Structures photosynthétiques chez les eucaryotes et les procaryotes

Chez tous les eucaryotes phototrophes, la photosynthèse a lieu à l'intérieur d'un chloroplaste, un organite apparu chez les eucaryotes par endosymbiose d'une bactérie photosynthétique (voir Caractéristiques uniques des cellules eucaryotes). Ces chloroplastes sont entourés d'une double membrane avec des couches interne et externe. Dans le chloroplaste se trouve une troisième membrane qui forme des structures photosynthétiques empilées en forme de disque appelées thylakoïdes (Figure (PageIndex{2})). Une pile de thylakoïdes s'appelle un granum, et l'espace entourant le granum dans le chloroplaste s'appelle stroma.

Les membranes photosynthétiques chez les procaryotes, en revanche, ne sont pas organisées en organites distinctes à membrane fermée; ce sont plutôt des régions repliées de la membrane plasmique. Chez les cyanobactéries, par exemple, ces régions repliées sont également appelées thylakoïdes. Dans les deux cas, incrustées dans les membranes thylakoïdes ou d'autres membranes bactériennes photosynthétiques, se trouvent des molécules de pigment photosynthétiques organisées en un ou plusieurs photosystèmes, où l'énergie lumineuse est en fait convertie en énergie chimique.

Les pigments photosynthétiques au sein des membranes photosynthétiques sont organisés en photosystèmes, dont chacun est composé d'un complexe de récolte de lumière (antennes) et d'un centre de réaction. Le complexe de récolte de lumière se compose de plusieurs protéines et pigments associés qui peuvent chacun absorber l'énergie lumineuse et, ainsi, devenir excités. Cette énergie est transférée d'une molécule de pigment à une autre jusqu'à ce qu'elle soit finalement (après environ un millionième de seconde) délivrée au centre de réaction. Jusqu'à présent, seule l'énergie, et non les électrons, a été transférée entre les molécules. Le centre de réaction contient une molécule de pigment qui peut subir une oxydation lors d'une excitation, cédant en fait un électron. C'est à cette étape de la photosynthèse que l'énergie lumineuse est convertie en un électron excité.

Différents types de pigments collecteurs de lumière absorbent des modèles uniques de longueurs d'onde (couleurs) de la lumière visible. Les pigments réfléchissent ou transmettent les longueurs d'onde qu'ils ne peuvent pas absorber, leur faisant apparaître la couleur correspondante. Des exemples de pigments photosynthétiques (molécules utilisées pour absorber l'énergie solaire) sont les bactériochlorophylles (vert, violet ou rouge), les caroténoïdes (orange, rouge ou jaune), les chlorophylles (vert), les phycocyanines (bleu) et les phycoérythrines (rouge). En ayant des mélanges de pigments, un organisme peut absorber l'énergie de plusieurs longueurs d'onde. Parce que les bactéries photosynthétiques se développent généralement en compétition pour la lumière du soleil, chaque type de bactéries photosynthétiques est optimisé pour récolter les longueurs d'onde de la lumière auxquelles il est couramment exposé, conduisant à la stratification des communautés microbiennes dans les écosystèmes aquatiques et du sol par la qualité de la lumière et la pénétration.

Une fois que le complexe de collecte de lumière transfère l'énergie au centre de réaction, le centre de réaction livre ses électrons à haute énergie, un par un, à un porteur d'électrons dans un système de transport d'électrons, et le transfert d'électrons à travers l'ETS est initié. L'ETS est similaire à celui utilisé dans la respiration cellulaire et est intégré dans la membrane photosynthétique. En fin de compte, l'électron est utilisé pour produire du NADH ou du NADPH. Le gradient électrochimique qui se forme à travers la membrane photosynthétique est utilisé pour générer de l'ATP par chimiosmose via le processus de photophosphorylation, un autre exemple de phosphorylation oxydative (Figure (PageIndex{3})).

Figure (PageIndex{2}) : (a) La photosynthèse chez les eucaryotes a lieu dans les chloroplastes, qui contiennent des thylakoïdes empilés dans des grana. (b) Un procaryote photosynthétique a des régions repliées de la membrane plasmique qui fonctionnent comme des thylakoïdes. (crédit : données de la barre d'échelle de Matt Russell.)

Figure (PageIndex{3}) : Cette figure résume le fonctionnement d'un photosystème. Les pigments de récolte de lumière (LH) absorbent l'énergie lumineuse et la convertissent en énergie chimique. L'énergie est transmise d'un pigment LH à un autre jusqu'à ce qu'elle atteigne un pigment du centre de réaction (RC), excitant un électron. Cet électron de haute énergie est perdu du pigment RC et passe à travers un système de transport d'électrons (ETS), produisant finalement du NADH ou du NADPH et de l'ATP. Une molécule réduite (H2A) donne un électron, remplaçant les électrons au pigment RC déficient en électrons.

Exercice (PageIndex{1})

Chez un eucaryote phototrophe, où se déroule la photosynthèse ?

Photosynthèse oxygénique et anoxygénique

Pour que la photosynthèse se poursuive, l'électron perdu du pigment du centre de réaction doit être remplacé. La source de cet électron (H2A) différencie la photosynthèse oxygénée des plantes et des cyanobactéries de la photosynthèse anoxygénique réalisée par d'autres types de phototrophes bactériens (Figure (PageIndex{4})). Dans la photosynthèse oxygénée, H2O est divisé et fournit l'électron au centre de réaction. Étant donné que l'oxygène est généré en tant que sous-produit et est libéré, ce type de photosynthèse est appelé photosynthèse oxygénée. Cependant, lorsque d'autres composés réduits servent de donneur d'électrons, l'oxygène n'est pas généré ; ces types de photosynthèse sont appelés photosynthèse anoxygénique. Sulfure d'hydrogène (H2S) ou le thiosulfate (S2O2-3)(S2O32-) peuvent servir de donneur d'électrons, générant ainsi des ions élémentaires de soufre et de sulfate (SO2-4)(SO42-), respectivement.

Les photosystèmes ont été classés en deux types : photosystème I (PSI) et photosystème II (PSII) (Figure (PageIndex{5})). Les cyanobactéries et les chloroplastes végétaux ont les deux photosystèmes, tandis que les bactéries photosynthétiques anoxygéniques n'utilisent qu'un seul des photosystèmes. Les deux photosystèmes sont excités par l'énergie lumineuse simultanément. Si la cellule nécessite à la fois de l'ATP et du NADPH pour la biosynthèse, elle effectuera alors une photophosphorylation non cyclique. Lors du passage de l'électron du centre de réaction PSII à l'ETS qui relie PSII et PSI, l'électron perdu du centre de réaction PSII est remplacé par la division de l'eau. L'électron excité du centre de réaction du PSI est utilisé pour réduire le NADP+ au NADPH et est remplacé par l'électron sortant de l'ETS. Le flux d'électrons de cette manière est appelé le schéma Z.

