Les chlorophylles et l'absorption de la lumière
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1. Les chlorophylles

2. Spectres d'absorbance des chlorophylles

3. Rappel sur l'absorption de l'énergie d'un photon par la matière

4. Absorption de l'énergie lumineuse par les chlorophylles : l'excitation

 

5. Désactivation des chlorophylles

a. Emission de photons non utilisables pour la photosynthèse

b. Emission de photons utilisables pour la photosynthèse

6. Liens Internet et références bibliographiques

 

1. Les chlorophylles

Parmi les composants de la membrane thylacoïde des chloroplastes, on trouve divers pigments qui captent l'énergie lumineuse nécessaire à la photosynthèse.

Les chlorophylles sont les principaux pigments. Elles ont une orientation particulière dans la membrane thylacoïde du fait de leur liaison non-covalente aux protéines de cette membrane.

Leur biosynthèse commence à partir du glutamate.

La technique de chromatographie d'adsorption inventée par Mikhaïl Tswett (1872 - 1919) lui a permis de séparer la chlorophylle b de pigments d'épinard et de mettre en évidence six pigments différents.

Les chlorophylles possèdent toutes :

  • une même chaîne latérale phytol hydrophobe qui ancre la molécule à la membrane
  • un même anneau porphyrine hydrophile

Elles sont donc amphipathiques.

chlorophylle phytol porphyrine

Source : "Principes de Biochimie" Horton et al. (1994) - Ed. DeBoeck Université

Il existe quatre types de chlorophylle chez les organismes phototrophes.

Ils se distinguent par la nature chimique des chaînes latérales fixées à la partie centrale de la molécule (tableau ci-contre).

  • les chlorophylles a et b (Chla et Chlb) sont les types des plantes supérieures. La Chla est plus abondante que la Chlb.
  • les bactériochlorophylles a et b (BChla et BChlb) sont les types des bactéries photosynthétiques.

quatre types chlorophylle organisme phototrophe

L'anneau porphyrine ressemble à l'hème. Cependant, il contient du magnésium Mg2+.

L'hème est un groupe prosthètique des cytochromes, de l'hémoglobine et de la myoglobine. Il contient un atome de fer Fe2+ au sein d'un anneau porphyrine lié à 4 atomes d'azote.

anneau porphyrine heme

Source : "Electron Transfer Chain"

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2. Spectres d'absorbance des chlorophylles

La lumière est la partie visible du rayonnement électromagnétique, oscillation couplée du champ électrique et du champ magnétique qui se propage.

  • un rayonnement électromagnétique se caractérise par sa longueur d'onde λ ou sa fréquence ν, qui sont inversement proportionnelles : ν = c / λ
  • dans le vide, le rayonnement électromagnétique, et en particulier la lumière, se déplace à la vitesse : c = 299.792.458 m.s-1.
Les chlorophylles a et b absorbent la lumière de la région qui s'étend :
  • du violet au bleu : longueur d'onde d'absorbance entre 400 nm et 500 nm
  • de l'orange au rouge : longueur d'onde d'absorbance entre 650 nm et 700 nm

Cependant, leusr structures étant différentes, les chlorophylles ont des longueurs d'onde d'absorbance maximales distinctes.

Comme ni la chlorophylle a, ni la b n'absorbent la lumière verte et la lumière jaune, celà contribue à la couleur verte des plantes.

spectre absoprtion chlorophylle a b

Source : "Absorption Spectra of Chlorophyll a and Chlorophyll b"

Les membranes photosynthétiques contiennent d'autres pigments, en particulier :

Comme les chlorophylles, ces molécules possèdent une série de double liaison conjuguées qui leur permet d'absorber la lumière visible.

Leur pic d'absorbance sont complémentaires de ceux des chlorophylles.

spectre absorbance carotenoide phycobiline phycoerytthrine phycocyanine

Source : "Principes de Biochimie" Horton et al. (1994)

Ainsi l'ensemble des pigments absorbent une zone d'énergie radiante qui couvre tout le spectre visible.

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3. Rappel sur l'absorption de l'énergie d'un photon par la matière

Le photon est un concept utilisé pour représenter les interactions entre les rayonnement électromagnétique et la matière. Son énergie est : E = hc / λ = hν (h : constante de Planck)

Lors d'une interaction entre un photon et un atome, l'énergie totale du système (photon + atome) et la quantité de mouvement totale (photon + atome) sont conservées.

