chlorophylle

Pigment caractéristique des plantes vertes, localisé dans des organites cellulaires (chloroplastes) des parties éclairées du végétal et assurant l'absorption d'une partie de l'énergie des rayons solaires, ce qui rend possible la photosynthèse.

Localisation de la chlorophylle, chloroplastes

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La chlorophylle se trouve dans tous les organes verts (feuilles, tiges, fleurs...) des végétaux : Phanérogames, Ptéridophytes, Bryophytes, Algues et certaines Bactéries. Dans les groupes supérieurs, ce sont le plus souvent les couches sous-épidermiques, par exemple le tissu palissadique des feuilles à structure hétérogène, qui contiennent la presque totalité du pigment.

Des organites appelés chloroplastes contiennent la chlorophylle ; ils sont inclus dans le cytoplasme et entraînés par un mouvement de cyclose quand les cellules sont vivantes ; c’est ainsi qu’ils peuvent se glisser le long de la paroi cellulaire, à l’intérieur de la couche de cytoplasme qui borde la grande vacuole centrale, ou emprunter les travées cytoplasmiques pour traverser celle-ci.

La vitesse de ce mouvement augmente en fonction de la chaleur, dans les limites compatibles avec la vie mais il est propre au cytoplasme et non aux chloroplastes, qui, eux, n’ont pas de mobilité par eux-mêmes. Cependant, on a pu observer, notamment chez les Lentilles d’eau, des localisations préférentielles des chloroplastes suivant l’intensité lumineuse reçue par la plante ; ainsi, ces derniers s’appliquent sur les parois cellulaires le plus faiblement éclairées (latérales) quand la plante reçoit une forte lumière, et ne présentent alors dans leur ensemble qu’une surface peu importante aux rayons lumineux. Par contre, si la lumière est faible, on les trouve appliqués sur les membranes les plus éclairées, et leur surface offerte aux rayons lumineux est alors maximale. On peut en déduire que les chloroplastes se meuvent dans ce cas pour s’orienter convenablement à la lumière..., à moins que ce ne soit le cytoplasme qui subisse une modification de ses courants cycliques suivant l’intensité de la lumière. Les chloroplastes, en nombre variable suivant les espèces, les cellules et les organes, apparaissent comme des disques vert vif, bien visibles au microscope ; leur diamètre peut être de 4 à 10 μ, et leur épaisseur de 1 à 4. Chez les Bryophytes et les végétaux vasculaires, ils ont tous même morphologie générale, malgré ces quelques différences de taille. Au contraire, dans le groupe des Algues, on trouve une grande variété de formes et de nombre : ainsi, certains sont très gros et peu nombreux (1 ou 2 par cellule) ; ils sont désignés sous le nom de chromatophores pour les distinguer des précédents ; par exemple, la Spirogyre, Algue filamenteuse d’eau douce, possède un petit nombre de plastes rabanes enroulés en spirale et appliqués le long de la membrane. De part et d’autre de ce ruban, on trouve des corps globuleux appelés pyrénoïdes, accompagnés de grains d’amidon. Ces particules se retrouvent dans le grand chromatophore plat et rectangulaire de Mougeotia. On remarque de gros chromatophores étoiles chez Zygnema, d’autres en couronne dentée chez Draparnaldia, ou en forme de grosse cloche chez Chlamydomonas. Enfin, dans d’autres espèces, ils sont petits, nombreux et ovoïdes.

Structure des chloroplastes

Dès 1936, en utilisant de très bons objectifs, on a pu s’apercevoir que les chloroplastes n’étaient pas de structure homogène, mais constitués par des masses réfringentes riches en pigments (les granums qui sont un empilement de thylakoïdes), incluses dans une substance de fond appelée stroma. Les granums sont des amas verts de 0,3 à 1,7 μ de diamètre et de 0,2 μ d’épaisseur.

Cette observation a été confirmée et considérablement enrichie par les travaux effectués au microscope électronique. Le chloroplaste, comme d’autres organites cellulaires, possède une structure lamellaire. La couche interne de sa double paroi s’invagine pour former les lamelles stromatiques continues qui relient et traversent les granums. Au niveau des granums, on trouve des saccules, ou disques granaires, qui s’intercalent et s’empilent entre les lamelles. Le mode de formation des saccules est encore controversé, mais, cependant, il semble qu’ils aient pour origine les lamelles stromatiques qui s’évaginent pour former les disques granaires, capables de devenir indépendants par la suite.

Le stroma montre une structure fibrillaire contenant des granules ressemblant à des ribosomes et porteurs d’A. R. N. et sans doute aussi d’A. D. N.