Si le besoin d'une cellule en ATP est nettement supérieur à son besoin en NADPH, elle peut contourner la production de puissance réductrice par photophosphorylation cyclique. Seul le PSI est utilisé pendant la photophosphorylation cyclique ; l'électron à haute énergie du centre de réaction du PSI est transmis à un support ETS puis retourne finalement au pigment oxydé du centre de réaction du PSI, le réduisant ainsi.

Figure (PageIndex{4}) : Les eucaryotes et les cyanobactéries effectuent la photosynthèse oxygénée, produisant de l'oxygène, tandis que d'autres bactéries effectuent la photosynthèse anoxygénique, qui ne produit pas d'oxygène.

Figure (PageIndex{5}) : (a) PSI et PSII se trouvent sur la membrane thylacoïdienne. L'électron de haute énergie du PSII est transmis à un ETS, qui génère une force motrice de protons pour la synthèse d'ATP par chimiosmose, et remplace finalement l'électron perdu par le centre de réaction du PSI. L'électron du centre de réaction du PSI est utilisé pour fabriquer du NADPH. (b) Lorsque l'ATP et le NADPH sont nécessaires, la photophosphorylation non cyclique (chez les cyanobactéries et les plantes) fournit les deux. Le flux d'électrons décrit ici est appelé le schéma Z (indiqué en jaune dans [a]). Lorsque les besoins en ATP de la cellule l'emportent sur ceux du NADPH, les cyanobactéries et les plantes n'utiliseront que le PSI, et son électron de centre de réaction est transmis à l'ETS pour générer une force motrice protonique utilisée pour la synthèse d'ATP.

Exercice (PageIndex{2})

Pourquoi une bactérie photosynthétique aurait-elle des pigments différents ?

Réactions indépendantes de la lumière

Une fois que l'énergie du soleil est convertie en énergie chimique et stockée temporairement dans les molécules d'ATP et de NADPH (ayant des durées de vie de millionièmes de seconde), les photoautotrophes ont le carburant nécessaire pour construire des molécules de glucides multicarbones, qui peuvent survivre pendant des centaines de millions d'années, pour le stockage d'énergie à long terme. Le carbone vient du CO2, le gaz qui est un déchet de la respiration cellulaire.

Le cycle de Calvin-Benson (du nom de Melvin Calvin [1911-1997] et Andrew Benson [1917-2015]), la voie biochimique utilisée pour la fixation du CO2, est situé dans le cytoplasme des bactéries photosynthétiques et dans le stroma des chloroplastes eucaryotes. Les réactions indépendantes de la lumière du cycle de Calvin peuvent être organisées en trois étapes de base : fixation, réduction et régénération (voir l'annexe C pour une illustration détaillée du cycle de Calvin).

  • Fixation: L'enzyme ribulose bisphosphate carboxylase (RuBisCO) catalyse l'addition d'un CO2 au ribulose bisphosphate (RuBP). Il en résulte la production de 3-phosphoglycérate (3-PGA).
  • Réduction: Six molécules d'ATP et de NADPH (provenant des réactions dépendantes de la lumière) sont utilisées pour convertir le 3-PGA en glycéraldéhyde 3-phosphate (G3P). Une partie du G3P est ensuite utilisée pour fabriquer du glucose.
  • Régénération: Le G3P restant non utilisé pour synthétiser le glucose est utilisé pour régénérer RuBP, permettant au système de continuer à CO2 fixation. Trois autres molécules d'ATP sont utilisées dans ces réactions de régénération.

Le cycle de Calvin est largement utilisé par les plantes et les bactéries photoautotrophes, et l'enzyme RuBisCO serait l'enzyme la plus abondante sur terre, composant 30 à 50 % de la protéine soluble totale dans les chloroplastes végétaux.1 Cependant, outre son utilisation répandue dans les photoautotrophes, le cycle de Calvin est également utilisé par de nombreux chimioautotrophes non photosynthétiques pour fixer le CO2. De plus, d'autres bactéries et archées utilisent des systèmes alternatifs pour le CO2 fixation. Bien que la plupart des bactéries utilisant des alternatives au cycle de Calvin soient chimioautotrophes, il a également été démontré que certaines bactéries photoautotrophes au soufre vert utilisent une alternative au CO.2 voie de fixation.

Exercice (PageIndex{3})

Décrivez les trois étapes du cycle de Calvin.

Concepts clés et résumé

  • Les hétérotrophes dépendent des glucides produits par les autotrophes, dont beaucoup sont photosynthétiques, convertissant l'énergie solaire en énergie chimique.
  • Différents organismes photosynthétiques utilisent différents mélanges de pigments photosynthétiques, qui augmentent la gamme des longueurs d'onde de la lumière qu'un organisme peut absorber.
  • Photosystèmes (PSI et PSII) contiennent chacun un complexe de récolte de lumière, composé de multiples protéines et pigments associés qui absorbent l'énergie lumineuse. Les réactions dépendantes de la lumière de la photosynthèse convertissent l'énergie solaire en énergie chimique, produisant de l'ATP et du NADPH ou du NADH pour stocker temporairement cette énergie.
  • Dans photosynthèse oxygénée, H2O sert de donneur d'électrons pour remplacer l'électron du centre de réaction et l'oxygène est formé comme sous-produit. Dans photosynthèse anoxygénique, d'autres molécules réduites comme H2S ou thiosulfate peut être utilisé comme donneur d'électrons; en tant que tel, l'oxygène n'est pas formé en tant que sous-produit.
  • Photophosphorylation non cyclique est utilisé dans la photosynthèse oxygénée lorsqu'il existe un besoin de production d'ATP et de NADPH. Si les besoins d'une cellule en ATP l'emportent sur ses besoins en NADPH, elle peut alors effectuer photophosphorylation cyclique au lieu de cela, ne produisant que de l'ATP.
  • Les réactions indépendantes de la lumière de la photosynthèse utilisent l'ATP et le NADPH issus des réactions dépendantes de la lumière pour fixer le CO2 en molécules de sucre organique.

Choix multiple

Lors des réactions dépendantes de la lumière, quelle molécule perd un électron ?

A. une molécule de pigment captant la lumière
B. une molécule de pigment du centre de réaction
C. NADPH
D. 3-phosphoglycérate

B

Chez les procaryotes, dans quelle direction les ions hydrogène sont-ils pompés par le système de transport d'électrons des membranes photosynthétiques ?

A. à l'extérieur de la membrane plasmique
B. à l'intérieur (cytoplasme) de la cellule
C. au stroma
D. à l'espace intermembranaire du chloroplaste

UNE

Lequel des éléments suivants ne se produit pas pendant la photophosphorylation cyclique chez les cyanobactéries ?

