Séance 4 - Photosynthèse et évolution atmosphérique

Question 1

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

Answer 1

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.

Question 2

À quoi sert la respiration aérobie?

Answer 2

• 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.

Question 3

À quoi sert la photosynthèse?

Answer 3

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

Question 4

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

Answer 4

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.

Question 5

Quel est l’origine des chloroplastes?

Answer 5

Une origine endosymbiotique.

Question 6

Décrivez la composition des chloroplastes.

Answer 6

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

Question 7

Que sont les anthocyanes?

Answer 7

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.

Question 8

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

Answer 8

Vrai.

Question 9

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

Answer 9

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.

Question 10

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

Answer 10

• 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.

Question 11

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

Answer 11

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.

Question 12

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

Answer 12

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.

Question 13

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

Answer 13

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

Question 14

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

Answer 14

• 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.

Question 15

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

Answer 15

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).

Question 16

Pourquoi est-il nécessaire d’avoir deux photosystèmes?

Answer 16

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

Question 17

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

Answer 17

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

Question 18

Décrivez la phase sombre de la photosynthèse.

Answer 18

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.

Question 19

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

Answer 19

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.

Question 20

Quel est le rendement quantique de la photosynthèse?

Answer 20

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.

Question 21

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

Answer 21

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.

Question 22

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

Answer 22

Vrai.

Question 23

Décrivez l’atmosphère de l’Archéen.

Answer 23

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

Question 24

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?

Answer 24

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

Question 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?

Answer 25

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+.

Question 26

Vrai ou Faux: Le PSII est apparu avant le PSI.

Answer 26

Faux.

Question 27

La RuBisCO a évolué dans un atmosphère anaérobie. Lorsque l’atmosphère est devenue aérobie, quel problème est apparu pour la RuBisCO?

Answer 27

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.

Question 28

Que sont les substrats possibles de la RuBisCO?

Answer 28

RuBP + CO2 -> carboxylation -> synthèse de triose-P.

RuBP + O2 -> oxygénation -> cycle de l’acide glycolique.

Question 29

Si la RuBisCO se trompe et fixe un oxygène, que sera les conséquences sur le cycle de Calvin?

Answer 29

Le cycle de Calvin normalement requiert 2 molécules de PGA. Si la RuBisCO fixe un oxygène, seulement une molécule de PGA sera produite.

Question 30

Comment la mitochondrie et le peroxysome vont-ils corriger l’erreur de la RuBisCO lorsqu’elle fixe de l’oxygène?

Answer 30

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.

Question 31

Quel est le principal facteur qui influence le taux de photorespiration?

Answer 31

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.

Question 32

Que sont les éléments nécessaires à la concentration de CO2 chez les organismes unicellulaires?

Answer 32

• 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.

Question 33

Décrivez les caractéristiques des pyrénoïdes et des carboxysomes.

Answer 33

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.

Question 34

Distinguez entre une coupe transversale d’une feuille d’une plante en C3 et d’une feuille d’une plante en C4.

Answer 34

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

Question 35

Que sont les particularités des plantes en C4?

Answer 35

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.

Question 36

Vrai ou Faux: L’évolution des plantes C4 a été très difficile évolutionnairement.

Answer 36

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.

Question 37

Décrivez les étapes de la fixation de carbone dans une plante C4.

Answer 37

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)

Question 38

Quand est-ce que la photosynthèse en C4 est elle plus avantageuse que la photosynthèse en C3? Quand est-elle moins avantageuse?

Answer 38

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.

Question 39

D’où vient l’acide dans les plantes à métabolisme acide crassulacéen (CAM)?

Answer 39

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.

Question 40

Que sont les particularités physiologiques des plantes CAM?

Answer 40

• 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)

Question 41

Quel est l’avantage principal de la photosynthèse de type CAM?

Answer 41

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.

Question 42

Qu’est-ce qui contrôle l’activité diurne du PEP-carboxylase dans les plantes CAM?

Answer 42

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.

Question 43

Qu’est-ce qui explique que les plantes CAM ont un très faible ratio carbone interne:carbone ambient?

Answer 43

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.

Question 44

Vrai ou Faux: L’objectif de l’évolution des plantes CAM était d’éliminer la photorespiration.

Answer 44

Faux: C’était de pouvoir fermer leurs stomates le jour pour pouvoir éliminer les pertes d’eau.