Chlorophylle : définition, rôle et photosynthèse

La chlorophylle est nécessaire à la photosynthèse, qui permet aux plantes d'obtenir de l'énergie à partir de la lumière.

Les molécules de chlorophylle sont disposées dans et autour des membranes des chloroplastes. Elles remplissent deux fonctions principales. La fonction de la plupart des chlorophylles (jusqu'à plusieurs centaines de molécules par photosystème) est d'absorber la lumière et de transférer cette énergie lumineuse aux centres de réaction. Ces pigments sont nommés d'après la longueur d'onde (en nanomètres) de leur pic d'absorption maximale rouge. Ces pigments de chlorophylle peuvent être séparés dans une simple expérience de chromatographie sur papier.

La fonction du centre de réaction de la chlorophylle est d'utiliser l'énergie qui lui est transférée par les autres pigments de chlorophylle pour subir une réaction d'oxydoréduction spécifique. Dans cette réaction, la chlorophylle donne un électron à une chaîne de transport d'électrons. C'est par cette réaction que les organismes photosynthétiques tels que les plantes produisent du gaz O2, et c'est la source de pratiquement tout l'O2 présent dans l'atmosphère terrestre. Le Photosystème I fonctionne généralement en série avec le Photosystème II.

Le flux d'électrons produit par les pigments de chlorophylle du centre de réaction est utilisé pour faire naître des ions H+ à travers la membrane, établissant un potentiel chimiosmotique utilisé principalement pour produire de l'énergie chimique ATP ; et ces électrons finissent par réduire le NADP+ en NADPH, un réducteur universel utilisé pour réduire le _{CO2 en} sucres ainsi que pour d'autres réductions biosynthétiques.

On a découvert qu'une limace de mer verte, Elysia chlorotica, utilise la chlorophylle qu'elle a mangée pour effectuer sa propre photosynthèse. Ce processus est connu sous le nom de kleptoplastie, et aucun autre animal ne possède cette capacité.

Pourquoi le vert et non le noir ?

On ne sait toujours pas exactement pourquoi les plantes ont évolué pour devenir vertes. Les plantes vertes reflètent surtout la lumière verte et quasi-verte plutôt que de l'absorber. D'autres parties du système de photosynthèse permettent encore aux plantes vertes d'utiliser le spectre de la lumière verte (par exemple, grâce à une structure foliaire qui piège la lumière, aux caroténoïdes, etc.) Les plantes vertes n'utilisent pas une grande partie du spectre visible aussi efficacement que possible. Une plante noire peut absorber plus de rayonnement, ce qui peut être très utile, sans pour autant résoudre les problèmes d'évacuation de cette chaleur supplémentaire (par exemple, certaines plantes doivent fermer leurs ouvertures, appelées stomates, les jours de grande chaleur pour éviter de perdre trop d'eau). Plus précisément, la question devient de savoir pourquoi la seule molécule absorbant la lumière utilisée pour l'énergie dans les plantes est verte et non simplement noire.

Le biologiste John Berman a déclaré que l'évolution n'est pas un processus d'ingénierie, elle a donc souvent des limites qu'un ingénieur ou un autre concepteur n'a pas. Même si les feuilles noires étaient meilleures, les limites de l'évolution peuvent empêcher les espèces de devenir aussi efficaces que possible. Berman a écrit qu'il pourrait être très difficile d'obtenir des pigments qui fonctionnent mieux que la chlorophylle. En fait, on pense que toutes les plantes supérieures (embryophytes) ont évolué à partir d'un ancêtre commun qui est une sorte d'algue verte - la chlorophylle n'a donc évolué qu'une seule fois (ancêtre commun).

Shil DasSarma, généticien microbien à l'université du Maryland, a souligné que les espèces d'archées utilisent une autre molécule absorbant la lumière, la rétine, pour obtenir de l'énergie à partir du spectre vert. Certains scientifiques pensent que les archaebactéries absorbant la lumière verte étaient autrefois les plus communes dans l'environnement terrestre. Cela aurait pu laisser une "niche" ouverte aux organismes verts qui absorberaient les autres longueurs d'onde de la lumière du soleil. Ce n'est qu'une possibilité, et Berman a écrit que les scientifiques ne sont toujours pas convaincus d'une seule explication.