A. transport d'électrons à travers un ETS
B. photosystème que j'utilise
C. Synthèse d'ATP
D. Formation NADPH

Quels sont les deux produits des réactions dépendantes de la lumière sont ________.

A. glucose et NADPH
B. NADPH et ATP
C. glycéraldéhyde 3-phosphate et CO2
D. glucose et oxygène

B

Vrai faux

La photosynthèse entraîne toujours la formation d'oxygène.

Faux

Remplir les trous

L'enzyme responsable du CO2 la fixation au cours du cycle de Calvin est appelée ________.

ribulose bisphosphate carboxylase (RuBisCO)

Les types de molécules pigmentaires présentes dans les plantes, les algues et les cyanobactéries sont ________ et ________.

chlorophylles et caroténoïdes

Réponse courte

Pourquoi un organisme effectuerait-il une phosphorylation cyclique au lieu d'une phosphorylation non cyclique ?

Quelle est la fonction des pigments photosynthétiques dans le complexe photorécepteur ?

Esprit critique

La vie dépend-elle de la fixation du carbone qui se produit lors des réactions indépendantes de la lumière de la photosynthèse ? Expliquer.

Notes de bas de page

  1. 1 A. Dhingra et al. « Traduction améliorée d'un chloroplaste exprimé RBCLe gène S restaure les niveaux de petites sous-unités et la photosynthèse dans le nucléaire RBCS plantes antisens. Actes de l'Académie nationale des sciences des États-Unis d'Amérique 101 non. 16 (2004) : 6315-6320.

Donateur

  • Nina Parker, (Université Shenandoah), Mark Schneegurt (Wichita State University), Anh-Hue Thi Tu (Georgia Southwestern State University), Philip Lister (Central New Mexico Community College) et Brian M. Forster (Université Saint Joseph) avec de nombreux auteurs contributeurs. Contenu original via Openstax (CC BY 4.0 ; accès gratuit sur https://openstax.org/books/microbiology/pages/1-introduction)


Chemin de la lumière dans la photosynthèse tracé

Il y a trois milliards d'années, la lumière a traversé la chlorophylle pour la première fois dans de minuscules centres de réaction, la première étape franchie par les plantes et les bactéries photosynthétiques pour convertir la lumière en nourriture.

Les héliobactéries, un type de bactérie qui utilise la photosynthèse pour générer de l'énergie, ont des centres de réaction que l'on pense être similaires à ceux des ancêtres communs de tous les organismes photosynthétiques. Aujourd'hui, une équipe de l'Université du Michigan a déterminé les premières étapes de la conversion de la lumière en énergie pour cette bactérie.

"Notre étude met en évidence les différentes manières dont la nature a utilisé l'architecture de base du centre de réaction qui a émergé il y a plus de 3 milliards d'années", a déclaré l'auteur principal et physicienne de l'UM, Jennifer Ogilvie. "Nous voulons finalement comprendre comment l'énergie se déplace dans le système et finit par créer ce que nous appelons "l'état de séparation des charges". Cet état est la batterie qui alimente le moteur de la photosynthèse."

laser 2.jpegLes organismes photosynthétiques contiennent des protéines « antennes » qui sont remplies de molécules de pigment pour récolter des photons. L'énergie collectée est ensuite dirigée vers des "centres de réaction" qui alimentent les étapes initiales qui convertissent l'énergie lumineuse en nourriture pour l'organisme. Ces étapes initiales se produisent sur des échelles de temps incroyablement rapides - des femtosecondes, ou un millionième d'un milliardième de seconde. En un clin d'œil, cette conversion se produit plusieurs milliards de fois.

Les chercheurs sont intéressés à comprendre comment cette transformation se produit. Cela nous permet de mieux comprendre comment les plantes et les organismes photosynthétiques convertissent la lumière en énergie nourrissante. Cela donne également aux chercheurs une meilleure compréhension du fonctionnement du photovoltaïque - et la base pour comprendre comment mieux les construire.

Lorsque la lumière frappe un organisme photosynthétique, les pigments à l'intérieur de l'antenne rassemblent des photons et dirigent l'énergie vers le centre de réaction. Dans le centre de réaction, l'énergie propulse un électron à un niveau d'énergie plus élevé, à partir duquel il se déplace vers un nouvel emplacement, laissant derrière lui une charge positive. C'est ce qu'on appelle une séparation de charges. Ce processus se déroule différemment en fonction de la structure du centre réactionnel dans lequel il se produit.

Dans les centres de réaction des plantes et de la plupart des organismes photosynthétiques, les pigments qui orchestrent la séparation des charges absorbent des couleurs de lumière similaires, ce qui rend difficile la visualisation de la séparation des charges. En utilisant les héliobactéries, les chercheurs ont identifié quels pigments donnent initialement l'électron après avoir été excités par un photon, et quels pigments acceptent l'électron.

Les héliobactéries sont un bon modèle à examiner, a déclaré Ogilvie, car leurs centres de réaction ont un mélange de chlorophylle et de bactériochlorophylle, ce qui signifie que ces différents pigments absorbent différentes couleurs de lumière. Par exemple, a-t-elle dit, imaginez essayer de suivre une personne dans une foule - mais tout le monde porte des vestes bleues, vous regardez de loin et vous ne pouvez prendre que des instantanés de la personne se déplaçant dans la foule.

"Mais si la personne que vous regardiez portait une veste rouge, vous pourriez la suivre beaucoup plus facilement. Ce système est un peu comme ça : il a des marqueurs distincts", a déclaré Ogilvie, professeur de physique, de biophysique et de science et ingénierie macromoléculaires.

Auparavant, les héliobactéries étaient difficiles à comprendre car la structure de leur centre de réaction était inconnue. La structure des protéines membranaires comme les centres de réaction est notoirement difficile à déterminer, mais le co-auteur d'Ogilvie, le biochimiste de l'Arizona State University Kevin Redding, a développé un moyen de résoudre la structure cristalline de ces centres de réaction.

Pour sonder les centres de réaction des héliobactéries, l'équipe d'Ogilvie utilise un type de spectroscopie ultrarapide appelée spectroscopie électronique multidimensionnelle, mise en œuvre dans le laboratoire d'Ogilvie par l'auteur principal et boursier postdoctoral Yin Song. L'équipe vise une séquence d'impulsions laser très courtes et soigneusement chronométrées sur un échantillon de bactéries. Plus l'impulsion laser est courte, plus le spectre lumineux qu'elle peut exciter est large.

