Chlorophylles

Les chlorophylles sont au cœur de la machinerie que les plantes vertes et certaines bactéries ont inventée pour s’alimenter en utilisant le soleil comme source d’énergie, le dioxyde de carbone comme source de carbone et l’eau. Dans cette réaction chimique, la plus importante de la biosphère, le gaz carbonique de l’atmosphère est transformé par photosynthèse en glucose et du dioxygène est dégagé.

La structure chimique des chlorophylles est proche de celle de l’hémoglobine (cf. Hémoglobine), avec trois différences fondamentales : le remplacement de l’ion central de fer par un ion magnésium, la réduction partielle d’un pyrrole, conduisant à la formation d’une chlorine (cf. Porphyrines) et une chaîne latérale insaturée (sauf dans les algues brunes).

Il existe quatre types de chlorophylle correspondant à des variations sur la chaine latérale, mais surtout sur le noyau chlorine. La chlorophylle la plus abondante (désignée chla : environ 3g/kg de feuilles fraîches) a été découverte en 1816 par les chimistes pharmaciens français Joseph Bienaimé Caventou et Joseph Pelletier qui lui donnèrent ce nom composé des racines grecques χλωρός (vert) et φύλλον (feuille).

Les algues vertes et les fougères sont riches en chlb et certaines cyanobactéries, parfois appelées algues bleues, en chld.

La chlorophylle est à l’origine d’un florilège unique de prix Nobel de Chimie : Richard Willstätter (Prix Nobel 1915) en propose la formule brute en 1910 ; Hans Fischer (Prix Nobel 1930) révèle sa constitution en 1940 ; Robert B. Woodward (Prix Nobel 1965) publie en 1960 sa synthèse totale ; Johan Deisenhofer, Robert Huber et Hartmuth Michel (Prix Nobel 1988) en donnent la structure tridimensionnelle lors de leur étude radiocristallographique du photosystème de Rhodopseudomonas viridis.

Elle est aussi à l’origine de l’invention, en 1903, de la chromatographie (littéralement « écriture de la couleur ») par le botaniste Michael Semyonovich Tsvett (dont le nom en russe veut dire couleur !), invention perdue puis redécouverte en 1931 par Edgar Lederer et Richard Kuhn… et couronnée (encore !) en 1952 par l’attribution du Prix Nobel de Chimie à Archer J.P. Martin, Richard L.M. Synge pour l’invention de la chromatographie de partage.

|Au début du XIXe siècle, Nicolas-Théodore de Saussure lie la photosynthèse à la nutrition végétale et Louis Garreau définit la « respiration nocturne » qui est commune à tous les êtres vivants, tandis que la "respiration diurne" englobe la respiration et l’assimilation chlorophyllienne. Vers 1860, Jean-Baptiste Boussingault démontre que le volume de dioxygène gazeux dégagé et le volume de CO2 absorbé sont quasi identiques. Ce n’est qu’à partir de 1941, que l’utilisation de l’oxygène-18 (O*) permettra de démontrer, dans une algue unicellulaire chlorella, la réaction :

6 CO2 + 12 H2O* + 8 photons → C6H12O6 + 6 H2O + 6 O2*

C’est au sein des organites intracellulaires, les chloroplastes, que le carbone inorganique du CO2 est transformé en carbone organique selon deux types de réactions : les premières, purement photochimiques, très rapides, se déroulent entre les photons absorbés et les molécules de pigments (dans le violet et le rouge) ;
les secondes, dites réactions sombres, lentes, procèdent comme l’inverse du mécanisme respiratoire général dans le monde vivant (via des transporteurs d’électrons et de protons, les nucléotides-phosphates (ADP, NADP) et par l’ATP, ou adénosine-triphosphate. Par analogie avec la photochimie non biologique, cette conversion implique la transformation de l’énergie d’un photon en la différence de potentiel d’oxydoréduction entre un couple donneur-accepteur. Le rendement énergétique de l’opération est excellent (de l’ordre de 60 %), le rendement quantique proche de l’unité. Signalons que le Prix Nobel de Chimie 1961 couronna Melvin Calvin pour l’étude du mécanisme de l’assimilation du dioxyde de carbone par les plantes…

Sur la base des récoltes et la mesure de la croissance des arbres, les végétaux terrestres accumuleraient annuellement, par photosynthèse chlorophyllienne, environ 50 milliards de tonnes de carbone et les végétaux marins environ 20 milliards de tonnes, correspondant au total à un excédent de synthèse de substances organiques de 170 milliards de tonnes, et un stockage d’énergie environ 10 fois plus important que sa consommation annuelle mondiale. Ils constituent ainsi de formidables puits de carbone naturels.

La « Couleur de l’Océan » permet d’étudier le rôle joué par les organismes planctoniques marins dans le cycle du carbone à l’échelle globale et de suivre les évolutions climatiques actuelles depuis l’espace (radiométrie dans les domaines visibles et proche infrarouge), par les variations spectrales de la lumière diffusée par la couche supérieure de la surface des mers (d’un bleu profond en eaux pures à des verts sombres dans les eaux riches en phytoplancton).

Et n’oublions pas que sans le dioxygène libéré lors de l’oxydation de l’eau depuis des époques géologiques lointaines, l’atmosphère terrestre ne serait pas respirable pour nos organismes aérobies stricts !

D’où la pensée du jour :
« Le métabolisme des petits martiens serait-il chlorophyllien ? »

Sources :

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