Les Transferts d électrons dans la membrane thylacoïdienne

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1 1 Annexe 1 Les Transferts d électrons dans la membrane thylacoïdienne Sommaire Annexe Le flux linéaire d électrons (LET : Linear Electron Transfer) Organisation générale de la chaîne photosynthétique Fonctionnement du LET Le rendement quantique théorique maximum du dégagement d O 2 lorsque les Fds sont les accepteurs terminaux des électrons venant de l eau Transfert cyclique centré sur le Cyt b6f : le cycle des Q Transferts centrés sur le PSI (CET1 : Cyclic Electron Transfer) Flux linéaire d électrons sur la PTOX (Plastidial Terminal oxidase) flux cyclique d électrons dans le PSII (CET2) Mouvements de cations lors du fonctionnement de la pompe à protons Ferrédoxines distribuent le pouvoir réducteur dans les chloroplastes : un résumé Les différentes voies de distribution Le flux d électrons associé à ces différentes voies d utilisation du pouvoir réducteur est variable Le flux dans ces différentes voies d utilisation est associé à la consommation d ATP et de NADPH ou de pouvoir réducteur seulement Localisation des complexes de la chaîne photosynthétique sur les thylacoïdes Le flux d électrons dans les membranes thylcoïdiennes est aussi un point où la quantité et la qualité de la lumière sont perçues et d où partent des signaux qui permettent d ajuster son fonctionnement aux changements de l environnement Bibliographie sommaire... 16

2 2 La fixation photosynthétique du CO 2 nécessite la collaboration de deux types de réactions qui se déroulent dans les chloroplastes : des réactions claires (ou réactions primaires), dans les membranes thylacoïdiennes, appelées ainsi parce qu elles ne peuvent pas se dérouler en l absence de lumière, des réactions sombres (ou réactions secondaires), dans le stroma, nommées de cette façon parce qu il est possible de les reproduire in vitro en l absence de lumière. Bien entendu, In vivo, réactions claires et sombres sont intimement liées et leur activité dépendent l une de l autre : les réactions sombres pouvant réguler les réactions claires et les réactions claires pouvant réguler les réactions sombres. Les réactions claires fournissent l ATP et de NADPH nécessaire au déroulement des réactions sombres Le rapport ATP/NADPH peut être modulé fonction de la demande aval (fixation de dioxyde de carbone d azote etc.). Ces réactions claires interagissent aussi avec l ensemble des êtres vivants sur notre planète. En effet, elles sont, la porte d entrée de l énergie solaire dans la biosphère. La vie telle que nous la connaissons sur Terre actuellement (dont la nôtre) serait impossible sans elles. Le système qui transforme l'énergie lumineuse en énergie utilisable pour la fixation de CO 2 dans les chloroplastes des plantes terrestres et les algues est schématisé Fig. A1-1. Il permet aussi, outre l activation de quelques enzymes indispensable au déroulement des «réactions sombres» dans les chloroplastes, la réduction d autres composés, comme le dioxygène, les nitrates les sulfates, etc. Il est situé sur les membranes thylacoïdiennes. Globalement, l énergie fournie par la lumière permet l extraction d électrons de molécules d eau et leur transfert jusqu'à un premier accepteur soluble dans le stroma, les ferrédoxines (Fd). Ce transfert s accompagne d un passage de protons du stroma vers le lumen. La dissipation de la charge électrique et du gradient de ph ainsi formé s accompagne d une synthèse d ATP. 1 Le flux linéaire d électrons (LET : Linear Electron Transfer) 1.1 Organisation générale de la chaîne photosynthétique --Elle est composée de 4 complexes protéiques principaux listés ci-dessous : les photosystèmes II (PSII) et I (PSI), qui capturent l'énergie lumineuse, le cytochrome b6/f (Cyt b6f) et l ATP synthase (ATPase). Ils sont inclus dans la membrane thylacoïdienne et associés fonctionnellement de façon linéaire : La quasi-totalité des molécules de chlorophylle (chl) se trouve liée aux PSII et PSI. Chaque cyt b6f contient une molécule de chlorophylle. --PSII et PSI sont munis d'antennes collectant les photons. Chacune d elles porte de 100 à 200 molécules de chlorophylle. Les antennes contiennent de la chl a et de la chl b. Elles collectent les photons et transfèrent l'excitation qu'ils ont produite vers des centres réactionnels. L'antenne du PSII est très hétérogène. Elle est constituée par deux grands ensembles : l'un est fortement lié au centre réactionnel, l'autre est périphérique et qui comporte une partie qui peut migrer vers le PSI dans certaines circonstances. Plus de la moitié des chlorophylles se trouve dans les antennes PSII. L'antenne du PSI ne comporte pas de partie mobile. --Le cœur du PSII et du PSI contient un centre réactionnel.

