Les glucides sont formés dans les plantes vertes par photosynthèse, qui est la combinaison chimique, ou « fixation », du dioxyde de carbone et de l’eau par utilisation de l’énergie issue de l’absorption de la lumière visible. Le résultat global est la réduction du dioxyde de carbone en glucides et la formation d’oxygène:

Si l’hydrate de carbone formé est de la cellulose, la réaction en effet est l’inverse de la combustion du bois, et nécessite évidemment un apport énergétique considérable.

En raison de son caractère vital pour la vie telle que nous la connaissons, la photosynthèse a été étudiée de manière intensive et les caractéristiques générales du processus sont maintenant plutôt bien comprises. Les principales lacunes de nos connaissances comprennent la façon dont la lumière absorbée par les plantes est convertie en énergie chimique et les détails de la façon dont les nombreuses réactions complexes induites par des enzymes impliquées se produisent.

Les ingrédients des plantes vertes qui poursuivent le travail de photosynthèse sont contenus dans des unités hautement organisées et recouvertes de membranes appelées chloroplastes. Les substances spécifiques qui absorbent la lumière sont les pigments végétaux, la chlorophylle a et la chlorophylle b, dont les structures sont représentées à la figure 20-6. Ces substances hautement conjuguées sont des absorbeurs de lumière très efficaces, et l’énergie ainsi obtenue est utilisée dans deux processus distincts, qui sont représentés schématiquement à la figure 20-7.

Un photoprocesseur réduit le phosphate de nicotinamide adénine dinucléotide \(\left(\ce{NADP}^\oplus\right)\) en \(\ce{NADPH}\). Ces dinucléotides, illustrés ci-dessous, diffèrent de \(\ce{NAD}^\oplus\) et \(\ce{NADH}\) (Section 15-6C) en ayant un groupe phosphate à \(\ce{C_2}\) de l’une des unités ribose. La forme oxydée, \(\ce{NADP}^\oplus\), se comporte comme \(\ce{NAD}^\oplus\) et reçoit l’équivalent de \(\ce{H}^\ominus\) à \(\ce{C_4}\) du cycle nicotinamide pour former \(\ce{NADPH}\):

L’autre photoréaction importante est l’oxydation de l’eau en oxygène par la réaction:

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L’oxygène formé provient clairement de \(\ce{H_2O}\) et non de \(\ce{CO_2}\), car la photosynthèse en présence d’eau marquée avec \(\ce{^{18}O}\) produit de l’oxygène marqué avec \(\ce{^{18}O}\), tandis que le dioxyde de carbone marqué avec \(\ce{^{18}O}\) ne donne pas d’oxygène marqué avec \(\ce{^{18}O}\). Notez que l’oxydation de l’eau produit deux électrons, et que la formation de \(\ce{NADPH}\) à partir de \(\ce{NADP}^\oplus\) nécessite deux électrons. Ces réactions se produisent à différents endroits dans les chloroplastes et lors du processus de transfert des électrons du site d’oxydation de l’eau vers le site de réduction \(\ce{NADP}^\oplus\), l’adénosine diphosphate (ADP) est convertie en adénosine triphosphate (ATP; voir la section 15-5F pour une discussion sur l’importance de telles phosphorylations). Ainsi, le transport d’électrons entre les deux photoprocédés est couplé à la phosphorylation. Ce processus est appelé photophosphorylation (Figure 20-7).

Le résultat final de la partie photochimique de la photosynthèse est la formation de \(\ce{O_2}\), \(\ce{NADPH}\) et d’ATP. Une grande partie de l’oxygène est libérée dans l’atmosphère, mais le \(\ce {NADPH}\) et l’ATP sont utilisés dans une série de réactions sombres qui permettent de réduire le dioxyde de carbone au niveau d’un glucide (fructose). Une équation équilibrée est

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Le cycle de réactions qui convertit le dioxyde de carbone en glucides est appelé cycle de Calvin, d’après M. Calvin, qui a reçu le prix Nobel de chimie en 1961 pour ses travaux sur la détermination du chemin du carbone dans la photosynthèse.

