Nutrition des algues

Ce sont des végétaux photosynthétiques qui réalisent, en présence de lumière, la fabrication ou synthèse des substances organiques nécessaires à leur vie à partir de substances inorganiques prélevées dans le milieu comme l’eau, les sels minéraux et le dioxyde de carbone. Ces synthèses consomment de l’énergie fournie par la lumière solaire qui est captée par des pigments chlorophylliens portés par des organites, les plastes ou chromatophores. Les algues sont donc capables de se nourrir, contrairement aux animaux, à partir d’éléments inorganiques, on les dit autotrophes par photosynthèse . Certaines pourtant sont capables d'utiliser des matières organiques du milieu (on les dits hétérotrophes).

1. La photosynthèse associe dans les chloroplastes 2 sortes de réactions:

schéma nutritionCliquez !

-des réactions claires photochimiques qui permettent la conversion de l'énergie lumineuse en énergie chimique potentielle,
-des réactions sombres ou obscures qui utilisent l'énergie chimique pour réduire le dioxyde de carbone minéral en carbone organique.

1.1. Les réactions claires.

        1.1.1. Excitation des pigments photosynthétiques et libération d'électrons.

État excité de l'ion 
métallique de la molécule 
de chlorophylle a. 
C'est la porphyrine contenue 
dans le groupement porphyrique 
d' l molécule de chlorophylle a
centré sur un atome de magnésium, 
qui est sensible aux photons

Quand un photon lumineux est absorbé par une molécule de chlorophylle a, un électron est libéré; celui-ci change alors d'orbite en élevant son niveau d'énergie. La molécule de chlorophylle a qui est une "donneuse d'électrons" passe alors à l'état excité.  chlorophylle a ----->e-  (oxydation).

Mais cet électron instable revient à son état initial en libérant un photon de moindre énergie (responsable du phénomène de fluorescence de la chlorophylle).

Dans le chloroplaste d'une algue vivante, c'est différent, l'électron instable est piégé par un accepteur d'électrons qui est réduit:                 T+ + e- -------->T (réduction)

L'état excité se propage aux molécules voisines (les pigments surnuméraires comme les carotènes se contentant de transmettre l'énergie reçue).

Elles constituent une "antenne collectrice", située dans les membranes des thylakoïdes , qui récupèrent et transmettent les électrons au centre réactionnel du Photosystème II (PSII) (cf. schéma ci-dessus). 


L'ensemble des molécules de l'antenne réceptrice associées à des lipides (quinones) et des protéines  (ferrédoxine) constituent des photosystèmes qui sont des complexes membranaires; 2 photosystèmes I et II ont été isolés. 
PSI riche en chlorophylle a ou P700 qui absorbe dans le rouge (700 nanomètres) mais pas au-delà et  PSII riche en chlorophylle a ou P680 qui absorbe dans le rouge (680 nm) et le bleu (430 nm)

        1.1.2. Transit des électrons à travers les photosystèmes de la membrane des thylakoïdes des chloroplastes.

Le premier accepteur d'électrons les transfère le long du Photosystème II qui constitue une chaîne de réactions d'oxydo-réduction  (chaîne photosynthétique), puis le long du photosystème I jusqu'au dernier accepteur d'électrons qui est la molécule de NADP = Nicotamide adénine dinucléotide phosphate qui est alors réduite

NADP (forme oxydée) + 2H+ + 2e- -------->NADPH 2 (forme réduite)  (2)

       1.1.3. Régénération du donneur d'électrons et photolyse de l'eau.

Pour fonctionner à nouveau la molécule de chlorophylle a oxydée devra revenir à l'état réduit en empruntant l'électron perdu à un autre donneur d'électrons; c'est la molécule d'eau qui fournit cet électron en subissant une oxydation ou photolyse de l'eau.

H20-----> 2H+ + 1/2O2 + 2e - (1)

Conclusion: le dioxygène formé et rejeté par les stomates des végétaux chlorophylliens sous forme gazeuse est un déchet de la photosynthèse; il provient de la photolyse de l'eau dans les chloroplastes.

Les protons formés H+ s'accumulent dans la cavité des thylakoïdes et il se créé une différence de concentration ou gradient de protons entre la cavité des thylakoïdes et le stroma des chloroplastes.

      1.1.4. Établissement d'un flux de protons à travers une ATP synthétase (enzyme active au niveau des sphères pédonculées de la membrane du thylakoïde). Ainsi s'accumulent des protons H+ dans le stroma; ils serviront à la régénération de NADP.


NADPH2 (forme réduite)----> NADP (forme oxydée) + 2H+ + 2e-

         1.1.5. Photophosphorylation de l'ATP.

C'est la synthèse de l'Adénosine TriPhosphate à partir de l'Adénosine Diphosphorique et d'une molécule de phosphate inorganique Pi; l'énergie nécessaire à la formation d'ATP est fournie par les électrons à haute énergie qui quittent les centres réactionnels  (c'est une réaction endergonique qui consomme de l'énergie).

ADP + Pi + énergie -----> ATP (3)

L'ATP est une molécule faite de 3 constituants: une base azotée (adénine) + un sucre en C5 (ribose) + 3 groupements phosphates 
Cette molécule "riche en énergie" permet par hydrolyse la libération d'énergie ou par phosphorylation, la transformation de l'énergie lumineuse en énergie chimique potentielle; en définitive elle participe aux transferts d'énergie dans la cellule. 

Bilan.
La lumière provoque:
1. la photolyse de l'eau, source de protons et d'électrons  mais aussi du dioxygène libéré au cours de la photosynthèse (1)
2. le transfert des électrons le long d'une chaîne photosynthétique (2)
3. la formation et le maintien d'un flux de protons indispensable à la formation de molécules énergétiques (ATP) (3)

1.2. Les réactions sombres.

C'est la synthèse des molécules organiques à partir du CO2 (absorbé par l'algue) et d'H (fournit par les transporteurs d'hydrgène) au cours d'un cycle complexe de réactions couplées aux réactions de la phase claire; elle a lieu dans la matrice du chloroplaste et ne nécessite pas la présence de lumière.

        1.2.1.Formation d'acide phosphoglycérique


A partir du ribulose-diphosphate un sucre en C5 qui fixe une molécule de CO2 grâce à une carboxylase pour donner un composé à 6C qui fournit 2 molécules d'acide phosphoglycérique à 3C.


      1.2.2. Formation de triose-phosphate
(sucre à 3C)


 A partir de l'acide phosphoglycérique qui entre dans un cycle de réactions complexes au cours desquelles il est réduit par l'oxydation du transporteur d'électrons (NADPH2);  l'hydrolyse de l'ATP fournit l'énergie indispensable à cette synthèse qui n'exige pas la présence de lumière:

ATP  + H2O + enzyme ------->ADP + Pi + énergie

        1.2.3. Synthèse de nombreuses molécules organiques à partir du triose-phosphate:


 comme,

-des glucides à 5C ribose ou ribulose-diphosphate qui est régénéré au cours du cycle de Calvin
-des glucides en C6 comme le glucose ou le fructose précurseurs de de molécules essentielles comme l'amidon ou le saccharose
-des lipides (acides gras + glycérol)
-des acides aminés, des protides, des acides nucléiques..
L'ensemble de ces réactions (endergoniques) ou anabolisme consomme de l'énergie qui est fournie par l'ATP.