L'approvisionnement en matière organique

Résumé en cinq points

Notions et mécanismes

Décrire un type trophique

Trois questions suffisent à caractériser un organisme, et il faut les poser dans cet ordre.

D'où vient le carbone ? Du dioxyde de carbone, l'organisme est autotrophe au carbone. De molécules organiques prélevées dans le milieu, il est hétérotrophe.

D'où vient l'énergie ? De la lumière, l'organisme est phototrophe. De réactions chimiques, il est chimiotrophe.

D'où viennent les électrons nécessaires aux réductions ? D'un donneur minéral, l'organisme est lithotrophe. D'un donneur organique, il est organotrophe.

Les combinaisons donnent les types trophiques. Une cellule chlorophyllienne de Chlorophyte est photolithotrophe et autotrophe : son énergie vient de la lumière, ses électrons de l'eau, son carbone du dioxyde de carbone. Nitrobacter est chimiolithotrophe et autotrophe : son énergie vient de l'oxydation d'un composé minéral, ses électrons du même composé, son carbone du dioxyde de carbone. Une cellule animale est chimioorganotrophe et hétérotrophe.

Deux outils thermodynamiques

Une réaction d'oxydoréduction met en jeu deux couples. Les électrons vont spontanément du couple dont le potentiel d'oxydoréduction est le plus faible vers celui dont le potentiel est le plus élevé. La variation d'enthalpie libre est reliée à la différence de potentiel entre les deux couples, avec un signe opposé : plus l'écart de potentiel est grand dans le sens favorable, plus la variation d'enthalpie libre est négative, donc plus la réaction est exergonique.

La règle d'usage tient en deux phrases. Si les électrons vont d'un potentiel faible vers un potentiel élevé, le transfert est spontané et libère de l'énergie. Si l'on veut faire remonter des électrons vers un potentiel plus faible, il faut fournir de l'énergie.

C'est exactement le problème de la photosynthèse. Le couple dioxygène et eau a un potentiel très élevé, le couple qui permet de réduire le dioxyde de carbone a un potentiel bien plus faible. Arracher des électrons à l'eau pour les amener au niveau requis est donc fortement endergonique. L'énergie lumineuse est ce qui rend l'opération possible.

La phase photochimique

Elle se déroule dans la membrane des thylakoïdes du chloroplaste. Cette membrane contient des photosystèmes, complexes associant des pigments et des protéines, insérés dans une chaîne de transport d'électrons. Deux photosystèmes agissent en série. La structure fine des photosystèmes et la liste des transporteurs ne sont pas exigibles.

Le déroulement s'écrit en quatre temps.

Premier temps, la capture de l'énergie lumineuse. De nombreux pigments collecteurs absorbent des photons et transfèrent l'énergie d'excitation jusqu'à une paire de molécules de chlorophylle particulière située au centre du photosystème.

Deuxième temps, la séparation de charges. Le centre excité cède un électron à un accepteur voisin. Cet électron se trouve alors à un potentiel d'oxydoréduction beaucoup plus faible qu'avant l'excitation : l'énergie lumineuse a été convertie en énergie d'un électron, donc en énergie potentielle chimique. Le centre, appauvri en électron, devient un oxydant puissant.

Troisième temps, le remplacement de l'électron. Le premier photosystème est si oxydant qu'il peut prendre des électrons à l'eau. La molécule d'eau est alors oxydée, ou photolysée : elle libère des électrons, des protons dans le lumen du thylakoïde, et du dioxygène. Le dioxygène de l'atmosphère provient de cette réaction, et l'eau est bien le donneur d'électrons, ce qui justifie le terme lithotrophie.

Quatrième temps, le transfert le long de la chaîne. L'électron passe de transporteur en transporteur vers des potentiels croissants, ce qui libère de l'énergie. Une partie de cette énergie sert à transférer des protons du stroma vers le lumen du thylakoïde, contre leur gradient. Un second photosystème réexcite ensuite l'électron, qui aboutit à la réduction d'un coenzyme, produisant du pouvoir réducteur utilisable par le stroma.

Le résultat est une différence de potentiel électrochimique de protons de part et d'autre de la membrane du thylakoïde, avec le lumen plus acide que le stroma. Cette différence est une réserve d'énergie.