Chaque fois que l'impulsion laser frappe l'échantillon, la lumière excite les centres de réaction à l'intérieur. Les chercheurs font varier le délai entre les impulsions, puis enregistrent comment chacune de ces impulsions interagit avec l'échantillon. Lorsque des impulsions frappent l'échantillon, ses électrons sont excités à un niveau d'énergie plus élevé. Les pigments de l'échantillon absorbent des longueurs d'onde spécifiques de la lumière du laser - des couleurs spécifiques - et les couleurs qui sont absorbées donnent aux chercheurs des informations sur la structure du niveau d'énergie du système et sur la façon dont l'énergie le traverse.

« C'est un rôle important de la spectroscopie : lorsque nous examinons simplement la structure de quelque chose, son fonctionnement n'est pas toujours évident. La spectroscopie nous permet de suivre une structure pendant qu'elle fonctionne, à mesure que l'énergie est absorbée et traverse ces premiers étapes de conversion d'énergie », a déclaré Ogilvie. "Parce que les énergies sont assez distinctes dans ce type de centre de réaction, nous pouvons vraiment avoir un aperçu sans ambiguïté de la destination de l'énergie."

Obtenir une image plus claire de ce transport d'énergie et de cette séparation de charge permet aux chercheurs de développer des théories plus précises sur le fonctionnement du processus dans d'autres centres de réaction.

"Dans les plantes et les bactéries, on pense que le mécanisme de séparation des charges est différent", a déclaré Ogilvie. "Le rêve est de pouvoir prendre une structure et, si nos théories sont assez bonnes, nous devrions pouvoir prédire comment cela fonctionne et ce qui se passera dans d'autres structures - et exclure les mécanismes qui sont incorrects."


Structure multicouche photonique de Bégonia les chloroplastes améliorent l'efficacité photosynthétique

La récolte de lumière améliorée est un domaine d'intérêt pour optimiser à la fois la photosynthèse naturelle et la capture d'énergie solaire artificielle 1,2. Il a été démontré que l'irisation existe largement et sous diverses formes chez les plantes et autres organismes photosynthétiques et symbioses 3,4, mais il n'y a pas encore de lien direct démontré entre l'irisation et la photosynthèse. Ici, nous montrons que les chloroplastes épidermiques, également connus sous le nom d'iridoplastes, chez les espèces vivant à l'ombre de Bégonia 5, remarquables pour leur irisation bleue brillante, ont une structure cristalline photonique formée à partir d'un arrangement périodique du tissu thylakoïde absorbant la lumière lui-même. Cette structure améliore la photosynthèse de deux manières : en augmentant la capture de la lumière aux longueurs d'onde à prédominance verte disponibles dans des conditions d'ombre, et en améliorant directement le rendement quantique de 5 à 10 % dans des conditions de faible luminosité. Ces résultats impliquent ensemble que l'iridoplaste est une structure chloroplastique hautement modifiée adaptée pour tirer le meilleur parti des conditions de très faible luminosité dans le sous-étage de la forêt tropicale dans laquelle il se trouve 5,6. Une gamme phylogénétiquement diversifiée d'espèces végétales vivant à l'ombre s'est avérée produire des chloroplastes de structure similaire 7-9, ce qui suggère que la capacité de produire des chloroplastes dont les membranes sont organisées en une multicouche avec des propriétés photoniques peut être répandue. En fait, étant donné la diversité et la plasticité bien établies des chloroplastes 10,11, nos résultats impliquent que les effets photoniques peuvent être importants même chez les plantes qui ne montrent aucun signe évident d'irisation à l'œil nu mais où une structure chloroplastique très ordonnée peut présentent une réflectance bleu clair à l'échelle microscopique. Les chloroplastes sont généralement considérés comme purement photochimiques, nous suggérons de les considérer également comme une structure photonique avec une interaction complexe entre le contrôle de la propagation de la lumière, la capture de la lumière et la photochimie.

Les cristaux photoniques sont des structures périodiques à l'échelle nanométrique qui interagissent avec la lumière, ce qui entraîne un certain nombre de phénomènes optiques. Dans les systèmes artificiels, ces propriétés photoniques ont été étudiées pour leurs propriétés de collecte de lumière car elles peuvent fortement améliorer les performances des dispositifs de production d'énergie solaire, soit par piégeage de la lumière 1 ou par des mécanismes de lumière lente 2 . Cependant, un groupe de cristaux photoniques qui a été associé à plusieurs reprises à des rôles de récolte de lumière, y compris une distribution de lumière optimisée dans les tissus photosynthétiques 3 , mais qui n'a pas encore été directement lié à une récolte de lumière améliorée, est celui des cristaux photoniques biologiques naturels. Les structures photoniques sont répandues dans la nature, où elles sont généralement associées à la couleur structurelle 4,12,13. Bien que plus largement étudiés chez les animaux, les effets photoniques ont d'autres implications chez les plantes étant donné l'importance de la manipulation de la lumière pour la photosynthèse 4 . Un exemple frappant de couleur structurelle chez les plantes est présenté par les feuilles bleu irisé observées dans une gamme variée d'espèces de plantes tropicales adaptées aux conditions d'ombre des forêts profondes. Cependant, peu de preuves directes de la fonction de cette couleur structurelle ont été présentées 14,15.


7.6 : La photosynthèse et l'importance de la lumière - Biologie

Pourquoi le dioxyde de carbone est-il important pour la photosynthèse

La plupart d'entre nous savons que les humains et les animaux inhalent de l'oxygène et exhalent du dioxyde de carbone, qui est absorbé par les plantes, mais savons-nous pourquoi les plantes ont-elles besoin de dioxyde de carbone ?

Quelle est la source de nourriture des plantes ?

Ont-ils l'énergie pour grandir ?

On parle beaucoup des raisons pour lesquelles les émissions de carbone sont dangereuses pour le climat, mais savons-nous pourquoi elles sont dangereuses pour l'environnement ?

Le dioxyde de carbone est un élément important de la photosynthèse, qui est un processus qui convertit l'énergie de la lumière du soleil en énergie chimique stockée dans le glucose.

Le sous-produit de la photosynthèse est l'oxygène, qui est un élément essentiel de la vie.

Le dioxyde de carbone est important pour la photosynthèse car il fournit le carbone nécessaire à la plante pour produire du glucose, qui est utilisé pour compléter les processus cellulaires de la plante.

Ces processus cellulaires permettent aux plantes de développer des graines, de croître, de produire des fruits et de former des fleurs.

Qu'est-ce que la photosynthèse ?

Au cours de la photosynthèse, les plantes recueillent le dioxyde de carbone et l'eau de l'air et du sol. L'eau passe par l'oxydation, tandis que le dioxyde de carbone passe par la réduction.

Ce processus convertit le dioxyde de carbone en glucose et l'eau en oxygène. À l'intérieur de la cellule végétale, il y a un pigment absorbant la lumière appelé chlorophylle, qui a pour rôle d'absorber les ondes lumineuses bleues et rouges de la lumière du soleil et de refléter les ondes lumineuses vertes.

