CHLOROPHYLLES

Excitation photochimique des chlorophylles et photosynthèse

La photosynthèse se caractérise matériellement par un transfert d'électrons et de protons de l'eau au bioxyde de carbone qui se trouve réduit avec formation de glucides. Cette opération requiert de l'énergie et, dans les meilleures conditions, il faut 8 photons-grammes (8 einsteins) par molécule-gramme de bioxyde de carbone réduit, soit l'équivalent d'environ 1 460 à 2 300 kilojoules, selon la longueur d'onde de la lumière.

L'excitation des molécules de chlorophylle par les photons peut provoquer plusieurs phénomènes selon la stabilité des électrons concernés et la longueur d'onde de la lumière absorbée. Seuls les électrons π, faiblement liés au squelette moléculaire, sont excités par les radiations visibles.

Différents états ou niveaux énergétiques de la chlorophylle, ou excitons, ont pu être caractérisés, soit dans les organismes eux-mêmes, soit dans des cristaux de chlorophylle, par l'étude des spectres à basse température, de la polarisation, de la fluorescence, du spectre de diffusion Raman de résonance des différentes formes pigmentaires. Leur formation et leurs transformations sont extrêmement rapides. Ainsi un électron peut être expulsé de son orbite, la molécule ayant subi une transition entre son état électronique fondamental stable et un état excité. Pour la chlorophylle, il existe deux niveaux énergétiques correspondant à l'absorption de photons dans le bleu-violet, d'une part, et deux correspondant à l'absorption dans le rouge, d'autre part. Chaque transition électronique est caractérisée par son énergie E, fonction de la fréquence ν de la radiation d'excitation (E = hν ; h  : constante de Planck, et ν = c/λ ; c  : vitesse de la lumière ; λ : longueur d'onde).

Le passage de la molécule de son état stable à l'état excité C* est réalisé dans un temps très court, correspondant à la période de vibration de la lumière, soit de 10^-14 à 10^-15 seconde. Or un électron appartient toujours à une paire ; les moments angulaires de spin des deux électrons d'une paire peuvent rester antiparallèles, ce qui définit l'état singulet. La durée de vie d'une molécule excitée par des photons violets qui, dans le visible, permettent d'atteindre l'état énergétique le plus élevé, est inférieure à 5 . 10^-12 seconde. Dans le cas d'excitation par la lumière rouge, moins énergétique, l'état atteint a une durée de vie plus longue, de 1 à 5 . 10^-9 seconde. La molécule à l'état singulet le plus élevé peut se convertir en l'état le plus bas en 10^-15 seconde, avec émission de chaleur : C*_v→ C*_r + chaleur. L'état énergétique le plus bas C*_r peut retourner à l'état fondamental, avec émission de lumière rouge, origine de la fluorescence rouge de la chlorophylle in vivo et in vitro, et de chaleur.

Les états excités peuvent aussi transférer leur énergie à des molécules voisines, soit par collision, soit par résonance. Ces transferts ne sont efficaces que si les molécules sont très rapprochées les unes des autres, comme c'est le cas in vivo où les molécules de chlorophylle sont concentrées dans les membranes des chloroplastes. Enfin, ces états excités singulets peuvent se transformer en un autre état énergétique, l'état triplet, pour lequel les moments angulaires de spin sont parallèles. L'état triplet a une durée de vie beaucoup plus longue, de l'ordre de 1 . 10^-3 seconde. On le dit métastable. À partir de cet état, le retour à l'état fondamental peut s'effectuer avec dégagement de chaleur ou par transfert d'énergie à une autre molécule pigmentée.

Un autre type de transformation possible a été également mis en évidence. Il s'agit[...]