Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire la structure du chloroplaste et à expliquer comment le chloroplaste est adapté à sa fonction.
Les plantes sont des organismes multicellulaires qui, comme les humains, ont besoin de se nourrir pour rester en vie et fonctionner. Contrairement aux humains, les plantes ne possèdent pas de système digestif spécialisé pour absorber et assimiler les nutriments d’origine alimentaire. Étonnamment, au cours de l’évolution, les plantes ont résolu ce problème en fabriquant leur propre nourriture ! Elles effectuent ce processus, connu sous le nom de photosynthèse, dans des structures cellulaires spécialisées appelées chloroplastes. La micrographie ci-dessous montre les chloroplastes dans les cellules végétales.
Définition: Photosynthèse
La photosynthèse est le processus par lequel les plantes vertes convertissent le dioxyde de carbone et l’eau en sucres, tels que le glucose, et en oxygène, en présence de la lumière du soleil.
Regardons la photosynthèse plus en détail.
Lorsque les plantes réalisent la photosynthèse, elles absorbent le dioxyde de carbone et l’eau et les transforment en sucres, principalement le glucose, et en oxygène, en utilisant de l’énergie lumineuse. Cette énergie lumineuse peut provenir de la lumière naturelle ou d’une lumière artificielle, comme une lampe. Ce processus se déroule principalement dans les feuilles, car c’est là que se trouvent la majorité des chloroplastes, mais les tissus parenchymateux des tiges de plantes peuvent également contenir des chloroplastes pour effectuer une petite quantité de photosynthèse.
Équation: Photosynthèse
La photosynthèse procure des avantages majeurs à la plante. Le glucose produit est un sucre et agit comme une source d’alimentation pour la plante, lui permettant de se développer, de se reproduire et de mener à bien d’autres processus vitaux. L’un des processus vitaux est la respiration cellulaire, qui décompose le glucose pour produire de l’énergie. La respiration cellulaire utilise de l’oxygène, de sorte qu’une partie de l’oxygène produit par la photosynthèse peut être réutilisé dans ce processus.
Définition: Respiration cellulaire
La respiration cellulaire est un processus chez les organismes vivants par lequel des composés contenant du carbone (tels que le glucose) sont décomposés pour produire de l’énergie sous forme d’ATP.
La figure 2 montre un schéma de base des principaux organites contenus dans une cellule végétale. Un chloroplaste est mis en évidence. Une cellule végétale contient généralement plusieurs chloroplastes, qui peuvent se compter par centaines !
La figure 3 montre la structure d’un chloroplaste individuel plus en détail. Les chloroplastes sont des exemples d’organites entourés d’une double membrane, avec un espace intermembranaire entre les deux couches. Cette double membrane ne fait qu’environ 10 nanomètres d’épaisseur, soit 0,0000001 centimètre.
À l’intérieur du chloroplaste se trouve une matrice fluide appelée stroma. Le stroma contient de nombreuses enzymes, ainsi que l’ADN du chloroplaste et des ribosomes. Il contient également des grains d’amidon, qui constituent des réserves insolubles de glucose. Lorsque la plante en a besoin, ces grains sont reconvertis en glucose, un sucre soluble, qui est transféré dans la plante pour être utilisé lors de la respiration cellulaire. Des structures en forme de disque appelées thylakoïdes sont en suspension dans le stroma. Ces thylakoïdes forment des piles d’environ 15 disques ou plus. Une pile de thylakoïdes représente un granum, dont le pluriel est grana. Ces grana sont reliés entre eux par de minces replis membraneux appelés lamelles, qui aident à augmenter la surface disponible pour capter l’énergie lumineuse. À l’intérieur de chaque thylakoïde se trouve un espace aqueux appelé le lumen.
Les chloroplastes sont des organites assez uniques. Nous avons déjà mentionné que, contrairement à la plupart des autres organites, ils possèdent leurs propres ADN et ribosomes. Ils sont également entourés d’une double membrane. Ces caractéristiques ressemblent à celles de certaines bactéries. De ce fait, les scientifiques pensaient que les chloroplastes étaient autrefois des organismes procaryotes distincts qui ont formé une relation symbiotique avec les cellules des plantes. Ils ont ensuite été incorporés dans les cellules de ces plantes ancestrales et ont finalement évolué pour donner les cellules végétales que nous connaissons aujourd'hui ! Cette théorie est également valable pour les mitochondries dans les cellules végétales et animales, car elles contiennent toujours leurs propres ADN et ribosomes et sont entourées d’une double membrane.
Exemple 1: Rappeler les structures contenues dans un chloroplaste
Laquelle des affirmations suivantes fait correctement le lien entre les grana et les thylakoïdes ?
- Les structures en forme de disque appelées thylakoïdes forment des piles appelées grana.