Cela donne aux plantes leur couleur verte. La chlorophylle nous permet d'absorber l'énergie nécessaire pour compléter le processus de photosynthèse.

Le processus de photosynthèse peut être divisé en deux principaux types de réactions. Il existe des réactions dépendantes de la lumière et des réactions indépendantes de la lumière.

Les réactions dépendantes de la lumière convertissent l'énergie chimique sous forme de NADPH et d'ATP. Les réactions dépendantes de la lumière incluent le cycle de Calvin, au cours duquel l'énergie est utilisée pour collecter le glucose à partir du dioxyde de carbone.

Les molécules de carbone sont converties du dioxyde de carbone en carburant stocké sous forme de glucides. Ces glucides sont utilisés comme source de nourriture ou d'énergie pour la plante.

Le processus de photosynthèse est souvent écrit sous la formule chimique suivante :

Cela signifie que six molécules de dioxyde de carbone (CO2) réagissent avec six molécules d'eau (H2O) pour former des molécules de glucose et de l'oxygène.

Ce ne sont pas seulement les plantes qui peuvent effectuer la photosynthèse, mais d'autres organismes eucaryotes et procaryotes sont également capables de récupérer leur énergie à partir de la photosynthèse.

L'importance du dioxyde de carbone pour les plantes

La photosynthèse est essentielle à l'existence de la vie sur terre. D'une certaine manière, comment l'énergie de la biosphère atteint les êtres vivants sur terre. Les organismes qui utilisent la photosynthèse forment les principaux producteurs d'oxygène dans le monde.

Presque tout l'oxygène sur terre provient de la photosynthèse. Si ce processus devait s'arrêter, le monde se retrouverait sans oxygène. L'importance de la photosynthèse s'étend à de nombreuses formes de vie sur terre, y compris les plantes.

Seuls les organismes qui pourraient exister sans oxygène sont certaines bactéries. Tout le reste dépend de la photosynthèse pour produire de l'oxygène.

Il a été établi que le processus de photosynthèse ne peut pas être achevé sans dioxyde de carbone. Les gens avaient souvent l'habitude de nourrir la plante en l'arrosant ou en fournissant des engrais, mais les besoins de la plante ne sont pas complets sans dioxyde de carbone et soleil.

La photosynthèse est l'un des processus les plus importants sur terre. Non seulement il est utilisé par les plantes mais aussi par d'autres micro-organismes et algues. Tout comme les humains et les animaux ont besoin de respirer pour rester en vie, les plantes ont besoin de photosynthèse.

L'ensemble du processus de photosynthèse peut être résumé comme un moyen de transférer l'énergie du soleil à la plante.

Différents types de plantes ont évolué pour nécessiter une quantité différente d'eau, de lumière du soleil et de dioxyde de carbone. Les plantes du désert, comme les cactus, sont naturellement conçues pour nécessiter moins d'eau, tandis que les plantes d'un étang ont beaucoup d'eau. De même, différentes plantes nécessitent différents niveaux de dioxyde de carbone.

Quel effet l'augmentation des niveaux de dioxyde de carbone a-t-elle sur la photosynthèse ?

La quantité de dioxyde de carbone dans le monde augmente. Selon Climate.gov, les niveaux de dioxyde de carbone dans le monde sont à leur plus haut niveau depuis 800 000 ans.

Il y a plusieurs raisons à l'augmentation des niveaux de dioxyde de carbone. La principale raison est l'augmentation de la combustion de combustibles fossiles tels que le pétrole et le charbon. Ces combustibles fossiles contiennent du carbone, qui a été absorbé par des centaines d'années de photosynthèse.

Vous pourriez penser que si le dioxyde de carbone est si important pour les plantes, un niveau croissant de dioxyde de carbone devrait être extrêmement utile aux plantes, y compris aux cultures vivrières.

Le niveau de production alimentaire dans le monde devrait augmenter et tout le discours sur les combustibles fossiles étant mauvais pour l'environnement devrait être rejeté. Il est vrai que dans un isolement complet, l'augmentation des niveaux de dioxyde de carbone augmentera la photosynthèse.

Cependant, il est important de noter que les plantes ont besoin de plus que du dioxyde de carbone pour fonctionner. Ils ont besoin d'eau, d'azote et d'autres nutriments pour fonctionner.

Toute limitation de ces éléments essentiels ne permettra pas aux plantes de pousser. C'est pourquoi les plantes ont besoin d'engrais contenant de l'azote. Tout effet positif de l'augmentation du dioxyde de carbone dans le monde est annulé par l'augmentation de la température mondiale causée par le réchauffement climatique.

L'augmentation de la température a un effet dévastateur sur la vie végétale.

L'avenir de la photosynthèse

L'augmentation de la population mondiale et l'utilisation de combustibles fossiles mettent à rude épreuve les ressources naturelles du monde. La sécurité alimentaire est un enjeu crucial pour la survie de la vie sur terre.

Si la productivité des cultures peut être augmentée, cela aura un impact positif significatif sur la durabilité de la vie.

La photosynthèse est un magnifique processus de la nature. Cependant, il y a un défaut dans le processus, ou peut-être que la nature a voulu qu'il en soit ainsi.

Les molécules d'oxygène et de dioxyde de carbone sont de taille et de forme similaires. Une enzyme du nom de RuBisCO dans les plantes est utilisée pour récolter le dioxyde de carbone.

Parfois, cette enzyme récolte une molécule d'oxygène en la confondant avec une molécule de dioxyde de carbone. La récolte de molécules d'oxygène au lieu de dioxyde de carbone met à rude épreuve l'énergie et les ressources des plantes.

Avec le réchauffement climatique, la température de la terre augmente. Avec l'augmentation de la température, le RubisCO est de plus en plus sujet aux erreurs. L'eau s'évapore également plus rapidement à des températures élevées.

Cela met à rude épreuve l'écosystème des plantes du monde entier. Comme l'enzyme RubisCO obtient du dioxyde de carbone limité, elle épuise l'énergie de la plante qui essaie de récolter l'oxygène.

Certaines plantes ont évolué pour gérer ce problème en poussant du dioxyde de carbone supplémentaire vers l'enzyme RubisCO. C'est comme une version turbocompressée de la photosynthèse.

Les plantes qui peuvent le faire sont classées comme plantes C4. Ces plantes peuvent être très efficaces par temps chaud et sec, mais à mesure que le climat mondial se réchauffe, on verra de plus en plus de telles plantes partout.

À l'heure actuelle, seulement 3% des plantes à fleurs du monde empruntent la voie C4 de la photosynthèse. Cependant, ces 3% des usines représentent 24% de la productivité primaire des plantes dans le monde.