L'ATP synthase et le couplage osmochimique

L'ATP synthase est un complexe protéique enchâssé dans la membrane du thylakoïde. Elle comporte deux parties. Une partie membranaire constitue un passage pour les protons. Une partie saillante, du côté du stroma, porte les sites catalytiques de synthèse de l'ATP.

Le fonctionnement est le suivant. Les protons accumulés dans le lumen refluent vers le stroma à travers la partie membranaire, dans le sens de leur potentiel électrochimique décroissant, donc spontanément. Ce flux entraîne un mouvement mécanique de rotation de la partie membranaire, transmis à la partie catalytique. Les changements de conformation qui en résultent permettent la formation d'ATP à partir d'ADP et de phosphate.

On parle de couplage osmochimique : une énergie de nature osmotique, la différence de potentiel électrochimique de protons, est convertie en énergie chimique, la liaison de l'ATP. Le point remarquable, et celui que le programme demande de relier aux caractéristiques de l'enzyme, est que le passage des protons et la synthèse de l'ATP se font en deux endroits distincts de la protéine, reliés mécaniquement. Le fonctionnement des translocateurs de protons de la chaîne n'est pas attendu.

La phase photochimique fournit donc deux produits au stroma : de l'ATP et du pouvoir réducteur.

Le cycle de Calvin

Il se déroule dans le stroma du chloroplaste et n'utilise pas directement la lumière. Il utilise les deux produits de la phase photochimique. Il comporte trois étapes.

La carboxylation. Une molécule de dioxyde de carbone est fixée sur un sucre à cinq carbones phosphorylé, le ribulose 1,5-bisphosphate. La réaction est catalysée par la RubisCO. Le composé à six carbones obtenu est instable et se coupe aussitôt en deux molécules à trois carbones. C'est l'unique point d'entrée du carbone minéral.

La réduction. Ces composés à trois carbones sont d'abord phosphorylés en consommant de l'ATP, puis réduits en consommant le pouvoir réducteur. On obtient des trioses phosphates, premières vraies molécules organiques du cycle.

La régénération. La plus grande partie des trioses phosphates est utilisée, au prix d'une consommation supplémentaire d'ATP, pour reconstituer le ribulose 1,5-bisphosphate, ce qui permet au cycle de continuer. Seule une fraction quitte le cycle et constitue le gain net.

Le bilan est à savoir construire. Pour trois molécules de dioxyde de carbone fixées, il faut neuf molécules d'ATP et six molécules de coenzyme réduit, et l'on obtient un triose phosphate net. Pour synthétiser l'équivalent d'un hexose, il faut donc six tours, soit dix-huit ATP et douze coenzymes réduits. La proportion est frappante : l'essentiel du carbone traité sert à régénérer l'accepteur, et non à produire du gain.

La RubisCO

C'est une enzyme oligomérique à comportement michaelien, et l'enzyme la plus abondante de la biosphère. Elle possède deux activités sur un même site.

L'activité carboxylase fixe le dioxyde de carbone sur le ribulose 1,5-bisphosphate et alimente le cycle de Calvin.

L'activité oxygénase fixe à la place du dioxygène, ce qui engage le substrat dans la photorespiration. Cette voie consomme de l'énergie et libère du dioxyde de carbone, donc elle diminue le rendement de la photosynthèse. Ses étapes détaillées ne sont pas exigibles.

Les deux gaz entrent donc en compétition sur le même site. La proportion de chaque activité dépend des concentrations relatives des deux gaz dans le stroma. Lorsque les stomates se ferment, par exemple en cas de déficit hydrique, le dioxyde de carbone s'appauvrit et le dioxygène s'accumule dans la feuille, ce qui favorise l'activité oxygénase. On retrouve ici le compromis stomatique vu en nutrition des Angiospermes.

Nitrobacter, exemple de chimiolithotrophie

Nitrobacter est une bactérie nitratante. Elle oxyde l'ion nitrite en ion nitrate. Les électrons ainsi prélevés sur une molécule minérale sont transférés à une chaîne de transport d'électrons située dans sa membrane plasmique, et l'accepteur final est le dioxygène. L'énergie n'est donc pas d'origine lumineuse mais provient de la conversion d'une énergie potentielle chimique, ce qui définit la chimiotrophie, et les électrons proviennent d'un composé minéral, ce qui définit la lithotrophie.