- Les grana circulaires se rassemblent en piles pour former un seul thylakoïde.
- Une seule cellule thylakoïde est formée de plusieurs composants de grana.
Réponse
Les chloroplastes sont les organites au sein des cellules végétales qui agissent comme le site de la photosynthèse. Il existe plusieurs structures spécialisées dans un chloroplaste qui lui permettent de remplir cette fonction. Regardons-les à l’aide de la figure ci-dessous :
Comme nous pouvons le voir sur la figure, les thylakoïdes sont des structures en forme de disque et en suspension dans la matrice du stroma. Ces thylakoïdes ont une grande superficie, ce qui les aide à capter la lumière du soleil pour effectuer la photosynthèse. Plusieurs thylakoïdes disposés en piles sont appelés grana (granum au singulier).
Par conséquent, l’affirmation qui relie correctement les grana aux thylakoïdes est que les structures en forme de disque appelées thylakoïdes forment des piles appelées grana.
Regardons plus en détail les fonctions de chacune des structures spécialisées dans un chloroplaste.
Le rôle principal du chloroplaste est d’agir en tant que site de la photosynthèse dans une cellule végétale. Pour ce faire, il doit être capable d’absorber l’énergie lumineuse. Les pigments sont des molécules qui absorbent certaines longueurs d’onde de la lumière et réfléchissent les autres. Les membranes des thylakoïdes du chloroplaste contiennent des pigments spécialisés, appelés chlorophylles, qui sont capables d’absorber cette énergie et de l’utiliser dans la photosynthèse. La chlorophylle se trouve généralement dans les plantes sous deux formes, la chlorophylle A et la chlorophylle B. La figure 4 montre que le pigment chlorophylle A absorbe les longueurs d'onde de la lumière rouge, orange, bleue et la plupart des longueurs d'onde du jaune, mais absorbe beaucoup moins bien les longueurs d'onde du vert. C’est pour cela que beaucoup de feuilles qui contiennent de la chlorophylle apparaissent vertes à l’œil humain.
Mot clé: Pigment
Les pigments sont des molécules qui absorbent des longueurs d’onde spécifiques de la lumière et réfléchissent les autres.
Définition: Chlorophylle
La chlorophylle est une classe de pigments verts situés dans les chloroplastes des plantes qui absorbe l’énergie lumineuse nécessaire à la photosynthèse.
Les organites contenant des pigments sont appelés plastides. En raison de leur aspect, les chloroplastes sont également appelés plastides verts.
Exemple 2: Expliquer comment les thylakoïdes sont adaptés à leur fonction
Comment les thylakoïdes sont-ils adaptés à leur fonction ?
- Les thylakoïdes contiennent des pigments photosynthétiques à l’intérieur de leur membrane pour absorber la lumière.
- Les thylakoïdes ont un faible rapport surface-volume, de sorte que les réactions se produisent plus rapidement.
- Les thylakoïdes ont une double membrane qui leur permet de contrôler ce qui entre et sort du chloroplaste.
- Les thylakoïdes contiennent des enzymes spécialisées qui effectuent le processus de la respiration.
Réponse
Les thylakoïdes sont des structures en forme de disque contenues dans les chloroplastes des cellules végétales. Les thylakoïdes forment des piles, appelées grana, dont la fonction est d’aider le chloroplaste à effectuer la photosynthèse.
Les thylakoïdes sont principalement adaptés pour aider à la fonction du chloroplaste en contenant des pigments photosynthétiques à l’intérieur de leurs membranes. Ces pigments photosynthétiques, qui sont généralement la chlorophylle chez les plantes terrestres vasculaires ou à fleurs, absorbent la lumière solaire disponible et la transfèrent aux sites où l’énergie est utilisée pour effectuer des réactions photosynthétiques.
En regardant nos options, on dirait que l’option A est la bonne réponse. Cependant, vérifions cela en éliminant les autres choix.
L’option B n’est pas correcte, car la structure en forme de disque des thylakoïdes leur fournit en réalité un grand rapport surface-volume. Cela leur permet également de contenir davantage de pigments, ce qui augmente le taux de réactions photosynthétiques. L’option C est également fausse car les thylakoïdes n’ont pas de double membrane et ne contrôlent pas non plus ce qui entre ou sort du chloroplaste. C’est la fonction de la membrane du chloroplaste. L’option D est également incorrecte, car bien que les thylakoïdes puissent contenir des enzymes spécialisées, celles-ci servent au processus de photosynthèse, et non à la respiration. La respiration est réalisée par un autre organite, la mitochondrie.
Par conséquent, les thylakoïdes sont adaptés à leur fonction car ils contiennent des pigments photosynthétiques à l’intérieur de leur membrane pour absorber la lumière.