Le type de plantes utilisant principalement la voie C4 comprend le maïs et le sorgho. Si d'une manière ou d'une autre, d'autres cultures productives telles que le riz utilisent la voie C4 vers la photosynthèse, cela peut avoir un impact immense sur l'économie et la sécurité alimentaire du monde.


Liens et ressources

Photosynthèse *adapté à l'enseignement à domicile*

Cette ressource, issue du pack de ressources &lsquoChallenging Plants&rsquo de la Royal Society of Chemistry (RSC), fournit des informations de base sur le processus de photosynthèse, y compris des détails sur la structure des feuilles, le rôle de la chlorophylle et les réactions dépendantes de la lumière.

The importance of photosynthesis is clearly explained.

Students could make use of this two page summary in a variety of ways: as a revision sheet, they could work in pairs read through the resource and then ask each other 5 questions that should be answered without using the resource


Activity Procedure

1. Choose one of the leaves that has been deprived of carbon dioxide.

2. Submerge this leaf in boiling water for about 3 minutes.

3. Remove the leaf from the water and insert it into a test tube containing ethanol and plug the test tube with a piece of cotton wool. Note: the test tube should be less than half full of ethanol.

4. Submerge the test tube in the boiling water and leave it to boil until the leaf loses all of its colour.

5. Once the leaf has lost its colour, remove it from the ethanol solution and dip it brie y into the boiling water to remove the ethanol and soften it.

6. Spread the decolourized leaf on a white tile and add iodine solution drop wise until the whole leaf is covered.

7. Record your observations and draw a picture showing the colour pattern of the leaf. The leaves should test negative for starch.


Explainer: How photosynthesis works

Green plants take in light from the sun and turn water and carbon dioxide into the oxygen we breathe and the sugars we eat.

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October 28, 2020 at 6:30 am

Respirez profondément. Then thank a plant. If you eat fruit, vegetables, grains or potatoes, thank a plant too. Plants and algae provide us with the oxygen we need to survive, as well as the carbohydrates we use for energy. They do it all through photosynthesis.

Photosynthesis is the process of creating sugar and oxygen from carbon dioxide, water and sunlight. It happens through a long series of chemical reactions. But it can be summarized like this: Carbon dioxide, water and light go in. Glucose, water and oxygen come out. (Glucose is a simple sugar.)

Photosynthesis can be split into two processes. The “photo” part refers to reactions triggered by light. “Synthesis” — the making of the sugar — is a separate process called the Calvin cycle.

Both processes happen inside a chloroplast. This is a specialized structure, or organelle, in a plant cell. The structure contains stacks of membranes called thylakoid membranes. That’s where the light reaction begins.

Chloroplasts are found in plant cells. This is where photosynthesis takes place. The chlorophyll molecules that take in energy from sunlight are located in the stacks called thylakoid membranes. blueringmedia/iStock/Getty Images Plus

Let the light shine in

When light hits a plant’s leaves, it shines on chloroplasts and into their thylakoid membranes. Those membranes are filled with chlorophyll, a green pigment. This pigment absorbs light energy. Light travels as electromagnetic waves. The wavelength — distance between waves — determines energy level. Some of those wavelengths are visible to us as the colors we see. If a molecule, such as chlorophyll, has the right shape, it can absorb the energy from some wavelengths of light.

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Chlorophyll can absorb light we see as blue and red. That’s why we see plants as green. Green is the wavelength plants reflect, not the color they absorb.

While light travels as a wave, it also can be a particle called a photon. Photons have no mass. They do, however, have a small amount of light energy.

When a photon of light from the sun bounces into a leaf, its energy excites a chlorophyll molecule. That photon starts a process that splits a molecule of water. The oxygen atom that splits off from the water instantly bonds with another, creating a molecule of oxygen, or O2. The chemical reaction also produces a molecule called ATP and another molecule called NADPH. Both of these allow a cell to store energy. The ATP and NADPH also will take part in the synthesis part of photosynthesis.

Notice that the light reaction makes no sugar. Instead, it supplies energy — stored in the ATP and NADPH — that gets plugged into the Calvin cycle. This is where sugar is made.

But the light reaction does produce something we use: oxygen. All the oxygen we breathe is the result of this step in photosynthesis, carried out by plants and algae (which are not plants) the world over.

Give me some sugar

The next step takes the energy from the light reaction and applies it to a process called the Calvin cycle. The cycle is named for Melvin Calvin, the man who discovered it.

The Calvin cycle is sometimes also called the dark reaction because none of its steps require light. But it still happens during the day. That’s because it needs the energy produced by the light reaction that comes before it.

While the light reaction takes place in the thylakoid membranes, the ATP and NADPH it produces end up in the stroma. This is the space inside the chloroplast but outside the thylakoid membranes.

The Calvin cycle has four major steps:

  1. carbon fixation: Here, the plant brings in CO2 and attaches it to another carbon molecule, using rubisco. This is an enzyme, or chemical that makes reactions move faster. This step is so important that rubisco is the most common protein in a chloroplast — and on Earth. Rubisco attaches the carbon in CO2 to a five-carbon molecule called ribulose 1,5-bisphosphate (or RuBP). This creates a six-carbon molecule, which immediately splits into two chemicals, each with three carbons.
  2. réduction: The ATP and NADPH from the light reaction pop in and transform the two three-carbon molecules into two small sugar molecules. The sugar molecules are called G3P. That’s short for glyceraldehyde 3-phosphate (GLIH- sur-AAL-duh-hide 3-FOS-fayt).
  3. carbohydrate formation: Some of that G3P leaves the cycle to be converted into bigger sugars such as glucose (C6H12O6).
  4. regeneration: With more ATP from the continuing light reaction, leftover G3P picks up two more carbons to become RuBP. This RuBP pairs up with rubisco again. They are now ready to start the Calvin cycle again when the next molecule of CO2 arrives.

At the end of photosynthesis, a plant ends up with glucose (C6H12O6), oxygen (O2) and water (H2O). The glucose molecule goes on to bigger things. It can become part of a long-chain molecule, such as cellulose that’s the chemical that makes up cell walls. Plants also can store the energy packed in a glucose molecule within larger starch molecules. They can even put the glucose into other sugars — such as fructose — to make a plant’s fruit sweet.

All of these molecules are carbohydrates — chemicals containing carbon, oxygen and hydrogen. (CarbOHydrate makes it easy to remember.) The plant uses the bonds in these chemicals to store energy. But we use the these chemicals too. Carbohydrates are an important part of the foods we eat, particularly grains, potatoes, fruits and vegetables.

Mots de pouvoir

algues: Single-celled organisms, once considered plants (they aren’t). As aquatic organisms, they grow in water. Like green plants, they depend on sunlight to make their food.

atome: The basic unit of a chemical element. Atoms are made up of a dense nucleus that contains positively charged protons and uncharged neutrons. The nucleus is orbited by a cloud of negatively charged electrons.

