PHOTOSYSTÈMES: COMPOSANTS, FONCTIONNEMENT ET TYPES - LA BIOLOGIE - 2025

Les photosystèmes sont des unités fonctionnelles du processus photosynthétique. Ils sont définis par leurs formes d'association et d'organisation particulière de pigments photosynthétiques et de complexes protéiques capables d'absorber et de transformer l'énergie lumineuse, dans un processus qui implique le transfert d'électrons.

Deux types de photosystèmes sont connus, appelés photosystèmes I et II en raison de l'ordre dans lequel ils ont été découverts. Le photosystème I contient des quantités très élevées de chlorophylle a par rapport à la quantité de chlorophylle b, tandis que le photosystème II contient des quantités très similaires des deux pigments photosynthétiques.

Diagramme du photosystème I. Tiré et édité de: Pisum.

Les photosystèmes sont situés dans les membranes thylacoïdes d'organismes photosynthétiques tels que les plantes et les algues. Ils peuvent également être trouvés dans les cyanobactéries.

Les chloroplastes

Les chloroplastes sont des organites sphériques ou allongés d'environ 5 µm de diamètre qui contiennent des pigments photosynthétiques. À l'intérieur, la photosynthèse se produit dans les cellules végétales.

Ils sont entourés de deux membranes externes et à l'intérieur, ils contiennent des structures en forme de sac, également entourées de deux membranes, appelées thylakoïdes.

Les thylakoïdes sont empilés formant un ensemble qui reçoit le nom de grana, tandis que le fluide qui entoure les thylakoïdes s'appelle le stroma. De plus, les thylakoïdes sont entourés d'une membrane appelée lumière qui délimite l'espace intrathylacoïde.

La conversion de l'énergie lumineuse en énergie chimique lors de la photosynthèse se produit dans les membranes des thylakoïdes. D'autre part, la production et le stockage des glucides à la suite de la photosynthèse se produisent dans les stromas.

Pigments photosynthétiques

Ce sont des protéines capables d'absorber l'énergie lumineuse pour l'utiliser lors du processus photosynthétique, elles sont totalement ou partiellement liées à la membrane thylacoïde. Le pigment directement impliqué dans les réactions lumineuses de la photosynthèse est la chlorophylle.

Il existe deux principaux types de chlorophylle dans les plantes, appelés chlorophylles a et b. Cependant, dans certaines algues, d'autres types de chlorophylle tels que c et d peuvent être présents, ces derniers ne sont présents que dans certaines algues rouges.

Il existe d'autres pigments photosynthétiques tels que les carotènes et les xanthophylles qui composent ensemble les caroténoïdes. Ces pigments sont des isoprénoïdes composés généralement de quarante atomes de carbone. Les carotènes sont des carotéinoïdes non oxygénés, tandis que les xanthophylles sont des pigments oxygénés.

Chez les plantes, seule la chlorophylle a est directement impliquée dans les réactions lumineuses. Les pigments restants n'absorbent pas directement l'énergie lumineuse, mais agissent comme des pigments accessoires en transmettant l'énergie captée de la lumière à la chlorophylle a. De cette façon, plus d'énergie est capturée que la chlorophylle seule ne pourrait en capter.

Photosynthèse

La photosynthèse est un processus biologique qui permet aux plantes, aux algues et à certaines bactéries de profiter de l'énergie provenant de la lumière du soleil. Grâce à ce processus, les plantes utilisent l'énergie lumineuse pour transformer le dioxyde de carbone atmosphérique et l'eau provenant du sol en glucose et en oxygène.

La lumière provoque une série complexe de réactions d'oxydation et de réduction qui permettent la transformation de l'énergie lumineuse en énergie chimique nécessaire pour compléter le processus de photosynthèse. Les photosystèmes sont les unités fonctionnelles de ce processus.

Composants des photosystèmes

Complexe d'antennes

Il est composé d'un grand nombre de pigments, dont des centaines de molécules de chlorophylle et encore plus de pigments accessoires, ainsi que des phycobilines. L'antenne complexe permet d'absorber une grande quantité d'énergie.

Il fonctionne comme un entonnoir ou comme une antenne (d'où son nom) qui capte l'énergie du soleil et la transforme en énergie chimique, qui est transférée au centre de réaction.

Grâce au transfert d'énergie, la chlorophylle, une molécule du centre de réaction, reçoit beaucoup plus d'énergie lumineuse qu'elle n'en aurait acquise seule. De plus, si la molécule de chlorophylle reçoit trop de lumière, elle pourrait s'oxyder et la plante mourrait.

Centre de réaction

C'est un complexe composé de molécules de chlorophylle a, une molécule connue sous le nom de récepteur d'électrons primaire et de nombreuses sous-unités protéiques qui les entourent.

Fonctionnement

Généralement, la molécule de chlorophylle présente dans le centre de réaction, et qui initie les réactions lumineuses de photosynthèse, ne reçoit pas directement les photons. Les pigments accessoires, ainsi que certaines molécules de chlorophylle a présentes dans le complexe d'antenne, reçoivent l'énergie lumineuse, mais ne l'utilisent pas directement.

Cette énergie absorbée par le complexe d'antenne est transférée à la chlorophylle a du centre de réaction. Chaque fois qu'une molécule de chlorophylle est activée, elle libère un électron excité qui est ensuite absorbé par le récepteur d'électrons primaire.

En conséquence, l'accepteur primaire est réduit, tandis que la chlorophylle a récupère son électron grâce à l'eau, qui agit comme le libérateur d'électrons final et l'oxygène est obtenu comme sous-produit.

Les types

Photosystème I

Il se trouve sur la surface externe de la membrane thylacoïde et contient une faible quantité de chlorophylle b, en plus de la chlorophylle a et des caroténoïdes.

La chlorophylle a dans le centre de réaction absorbe mieux les longueurs d'onde de 700 nanomètres (nm), c'est pourquoi elle est appelée P700 (pigment 700).

Dans le photosystème I, un groupe de protéines du groupe des ferrodoxines - le sulfure de fer - joue le rôle d'accepteurs d'électrons finaux.

Photosystème II

Il agit d'abord dans le processus de transformation de la lumière en photosynthèse, mais il a été découvert après le premier photosystème. Il se trouve sur la surface interne de la membrane thylacoïde et contient une plus grande quantité de chlorophylle b que le photosystème I. Il contient également de la chlorophylle a, des phycobilines et des xanthophylles.

Dans ce cas, la chlorophylle a au centre de réaction absorbe mieux la longueur d'onde de 680 nm (P680) et non la longueur d'onde de 700 nm comme dans le cas précédent. L'accepteur d'électrons final dans ce photosystème est une quinone.

Schéma du photosystème II. Tiré et édité de: Le travail original a été par Kaidor..

Relation entre les photosystèmes I et II

Le processus photosynthétique nécessite les deux photosystèmes. Le premier photosystème à agir est le II, qui absorbe la lumière et ainsi les électrons de la chlorophylle du centre de réaction sont excités et les accepteurs d'électrons primaires les capturent.

Les électrons excités par la lumière se déplacent vers le photosystème I à travers une chaîne de transport d'électrons située dans la membrane thylacoïdienne. Ce déplacement provoque une baisse d'énergie qui permet le transport des ions hydrogène (H +) à travers la membrane, vers la lumière des thylakoïdes.

Le transport des ions hydrogène fournit un différentiel d'énergie entre l'espace lumineux des thylacoïdes et le stroma chloroplastique, qui sert à générer de l'ATP.

La chlorophylle au centre de réaction du photosystème I reçoit l'électron provenant du photosystème II. L'électron peut continuer dans un transport cyclique d'électrons autour du photosystème I, ou être utilisé pour former du NADPH, qui est ensuite transporté vers le cycle de Calvin.

Références

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6. EM Yahia, A. Carrillo-López, GM Barrera, H. Suzán-Azpiri et MQ Bolaños (2019). Chapitre 3 - Photosynthèse. Physiologie et biochimie post-récolte des fruits et légumes.