Le carbone entre dans le cycle sous forme de dioxyde de carbone. La réaction clé par laquelle le \(\ce{CO_2}\) est « fixé » implique la carboxylation enzymatique d’un pentose, le \(D\)-ribulose 1,5-phosphate.\(^8\)

Un clivage hydrolytique ultérieur de la liaison \(\ce{C_2}\)-\(\ce{C_3}\) du produit de carboxylation (cela équivaut à une condensation de Claisen inverse; Section 18-8B) donne deux molécules de \(D\)-3-phosphoglycérate.\(^9\)

Dans les étapes suivantes, l’ATP est utilisé pour phosphoryler le groupe carboxyle du 3-phosphoglycérate pour créer du 1,3-diphosphoglycérate (un anhydride mixte d’acides glycérique et phosphorique). Cette substance est ensuite réduite par \(\ce{NADPH}\) en 3-phosphate de glycéraldéhyde:

Deux 3-phosphates de glycéraldéhyde sont utilisés pour construire la chaîne à six carbones du fructose par une condensation aldolique \(\left(\ce{C_3}+ \ce{C_3} \rightarrow \ce{C_6} \right) \), mais le nucléophile donneur dans cette réaction est l’ester de phosphate de dihydroxypropanone, qui est un isomère du 3-phosphate de glycéraldéhyde. Le réarrangement de l’aldose \(\ce{C_3}\) en cétose \(\ce{C_3}\) (du type décrit dans la section 20-2D) précède donc l’addition d’aldol. (Pour une discussion sur le mécanisme de la réaction enzymatique des aldols, voir Rubrique 17-3F.) Le 1,6-diphosphate de fructose formé est ensuite hydrolysé en fructose 6-phosphate:

D’après ce que nous avons décrit jusqu’à présent, un seul atome de carbone a été ajouté de l’atmosphère, et bien que nous ayons atteint le fructose, cinq carbones précédemment réduits ont été consommés dans le processus. Ainsi, la plante doit récupérer un sucre à cinq carbones d’un sucre à six carbones pour perpétuer le cycle. Plutôt que de séparer un carbone et de l’utiliser comme bloc de construction pour construire d’autres sucres, une série étonnante de transformations est réalisée qui peut être résumée par les équations suivantes:

Ces réactions ont plusieurs caractéristiques en commun. Ils impliquent tous des esters de phosphate d’aldoses ou de cétoses, et ils ressemblent à des condensations d’aldol ou d’aldol inverse. Leurs mécanismes ne seront pas examinés ici, mais sont discutés plus explicitement dans les sections 20-10A, 20-10B et 25-10. Leur sommation est \(\ce{C_6} + 3 \ ce{C_3} \ rightarrow 3 \ce{C_5}\), ce qui signifie que le fructose 6-phosphate en tant que composant \(\ce{C_6}\) réagit avec un total de trois unités \(\ce{C_3}\) (deux phosphates-3 de glycéraldéhyde et un phosphate de dihydroxypropanone) pour donner, en fin de compte, trois phosphates-5 de ribulose. Bien que la séquence puisse sembler complexe, elle évite d’accumuler des chaînes pentose ou hexose un carbone à la fois à partir d’intermédiaires à un carbone.

Le cycle de Calvin est complété par la phosphorylation du \(D\)-ribulose 5-phosphate avec de l’ATP. Le \(D \)-ribulose 1,5-diphosphate résultant est ensuite utilisé pour recommencer le cycle en se combinant avec du dioxyde de carbone. Il y a un sixième de plus de fructose utilisé pour construire d’autres glucides, notamment le glucose, l’amidon et la cellulose.

\(^8\) Toutes les réactions dont nous discuterons sont médiées par des enzymes, et nous omettrons désormais de mentionner explicitement ce fait. Mais il ne faut pas oublier que ce sont tous des processus induits par des enzymes, pour lesquels nous avons peu, voire aucun, de réactifs de laboratoire à dupliquer sur les composés particuliers impliqués.

\(^9\) Nous désignerons désormais, dans des équations, les différents acides que nous rencontrons comme les anions phosphate et carboxylate, bien que cela ne soit guère raisonnable aux valeurs de pH normales dans les cellules vivantes. Les acides glycérique et phosphorique ne sont que partiellement ionisés à pH 7-8. Cependant, il serait tout aussi irréaliste de représenter les acides comme étant totalement non dissociés.