La chlorophylle est un pigment chloré, dont la structure est similaire à celle d'autres pigments porphyriniques tels que l'hème et qui est produit par la même voie métabolique. Au centre de l'anneau de chlore se trouve un ion de magnésium. Pour les structures décrites dans cet article, certains des ligands fixés au centre de Mg2+ sont omis pour des raisons de clarté. L'anneau de chlore peut avoir plusieurs chaînes latérales différentes, comprenant généralement une longue chaîne de phytols. Il existe quelques formes différentes dans la nature, mais la forme la plus répandue dans les plantes terrestres est la chlorophylle a. La structure générale de la chlorophylle a a été élaborée par Hans Fischer en 1940. En 1960, alors que la plupart des données stéréochimiques de la chlorophylle a étaient connues, Robert Burns Woodward a publié une synthèse totale de la molécule. En 1967, la dernière élucidation stéréochimique restante a été réalisée par Ian Fleming, et en 1990, Woodward et ses co-auteurs ont publié une synthèse actualisée. En 2010, un pigment photosynthétique à lumière proche de l'infrarouge appelé chlorophylle f pourrait avoir été découvert dans des cyanobactéries et d'autres micro-organismes oxygénés qui forment des stromatolites.

Les différentes structures de la chlorophylle sont résumées ci-dessous :

Les appareils de mesure de la teneur en chlorophylle mesurent l'absorption optique d'une feuille pour estimer sa teneur en chlorophylle. Les molécules de chlorophylle absorbent dans les bandes bleues et rouges, mais pas dans les bandes vertes et infrarouges. Les chlorophyllemètres mesurent l'absorption dans la bande rouge pour estimer la quantité de chlorophylle présente dans la feuille. Pour compenser les variations d'épaisseur des feuilles, les chlorophyllemètres mesurent également l'absorption dans la bande infrarouge, qui n'est pas affectée de manière significative par la chlorophylle.

La teneur en chlorophylle des feuilles peut être mesurée de manière non destructive à l'aide de compteurs manuels alimentés par des piles. Les mesures effectuées par ces appareils sont simples, rapides et relativement peu coûteuses. Ils ont maintenant une grande capacité de stockage de données, de calcul de moyenne et d'affichage graphique.

Spectrophotométrie

La mesure de l'absorption de la lumière est compliquée par le solvant utilisé pour l'extraire de la matière végétale, ce qui affecte les valeurs obtenues,

• Dans l'éther diéthylique, la chlorophylle a a des maxima d'absorbance approximatifs de 428 nm et 660 nm, tandis que la chlorophylle b a des maxima approximatifs de 453 nm et 642 nm.
• Le pic d'absorption de la chlorophylle a se situe à 666 nm.

Chez les angiospermes, la dernière étape de la synthèse de la chlorophylle est dépendante de la lumière. Ces plantes sont pâles (étiolées) si elles sont cultivées dans l'obscurité. Les plantes non vasculaires et les algues vertes possèdent une enzyme supplémentaire indépendante de la lumière et poussent plutôt en vert dans l'obscurité.

La chlorose est un état dans lequel les feuilles ne produisent pas assez de chlorophylle, de sorte qu'elles deviennent jaunes. La chlorose peut être causée par un manque de fer - appelé chlorose ferrique - ou par un manque de magnésium ou d'azote. Le pH du sol affecte parfois ce type de chlorose. De nombreuses plantes sont adaptées pour pousser dans des sols ayant des niveaux de pH spécifiques et leur capacité à absorber les nutriments du sol peut en dépendre. La chlorose peut également être causée par des agents pathogènes, notamment des virus, des bactéries et des infections fongiques, ou des insectes suceurs de sève.

• Xanthophylle