Chez les Algues, au microscope électronique, on distingue des variations par rapport au type décrit plus haut. Les chromatophores possèdent, le plus souvent, une structure lamellaire où il est impossible de distinguer des granums. Les longues lamelles ont de 70 à 100 Å d’épaisseur. Parfois, cependant, on rencontre quelques formations semblables à des granums irréguliers. Les pyrénoïdes, déjà signalés au microscope optique, apparaissent au microscope électronique comme une zone granuleuse traversée par des lamelles prolongeant celles du plaste ; des particularités de structure et de localisation différencient les pyrénoïdes des Algues brunes, rouges et vertes. Même les Cyanophycées et les quelques Bactéries chlorophylliennes élaborent des lamelles parallèles chargées de chlorophylle, dont la disposition rappelle, d’une manière très simplifiée, celle qui est observable dans les chloroplastes des plantes supérieures, mais on ne trouve jamais ici de membranes externes limitant l’ensemble.

On peut séparer les chloroplastes de la cellule par broyage et ultracentrifugation à basse température. On réussit également à isoler des granums en utilisant des ultrasons. Cette fragmentation peut descendre jusqu’aux disques granaires, ce qui permet d’en étudier les propriétés spécifiques.

Origine des chloroplastes

L’origine des chloroplastes a été longtemps discutée. Les plastes jeunes ont une analogie de structure avec les chondriosomes ; aussi, deux thèses s’affrontent-elles : l’une admettant que ces organites ont même origine, l’autre soutenant l’existence de deux lignées parallèles.

Dans les cellules jeunes, au niveau du méristème, on reconnaît des chondriosomes et des organites légèrement plus gros, formés de membranes doubles dont la paroi interne envoie quelques crêtes vers l’intérieur : on les nomme proplastes, car ils sont à l’origine des plastes de la cellule. Diverses propriétés chimiques opposent leur stroma à la substance fondamentale des mitochondries. Si les plantes sont exposées à la lumière, ces crêtes se différencient en lamelles qui, par endroits, s’épaississent par adjonction de nombreux petits saccules aplatis ; ces derniers constituent les granums. Par contre, quand les plantes sont maintenues à l’obscurité, de nombreuses vésicules se forment, puis se groupent en un corps prolamellaire qui, plus tard, en cas d’exposition à la lumière, fournira les éléments des lamelles et des granums, qui se mettront en place en quelques heures.

Extraction de la chlorophylle

On peut extraire aisément la chlorophylle à partir des tissus verts des feuilles ou des jeunes tiges : on broie la plante avec du sable pour briser les cellules, et on fait macérer ce broyat dans de l’alcool ou de l’acétone ; très rapidement, le liquide se colore intensément en vert.

Cette solution de chlorophylle porte le nom de chlorophylle brute ; c’est en réalité un mélange de divers pigments contenus dans les cellules, et d’autres procédés permettent de les séparer. Ainsi, on peut ajouter du benzène à la solution précédente, agiter et laisser reposer ; la chlorophylle étant plus soluble dans le benzène que dans l’alcool, on trouvera dans la couche supérieure le benzène coloré en vert (chlorophylle) et dans la couche inférieure l’alcool, qui a gardé les pigments jaunes et orange (pigments caroténoïdes). Une méthode plus précise est fondée sur la chromatographie. On utilise un papier à grain fin et un solvant qui, en montant par capillarité dans le papier, traverse une tache de chlorophylle brute déposée à la base. Les divers pigments qui la constituent migrent différemment entre les fibres, les caroténoïdes allant nettement plus loin que la chlorophylle. L’on observe ainsi deux chlorophylles, a et b, qui laissent des taches vert bleuté et vert-jaune, puis les xanthophylles jaunes, enfin, tout en haut, des carotènes orange.

La chlorophylle a est trois fois plus abondante que la chlorophylle b. Ces deux substances sont elles-mêmes trois fois plus abondantes que les pigments caroténoïdes. On peut extraire, des Diatomées et des Algues brunes, de la chlorophylle c (chlorofucine) ; des Algues rouges, de la chlorophylle d ; de certaines Bactéries, une bactériochlorophylle.

Structure chimique de la chlorophylle

Après leur séparation, ces divers pigments peuvent être repris par l’alcool et étudiés séparément.

La chlorophylle a a pour formule C₅₅H₇₂O₅N₄Mg, et la chlorophylle b C₅₅H₇₀O₆N₄Mg. C’est un noyau tétra-pyrrolique possédant un atome de magnésium au centre et auquel sont adjoints des radicaux latéraux portés par des noyaux pyrrols. Il faut remarquer en particulier une longue queue (phytol), qui donne à la molécule de chlorophylle l’aspect d’un cerf-volant dont la tête est le noyau tétrapyrrolique (1 μ) et la queue le phytol, de 2 μ de long. La tête est hydrophile, et la queue, hydrophobe, se place dans les zones lipidiques des feuillets des granums.