3 3 Le centre réactionnel du PSII est comporte 4 molécules de chl a. L ensemble constitue le P680. Celui du PSI n en contient que 2, formant le P700. Il n y a pas de chl b dans les centres réactionnels. Les P680 et P700 sont les accepteurs ultimes de l'énergie lumineuse absorbée. Ils fournissent les électrons transférés dans cette chaîne passant ainsi d un état réduit à un état oxydé. Figure A1-1. Schéma résumant le transport linéaire d électrons de l eau dans le lumen, jusqu aux ferrédoxines, dans le stroma. PSI et PSII : Photosystèmes 1 et 2 ; P680 et P700 : centre réactionnel du PSII et du PSI, respectivement ; Cyt b6 f: : cytochrome b6f ; PC : plastocyanine ; PQ : plastoquinone ; PQH 2 : plastoquinone réduite (platoquinole) ; Q B : plastoquinone fixée sur le PSII pouvant accepter deux électron (e - ). TyrZ : Tyrosine Z ; OEC : complexe pouvant oxyder l eau (oxygen evolving complex) ; Fe/S : centre redox contenant du fer et du soufre ; Cyt f : Cytochrome f ; Q : phylloquinone : Chl : chlorophylle. Fd red : Ferrédoxine réduite. Les électrons fournis par le P680 sont remplacés par ceux issus de l oxydation de l eau côté lumen 2H 2 O 4H e - + O 2 Les électrons fournis par le P700 sont remplacés par ceux arrivant du PSII. --Les transferts d électrons et de protons entre ces 4 complexes sont réalisés par deux molécules mobiles. La plastocyanines (PC) dans le lumen, petite protéine portant un atome de Cu et qui transfert les électrons du Cyt b6f au PSI. La plastoquinone (PQ) dans la membrane du thylacoïde, qui transfère les électrons du PSII au Cyt b6f et, durant ce transfert, des protons du stroma vers le lumen (Ort et Good, 1988). --Les protéines composant les PSI et les PSII coordonnent en outre des composés impliqués dans des chaines d oxydoréduction, les principaux sont indiqués sur la Fig. A1-1. Il s agit de quinones (PSI et PSII) d une chlorophylle (PSI) et d une phéophytine (PSII) d un acide aminé (PSII) et de complexe Fe/S (PSI). --Noter aussi que le Cyt b6f coordonne une centre Fe/S et un cytochrome (centre actif : Fe). 1.2 Fonctionnement du LET Le schéma du fonctionnement est donné en faisant le bilan en photons absorbés, électrons transférés, protons accumulés dans le lumen lors du dégagement d une molécule d O 2.

4 Au niveau du PSII : les plastoquinones sont réduites et l eau est oxydée Cependant, comme le potentiel redox (E 0 ) de l oxydation de l eau (O 2 + 4H + + 4e - 2H 2 O) est de +810 mv, tandis que celui des Q A (Q A +e- Q - A ) de -130 mv, l eau ne peut passer ses électrons à Q A. En effet, un composé donné ne peut être réduit que par un autre dont le potentiel redox est plus bas que le sien (voir rappel A1-1). Cette opération doit se faire en deux temps. --Premier temps. L absorption d un photon, ou d une excitation venant des antennes collectrices, par le P680 donne P680*, puissant réducteur, dont le E 0 aux environs de mv P680* peut réduire une phéophytine a (Pheo a : molécule de Chl a sans Mg) voisine (voir annexe 2) en donnant P En effet le E 0 de Phéo - Phéo + e - est d environ mv. Pheo - réduit alors Q A en Q A -. Le potentiel redox de Q A - Q A + e - en effet de -130 mv Noter que la quinone Q A est fortement liée au PSII et qu elle ne peut être habituellement réduite que par un seul électron. Cependant, noter que les quinones peuvent accepter habituellement 2 électrons (Fig A1-2). Q A - peut réduire ensuite Q B car l E 0 de ce dernier est proche de 0 V. Q B accepte deux électrons. Il faut donc que deux Q A soient réduites pour réduire une Q B (Fig. A1-2). Les Q B s sont des plastoquinones qui viennent du pool intra-thylacoïdien : les plastoquinones prennent le nom de Q B lorsqu elles se lient au PSII et y être sont réduites. Leur double réduction est accompagnée d une double protonation par des H + venant du stroma. Pour chacune des plastoquinones la série de réactions est décrite ci-dessous. Q A - Q B Q A Q B -. Q B - reste liée au site Q B où elle reçoit un autre électron de Q A - puis est protoné une première fois : Q A - Q B - + H + Q A Q B H -. Q B H - est un anion intermédiaire plastosemiquinone. Cet anion est alors protoné : Q A Q B H - + H + Q A + Q B H 2 Q B H 2 ou PQH 2 est une plastoquinole, très peu chargée électriquement et qui peut s échanger contre une platoquinone du pool intrathylacoïdien. Et le cycle recommence. Figure A1-2. Réduction et protonation d un plastoquinone en plastoquinole. La réduction se fait sur les atomes de dioxygène du noyau. Le H+ qui protone la plastoquinone réduite est en rouge.