Le transfert d'électrons libère de l'énergie, utilisée pour transférer des protons à travers la membrane plasmique. La différence de potentiel électrochimique de protons ainsi créée est convertie en ATP par une ATP synthase, exactement comme dans le thylakoïde. Le carbone provient du dioxyde de carbone, fixé par un cycle de Calvin, ce qui fait de Nitrobacter un organisme autotrophe.

La comparaison demandée avec le thylakoïde est fructueuse. Points communs : une chaîne de transport d'électrons membranaire, un transfert vers des potentiels croissants, la création d'une différence de potentiel électrochimique de protons, une ATP synthase réalisant le couplage osmochimique, et un cycle de Calvin en aval. Différences : la source d'énergie, lumineuse dans un cas, chimique dans l'autre, le donneur d'électrons, l'eau contre le nitrite, la localisation, membrane des thylakoïdes contre membrane plasmique, et le fait que la chaîne bactérienne ne comporte pas de photosystème et fonctionne sur un écart de potentiel beaucoup plus faible, donc avec un rendement énergétique modeste.

L'approvisionnement des cellules hétérotrophes

Les cellules hétérotrophes prélèvent directement la matière organique dans leur environnement. Le programme se limite à l'exemple du glucose chez les Mammifères et ne demande aucune connaissance supplémentaire par rapport aux chapitres sur les échanges membranaires et sur l'organisme animal.

La chaîne complète est à savoir dérouler. Les aliments sont ingérés et hydrolysés dans le tube digestif jusqu'à des nutriments absorbables. Le glucose franchit l'épithélium intestinal en traversant l'entérocyte, par un symport avec le sodium au pôle apical et un transporteur de type GLUT au pôle basolatéral. Il rejoint le sang, fluide circulant qui assure le transport entre les cellules de l'organisme. Il entre enfin dans les cellules consommatrices par des transporteurs membranaires, selon son gradient. Les échanges transmembranaires interviennent donc deux fois, au niveau de la surface d'échange avec le milieu et au niveau des cellules utilisatrices.

Exemples et ordres de grandeur

Le potentiel d'oxydoréduction du couple faisant intervenir le dioxygène et l'eau est nettement positif, de l'ordre de plus 0,8 volt dans les conditions biologiques standards. Celui du couple correspondant au pouvoir réducteur utilisé dans le stroma est franchement négatif, de l'ordre de moins 0,3 volt. L'écart de plus d'un volt à franchir en sens inverse mesure le coût de la photosynthèse, et c'est pourquoi il faut deux photosystèmes en série. Pour Nitrobacter, l'écart entre le couple du nitrate et du nitrite et celui du dioxygène est de l'ordre de quelques dixièmes de volt seulement, ce qui explique un rendement énergétique faible et la nécessité d'oxyder de grandes quantités de nitrite.

Le schéma de la chaîne photosynthétique à savoir construire. On trace la membrane du thylakoïde horizontalement, avec le lumen en bas et le stroma en haut. On place de gauche à droite le premier photosystème, un complexe intermédiaire, puis le second photosystème, reliés par des flèches figurant le cheminement des électrons. À gauche, sous le premier photosystème, on figure l'oxydation de l'eau avec la libération de dioxygène et de protons dans le lumen. Deux flèches verticales figurent l'absorption de photons par chaque photosystème. Des flèches verticales vers le bas figurent le transfert de protons du stroma vers le lumen. À droite, en haut, on figure la réduction du coenzyme dans le stroma. Enfin, à l'extrémité droite, on place l'ATP synthase avec une flèche de protons remontant du lumen vers le stroma et la synthèse d'ATP côté stroma. On annote les deux conversions d'énergie : lumineuse vers chimique au niveau des photosystèmes, osmotique vers chimique au niveau de l'ATP synthase.

Le schéma du cycle de Calvin à savoir construire. Un cercle portant trois étapes annotées carboxylation, réduction et régénération. Une flèche entrante pour le dioxyde de carbone au niveau de la carboxylation, l'enzyme RubisCO nommée à côté. Des flèches entrantes pour l'ATP et le coenzyme réduit aux étapes de réduction et de régénération, avec les flèches sortantes correspondantes. Une flèche sortante pour le triose phosphate, annotée gain net.