La protochlorophylle, capable de se transformer à la lumière en chlorophylle a, a elle aussi une molécule voisine des précédentes. Les chlorophylles se trouvent liées à des protéines et constituent avec elles des complexes dont les propriétés optiques diffèrent légèrement les unes des autres. Ces complexes sont toujours rompus lors de l’extraction ; c’est par étude des spectres d’absorption qu’ils ont pu être mis en évidence. La synthèse de la chlorophylle, effectuée en 1960 par le biochimiste américain Robert Burns Woodward (né en 1917) et ses collaborateurs, a confirmé les connaissances acquises sur sa structure.

On peut remarquer que la molécule de chlorophylle s’apparente par de nombreux points à la ferroporphyrine de l’hémoglobine et à la myoglobine localisée dans les muscles. Le métal est alors le fer à l’état ferreux. Une substance voisine se trouve dans les nodosités des Légumineuses, avec un rôle totalement différent. On peut obtenir les chlorophylles cristallisées ; elles ont alors un aspect pulvérulent et une teinte bleu-vert foncé ; insolubles dans l’eau, elles sont solubles dans l’éther, l’alcool, le chloroforme, le benzène, le sulfure de carbone et l’acétone, la chlorophylle a étant d’ailleurs plus soluble que la chlorophylle b.

Lorsqu’on fait l’analyse des chloroplastes, on y trouve environ 56% de protéines, 32% de lipides (surtout des phospholipides et aussi des galactolipides et des sulfolipides), 9% de chlorophylles a et b et 3% de pigments caroténoïdes. Ces différents éléments sont répartis notamment dans les lamelles observées au microscope électronique. Leur disposition relative a fait l’objet de nombreuses recherches. Selon Frey Wyssling et Meyse, les molécules de chlorophylle sont groupées, pour assurer un meilleur rendement, en unités fonctionnelles appelées quantasomes, ovoïdes, de 100 Å sur 200 Å. Localisés dans les lamelles stromatiques, les quantasomes contiendraient chacun 230 molécules de chlorophylle associées à des lipides et des protéines et à des pigments caroténoïdes. En outre, de nouvelles techniques montrent l’existence, sur les lamelles des granums, de particules globulaires protéiques groupées par quatre sur la face externe. Ces particules seraient des complexes enzymatiques servant activement lors des réactions de photosynthèse.

Propriétés optiques

La chlorophylle obtenue par extraction à l’alcool a une couleur vert vif par transparence, mais la lumière réfléchie par cette solution est rouge foncé. L’étude du spectre d’une lumière qui a traversé une solution de chlorophylle montre que certaines radiations lumineuses manquent et qu’une bande noire apparaît à leur place. On trouve ainsi une zone d’absorption importante dans le rouge (600 mμ), environ deux bandes dans l’orangé et une large plage éteinte dans le bleu indigo (400-450 mμ), en réalité composée de nombreuses petites raies.

En utilisant des solutions purifiées de chlorophylle a ou de chlorophylle b, on observe des bandes d’absorption différentes, mais les principales restent toujours dans le rouge et le bleu indigo, le vert en étant pratiquement dépourvu. L’énergie lumineuse portée par les radiations considérées est captée en même temps que la lumière. On constate que les chlorophylles a et b n’utilisent pas exactement les mêmes radiations, et que d’autre part les absorptions d’énergie réalistes dans le bleu sont plus intenses que dans le rouge. L’une et l’autre ne prennent pratiquement pas d’énergie dans le vert.

Les solutions de chlorophylles éclairées par des rayons ultraviolets deviennent fluorescentes et émettent des radiations visibles. Cette propriété, de forte intensité in vitro, est très faible in vivo, lors de la photosynthèse, car l’énergie n’est pas alors dispersée à l’extérieur, mais utilisée par la plante.

Fonction dans la plante

Les feuilles des végétaux verts exposés à la lumière sont capables de synthèses organiques et élaborent ainsi des sucres et de l’amidon. Le détail de ces réactions et surtout des différents facteurs qui les commandent sera étudié au terme photosynthèse, mais, dès maintenant, on peut indiquer que la quantité de lumière et la qualité des radiations lumineuses reçues par la plante sont très importantes.