5 5 Rappel A1-1 Réactions d oxydoréduction, potentiel d oxydoréduction Un composé s oxyde lorsqu il perd un ou plusieurs électrons. Il devient réduit lorsqu il gagne un ou plusieurs électrons. Réduction et oxydation sont complémentaires : lorsqu une substance est oxydée, une autre doit être réduite. La substance qui s oxyde est un donneur d électron (c est un agent réducteur ; il provoque la réduction d un autre composé) ; la substance qui est réduite est un accepteur d électron (c est un agent oxydant ; il provoque l oxydation d un autre composé). Les deux ensembles constituent un système d oxydoréduction ou système redox. Si A et B sont deux composés avec A pouvant réduire B : A + B A + + B - On peut décomposer cette réaction en deux «demi- réactions» réversibles: A A + + e - B - B + e - dont les couples rédox sont respectivement A + /A et B/B - La facilité avec laquelle un agent réducteur peut perdre un électron (ou un agent oxydant, récupérer un électron) peut être mesurée. Elle est donnée par la valeur de son potentiel d oxydoréduction. Ce potentiel est donné par la réaction de Nernst où l on a dans le cas de A E = Eo + 2,303 (RT/nF)log([A + ]/[A]) avec R est la constante des gaz parfaits (8,32 Joules. K -1.mol -1 ), T la température absolue en K, F le Faraday ( coulombs. mol -1 ou joules.v -1 mol -1 ), n le nombre d électrons échangés dans la réaction (dans le cas considéré : 1 e - ). On voit que le potentiel redox E (en Volts) dépend d un potentiel standard E 0 (en volts) et des concentrations de [A + ] et [A]. Formellement la loi de Nernst ne considère que les activités chimiques des composés en jeu. L utilisation de leur concentration n est qu une approximation. Le potentiel d oxydoréduction d un composé est mesuré en déterminant sa capacité à donner ou à recevoir des électrons au système suivant : H 2 2H e - Par convention, si l on met dans un compartiment une solution molaire d ions H + (ph = 0) en équilibre avec de l hydrogène gazeux à pression atmosphérique on a un potentiel d oxydoréduction égal à 0. Pratiquement on construit une électrode à Hydrogène. On mesure le potentiel redox de A, par exemple en mettant l électrode à hydrogène dans une solution de du couple A + /A. La mesure d un voltage montre le transfert d électrons entre les deux systèmes. La valeur de E o est habituellement utilisée pour caractériser le potentiel redox. C est la valeur mesurée à mi-réduction : en effet si [A+] = [A], on a log([a+]/[a]) = 0 et par conséquent E = Eo. Si E 0 est négatif A a une affinité plus faible que H 2 pour les électrons (il retient moins ses électrons que H 2 ); s il est positif son affinité pour les électrons est plus grande que celle de H 2. Dans le cas choisi des composés A et B on a (E 0 de A) (E 0 de B) puisque A peut réduire B. En biologie On donne la valeur du protentiel redox à mi-reduction mesurée à ph 7, on le note E 0 --Deuxième temps. Le passage d un électron de P680 sur une Pheo et sur QA à produit un P Le E 0 de la réaction P680 P e - est de mv. On voit que P680 + est une espèce chimique très oxydante et peut oxyder l eau. Le P680 + est réduit par une Tyrosine dite Z (Tyr Z ) se trouvant côté lumen et qui passe alors sous la forme Tyr + Z. On voit que P680 + a été réinitialisé en P680 prêt à accepter une autre excitation. La Tyr + Z est réduite à son tour par un électron venant d un complexe contenant du manganèse, l OEC (Oxygen Evolving Complex). Une charge positive apparait donc sur l OEC qui passe d un état d oxydation S0 à un état S +1. Mais pour produire une molécule d O 2 il faut oxyder deux molécules d eau (2H 2 O O 2 + 4H + + 4e - ) : il faut donc 4 P680 + pour assurer l opération (Fig.A1-3).

6 6 Lorsque 4 P680 + sont apparus, l énergie de 4 photons a été absorbée, ce qui a provoqué la formation de 4 Q A - et celle de 2PQH 2. L OEC a accumulé 4 charges positives et est passé d un état d oxydation S0 à un état d oxydation S +4. A chacune de ses étapes les deux molécules d eau liées à l OEC perdent un électron. Les deux molécules d eau sont totalement oxydées lorsque l OEC retourne de l état S +4 à l état S0. On pense qu elles perdent un proton lors des transitions S0/S +1 et S +2 / S +3. Les deux autres protons sont libérés lors de passage de S +4 à S0 tandis que le dioxygène se dégage. En résumé : on a bien le dégagement d une molécule de dioxygène, une accumulation de 4H + dans le lumen, et une extraction de 4e - qui, in fine, servent à réinitialiser 4 P Figure. A1-3. Schéma de l accumulation de charges positives sur l OEC. Les charges + s accumulent lorsque le P680 récupère un électron en oxydant une Tyrosine (Tyr Z ) qui à son tour oxyde un complexe manganèse dans l OEC. Le complexe passe alors d un état S0 à un état S +1. L opération se répète à 4 reprises pour donner à partir de l état S0 l état S +4. L OEC peut alors oxyder 2 molécules d eau. Noter qu à un centre réactionnel est associé un OEC (voir annexe II). L excitation de ce centre puis son oxydation à 4 reprises permet l oxydation de deux molécules d eau Au niveau du Cyt b6f : les plastoquinoles sont oxydée et déprotoné tandis que les électrons sont transférés sur les plastocyanines. La pompe à protons Le pool des plastoquinoles dans les membranes thylacoïdiennes constitue une réserve d électrons et de protons. Les électrons puisés dans cette réserve vont réduire, via le Cyt b6f, les plastocyanines (PC) qui sont des petites protéines dont le centre redox est du Cu. Elles se trouvent dans le lumen et transfèrent les électrons vers le PSI. Les protons issus de l oxydation des PQH 2 s accumulent dans le lumen, s ajoutant à ceux produits par l oxydation de l eau. Le Cyt b6f est un complexe formé d au moins 4 polypeptides : le Cyt b6, le Cyt f, la protéine de Rieske avec le centre 2Fe/2S et un dernier polypeptide qui s associe au Cyt b6 pour former un site d accrochage où les plastoquinoles sont oxydées côté lumen (site Qo) et un autre site où les plastoquinone sont réduites et protonées côté stroma (site Qr) (Fig. A1-5). Les plastoquinoles sont oxydées par un centre 2Fe/2S coordonné par la protéine de Rieske et dont l E O est d'environ 300mV. Noter qu une platoquinole apporte deux électrons et que le centre 2Fe/2S de la protéine de Rieske n en accepte qu un à la fois. Le centre réduit 2Fe/2S de la protéine de Rieske peut réduire le Cyt f à son tour puisque le E 0 de ce dernier est de 365 mv environ. L hème (voir Fig. A1-4 pour un rappel de la structure d un Hème) du Cyt f est placé à proximité d un site qui accueille une plastocyanine dont l atome de cuivre peut être alors réduit. A ph neutre l'e o du Cyt f, de 365 mv, est très proche de la PC qui est voisin de 370 mv. On peut donc penser que la réduction de ce dernier est difficile. Cependant l'e o des PCs peut augmenter jusqu'à 420 mv lorsque le ph s'abaisse (on rappelle que L'E o est mesuré à ph 7).