Méthodes et savoir-faire

Il faut savoir construire un bilan de matière et d'énergie du cycle de Calvin, c'est-à-dire compter séparément les carbones entrés, les carbones sortis, les ATP consommés et les coenzymes réduits consommés, pour un nombre de tours donné.

Il faut savoir schématiser l'organisation fonctionnelle de la chaîne photosynthétique et celle de la chaîne de transfert d'électrons de Nitrobacter, puis les comparer.

Il faut savoir expliquer le modèle de chacune de ces chaînes en utilisant les variations de potentiel d'oxydoréduction et d'enthalpie libre de réaction. Le raisonnement type consiste à placer chaque couple sur une échelle verticale de potentiels, à tracer le trajet des électrons et à annoter, pour chaque segment, si l'étape est spontanée ou si elle exige un apport d'énergie.

Il faut savoir relier le principe de la conversion d'énergie aux caractéristiques de l'ATP synthase, en insistant sur la séparation entre le site de passage des protons et le site catalytique.

Il faut savoir identifier un type trophique à partir de l'origine de l'énergie, de la nature du donneur d'électrons et de la source de carbone.

Il faut enfin savoir argumenter l'approvisionnement des cellules en matière organique chez un Mammifère, en prenant l'exemple du glucose.

Ce qu'il faut savoir mobiliser en colle et à l'écrit

1. Caractériser un type trophique avec les trois questions, énergie, donneur d'électrons, source de carbone, appliquées à une Chlorophyte, à Nitrobacter et à une cellule animale.
2. Expliquer pourquoi la photosynthèse exige de l'énergie lumineuse, à partir de la comparaison des potentiels d'oxydoréduction.
3. Décrire la séparation de charges dans un photosystème et identifier l'origine du dioxygène libéré.
4. Décrire le fonctionnement de l'ATP synthase et nommer le type de couplage réalisé.
5. Construire le bilan du cycle de Calvin pour trois tours puis pour la synthèse d'un hexose.
6. Expliquer la double activité de la RubisCO et relier la part de l'activité oxygénase à l'ouverture des stomates.
7. Comparer point par point le thylakoïde et la membrane plasmique d'une bactérie nitratante, en listant d'abord les points communs puis les différences.
8. Piège fréquent : dire que le cycle de Calvin est la phase sombre et qu'il se déroule la nuit. Il n'utilise pas directement la lumière mais dépend entièrement des produits de la phase photochimique, donc il s'arrête à l'obscurité.

Notions et mécanismes clés

• Autotrophie au carbone : la cellule fabrique sa matière organique en réduisant du dioxyde de carbone. Hétérotrophie : elle prélève cette matière toute faite dans son milieu.
• Pouvoir réducteur : des électrons portés par un coenzyme réduit à bas potentiel. Chez les Chlorophytes, c'est le NADPH dans le stroma. Il sert aux réductions de biosynthèse.
• Potentiel standard apparent E'° : il mesure la tendance d'un couple à capter des électrons à pH 7. Plus il est élevé, plus l'oxydant du couple est fort.
• Relation fondamentale : ΔrG'° = −n F ΔE'°. Ici n est le nombre d'électrons transférés, F vaut environ 96 500 C par mole, et ΔE'° est égal à E'° de l'accepteur moins E'° du donneur.
• Réaction spontanée : ΔE'° est positif et ΔrG'° est négatif. Réaction impossible sans apport d'énergie : ΔE'° est négatif.
• Photosystème : un ensemble de pigments collecteurs et un centre réactionnel. Le centre réalise la séparation de charges, c'est-à-dire la conversion d'énergie lumineuse en énergie d'oxydoréduction.
• Photosystème II : il agit en premier le long de la chaîne, malgré son numéro. Il oxyde l'eau. Photosystème I : il agit en second et réduit le NADP+.
• Photolyse de l'eau : 2 H₂O donnent O₂, 4 H+ et 4 électrons. Les protons sont libérés dans le lumen.
• Force proton-motrice : l'énergie stockée sous forme de différence de potentiel électrochimique de protons. Elle a deux composantes, la différence de pH et la différence de potentiel électrique.
• Couplage osmochimique, ou chimiosmotique : une énergie de gradient est convertie en énergie chimique par l'ATP synthase.
• ATP synthase : une partie membranaire forme le canal à protons et un rotor. Une partie saillante porte trois sites catalytiques. Ces sites passent successivement par trois conformations, qui fixent l'ADP et le phosphate, forment l'ATP, puis le libèrent.
• Cycle de Calvin : carboxylation, réduction, régénération. Il consomme 3 ATP et 2 NADPH par CO₂ fixé.
• RubisCO : enzyme oligomérique à grandes et petites sous-unités. Elle a une double activité, carboxylase et oxygénase, sur le même site. Son efficacité catalytique est faible, d'où son abondance.
• Photorespiration : elle est engagée par l'activité oxygénase et fait perdre du carbone fixé. Son détail n'est pas exigible.
• Chimiolithotrophie de Nitrobacter : NO₂⁻ + H₂O donnent NO₃⁻, 2 H+ et 2 électrons. L'accepteur final est le dioxygène.
• Transfert inverse d'électrons : chez Nitrobacter, une partie des électrons du nitrite est remontée vers le NAD+, à potentiel plus faible. L'opération consomme l'énergie du gradient de protons.
• Glucose chez un Mammifère : symport avec le sodium au pôle apical de l'entérocyte, transporteur GLUT en diffusion facilitée au pôle basolatéral, transport par le sang, entrée dans les cellules consommatrices par des GLUT.