ATP: Short for adenosine triphosphate. Cells make this molecule to power almost all of their activities. Cells use oxygen and simple sugars to create this molecule, the main source of their energy. The small structures in cells that carry out this energy-storing process are known as mitochondria. Like a battery, ATP stores a bit of usable energy. Once the cell uses it up, mitochondria must recharge the cell by making more ATP using energy harvested from the cell’s nutrients.

lier: (in chemistry) A semi-permanent attachment between atoms — or groups of atoms — in a molecule. It’s formed by an attractive force between the participating atoms. Once bonded, the atoms will work as a unit. To separate the component atoms, energy must be supplied to the molecule as heat or some other type of radiation.

cycle de Calvin: Named for Melvin Calvin, the man who discovered it, this cycle is the process by which plants and algae turn carbon dioxide into basic carbohydrates.

les glucides: Any of a large group of compounds occurring in foods and living tissues, including sugars, starch and cellulose. They contain hydrogen and oxygen in the same ratio as water (2:1) and typically can be broken down in an animal’s body to release energy.

carbon dioxide: (or CO2) A colorless, odorless gas produced by all animals when the oxygen they inhale reacts with the carbon-rich foods that they’ve eaten. Carbon dioxide also is released when organic matter burns (including fossil fuels like oil or gas). Carbon dioxide acts as a greenhouse gas, trapping heat in Earth’s atmosphere. Plants convert carbon dioxide into oxygen during photosynthesis, the process they use to make their own food.

cellule: The smallest structural and functional unit of an organism. Généralement trop petit pour être vu à l'œil nu, il se compose d'un fluide aqueux entouré d'une membrane ou d'une paroi. Selon leur taille, les animaux sont constitués de milliers à des milliards de cellules. La plupart des organismes, tels que les levures, les moisissures, les bactéries et certaines algues, sont composés d'une seule cellule.

cellulose: A type of fiber found in plant cell walls. It is formed by chains of glucose molecules.

chimique: A substance formed from two or more atoms that unite (bond) in a fixed proportion and structure. Par exemple, l'eau est un produit chimique fabriqué lorsque deux atomes d'hydrogène se lient à un atome d'oxygène. Sa formule chimique est H2O. Chemical peut également être un adjectif pour décrire les propriétés des matériaux qui sont le résultat de diverses réactions entre différents composés.

chemical reaction: A process that involves the rearrangement of the molecules or structure of a substance, as opposed to a change in physical form (as from a solid to a gas).

chlorophyll: Any of several green pigments found in plants that perform photosynthesis — creating sugars (foods) from carbon dioxide and water.

chloroplast: A tiny structure in the cells of green algae and green plants that contain chlorophyll and creates glucose through photosynthesis.

electromagnetic: An adjective referring to light radiation, to magnetism or to both.

excite: (in chemistry and physics) To transfer energy to one or more outer electrons in an atom. They remain in this higher energy state until they shed the extra energy through the emission of some type of radiation, such as light.

fructose: A simple sugar. Along with glucose, fructose makes up half of each molecule of sucrose (also known as table sugar).

glucose: A simple sugar that is an important energy source in living organisms. As an energy source moving through the bloodstream, it is known as “blood sugar.” It is half of the molecule that makes up table sugar (also known as sucrose).

glyceraldehyde 3-phosphate ou G3P: A molecule created as part of the chemical steps that form simple carbohydrates. Two molecules of G3P are made in plants and algae as part of the Calvin cycle of photosynthesis. Animals and bacteria also create G3P as part of their own steps of making carbohydrate.

hydrogen: The lightest element in the universe. As a gas, it is colorless, odorless and highly flammable. It’s an integral part of many fuels, fats and chemicals that make up living tissues. It’s made of a single proton (which serves as its nucleus) orbited by a single electron.

Masse: A number that shows how much an object resists speeding up and slowing down — basically a measure of how much matter that object is made from.

membrane: A barrier which blocks the passage (or flow through) of some materials depending on their size or other features. Membranes are an integral part of filtration systems. Many serve that same function as the outer covering of cells or organs of a body.

molécule: An electrically neutral group of atoms that represents the smallest possible amount of a chemical compound. Les molécules peuvent être constituées d'un seul type d'atomes ou de différents types. Par exemple, l'oxygène de l'air est composé de deux atomes d'oxygène (O2), mais l'eau est composée de deux atomes d'hydrogène et d'un atome d'oxygène (H2O).

NADPH or NADP+: Short for nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (but no one calls it that). This molecule is a way for cells to store and transfer energy. When the NADP+ molecule is transformed to NADPH, it contains energy, which it can then use to power other reactions in a cell.

organelle: Specialized structures, such as mitochondria, found within a cell.

oxygène: A gas that makes up about 21 percent of Earth's atmosphere. All animals and many microorganisms need oxygen to fuel their growth (and metabolism).

particule: A minute amount of something.

photon: A particle representing the smallest possible amount of light or other type of electromagnetic radiation.

photosynthèse: (verb: photosynthesize) The process by which green plants and some other organisms use sunlight to produce foods from carbon dioxide and water.

protéine: A compound made from one or more long chains of amino acids. Proteins are an essential part of all living organisms. They form the basis of living cells, muscle and tissues they also do the work inside of cells. Among the better-known, stand-alone proteins are the hemoglobin (in blood) and the antibodies (also in blood) that attempt to fight infections. Medicines frequently work by latching onto proteins.

réduction: (v. reduce) A chemical reaction that adds one or more electrons. It’s also viewed as the opposite of oxidation. As rust oxidizes iron, the process reduces those nearby oxygen atoms. That means that they gain electrons, which have a negative charge.

ribulose 1,5-bisphosphate: (RuBP) A molecule that completes the first and last steps of the Calvin cycle, which creates sugar out of carbon dioxide. This molecule contains five carbons and binds to the enzyme rubisco. Rubisco hooks up RuBP with carbon dioxide from the air, the first step in making a carbohydrate.

rubisco: This acronym stands for ribulose bisphosphate carboxylase/oxygenase. It is the most common protein on Earth. In its role as an enzyme, it plays a pivotal role in photosynthesis.

starch: A soft white chemical made by all green plants. It’s a relatively long molecule made from linking together a lot of smaller, identical building blocks — all of them glucose, a simple sugar. Plants and animals use glucose as an energy source. Plants store that glucose, in the form of starch, as a reserve supply of energy. Animals that consume starch can break down the starch into glucose molecules to extract the useful energy.

stroma: (in botany) The colorless fluid inside a chloroplast, where the Calvin cycle portion of photosynthesis takes place. (in anatomy) The supportive structure surrounding an organ. It includes the connective tissue that holds the organ in place and the blood vessels that bring the organ oxygen and sugars.

synthèse: (v. synthesize) The production of a substance by the combining of simpler chemical building blocks.

thylakoid membranes: An internal system of connected membranes inside a chloroplast. The membranes contain not only the green pigment chlorophyll, but also proteins. These membranes are where the light reaction portion of photosynthesis takes place, producing oxygen and energy to power the sugar-making portions of photosynthesis.

wavelength: The distance between one peak and the next in a series of waves, or the distance between one trough and the next. It’s also one of the “yardsticks” used to measure radiation. Visible light — which, like all electromagnetic radiation, travels in waves — includes wavelengths between about 380 nanometers (violet) and about 740 nanometers (red). Radiation with wavelengths shorter than visible light includes gamma rays, X-rays and ultraviolet light. Longer-wavelength radiation includes infrared light, microwaves and radio waves.

Citations

Book:​ ​​N.A. Campbell, J.B. Reese and L.G. Mitchell. Biology, 5 th Edition. Benjamin-Cummings Publication Co., 1999.

About Bethany Brookshire

Bethany Brookshire was a longtime staff writer at Actualités scientifiques pour les étudiants. Elle a un doctorat. in physiology and pharmacology and likes to write about neuroscience, biology, climate and more. She thinks Porgs are an invasive species.

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Cyclic Electron Transport in Photosynthesis

Photophosphorylation refers to the use of light energy to ultimately provide the energy to convert ADP to ATP, thus replenishing the universal energy currency in living things. In the simplest systems in prokaryotes, photosynthesis is used just for the production of energy, and not for the building of any biological molecules. In these systems there is a process called cyclic photophosphorylation, which just accomplishes the ADP to ATP process for immediate energy for these cells. This process uses only Photosystem I and the chlorophyll P700.

The above sketch of the cyclic process is patterned after a visualization in Moore, et al. Two photons from either the red or blue end of the spectrum fit the sensitive response of the pigments. They are captured by the antenna complex and transferred to the Photosystem I reaction center, which contributes two high energy electrons to the primary electron receptor. They are passed to ferrodoxin (Fd), an iron containing protein which acts as an electron carrier. A second electron carrier plastoquinone (Pq) carries the electrons to a complex of two cytochromes. In the process, energy is provided to produce a proton gradient across the membrane which can be used for the ADP to ATP conversion. The electrons are returned by plastocyanin (Pc) to the P700 pigment in the reaction center to complete the cycle.

This sketch follows the lead of Karp to place the events relative to the membrane. This makes it clearer that the process of producing the ATP is driven by the proton gradient. Karp points out that this cyclic photophosphorylation also takes place in isolated chloroplasts and can provide additional ATP to aid the carbohydrate synthesis taking place as result of the non-cyclic electron transport.


Photosynthèse

This Biology quiz is called 'Photosynthesis' and it has been written by teachers to help you if you are studying the subject at middle school. Playing educational quizzes is a fabulous way to learn if you are in the 6th, 7th or 8th grade - aged 11 to 14.

It costs only $12.50 per month to play this quiz and over 3,500 others that help you with your school work. You can subscribe on the page at Join Us

Photosynthesis is the process in which plants, using sunlight, create sugars by combining carbon dioxide with water. It is important that students of middle school Biology understand photosynthesis and this quiz will help them to revise. Simply put, photosynthesis is the process by which plants feed. Since they are at the start of all food chains and food webs, you could say that they make all of the food for the planet!

Photosynthesis is the making of sugars from carbon dioxide and water. It requires energy in the form of light, hence the name of the process (photo means relating to light and in terms of chemicals, synthesis means building a more complex compound from simpler substances). The waste product is oxygen which is needed for aerobic respiration in living organisms. Until green plants had built up sufficient oxygen in the Earth's atmosphere to create an ozone layer, animal life was restricted to living under water, where it was protected from the UV radiation from the Sun.

Light energy is absorbed by the chlorophyll in green plants and algae. This energy is used to convert carbon dioxide from the air and water from the soil into glucose. This glucose can be stored as starch, converted into cellulose for making cell walls, converted into proteins or used in respiration. Plant cells respire at the same time as photosynthesis takes place but during the day, photosynthesis produces more oxygen than is used up in respiration.

Most plants have evolved leaves to make the process of photosynthesis more effective. Leaves have a large surface area and are very thin. This means that gasses can get in and out more easily and it also maximizes the amount of light energy reaching the chlorophyll. Chlorophyll is found in most plant cells and is contained within structures named chloroplastes. Chlorophyll absorbs the red and blue wavelengths of light from the sun but reflects the green, which is why plants appear green. There are types of chlorophyll that absorb other wavelengths, making certain plants and algae appear more red. It is possible to grow plants under artificial lighting but sunlight is the best source of light for photosynthesis.


Light Reaction

(Image Source: actforlibraries.com)

The light reaction of light dependent reaction occurs in the chloroplast of the mesophyll cells of the leaves. The chloroplasts are double-membraned cell organelles that are comprised of stacked disc-like structures known as thylakoids. The pigment, chlorophyll, which is required for the process is present on the membrane of these thylakoids and this is where the light reaction occurs.

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The Steps Involved in the Light Reaction

The main purpose of the light reaction is to generate organic energy molecules such as ATP and NADPH which are needed for the subsequent dark reaction.

  • Chlorophyll absorbs the red and blue segment of the white light and photosynthesis occurs most efficiently at these wavelengths.
  • When the light falls on the plant, the chlorophyll pigment absorbs this light and electrons in it gets excited.
  • This process occurs in a complex protein system which is collectively called as a photosystem. There are two closely linked photosystems known as PSI and PSII.
  • The chlorophyll pigments which are excited give up their electrons and to compensate for the loss of electrons, water is split to release four H+ ions and four electrons and O2. The electrons that are lost from the PSII enter into an electron transfer chain or ETC.
  • The electrons finally reach the reaction centre where they combine with NADP+ and reduce it to NADPH
  • While the electrons are taken care of, the built up of H+ ions inside the thylakoid lumen is of equal importance.
  • The hydrogen ions building up inside the lumen creates a positive gradient and in the presence of the enzyme ATP synthetase, these H+ ions combine with the ADP in the nearby region to form ATP.
  • The oxygen that is a waste product is released by the plant into the atmosphere and some of it is used in photorespiration if the plant needs to.

To summarise the light reaction, we can write it down as the following reaction:

2H2O + 2NADP+ + 3ADP + 3Pi → O2 + 2NADPH + 3ATP

For any plant performing photosynthesis, four factors influence this process. CO2, water, light, and chlorophyll are the raw materials for photosynthesis. But, in case of light dependent reaction or light reaction of photosynthesis, it is most influenced by presence or absence of light. The other three factors do not play a critical role in it.


Voir la vidéo: Une conversion biologique de lénergie lumineuse la photosynthèse (Novembre 2021).