  • E01 = énergie de l'atome au repos dans l'état fondamental (avant interaction avec le photon)
  • E02 = énergie de l'atome au repos dans l'état excité (après interaction avec le photon)
  • ΔE12 = hν12 = E02 - E01 est l'énergie de la transition entre l'état excité et l'état fondamental

Il faut donc que : ΔE12 = Ephoton = hc / λ

Celà signifie que seuls les photons ayant une longeur d'onde donnée seront absorbés.

L'énergie d'un photon est exprimée en électron-volt (eV), soit l'énergie d'1 électron accéléré par un potentiel de 1 volt. Les photons de la lumière visible les plus énergétiques (violet) sont de 3 eV.


4. Absorption de l'énergie lumineuse par les chlorophylles : l'excitation

La chlorophylle peut adopter divers états d'excitation (parties A et B de la figure ci-dessous) :

  • 2 états singulets (spins électroniques parallèles)
  • 2 états triplets (spins électroniques antiparallèles)

Source : "Physiologie végétale" (1995) - Laval-Martin & Mazliak

état singulet triplet

En ordre d'énergie croissante par rapport à l'état fondamental, ces niveaux sont :

  • le premier état singulet excité
  • l'état triplet métastable
  • le second état singulet excité
  • l'état triplet excité

Les photons préférentiellement absorbés sont ceux qui créent de telles délocalisations des électrons de la chlorophylle. Le spectre d'absorption possède donc 4 pics.


5. Désactivation des chlorophylles

a. Emission de photons non utilisables pour la photosynthèse

La première transition du retour à l'état fondamental se fait sans émission de radiation. Elle a lieu si rapidement (10-14 s) que l'énergie ne peut être utilisée pour aucun processus. Elle est dissipée sous forme de chaleur.

Quand un électron d'une molécule de chlorophylle est dans l'état singulet excité, la désactivation de la molécule par retour de l'électron à l'état fondamental (10-15 s) peut s'effectuer selon plusieurs voies et par transition successives (parties C et D de la figure ci-dessus) :

  • chacune de ces transitions peut correspondre à l'émission d'un photon de longueur d'onde située dans l'infrarouge. Il s'agit d'une émission calorifique et non pas lumineuse.
  • la molécule peut aussi émettre un photon de fluorescence qui correspond à la région 720 nm du spectre dans le cas de la chlorophylle a.

b. Emission de photons utilisables pour la photosynthèse

A l'intérieur des complexes d'antenne photosynthétiques, où se trouve une forte densité de chlorophylle, l'énergie de désactivation se propage par résonance.

Ce phénomène de résonance perpétue l'énergie qui migre parmi les molécules de pigment jusqu'à ce qu'elle soit piégée par les pigments primaires constitués de chlorophylle a.

C'est seulement à partir du premier état singulet ou de l'état triplet métastable que le retour de l'électron à l'état fondamental peut fournir une énergie utilisable chimiquement, c'est-à-dire qui permet les réactions photochimiques de la photosynthèse (figure ci-dessous).

Ces réactions ne sont en effet possibles que si la différence d'énergie momentanément stabilisée dure plus de 15 10-9 s. Cette stabilisation s'opère par un mécanisme de séparation des charges positive et négative entre un donneur et un accepteur primaires d'électrons associés à la chlorophylle a du centre photochimique.

Source : "Physiologie végétale" (1995) - Laval-Martin & Mazliak

Emission de photons utilisables pour la photosynthese fluorescence

Voir une animation des différents modes de désactivation de la chlorophylle activée par un photon.

 

6. Liens Internet et références bibliographiques
"Principes de Biochimie" Horton, Moran, Ochs, Rawn et Scrimgeour (1994) - Ed. DeBoeck Universités - ISBN : 2-8041-1578-X
"Physiologie végétale" (1995) volume I - "Nutrition et métabolisme", Danielle Laval-Martin et Paul Mazliak, Collection "Méthodes", Hermann / ISBN : 2 7056 6253 7
"La Photosynthèse" - "Les pigments photosynthétiques" - Université Pierre et Marie Curie (Paris - Jussieu)

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"Photosynthesis"

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"Chloroplasts and Other Plastids"

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