7 7 On voit donc que l acidification du lumen, due à l oxydation de l eau et à la déprotonation des plastoquinoles dans le site Q O du Cyt b6f, favorise la réduction de Pcs. L oxydation de 2PQH2 par le Cyt b6f correspond finalement à l apparition dans le lumen de 4 PC réduite une fois et de 4 protons. Il est aussi montré dans cette section, dans le cas des PCs, que le potentiel d oxydoréduction est modifié par le ph qui potentiellement peut jouer son rôle dans la régulation du LET. Si l on se reporte à la relation de Nernst (rappel A1-1) on voit qu une modulation peut être exercée par la variation de la concentration des formes oxydées et réduites des composés en jeux. Noter que les plastoquinones prélèvent des protons dans le stroma (lorsqu elles sont réduites dans le site QB) et les transfèrent dans le lumen (lorsqu elles sont oxydées par le Cyt b6f). Dans cette opération le ph du stroma augmente tandis que celui du lumen diminue. L augmentation du ph dans le stroma permet une activité optimale des enzymes qui concourent à la fixation du CO 2, tandis que sa baisse dans le lumen permet le passage d ions H + à travers l ATPase entrainant la synthèse d ATP. La réduction/protonation des plastoquinones suivie de leur oxydation/déprotonation constitue le cœur de ce qui est appelé communément : la pompe à protons. CH 2 H 3 C CH N H 3 C CH 3 N Fe H 2 C H 2 C HOOC CH 2 N N CH CH 2 CH 3 Figure A1-4. Hème de cytochrome. L hème est constitué par un groupe de 4 noyaux pyrole, pentagone dont l un des sommets est occupé par un atome d azote et les autres par des atomes de carbone. Ces 4 noyaux forment un anneau. Les atomes d azote coordonnent un atome de fer (Fe) qui peut être oxydé et réduit. L hème se trouve coordonné lui-même par différents acides aminés de la protéine dans laquelle il se trouve. CH 2 COOH Au niveau du PSI : les ferrédoxines sont réduite et les plastocyanines oxydées Cependant l E 0 des plastocyanines qui apportent le pouvoir réducteur au PSI est inférieur à 370 mv, tandis que celui des Fds est de -420 mv. La réduction des Fds ne peut être directe. la lumière en excitant le P700 produit un réducteur très puissant avec un E 0 de -1150mv, suffisant pour réduire des Chls particulières qui lui sont voisines puis après avoir été transférés sur différents accepteurs se trouvant sur le PSI réduisent les molécules de Fds (voir Fig. A1-1). Le P700 + qui apparait durant ces réactions a un E 0 de mv et peut être réduit par les PCs. Ces dernières réinitialisent P Résumé du fonctionnement du LET sous forme d un bilan, lorsque une molécule d O2 produite 8 photons absorbés par les 2 photosystèmes réunis. 8 protons accumulés dans le lumen, dont 4 proviennent de l oxydation de 2 molécules d eau. Les 4 autres viennent de l oxydation de 2PQH 2. 4 électrons réduisent 4 Fds. Les Fds réduites sont les premiers accepteurs solubles d électrons dans le stroma.

8 8 Elles distribuent le pouvoir réducteur dans le stroma, notamment celui nécessaire à l'assimilation photosynthétique du CO 2 via la formation de NADPH. Les protons regagnent le stroma en passant à travers l'atp synthase. Ce flux de H + fournit l'énergie nécessaire à la synthèse d'atp utilisé dans de multiples réactions. Il faut environ 4 protons transférés à travers l ATPase pour assurer la synthèse d une molécule d ATP. Lorsque seul le transfert linéaire fonctionne, le rapport H+/e- (des protons accumulés dans le lumen aux électrons transférés) = 2 (voir Fig. A1-1). On comprend que ce rapport soit important à considérer puisqu il va fixer le rapport de l ATP produit à celui du NADPH formé La chaine de transfert d électrons et la production d énergie pour la fixation du CO2 --On peut calculer l énergie libre G 0 (susceptible de fournir un travail) apparaissant lorsque deux molécules d eau vont être oxydées et 4 molécules de Fd réduites. En effet on peut écrire : G 0 = nf E 0 Où E 0 est la différence de potentiel redox observée et n le nombre de charges échangées et F un faraday (voir rappel A1-1). Ici l on a : 4 x (0,81- (-0,42)) x = 4.92V x joules V -1 = joules ~ 114 Kcal On écrit souvent la réaction globale de l assimilation du CO 2 par la photosynthèse comme suit : 6CO 2 + 6H 2 O + lumière C 6 H 12 O 6 + 6O 2 où l hexose qui apparait peut être du glucose dont l énergie de combustion est de 684 Kcal mol -1. Si l on divise cette valeur par 6 pour considérer seulement la production d une molécule d O 2 lorsqu une molécule d H 2 O est oxydée lors du déroulement du LET, on arrive à la valeur de 114 Kcal. On voit que le fonctionnement de la chaine de transport d électrons lors de la photosynthèse fournit une quantité d énergie compatible avec l énergie requise pour la fixation du CO Le rendement quantique théorique maximum du dégagement d O2 lorsque les Fds sont les accepteurs terminaux des électrons venant de l eau Ce rendement quantique maximum est calculé en faisant le rapport du nombre de molécules de dioxygène dégagées (ou de dioxyde de carbone absorbé) au nombre de photons absorbés. Le rendement quantique du dégagement d O 2 est noté : O2 = (Nombre de molécules de O 2 émises/ Nombre de photons absorbés) Expérimentalement il se mesure dans une gamme d éclairements qui limitent strictement la photosynthèse (voir chapitre «la lumière et la photosynthèse», section I-2.1). La valeur du rendement quantique du dégagement d O 2 lors de la réduction des ferrédoxines (voir Fig. A1-1) est la suivante : O2 = (Une molécule de O 2 / 8 photons) = O 2 photon -1. L'exigence quantique du dégagement de O 2 lorsque les ferrédoxines sont réduites est 1/ O2 = 8 photons (molécule O 2 ) -1 C'est la plus grande valeur que l'exigence quantique puisse prendre car ce calcul est réalisé en supposant que l'efficacité des photons dans cette opération est de 100%.

