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Séance 4 - Photosynthèse et évolution atmosphérique Flashcards

1
Q

Quelle est l’équation globale de la respiration aérobie? Quelle est l’équation globale de la photosynthèse?

A

Respiration: C6H12O6 + 6O2 + 10NAD+ + 2FAD + 36 (ADP+Pi) -> 6CO2 + 6H2O + 36 ATP.
Photosynthèse: 6CO2 + 12H2O + 12 NADPH + 18 ATP -> C6H12O6 + 6O2 + 12NADP+ + 18 (ADP + Pi) + 6H2O.

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Q

À quoi sert la respiration aérobie?

A
  • Fournir de l’énergie (ATP) pour l’entretien et la croissance
  • Fournir des composés réducteurs (NADH2)
  • Fournir des intermédiares carbonés pour la croissance, l’entretien et plusieurs voies métaboliques.
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3
Q

À quoi sert la photosynthèse?

A
  • Produire des sucres
  • Utiliser la lumière pour éviter les dommages
  • Fournir du NADPH2 pour d’autres fonctions
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4
Q

Contrastez la respiration aérobie à la photosynthèse (strap in bois she’s a big one).

A

Cytosol:

  • La photosynthèse va transformer un triose-phosphate (3C) pour produire du glucose (6C).
  • La respiration va consommer du glucose (6C) pour faire du pyruvate (3C).

Organites:
1. Phase aqueuse:
-Cycle de Calvin (photosynthèse) vs. Cycle de Krebs (respiration):
>Cycle de Calvin se produit dans le stroma du chloroplaste et consome 1 CO2 pour faire un triose-phosphate (3C). Il y a oxydation du NADPH et consommation d’ATP.
>Cycle de Krebs se produit dans la matrice de la mitochondire et consomme un pyruvate (3C) pour faire 1 CO2. Il y a réduction du NAD+ et FAD et production d’un ATP.
2. Membranes internes:
-Dans les thylakoïdes du chloroplaste, il y a une chaîne de transport d’électrons pour la photolyse de l’eau pour produire de l’O2. Il y a également photophosphorylation à travers un gradient H+ trans-thylakoïde pour synthétiser de l’ATP.
-Dans la membrane interne de la mitochondrie, il y a une chaîne de transport d’électrons pour transférer des électrons vers de l’oxygène pour produire de l’eau. Il y a également phosphorylation à travers un gradien H+ trans-membrane interne active pour synthétiser de l’ATP.

Cofacteurs rédox:

  • Complexes de photosystèmes I et II: chlorophylle
  • Complexes de cytochromes: hème.
  • Présents dans les deux: protéines fer-soufre et quinones.
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5
Q

Quel est l’origine des chloroplastes?

A

Une origine endosymbiotique.

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6
Q

Décrivez la composition des chloroplastes.

A
  • Lipides (membranes)
  • Protéines (complex membranaires, solubles (stroma))
  • Amidon (grains)
  • Pigments (complexes membranaires (chlorophylle, caroténoïdes)).
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7
Q

Que sont les anthocyanes?

A

Ce sont des pigments hydrosolubles (bleus et rouges) qui s’accumulent dans la vacuole. Ils protègent contre la radiation UV et contre l’irradiance excessive.

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8
Q

Vrai ou Faux: Les anthocyanes ne contribuent pas à la photosynthèse.

A

Vrai.

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9
Q

Décrivez la première étape de la phase lumineuse de la photosynthèse, soit l’absorption de lumière.

A

a. Au niveau des antennes (chlorophylle a et caroténoïdes):
- Excitation d’un électron - transfert d’énergie par résonance
- Aucun transfert d’électron
- Grosseur variable des antennes (250-400 pigments)
b. au niveau du centre de réaction (chlorophylle a):
- séparation de charge: transfert d’un e- vers le 1e accepteur d’électrons.
c. Organisation en photosystèmes:
- Photosystème 1 (PSI): composé de LHCI et p700
- Photosystème 2 (PSII): composé de LHCII et p680.

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10
Q

Décrivez la deuxième étape de la phase lumineuse de la photosynthèse, soit le transfert d’électrons (schéma Z).

A
  • Va du PSII au PSII en passant par le complexe cytochrome b6/f
  • Les accepteurs d’électrons dans le PSII sont la phéophytine et la plastoquinone.
  • L’accepteur d’électron dans le cytochrome b6/f est l’hème.
  • Les accepteurs d’électrons dans le PSI sont A0 (chlorophylle modifiée), A1 (Phylloquinone), des protéines fer-soufre et finalement la ferrédoxine.
  • Transporteurs mobiles sont la plastoquinone (PQ) entre PSII et cyt b6/f, la plastocyanine entre le cyt b6/f et le PSI et la ferrédoxine entre le PSI et NADP réductase.
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11
Q

Parmis les trois transporteurs mobiles dans le transfert d’électrons entre les photosystèmes, lequel est hydrophobe?