Chaînes de raisonnement

Pourquoi la lumière est indispensable. L'eau est un donneur d'électrons très médiocre, car le couple O₂/H₂O est à environ +0,82 V. Le NADP+ est un accepteur à environ −0,32 V. Le transfert direct aurait un ΔE'° de −1,14 V, donc un ΔrG'° positif d'environ 220 kJ par paire d'électrons. Seule une source extérieure d'énergie peut forcer ce trajet ascendant, et c'est le rôle des photons absorbés par les photosystèmes.

Pourquoi deux photosystèmes en série. Un photon rouge apporte environ 1,8 eV par électron, soit environ 175 kJ par mole de photons. Une part importante de cette énergie est perdue pour stabiliser la séparation de charges, si bien qu'un seul centre réactionnel ne suffit pas à couvrir à la fois l'écart de plus d'un volt et la synthèse d'ATP. En plaçant deux centres réactionnels en série, on excite chaque électron deux fois. La descente intermédiaire, spontanée, entre les deux photosystèmes est justement exploitée pour transférer des protons vers le lumen.

Des électrons au gradient, du gradient à l'ATP. Chaque étape de transfert vers un potentiel plus élevé libère de l'énergie. Une partie de cette énergie sert à accumuler des protons dans le lumen, où ils s'ajoutent à ceux de la photolyse. Le retour spontané des protons à travers l'ATP synthase fait tourner le rotor, et cette rotation impose aux sites catalytiques les changements de conformation qui produisent l'ATP.

Pourquoi le cycle de Calvin s'arrête à l'obscurité. Sans lumière, ni ATP ni NADPH ne sont produits, donc les étapes de réduction et de régénération sont bloquées. De plus, à la lumière, le stroma devient plus basique et plus riche en ions magnésium, ce qui active la RubisCO et plusieurs enzymes du cycle. À l'obscurité, le cycle cesse en quelques secondes à quelques minutes.

Pourquoi Nitrobacter pousse lentement. Le couple NO₃⁻/NO₂⁻ est à environ +0,42 V. L'écart avec le dioxygène n'est que de 0,4 V, soit environ −77 kJ par mole de nitrite oxydé, ce qui ne permet de former qu'un à deux ATP au plus dans les conditions cellulaires. En outre, le nitrite ne peut pas réduire directement le NAD+, donc une partie du gradient est dépensée en transfert inverse. Il faut oxyder des quantités énormes de nitrite pour fixer peu de carbone.

Pourquoi la fermeture des stomates coûte du carbone. La fermeture des stomates limite l'entrée de CO₂, alors que la photolyse continue de produire du dioxygène. Le rapport CO₂ sur O₂ baisse dans le stroma, donc l'activité oxygénase de la RubisCO augmente. La photorespiration relâche du CO₂ déjà fixé et consomme de l'ATP, ce qui diminue le gain net.