9 9 Dans la pratique on mesure habituellement (Voir chapitre «la lumière et la photosynthèse» section I-2.1) une exigence quantique maximum de 9 à 10 photons par molécule d O 2 dégagée (rendement quantique O 2 photon -1 ). A titre d exercice on peut aussi calculer le rendement quantique maximum de la réduction des ferrédoxines. 2 x 4 photons (4 par le PSII et 4 autres par le PSI) absorbés correspond 4 électrons passant dans la chaîne photosynthétique et à la réduction de à 4 ferrédoxines. Le rendement quantique de la réduction des ferrédoxines s écrit donc : Fd = 4/8 = 0.5 molécules de Fd par photon. 2 Transfert cyclique centré sur le Cyt b6f : le cycle des Q Lorsque la chaîne photosynthétique fonctionne à l état stationnaire, la moitié des électrons fournis par l oxydation des plastoquinoles côté lumen, sur le site Qo, passe successivement sur la protéine de Rieske, le Cyt f puis les plastocyanine tandis que l autre moitié remonte vers le stroma dans le dans le Cyt b6. Deux hèmes assurent leur transfert à proximité du site Qr où ils réduisent des PQs venant du pool intrathylacoïdien pour donner des platoquinoles. 4 photons PSII 4H + 4H + Cyt b6f b6 f IV 2Q B 2PQ 2PQ 2Q 4e - P680 2PQH 2 2PQH 2 4PQH 2 4e- 4e - 4e - Rieske PSI 2H 2 O O 2 4H + 8H + 4 photons Figure A1-5. Le cycle de Q est centré sur le cyt b6f. Ce complexe est composé de 4 protéines, le Cyt b6, le Cyt f, la protéine de Rieske et la protéine IV, respectivement notées sur le schéma, b6, f, Rieske et IV. Les plastoquinoles sont oxydées sur le site Qo (o : oxydées), côté lumen, et les plastoquinones réduites sur le site Qr (r : réduites), côté stroma. Le fonctionnement du cycle des Q à l état stationnaire entraine une acidification supplémentaire du lumen (voir le texte Ci-dessus). La valeur de l E 0 de l hème proche de la protéine de Rieske est d environ -50 mv, tandis celle de l hème proche du site Qr est de -350 mv. Les réactions d oxydoréduction peuvent donc se dérouler normalement jusqu à la réduction d un PQ dans le site Qr. Au LET, s ajoute un transfert cyclique d électrons dont le résultat est une acidification supplémentaire du lumen. C est le cycle des Q. On pense qu il est obligatoire et qu il se met en route sitôt que les électrons sont transférés de l eau vers le Fds. Comme on l a vu dans section 1.3, ci-dessus, le rendement quantique maximum théorique de l émission photosynthétique d O 2 est de O 2 photon -1 ; et l on sait que ses valeurs mesurées sont très proches de cette valeur théorique. Il faut donc, qu à tout moment, lorsque 4 électrons sortent du PSII, que 4 électrons réduisent le PSI qui a été oxydé par 4 photons. Il faut donc que le pool des plastoquinones ait accumulé quelques PQH 2 pour que le cycle des Q et le transfert linéaire fonctionnent en même temps. Ceci est possible parce que l activité du Cyt b6f limite le transfert vers le PSI.

10 10 Le fonctionnement obligatoire du cycle des Q donne un supplément de 4 H + dans le lumen par O 2 dégagé ; ces protons s ajoutent à ceux déjà fournis par l oxydation d une molécule d eau et l activité de la pompe à protons. Le dégagement d une molécule d oxygène correspond donc au passage de 12 protons dans le lumen lorsque l on prend en compte l activité du cycle des Q. Son fonctionnent obligatoire augmente le rapport H + /e - du transfert d électrons du PSII au PSI de 2 à 3 et ce sont 3 molécules d ATP qui sont synthétisées par molécules d O 2 produite. 3 Transferts centrés sur le PSI (CET1 : Cyclic Electron Transfer) Les électrons sortant du PSI réduisent la Ferrédoxines qui réduisent à leur tour la FNR (ferrédoxine NADP réductase) protéines catalysant la réduction du NADP + en NADPH + H +. Ils peuvent aussi rentrer dans des transferts cycliques autour du PSI et impliquant le Cyt b6f (Fig A1-6) NADPH NADP+ FNR 2 photons 2H + 2H + FNR 2Fd red 2e - PQ PQ N D H 2e- PQH 2 2e- 2H + Cyt b6f 2PC P700 PSI Figure A1-6. Flux cyclique autour du PSI. Au moins deux voies possibles de retour des électrons sur le pool des plastoquinones. 1-A partir des Ferrédoxines réduites (Fd red ) vers le cyt.b6f via une FNR (ferrédoxine NADP réductase) qui lui est lié (traits noirs épais). 2-A partir du NADPH formé vers une NAD(P)H oxydase (traits violets épais). Dans les deux cas il y a formation de PQH 2 qui est oxydée par le cytb6f «côté lumen». Cela permet le passage de protons du stroma vers le lumen. Les électrons retournent sur le PSI via la plastocyanine (PC) --Une FNR réduite peut former probablement avec le Cyt.b6f un complexe transitoire qui permet le passage des électrons sur le pool des plastoquinones via le Cyt.b6. Cette réaction est aussi accompagnée d une protonation des quinones réduites. Les plastoquinoles (PQH 2 ), formées sont oxydées côté lumen sur le complexe b6f. Les protons passent dans le lumen et les électrons retournent vers le PSI. Cette voie implique la protéine PGR5 (Proton Gradient 5) et est inhibée par un antibiotique, l antimycine.. --Les ferrédoxines réduites passent leur électron à la FNR qui catalyse la réduction du NADP +. Le NADPH + H + formé peut être à son tour oxydé par une NAD(P)H réductase dans la membrane thylacoïdienne, ce qui permet aussi la réduction et la protonation de molécules de plastoquinones. La NAD(P)H oxydase utilise plus efficacement le NADH. Mais la concentration de ce dernier dans le stroma, comparativement à celle du NADPH, est très faible. Les plastoquinoles formées sont oxydées côté lumen au niveau du cyt b6f. Les protons passent dans le lumen et les électrons retournent vers le PSI. Cette voie n est pas par inhibée par l antimycine.