A

La plastoquinone, qui se situe à l’intérieur de la membrane du PSII. Les autres sont hydrophiles: la plastocyanine est dans le lumen, et la ferrédoxine est dans le stroma.

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12
Q

Est-ce que la couleur des photons va influencer le transport des électrons?

A

Non. Cependant, plus un photon est énergétique, plus il va dégager de chaleur. Un photon bleu va donc dégager plus de chaleur qu’un photon rouge, par exemple.

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13
Q

Où se trouve les différent complexes du transport d’électrons dans les thylacoïdes?

A

PSII: Dans le grana
cytochrome b6/f: grana et thylacoïdes stromatiques
PSI: Thylacoïde stromatique
ATP synthase: Périphérie des grana et thylacoïdes stromatiques.

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14
Q

Que sont les avantages d’organiser les PSII en grana?

A
  • Concentration des pigments pour compenser la lenteur du transfert vers la plastoquinone
  • Séparation physique de PSII et PSI, évitant ainsi le transfer direct entre les deux sans passer par le transport des électrons.
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15
Q

Que sont les produits de la chaine de transport d’électrons?

A
  1. Production de NADPH:
    - 2é + H+ + NADP+ -> 1 NADPH
  2. Photolyse de l’eau et production d’O2:
    - 1H2O -> 2H+ + 2é (vers P680) + 1/2 O2
  3. Accumulation d’ions H+ dans le lumen:
    - via la photolyse de l’eau
    - via la plastoquinone (PQH2) et le cytochrombe b6/f (Cycle Q).
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16
Q

Pourquoi est-il nécessaire d’avoir deux photosystèmes?

A

Parce que l’électron initial, qui provient de l’eau, n’a pas assez d’énergie pour transformer 2NADP+ en 2NADPH.

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17
Q

Décrivez la 3ème étape de la phase lumineuse de la photosynthèse, soit la synthèse de l’ATP.

A

Via photophosphorylation:

  • Chaine de transport d’é- crée un gradient de pH (du lumen vers le stroma)
  • Le retour des H+ vers le stroma va libérer l’énergie nécessaire à faire tourner le complexe ATP synthéase (turbine à proton)
  • 1 tour de la turbine = 3ATP produit
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18
Q

Décrivez la phase sombre de la photosynthèse.

A 
On parle ici du cycle de Calvin:
1e étape:
-RUBP (5C) + CO2 -> 2 PGA (2 * 3C)
-catalysé par la RuBisCO.
2e étape:
-reconstituer les intermédiares (régénération éventuel du RUBP)
3e étape:
-Sortir un G3P (Triose-P) du cycle à tous les 3 tours -> synthèse des sucres ou de l'amidon.
19
Q

Décrivez la stoichiométrie de la photosynthèse. Comment les plantes vont-elles combler le déficit?

A

Cycle de Calvin: 2NADPH + 3ATP -> 1CO2
schéma Z (chaîne de transport): 8 photons -> 12H+ + 2NADPH
ATP synthase: 14H+ -> 3ATP
On a donc une stoichiométrie totale de 2NADPH + 3ATP + 8 photons + 14H+ -> 2NADPH + 3ATP + 1CO2 + 12H+. Il y a 2 H+ consommer qui ne sont pas régénérer. Pour combler ce déficit:
-1 photon additionnel à la PSI -> ferrédoxine
-ferrédoxine -> PQ
-PQ -> cyt b6/f ajoute 2H+ dans le lumen.
-Pour pouvoir supporter cette photophosphorylation, le ratio PSI/PSII va être de 1,25.

20
Q

Quel est le rendement quantique de la photosynthèse?

A

Il va y avoir 4 photons absorber par le PSII, 4 photons par le PSI et 1 autre par le PSI pour combler le déficit d’H+. En tout, le rendement va être de 9 photons pour 1 molécule de CO2.

21
Q

Comment la plante va-t-elle utilisé les sucres synthétisés lors de la photosynthèse (triose-P)?

A

Selon la disponibilité en phosphate dans le cytosol, la cellule va pouvoir faire 1 de 2 choses:
1. Exportation du triose-P et synthèse de saccharose dans le cytoplasme
OU
2. Exportation de triose-P et synthèse de saccharose dans le cytoplasme + synthèse d’amidon dans le chloroplaste à partir du triose-P non-exporté.