Exemples et références à connaître

1. Ordres de grandeur des potentiels standard apparents : O₂/H₂O vaut environ +0,82 V, NO₃⁻/NO₂⁻ environ +0,42 V, NADP+/NADPH et NAD+/NADH environ −0,32 V. L'hydrolyse de l'ATP libère environ −30 kJ par mole dans les conditions standard, et nettement plus en conditions cellulaires.
2. Expérience de Hill, années 1930. Des chloroplastes isolés, éclairés en présence d'un accepteur artificiel d'électrons, dégagent du dioxygène sans CO₂. Elle montre que la production de dioxygène et la fixation du carbone sont dissociables.
3. Marquage isotopique à l'oxygène 18, Ruben et Kamen, vers 1940. Seule l'eau marquée donne du dioxygène marqué, donc le dioxygène provient de l'eau et non du CO₂.
4. Expériences de Calvin et Benson sur la Chlorelle, une Chlorophyte, avec du carbone 14. Après quelques secondes d'exposition, la radioactivité est surtout dans le 3-phosphoglycérate, premier produit stable de la fixation.
5. Expérience de Jagendorf, années 1960. Des thylakoïdes équilibrés à pH 4 puis transférés brusquement à pH 8 avec de l'ADP et du phosphate produisent de l'ATP à l'obscurité. Elle apporte une preuve forte de l'hypothèse chimiosmotique de Mitchell.
6. Effet Emerson. Le rendement photosynthétique chute pour une lumière de longueur d'onde supérieure à 680 nm environ, et il est restauré si l'on ajoute une lumière de plus courte longueur d'onde. C'est l'argument historique en faveur de deux photosystèmes.
7. Visualisation de la rotation de l'ATP synthase, fin des années 1990. Un filament fixé sur le rotor d'une enzyme isolée tourne lorsque l'enzyme hydrolyse de l'ATP. La rotation est ainsi démontrée directement.
8. Bilan global de la photosynthèse. Environ 48 photons sont nécessaires par hexose, ce qui donne un rendement théorique de conversion de l'énergie lumineuse absorbée voisin d'un tiers. Au champ, le rendement réel est de quelques pour cent au plus.
9. Nitrobacter et Nitrosomonas assurent ensemble la nitrification des sols. Winogradsky a découvert la chimiolithotrophie sur ces bactéries à la fin du dix-neuvième siècle. C'est le lien exigible avec le cycle de l'azote.

Techniques

Calcul énergétique à partir des potentiels

La méthode suit trois temps. On écrit les deux demi-équations en identifiant le donneur et l'accepteur. On calcule ΔE'° comme le potentiel de l'accepteur moins celui du donneur, sans jamais inverser. On applique ΔrG'° = −n F ΔE'° et on conclut sur la spontanéité.

Mini-exemple. On veut savoir si le nitrite peut réduire le NAD+. L'accepteur est le NAD+ à −0,32 V et le donneur est le nitrite à +0,42 V, donc ΔE'° vaut −0,74 V. Pour deux électrons, ΔrG'° = −2 × 96 500 × (−0,74), soit environ +143 kJ par mole. La réaction est impossible spontanément, d'où la nécessité du transfert inverse.

Le diagramme en Z

On trace un axe vertical de potentiel, orienté vers le bas pour les valeurs positives, comme dans la convention usuelle. L'eau est placée en bas, à +0,82 V, et le NADP+ en haut, à −0,32 V. On dessine deux flèches ascendantes pour les deux excitations lumineuses et des segments descendants pour les transferts spontanés. On annote une descente « transfert de protons vers le lumen ». Le correcteur vérifie que chaque montée est associée à un photon.

Analyse d'une expérience de transition

C'est le réflexe devant une cinétique. Si l'on bloque l'étape qui consomme un composé, ce composé s'accumule. Si l'on bloque celle qui le produit, il s'épuise.

Mini-exemple. On coupe le CO₂. Le RuBP n'est plus consommé mais il est encore régénéré, donc il s'accumule, tandis que le 3-phosphoglycérate chute. On en conclut que la carboxylation consomme le RuBP et produit le 3-phosphoglycérate.

Plan de synthèse

Le gabarit conseillé suit le trajet de l'énergie : capter, convertir, utiliser. On évite le plan « phase claire, phase sombre », qui véhicule une erreur. Chaque partie se termine par une phrase de bilan énergétique.

Sujets classiques traités

Choisis ton niveau. Difficulté indicative ; les exercices qui se suivent restent dans l'ordre.

Erreurs fréquentes