11 11 --Le fonctionnement de ces cycliques est régulé au moins par l état de réduction de la chaine de transfert d électrons, qui contrôle le retour des électrons sur le pool des plastoquinones : il est régulé à la baisse lorsque l état réduit du pool des plastoquinones augmente. Les transferts cycliques autour du PSI contribuent à la synthèse d'atp sans production de NADPH. Leur fonctionnement contribue à moduler la valeur du rapport ATP/NADPH (rapport H + /e - ). 4 Flux linéaire d électrons sur la PTOX (Plastidial Terminal oxidase) Les plastoquinones peuvent être oxydées directement par une oxydase terminale : la PTOX (Fig. A1-7). L oxygène est réduit sans formation d espèces actives toxiques pour donner de l eau. Les protons nécessaires sont prélevés dans le stroma. Le flux d électrons dû à l activité de la PTOX n est pas lié à la synthèse de NADPH ni à celle d ATP. 4 photons Stroma PSII 4H + +O 2 2H 2 O 4 e - P680 4 e - 2PQH 2 4H + 4e - 2Q -- B 2PQ Figure A1-7. Réduction des plastoquinones par la PTOX. Voir texte. 2H 2 O O 2 + 4H + Cette enzyme est nécessaire à la synthèse des caroténoïdes : elle joue donc, de ce point de vue, un rôle dans la protection de l appareil photosynthétique contre la lumière (les plantes dont les feuilles sont dépourvues de caroténoïdes sont rapidement photoxydées, même sous lumière faible). Chez des plantes soumises à contraintes, son activité et sa quantité augmentent : elle pourrait, par ce biais, contribuer à la protection de l appareil photosynthétique contre les fortes lumières. Dans ce cas la PTOX permet d éviter la sur-réduction du pool des plastoquinones, qui peut être dommageable pour le PSII. 5 flux cyclique d électrons dans le PSII (CET2) L appareil photosynthétique d une feuille (ou de tout autre organisme photosynthétisant) peut être endommagé lorsqu il est soumis à une très forte lumière. Dans ce cas l activité de l OEC diminue et le P680 oxydé ne peut plus être réinitialisé avec la même efficacité. Comme on la vue P680 + est une espèce chimique très oxydante. Il peut récupérer ces électrons à partir des acides aminés qui l environnent, endommageant ainsi le PSII. Il peut aussi recombiner sa charge positive avec QA -. Mais il forme alors 3 P680 (P680 à l état triplet) espèce chimique susceptible d entrainer la formation d oxygène actif (oxygène singulet), destructeur. Il peut se mettre en place alors un flux cyclique qui transfert une charge négative d un Q B à un Cyt b559, puis à une molécule de carotène qui le cède enfin au P Ce cycle ne produit ni ATP (transfert de protons) ni NADPH. Autant qu on le comprenne, on lui attribue exclusivement un rôle protecteur.

12 12 Cela souligne l importance du Cyt b559, partie intégrante du PSII, dont l absence est connue pour empêcher l assemblage du PSII lors de l ontogenèse des chloroplastes. Figure A1-8. Cycle d électrons dans le PSII. Ce cycle permettrait la réinitialisation du P680 qui a été oxydée, lorsque cette réinitialisation est rendue difficile quand l activité de L OEC diminue chez des plantes soumises à des contraintes environnementales. Pheo : phéophytine ; Car : -carotène ; OEC : Oxygen Evolving Complex; Q A : une quinone fortement attachée au PSII ; Q B : une plastoquinone du pool intrathylacoïen qui est rentrée dans le site donneur d électrons du PSII et qui n a pas été encore protonée ; PQH 2 : plastoquinone réduite et protonée. Noter que le fonctionnement du LET et du CET participe aussi à la protection de l appareil photosynthétique, mais, qu en plus de cette fonction, ce sont eux qui fournissent l énergie utiliser par la plante. Ce que ne fait ni le flux lié à l activité de la PTOX ni le flux cyclique à l intérieur du PSII. 6 Mouvements de cations lors du fonctionnement de la pompe à protons La mise en toute du LET et du CET1 est liée à l établissement d un ph de part et d autre de la membrane thylacoïdienne, résultat du fonctionnement de la pompe à protons qui transfert des ions H + du stroma vers le lumen. Ce transfert entraine aussi une modification des charges électriques de la membrane. Cette modification est compensée par une migration de cations en sens inverse : de l intérieur du lumen vers le stroma. Le magnésium, sous forme Mg ++ peut remplir ce rôle. Cependant, la nature de la protéine membranaire constituant le canal nécessaire à ce transport n est pas encore connue. Mais on a bien observé, à la lumière sur des thylacoïdes isolés, que le passage des charges apporté dans le stroma par Mg ++ à la lumière pouvait compenser exactement la perte de charges positives côté stroma due à la migration des H + dans le lumen. On note aussi que le magnésium est le métal plus abondant dans les thylacoïdes. C est en effet un composant majeur de la chlorophylle dont le turnover peut être augmenté lorsque les plantes sont soumises à contraintes. Les mouvements du magnésium dans les différents compartiments du chloroplaste doivent être rapides pour assurer alors le recyclage de ce métal lors de la synthèse de ce pigment. D autres transporteurs ont été identifiés dans la membrane thylacoïdienne. Un transporteur de Cl -, dont le fonctionnement dépend du voltage. Il pourrait aussi compenser l accumulation de charges positives dans le lumen à la lumière. Mais jusqu à présent rien ne semble démontré à ce sujet. Un canal qui échange du Ca ++ contre du H + (antiport). Et d autres qui permettent le passage de l ATP et aussi du Pi (phosphate inorganique). Ces deux derniers canaux jouent probablement important dans le turnover du PSII qui est accéléré sous une lumière excédentaire.