Cette transformation n’est possible que grâce à un apport d’énergie (673 kcal) ; or, on remarque justement que la lumière apporte de l’énergie. Dès la fin du xix^e siècle, Wilhelm Engelmann a montré, en éclairant un microscope à l’aide d’un spectre lumineux, que les Algues vertes filamenteuses avaient une photosynthèse active dans le rouge et le bleu. Le dégagement d’oxygène qui en résultait était mis en évidence à l’aide de Bactéries aérobies, qui se rassemblaient là où une intense émission de gaz se produisait. Bien d’autres observations analogues ont pu être faites : sur des feuilles introduites dans un large spectre et dont on mesure le dégagement d’oxygène ; en soumettant des végétaux à des radiations de type connu et en mesurant l’intensité de la photosynthèse, etc. Toutes ces expériences montrent qu’il existe une concordance à peu près absolue entre les radiations absorbées par la chlorophylle et celles qui provoquent le phénomène de photosynthèse.

La chlorophylle apparaît alors comme le capteur de l’énergie lumineuse, qui est immédiatement transformée en énergie chimique capable de provoquer les réactions de synthèse. Le mécanisme de cette captation et sa transmission aux molécules chimiques engagées dans la synthèse ont fait l’objet de nombreux travaux. Ils permettent actuellement de comprendre le rôle du pigment ainsi que le mécanisme des opérations, successives et fort complexes, qui conduisent à la molécule organique. Le phénomène se déroule en deux phases, l’une lumineuse, encore appelée photochimique, et l’autre obscure.

Les radiations lumineuses portent des particules énergétiques : les photons, ou quanta de lumière. Cette énergie est inversement proportionnelle à la longueur d’onde. La chlorophylle qui a absorbé un photon passe à l’état de molécule excitée, très active, et dispose d’un supplément d’énergie de 65 kcal pour la lumière bleue, et de 41 kcal pour la lumière rouge. S’il s’agit de lumière bleue, la molécule se trouve portée à un haut niveau d’énergie mais est devenue si instable qu’elle perd rapidement (en 10^–11 s) cet état et se trouve ramenée à un excès de 41 kcal comme si elle avait absorbé de la lumière rouge. Cette énergie se dissipe également (en 10^–9 s) par choc, frottement entre les molécules sous forme de chaleur ou encore par fluorescence. Il se peut qu’une partie seulement de cet excès disparaisse ainsi, et le reste (31 kcal) constitue un troisième état, qui participe au phénomène photochimique. Il y a alors des échanges entre les molécules voisines, plusieurs centaines, pense-t-on. L’un des électrons de la chlorophylle, porteur d’une grosse quantité d’énergie, s’échappe. La molécule de chlorophylle, privée d’un électron, devient un accepteur, et c’est un électron de potentiel normal qu’elle récupérera à la suite des réactions. L’électron perdu passe sur des transporteurs et cède son énergie, qui est utilisée à la formation d’A. T. P. (adénosinetriphosphate, élément de base de la synthèse organique).

On démontre à l’aide d’éléments marqués (¹⁸O) que l’oxygène libéré au cours de la photosynthèse provient de l’eau et non du gaz carbonique absorbé par la plante. Le chloroplaste, qui est devenu réducteur, peut, grâce à de nombreuses enzymes, utiliser le gaz carbonique.

En somme, deux chaînes de réactions indispensables ont pour origine la fixation d’énergie lumineuse par la plante et la libération des électrons. L’une permet la décomposition de l’eau en OH^– et H⁺, ce qui a pour conséquence de libérer de l’oxygène, qui se dégage à partir de l’ion OH^–, et d’autre part de réduire un corps NADP, qui sera nécessaire par la suite, sous sa forme réduite (NADPH₂), à la synthèse des substances carbonées.

D’autre part, la libération d’électrons est aussi utilisée, après passage sur une chaîne de transporteurs, pour l’élaboration de molécules d’A. T. P., elles aussi nécessaires à la suite des réactions chimiques.

Dans les deux cas, la chlorophylle excitée retrouve, à la fin des opérations, des électrons à un degré d’énergie normal. Il faut remarquer le rôle important joué par les composés phosphores lors de la synthèse. Seule la chlorophylle a peut transformer directement l’énergie lumineuse en énergie chimique ; les autres pigments, chlorophylle b et pigments caroténoïdes associés, ont pour propriété de fixer de l’énergie portée par d’autres longueurs d’onde et de la céder à la chlorophylle a. L’existence de ce transfert a été vérifiée et nécessite la réalisation d’un certain nombre de conditions : les molécules de chlorophylle a et des autres pigments doivent être très proches les unes des autres ; le spectre de fluorescence du pigment donneur doit recouvrir le spectre d’absorption du récepteur. C’est au cours de la phase obscure que le CO₂ est fixé et utilisé pour être introduit dans les molécules organiques (phosphoglycérates), qui, à la suite de nombreuses réactions, se transforment en amidon.