La chlorophylle a une structure très complexe. La figure 5 montre la structure moléculaire de la chlorophylle A, dont la formule est la suivante . L’ion magnésium central est considéré comme indispensable à l’absorption de la lumière par le pigment. Il est intéressant de noter que, comme on peut le voir dans la figure 5, la chlorophylle a une structure très similaire au groupe hème présent dans l'hémoglobine des globules rouges des animaux !
La chlorophylle n’est pas le seul pigment contenu dans un chloroplaste. Les plantes peuvent aussi contenir d’autres pigments photosynthétiques, tels que la xanthophylle et le bêta-carotène, qui sont responsables des couleurs jaune, orange ou rougeâtre des structures végétales. Ces pigments ne sont pas aussi courants ou abondants que les pigments de la chlorophylle, ce qui explique pourquoi la majorité des feuilles des plantes sont vertes.
Dans les membranes des thylakoïdes, les pigments comme la chlorophylle sont contenus dans les photosystèmes. La figure 6 montre un schéma simplifié d’un photosystème. La fonction principale de ces structures est d’absorber et d’utiliser la lumière solaire pour la première étape de la photosynthèse, appelée étape dépendante de la lumière. Cette étape se compose d’une série de réactions qui absorbent l’énergie lumineuse pour dissocier l’eau afin de générer de l’énergie chimique sous la forme d’ATP.
La deuxième étape de la photosynthèse, l’étape indépendante de la lumière (ou cycle de Calvin), est réalisée dans le stroma des chloroplastes. Le stroma est bien adapté à cela, car il contient les enzymes nécessaires aux réactions chimiques impliquées dans la phase indépendante de la lumière.
Exemple 3: Rappeler l'emplacement des réactions dépendantes et indépendantes de la lumière dans le chloroplaste
Lequel des tableaux suivants fait correspondre correctement les structures du chloroplaste à la réaction photosynthétique qui se produit dans chacune d’elles ?
Structure stroma lamelles Réaction réaction dépendante de la lumière réaction indépendante de la lumière Structure membrane interne membrane externe Réaction réaction dépendante de la lumière réaction indépendante de la lumière Structure enveloppe du chloroplaste stroma Réaction réaction dépendante de la lumière réaction indépendante de la lumière Structure thylakoïde stroma Réaction réaction dépendante de la lumière réaction indépendante de la lumière
Réponse
Les chloroplastes sont des organites spécialisés au sein des cellules végétales qui ont pour fonction principale de réaliser la photosynthèse. Ils ont de multiples adaptations qui leur permettent de le faire, comme contenir des photosystèmes spécialisés pour capter la lumière ou posséder des enzymes qui catalysent les réactions photosynthétiques.
Il y a deux étapes majeures de la photosynthèse : celle dépendante de la lumière et celle indépendante de la lumière (également connue sous le nom de cycle de Calvin).
Le stade dépendant de la lumière, comme son nom l’indique, nécessite l'énergie lumineuse pour se dérouler. Les thylakoïdes des chloroplastes contiennent à l’intérieur de leurs membranes des structures spécialisées qui sont adaptées à l’absorption de la lumière, appelées photosystèmes. Par conséquent, le stade dépendant de la lumière se situe principalement à l’intérieur du thylakoïde, dans les membranes du thylakoïde.
Le stade indépendant de la lumière a lieu après le stade dépendant de la lumière, car il utilise certains des produits formés. Ce stade nécessite des enzymes et des coenzymes spécialisées, ainsi que le dioxyde de carbone qui est absorbé par les feuilles des plantes. Toutes ces substances se trouvent dans le stroma du chloroplaste, qui est le milieu rempli de liquide dans lequel les autres structures sont contenues. Le stade indépendant de la lumière se situe donc principalement dans le stroma.
Par conséquent, notre réponse à cette question doit être l’option D : le thylakoïde est le site de la réaction dépendante de la lumière, et le stroma est le site de la réaction indépendante de la lumière.
Résumons ce que nous avons appris sur la structure des chloroplastes dans cette fiche explicative.
Points clés
- Les chloroplastes sont les organites d’une cellule végétale qui servent de lieu de la photosynthèse.
- Les chloroplastes ont une double membrane et contiennent des thylakoïdes disposés en piles appelées grana qui sont en suspension dans le stroma.
- Les chloroplastes contiennent des pigments photosynthétiques, qui sont principalement la chlorophylle A et B, mais peuvent aussi contenir des pigments comme le bêta-carotène et la xanthophylle.
- Les thylakoïdes sont le site des réactions dépendantes de la lumière de la photosynthèse et contiennent des pigments photosynthétiques pour cette fonction.
- Le stroma est le site des réactions de photosynthèse indépendantes de la lumière et contient les enzymes, les coenzymes et le dioxyde de carbone nécessaires.