13 13 7 Ferrédoxines distribuent le pouvoir réducteur dans les chloroplastes : un résumé 7.1 Les différentes voies de distribution Les ferrédoxines sont les premiers accepteurs solubles d électrons. Ils constituent une plaque tournante à partir de laquelle les électrons sortant du PSI sont distribués dans diverses directions pour assurer différentes fonctions (voir Fig.A1-9). --Les élecrons sont utilisés en priorité pour la réduction de NADP + en NADPH + H + par la FNR (Ferrédoxine NADP+ Réductase) et l'activation de certaines enzymes, appartenant notamment au cycle photosynthétique. --Ils servent majoritairement à la fixation photosynthétique du CO 2 et de l O 2 (carboxylation et. Oxygénation du RuBP, le Ribulose-1,5-bisphosphate) --Ils permettent aussi l activation d enzymes chloroplastiques impliquées dans la fixation CO 2, comme la fructose 1,6-bisphosphatase, ou dans l exportation du pouvoir réducteur, lorsqu il est en excès, vers le cytoplasme, comme c est le cas pour la malate déshydrogénase. --Ils peuvent être aussi dirigés vers la réduction des nitrates, nitrites, des sulfites. --Ils peuvent aussi retourner vers les plastoquinones, dans la membrane des thylacoïdes, réalisant ainsi des transferts cycliques autour du PSI, responsables de l acidification du lumen. Activation de quelques enzymes dans le chloroplaste Cyclique 1 Carboxylation et Oxygénation du RuBP Réduction du NADP Métabolisme de N, S... PSII 2H 2 O O 2 + 4H + H + H + PSI Réduction directe de l O 2 : la réaction de Mehler Destruction des espèces actives d O 2 qui ont été formées Figure A1-9. Les ferrédoxines sont les premiers accepteurs solubles d électrons dans les chloroplastes. Ils distribuent leur pouvoir réducteur principalement pour la réduction du CO 2 et de l O 2, mais aussi à bien d autres réactions (voir texte). --Ils peuvent enfin réduire directement le dioxygène, dans une réaction appelée réaction de Mehler, du nom de son découvreur dans les années Noter que cette réaction ne produit pas de NADPH (les électrons réduisant directement l O 2 ), mais qu elle est liée à une synthèse d ATP : le flux linéaire d électrons qui lui est associé est responsable de la formation d un gradient de protons de part et d autre de la membrane thylacoïdienne.

14 Le flux d électrons associé à ces différentes voies d utilisation du pouvoir réducteur est variable Le plus élevé (environ 80%) est lié à la réduction du CO 2 et de l O 2 lors de la fixation sur le RuBP. Mais certaines voies d utilisation consomment peu d électrons en conditions normales. Utilisation par la PTOX : le flux sur la PTOX est habituellement très faible (probablement moins de 1%). Il pourrait cependant augmenter, et devenir important, chez des plantes issues de milieux contraignants, participant à l évitement d une réduction trop importante du pool des plastoquinones. Utilisation par les flux cycliques : les flux cycliques autour du PSI sont faibles voire négligeables en lumière limitante chez les plantes en C3. Chez ces plantes il est le plus élevé sous forte lumière et peut augmenter en conditions stressantes. Ses valeurs et sa régulation chez les plantes en C4 et les algues vertes où ils peuvent atteindre des valeurs importantes seront abordées en détail par la suite. Utilisation par la réaction de Mehler : le flux lié à la réaction de Mehler est habituellement faibles (quelques % du total) chez les plantes supérieures. Par contre chez les bactéries photosynthétiques il peut être beaucoup plus élevé. Utilisation pour l activation d enzymes : ce flux est très faible. Il résulte du fait que les enzymes réduites sont constamment réoxydées par l oxygène dissous dans le stroma. Utilisation dans la réduction de l azote : Ce flux est plus important et peut atteindre une dizaine de % chez les plantes supérieures. 7.3 Le flux dans ces différentes voies d utilisation est associé à la consommation d ATP et de NADPH ou de pouvoir réducteur seulement La fixation du CO 2 et d l O 2 sur le RuBP. Consomme l ATP et le NADPH. L activation d enzymes : N utilise que du pouvoir réducteur, des ferrédoxines réduites. Mais le flux linéaire lié à ce processus, aussi faible soit-il produit de l ATP. La réaction de Mehler : ne consomme que du pouvoir réducteur, principalement sous forme de Ferrédoxines réduites mais son fonctionnement est lié à la synthèse d ATP. Le flux cyclique autour du PSI (CET1): n utilise que du pouvoir réducteur arrivant sur les ferrédoxines et qu il retourne sur le pool des plastoquinones. Il produit de l ATP Il en est de même pour le métabolisme azoté et soufré qui consomme surtout du pourvoir réducteur L activité de la malate déshydrogénase peut exporter le pouvoir réducteur en excès dans le cytoplasme. il consomme du NADPH produit par le transport linéaire d électrons et pour cela est liée à la synthèse d ATP. La réduction de l O 2 via l activité de la PTOX ne consomme que du pouvoir réducteur et n est pas liée à une production d ATP. Le CET2 : ne consomme que des électrons, mais apparemment, seulement en cas lorsque la lumière est excédentaire. La demande en NADPH et en ATP sont fixés par les besoins de différentes voies métaboliques et notamment ceux liés à la fixation photosynthétique du dioxyde de carbone. Ces besoins sont fixés par le développement de la plantes lui-même modulé par les contraintes de l environnement. Le rapport NADPH/ATP du NADPH et de l ATP produits est variable. La régulation se fait principalement de 2 façons : par la modulation d activité du CET ou celle de la réaction de Mehler. L activation de ces deux voies réduit la fourniture de NADPH tout en augmentant celle d ATP. L inhibition de ces voies produit évidemment l effet inverse. Selon les circonstances l un ou l autre peut être activé, ou les deux à la fois. 8 Localisation des complexes de la chaîne photosynthétique sur les thylacoïdes