22
Q

Vrai ou Faux: La photosynthèse est apparu avant la respiration aérobie.

23
Q

Décrivez l’atmosphère de l’Archéen.

A
  • Anoxique (<1% O2)
  • CO2 (1000x plus présent)
  • H2, H2S (origine volcanique)
  • 40-85C
24
Q

Quel type de bactérie est la première à avoir eu les deux photosystèmes? Quels bactéries ont été les premiers avec PSI, et lesquels ont été les premiers avec PSII?

A

Les cyanobactéries ont été les premiers avec les deux photosystèmes.
PSI: Héliobactéries
PSII: Cloroflexaceae

25
Pourquoi une bactérie pourpre (donc une bactérie avec seulement PSII) sont-ils incapable de transférer leurs électrons à un récipient tel que le NADPH?
Parce que le PSII dans ses bactéries est cyclique. La lumière est la seule source d'énergie. Ils peuvent donc produire de l'ATP, mais pas convertir le NADPH en NADP+.
26
Vrai ou Faux: Le PSII est apparu avant le PSI.
Faux.
27
La RuBisCO a évolué dans un atmosphère anaérobie. Lorsque l'atmosphère est devenue aérobie, quel problème est apparu pour la RuBisCO?
La RuBisCO est extrêmement lente pour un enzyme. Cependant, le gros problème qui a exacerbé se problème est que la RuBisCO est capable de faire de la respiration aérobie en fixant de l'oxygène, ce qui est largement inutile.
28
Que sont les substrats possibles de la RuBisCO?
RuBP + CO2 -> carboxylation -> synthèse de triose-P. | RuBP + O2 -> oxygénation -> cycle de l'acide glycolique.
29
Si la RuBisCO se trompe et fixe un oxygène, que sera les conséquences sur le cycle de Calvin?
Le cycle de Calvin normalement requiert 2 molécules de PGA. Si la RuBisCO fixe un oxygène, seulement une molécule de PGA sera produite.
30
Comment la mitochondrie et le peroxysome vont-ils corriger l'erreur de la RuBisCO lorsqu'elle fixe de l'oxygène?
3 sites: 1. Le chloroplaste: -La fixation d'O2 par la RuBiSCO va mener à la création de phosphoglycolate, qui va devenir du glycolate (un composé toxique). Le glycolate va traverser dans le peroxysome. 2. Le peroxysome: -Va utiliser l'O2 pour transformer le glycolate en glyoxylate et du H2O2 (qui va être catalyser en H2O et 1/2 O2). Le glyoxylate, à son tour, va être transformer en glycine en utilisant du glutamae (qui va être réduit en a-Cétoglutarate). 3. La mitochondrie: -La Glycine, après une séries de réaction, va être transformer en sérine. Important à noter: il va ici y avoir consommation d'un CO2, ce qui est un gaspille, ainsi qu'une fixation d'électron sur un NAD+ qui va devenir un NADH. 2. Le peroxysome: -La sérine retourne dans le peroxysome, où elle va être transformer en hydroxypyruvate (tout en transformant un glyoxylate en glycine) et ensuite en glycérate, consommant un NADH qui va devenir un NAD+. Il n'y a donc aucun déficit de NAD+. 1. Le chloroplaste: -La glycérate retourne dans le chloroplaste, où elle va être transformer en PGA et retourner dans le cycle de Calvin. Important à noter, il y a ici consommation d'un ATP. En gros, la mitochondrie et le peroxysome vont consommer un CO2 et un ATP pour transformer le glycolate en PGA.
31
Quel est le principal facteur qui influence le taux de photorespiration?
Le rapport de CO2/O2 dissous. Plus le ratio de CO2/O2 est élevé (donc plus il y a de CO2), moins la rubisco va se tromper.
32
Que sont les éléments nécessaires à la concentration de CO2 chez les organismes unicellulaires?
- Pompes à CO2/HCO3- (requiert de l'énergie) pour concentrer le CO2 à l'intérieur de la cellule - Confinement de la Rubisco et de l'anhydrase carbonique dans un compartiment restreint - Cloisonnement du compartiment par une enveloppe étanche pour empêcher la rétrodiffusion du CO2.
33
Décrivez les caractéristiques des pyrénoïdes et des carboxysomes.
Carboxysome: -Présent chez les bactéries autotrophes -Enveloppe polyédrique de protéine qui renferme la rubisco et l'anhydrase carbonique (CA) et qui empêche la rétrodiffusion du CO2. Pyrénoïdes: -Compartiment restreint à l'intérieur du chloroplaste -Présent chez la plupart des lignées d'algues unicellulaires -Rubisco et CA concentrés au sein d'un enveloppe faite d'amidon -Se forment lorsque le CO2 est rare, et sous conditions de lumière.
