Par Kevin Beck, mis à jour le 30 août 2022
James O'Neil/DigitalVision/GettyImages
La photosynthèse est la cascade biochimique fondamentale qui alimente la vie sur Terre. Bien que seul un sous-ensemble d'organismes (plantes, algues et cyanobactéries) effectue ce processus, ses produits, l'oxygène et le carbone organique, sont indispensables à tout autre système vivant.
À la base, la photosynthèse convertit le CO2 atmosphérique et de l'eau en glucose (C6 H12 O6 ) en libérant O2 :
6H2 O + lumière + 6CO2 → C6 H12 O6 + 6O2
Le glucose est ensuite métabolisé par les cellules végétales d'une manière analogue aux cellules animales (via la respiration cellulaire) pour générer de l'ATP, la monnaie énergétique universelle.
Les autotrophes, ou organismes autoalimentés, effectuent la photosynthèse, tandis que les hétérotrophes (animaux, champignons, nombreuses bactéries) doivent ingérer le carbone organique produit par les autotrophes.
La photosynthèse est une réaction rédox (réduction‑oxydation) classique. Les électrons sont transférés de l'eau au dioxyde de carbone, avec l'énergie lumineuse qui dirige le processus :
La réduction supprime les électrons ; l'oxydation les ajoute. Dans ce contexte, l'eau agit comme donneur d'électrons (agent oxydant) et le CO2 est réduit (agissant comme accepteur d'électrons).
La photosynthèse a lieu dans les chloroplastes, des organites de structure analogue à celle des mitochondries. Chaque chloroplaste est entouré d'une double membrane et contient des membranes thylakoïdes internes regroupées en piles appelées grana.
La chlorophylle, le pigment vert qui capte la lumière, est intégrée dans ces thylakoïdes. Lorsque les photons frappent la chlorophylle, ils élèvent les électrons à des niveaux d'énergie plus élevés, initiant ainsi la chaîne de transport des électrons.
En présence de lumière, les molécules de chlorophylle cèdent des électrons à une série de porteurs situés dans la membrane thylakoïde. L'énergie résultante est exploitée pour synthétiser l'ATP via la chimiosmose, tandis que le NADP + est réduit en NADPH.
Les molécules d'eau sont divisées pour remplacer les électrons perdus, produisant du O2 comme sous-produit :
2H2 O + lumière → O2 + 4H + + 4e − (ΔG° =+317 kJ·mol −1 )
L'ATP et le NADPH générés ci-dessus fournissent l'énergie et la puissance réductrice nécessaires pour fixer le CO2. en glucides :
CO2 + 4H + + 4e − → CH2 O + H2 O (ΔG° =+162 kJ·mol −1 )
Combinée, l'équation photosynthétique globale est :
H2 O + lumière + CO2 → CH2 O + O2 (ΔG° =+479 kJ·mol −1 )
Le couplage énergétique décrit comment les plantes utilisent l’énergie lumineuse absorbée pour piloter des processus endergoniques qui ne se produiraient pas autrement. Les sucres qui en résultent alimentent le cycle mondial du carbone et constituent la base de tous les réseaux alimentaires.
La modification des indices dans les formules chimiques modifie entièrement la substance :par exemple, transformer O2 en O3 produit de l'ozone, pas de l'oxygène. Un équilibrage précis préserve l'identité de chaque molécule.
En maintenant des équations équilibrées, les étudiants acquièrent une compréhension plus claire de la stœchiométrie et de l'énergétique de la photosynthèse.