Irrégularités de répartition de la chlorophylle dans les plantes

La panachure

Des anomalies peuvent apparaître lors de la formation ou au cours de la vie des chloroplastes. On peut en effet trouver des végétaux qui ont une teinte anormalement pâle ou encore sont panachés, montrant des plages blanches ou jaunes et des zones de teinte normale. Différents types peuvent apparaître chez les Dicotylédones, depuis les grandes plages distribuées au hasard, passant par des cernes verts autour de taches blanches ou jaunes ou des lignes marginales, jusqu’aux très fines mouchetures faites de petites taches dispersées sur la surface de la feuille. Chez les Monocotylédones, ces panachures se présentent en bandes, le plus souvent longitudinales, parfois transversales.

Les espèces pouvant présenter ces caractères sont très nombreuses, et certaines d’entre elles sont utilisées comme plantes ornementales, tels les Fusains, l’Aucuba, certains Pélargoniums (Géranium des horticulteurs), Citrus, Érables, etc.

Facteurs provoquant l’apparition des panachures

On rend de nombreux facteurs responsables de l’apparition des panachures : on connaît des sols capables de donner une forte proportion de plantes panachées ; cela est connu depuis longtemps, et certains horticulteurs proposent des recettes pour faire apparaître les taches blanches ou jaunes sur des Aspidistras ou des Pélargoniums. Une carence en un élément minéral, spécialement en fer ou en magnésium, provoque une chlorose plus ou moins généralisée, que l’on peut faire disparaître en corrigeant convenablement l’alimentation du végétal. Un excès de zinc, en gênant l’assimilation du fer, peut avoir les mêmes effets. Le froid favorise l’apparition des panachures : un hiver froid (1939) en Anatolie a fait augmenter nettement dans cette région le nombre de pieds panachés, et au contraire l’élévation de température s’avère capable de corriger ce défaut (chez les Choux et les Hostas, par exemple).

Ces panachures sont également dues à des virus, qui modifient la physiologie des cellules qu’ils parasitent ; tel est le cas d’Abutilon striatum, du Tabac et de certains Laburnum. D’autres cas enfin sont dus à des mutations génétiques, et la panachure se comporte comme un caractère mendélien sexuellement transmissible. De telles mutations apparaissent spontanément dans la nature, soit au moment de la germination des graines, soit à l’intérieur d’un bourgeon qui sera à l’origine d’un rameau panaché, porté par une plante normale. On a pu obtenir de telles modifications artificiellement en soumettant les végétaux à l’action des rayons X ou de substances telles que l’acriflavine ou l’acridine orange, et aussi à des radiations atomiques.

Structure cellulaire

La structure cellulaire des végétaux panachés montre l’existence de plastes, petits, pauvres en granums et déformés dans les cellules jaunes ou blanches. Parfois, les chloroplastes manquent complètement ; on ne trouve alors que des mitochondries dans le cytoplasme. Chez le Maïs, on a constaté un arrêt dans l’évolution normale du plaste jeune, qui n’arrive pas à atteindre, dans la race albinos, un stade terminal fonctionnel riche en chlorophylle. Ici, le développement du plaste serait commandé par un gène qui ne lui permet pas d’atteindre la taille normale dans cette race.

Conclusion

Le rôle considérable que joue la chlorophylle dans la vie végétale, en tant que capteur d’énergie lumineuse capable de la transformer, partiellement au moins, en énergie chimique, explique l’abondance des recherches qui ont été faites à son sujet. Cette propriété, exclusivement l’apanage des végétaux, est en effet pour nous de la plus haute importance : seuls les êtres chlorophylliens peuvent faire passer le carbone minéral du gaz carbonique à l’état de carbone organique engagé dans des substances alimentaires indispensables à tous les êtres vivants. Les animaux ne tirent les matières premières organiques qu’ils utilisent que des végétaux ou d’animaux eux-mêmes nourris avec des végétaux.

Le fonctionnement des chloroplastes commande donc la nutrition de tous les êtres vivants de notre planète, à l’exception de quelques Bactéries qui sont chimiotrophes ; toute la vie à la surface de la terre dépend donc de ces petits granules verts situés dans la profondeur des cellules végétales.

PHARMACIE

La chlorophylle est employée comme désodorisant corporel et entre dans la formule de pommades, de poudres pour applications externes, de dentifrices et de tablettes à sucer contre la fétidité de l'haleine.