15 Granum 15 Les membranes thylacoïdiennes peuvent être accolées entre elles et former des empilements granaires, ou non accolées et relier dans ce cas les différents granas entre eux (Schéma dans la section II-3.3.2). On distingue parfois les thylacoïdes longs qui relient les grana entre eux et les thylacoïdes courts qui constituent les granas. A cette hétérogénéité d'organisation, correspond une hétérogénéité dans la localisation des complexes qui forment la chaîne photosynthétique. Des techniques anciennes, utilisant des anticorps contre les complexes photosynthétiques, avaient montré que les PSII se trouvaient en grande majorité dans les zones accolées des grana tandis que les PSI surtout dans les zones non accolées (thylacoïdes longs ; Anderson et Goodchild, 1987). Les anticorps étaient marqués à l aide de particules métalliques et le repérage se faisait en microscopie électronique. Un groupe de Suède (albertsson, 1990 et 2001) a mis au point une procédure pour séparer différents domaines des thylacoïdes. Cette procédure permet d isoler les granas des thylacoïdes longs, et, dans les granas de distinguer : -la partie des grana où les membranes sont accolées, -la marges granaires, -les membranes terminales des grana (membranes qui délimitent les deux extrémités des grana) (Fig.E6). Membrane terminale Marges granaires Membranes accolées Thylacoïde long Membrane terminale FigureA1-10. Les différents domaines de la membrane du thylacoïde (d après Albertsson, 2001) Tableau A1-1. Répartition approximative en % de différents complexes se trouvant dans la chaîne de transfert d électrons dans les différents domaines des thylacoïdes : - membranes accolées des grana (MAG), -marges granaires (MG), -membranes terminales des granas (MTG) -et thylacoïdes longs. Le rapport Chl a/b est aussi donné (d après Albertsson, 2001). Ces valeurs sont issues de travaux faits sur des feuilles d épinard. MAG MTG MG Thylacoïdes longs Photosystème I Photosystème II Cytochrome b6f Chlorophylle Chl a/b La répartition des complexes photosynthétiques dans ces différents domaines est donnée dans le tableau E1

16 16 L ATP synthase se trouve à peu près également dans toutes les zones exposées au stroma : il n y en a pas dans les membranes accolées des grana, mais il y en a dans les marges et dans les membranes «terminales». Il y en a évidemment dans les thylacoïdes longs. Les grana portent à leur périphérie (marges et membranes terminales) des photosystèmes I. Les photosystèmes II se trouvent «à l intérieur des grana» sur les membranes accolées. En accord avec cette observation on note que la majorité de l antenne collectrice du PSII se trouve dans les grana. Les cytochromes b6f se trouvent aussi surtout à l intérieur des grana. On voit, dans le modèle de la membrane thylacoïdienne qui vient d être donné, que dans les grana les photosystèmes II et I sont situés dans deux zones proches et distinctes. Cela souligne l importance des molécules de liaison que sont les plastoquinones, dans la membrane même, et des plastocyanines, dans le lumen. Leur diffusion peut être ralentie par l encombrement moléculaire existant dans ces deux milieux (Annexe II). Noter. Le degré d accolement des membranes granaires dépend de l état de phosphorylation des antennes collectrices : lorsqu elles sont phosphorylées l accolement devient plus lâche. Il dépend aussi de la présence de cations : lorsque leur concentration diminue les membranes s éloignent aussi les unes des autres. 9 Le flux d électrons dans les membranes thylcoïdiennes est aussi un point où la quantité et la qualité de la lumière sont perçues et d où partent des signaux qui permettent d ajuster son fonctionnement aux changements de l environnement Voir le chapitre «la lumière et la photosynthèse» II. Bibliographie sommaire Albertsson P-Å (2001) A quantitative model of the domain structure of the photosynthetic membrane. Trends in Plant Science 6 : Cornic G, Baker NR (2012) Electron Transport in Leaves: A Physiological Perspective. In Photosynthesis: Plastid Biology, Energy Conversion and Carbon Assimilation, Advances in Photosynthesis and Respiration, J.J. Eaton-Rye, B.C. Tripathy and T.D. Sharkey (eds.). Springer Science+Business Media B.V. 2011,34: