Photosynthèse et fixation du carbone
La photosynthèse convertit l'énergie lumineuse en énergie chimique et l'utilise pour fixer le dioxyde de carbone atmosphérique en sucres, un processus dont dépendent presque toute la vie et l'atmosphère respirable.
Definition
La photosynthèse est la synthèse de composés organiques à partir de dioxyde de carbone et d'eau, entraînée par la lumière, et la fixation du carbone est l'incorporation du dioxyde de carbone inorganique dans des molécules organiques, principalement via le cycle de Calvin-Benson.
Scope
Ce sujet couvre les réactions lumineuses de la membrane des thylakoïdes (photosystèmes, transport d'électrons et synthèse d'ATP), le cycle de Calvin-Benson de fixation du carbone par la Rubisco, la photorespiration, ainsi que les adaptations C4 et CAM qui concentrent le dioxyde de carbone.
Core questions
- Comment les réactions lumineuses convertissent-elles la lumière en ATP et NADPH tout en libérant de l'oxygène ?
- Comment le cycle de Calvin-Benson fixe-t-il le dioxyde de carbone en glucides ?
- Pourquoi les mécanismes C4 et CAM ont-ils évolué pour surmonter les limitations de la Rubisco ?
Key theories
- Schéma en Z du transport photosynthétique d'électrons
- La lumière énergise les électrons à travers les photosystèmes II et I en série, scindant l'eau pour libérer de l'oxygène et générant le NADPH et le gradient de protons qui alimentent la synthèse d'ATP.
- Mécanismes de concentration du carbone
- Étant donné que la Rubisco réagit également avec l'oxygène, provoquant une photorespiration coûteuse, les plantes C4 et CAM concentrent spatialement ou temporellement le dioxyde de carbone autour de la Rubisco pour améliorer l'efficacité dans des conditions chaudes ou sèches.
Mechanisms
Dans la membrane des thylakoïdes, le photosystème II oxyde l'eau en oxygène et achemine les électrons via le complexe cytochrome b6f vers le photosystème I, qui réduit le NADP+ en NADPH ; le gradient de protons associé entraîne l'ATP synthase. Dans le stroma, la Rubisco fixe le dioxyde de carbone sur le ribulose-1,5-bisphosphate, et le cycle de Calvin-Benson réduit le produit en triose phosphate en utilisant l'ATP et le NADPH tout en régénérant l'accepteur. Les plantes C4 préfixent le dioxyde de carbone en acides à quatre carbones dans les cellules du mésophylle et le libèrent autour de la Rubisco dans les cellules de la gaine périvasculaire, tandis que les plantes CAM fixent le dioxyde de carbone la nuit, les deux mécanismes supprimant la photorespiration. La fluorescence de la chlorophylle fournit une sonde non invasive de ces réactions.
Clinical relevance
L'efficacité photosynthétique détermine le plafond de la productivité des cultures et de la biomasse, ce qui en fait une cible centrale pour l'amélioration de la sécurité alimentaire ; le processus régit également la quantité de dioxyde de carbone que la végétation retire de l'atmosphère, le reliant ainsi au climat.
History
Hill a montré que des chloroplastes isolés pouvaient dégager de l'oxygène, Calvin et Benson ont cartographié le cycle de fixation du carbone avec le carbone-14, et Hatch et Slack ont décrit la voie C4 dans les années 1960, complétant ainsi la vision moderne de la photosynthèse.
Key figures
- Melvin Calvin
- Andrew Benson
- Robert Hill
- Marshall Hatch
Related topics
Seminal works
- buchanan2015
- taiz2015
Frequently asked questions
- D'où provient l'oxygène libéré par les plantes ?
- L'oxygène provient de l'eau, que le photosystème II scinde pendant les réactions lumineuses ; l'oxygène libéré est un sous-produit, tandis que l'hydrogène et les électrons sont utilisés pour construire le NADPH.
- Pourquoi les plantes C4 sont-elles plus efficaces dans les climats chauds ?
- Les plantes C4 concentrent le dioxyde de carbone autour de la Rubisco, supprimant la réaction de fixation de l'oxygène (photorespiration) qui devient coûteuse à hautes températures, ce qui leur permet de photosynthétiser plus efficacement dans des conditions chaudes et lumineuses.