34
Distinguez entre une coupe transversale d'une feuille d'une plante en C3 et d'une feuille d'une plante en C4.
C3: -Concentration des chloroplastes près de l'épiderme dans les cellules de mésophylle -Faisceau vasculaire n'est pas entouré de chloroplastes C4: -Le faisceau vasculaire est entouré de chloroplastes -Ces chloroplastes sont entourés de cellules appelées les cellules de la gaine fasciculaire -Entre les faisceaux, il y a des cellules de mésophylle -Le rubisco est dans les cellules de la gaine fasciculaire
35
Que sont les particularités des plantes en C4?
Physiologie: -présence du PEP carboxylase -Fixation du CO2 premièrement par la PEP carboxylase (dans les cellules de mésophylle), et ensuite par la rubisco (dans les cellules de gaine fasciculaire). 3 sous types: -Évolution parallèle de C4 -Principales différences: composés transportés entre mésophylle et gaine fasciculaire et l'enzyme qui décarboxylise et sa location.
36
Vrai ou Faux: L'évolution des plantes C4 a été très difficile évolutionnairement.
Faux: Tout les composants (PEP carboxylase, mésophylle, etc.) étaient tous présents avant l'évolution de C4. C'est pour cela qu'elle a apparu à plusieurs repirses.
37
Décrivez les étapes de la fixation de carbone dans une plante C4.
1. Décarboxylation: C4 (malate) -> CO2 + C3 (pyruvate) 2. Fixation du CO2 (rubisco): C5 (RuBP) +CO2 -> 2 * C3 (tripose-P) 3. Retour des pyruvates vers les cellules du mésophylle -> régénération du PEP (requiert 2 ATP)
38
Quand est-ce que la photosynthèse en C4 est elle plus avantageuse que la photosynthèse en C3? Quand est-elle moins avantageuse?
Vu la nécessité de photosynthèse et de fixation de CO2 dans la cellule de mésophylle, cette forme de photosynthèse est beaucoup moins avantageuse à l'ombre. Par contre, dans des bonnes conditions lumineuses, la concentration plus élevée de CO2 dans les cellules va être très avantageux - ils sont plus efficaces (donc un plus haut taux de photosynthèse) et ceci permet d'éliminer complètement la photorespiration.
39
D'où vient l'acide dans les plantes à métabolisme acide crassulacéen (CAM)?
Durant la nuit, ces plantes vont produire du malate qu'il vont stocker dans leurs vacuoles sous forme d'acide malique. Le jour, l'acide malique va être reconvertit en malate et éventuellement en CO2 pour la photosynthèse.
40
Que sont les particularités physiologiques des plantes CAM?
- Présence de PEP carboxylase - Stomates ouverts la nuit, fermés le jour - fixation du CO2 la nuit - Accumulation d'acide malique dans la vacuole la nuit - Diffusion de l'acide malique vers le cytoplasme le jour - Décarboxylation de l'acide malique en malate le jour - Fixation du CO2 le jour (rubisco)
41
Quel est l'avantage principal de la photosynthèse de type CAM?
Ça permet à la plante de fermer ses stomates durant le jour. Ces plantes sont quasiment tous des plantes désertiques, où il fait très chaud durant la journée. Ouvrir les stomates seulement durant la nuit permet de minimiser les pertes d'eau à cause de la chaleur extrême.
42
Qu'est-ce qui contrôle l'activité diurne du PEP-carboxylase dans les plantes CAM?
Le malate. La forme nocturne de PEP-carboxylase n'est pas affecté par le malate, mais la forme diurne du PEP-carboxylase est inhibé par la présence de malate. La présence de malate va activer la phosphatase, qui va phosphoryler le PEP nocturne en PEP diurne. Plus qu'il y a de malate (donc durant le jour quand l'acide malique se vide), moins il y aura de PEP-carboxylase actif.
43
Qu'est-ce qui explique que les plantes CAM ont un très faible ratio carbone interne:carbone ambient?
Le CO2 va être quasiment tout de suite consommé par les plantes CAM, ce qui explique pourquoi leur ratio ci/ca est très élevé. Le CO2 est donc consommé plus rapidement que le rubisco peut le fixer, ce qui explique l'élimination de photorespiration.
44
Vrai ou Faux: L'objectif de l'évolution des plantes CAM était d'éliminer la photorespiration.
Faux: C'était de pouvoir fermer leurs stomates le jour pour pouvoir éliminer les pertes d'eau.

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