La photosynthèse des plantes vasculaires

Table de matières Les premières 2 heures: la membrane thylacoïdale (photosystème II, cytochrome b6/f, photosystème I et ATP-synthase) La troisième heure: les systèmes antennaires des photosystèmes II et I La quatrième heure: le cycle Calvin Benson, plantes C3, C4 et CAM

Les buts: une compréhension 1. de la structure et la fonction des complexes protéiques des membranes thylacoïdales 2. du transport d’électrons entre le côté donneur du photosystème II et le côté accepteur du photosystème I 3. de la régulation de l’utilisation/dissipation d’énergie absorbée dans l’antenne du photosystème II 4. de l’interaction entre la chaîne de transport d’électrons et le cycle Calvin-Benson 5. des différences entre le métabolisme des plantes C3, C4 et CAM

La formule générale de la photosynthèse des plantes: lumière CO2 +2H2O  (CH2O) + H2O + O2 chlorophylle Van Niel, 1931

Derrière la réaction générale de la photosynthèse se cachent deux processus: Une chaîne de transport d’électrons comparable à celle trouvé dans les mitochondries Un cycle des réactions biochimiques comparable au cycle de l’acide citrique dans les mitochondries

Un flux d’électrons du NADH à l’O2 Les mitochondries protons Un flux d’électrons du NADH à l’O2 Les chloroplastes Un flux d’électrons de l’ H2O au NADP+

Une comparaison entre les chloroplastes et les mitochondries: 1. Les chloroplastes reduisent le NADP, en revanche les mitochondries consomment le NADH 2. Chloroplastes scindent H2O et produisent O2, en revanche mitochondries produisent H2O à partir de O2 Mais, les chloroplastes et les mitochondries, tous les deux, fonctionnent commes des pompes des protons

Ou une description de photosystème II Des éléments nécessaires pour la transformation de la lumière en énergie chimique Ou une description de photosystème II

1 Une membrane: Pour la récolte de lumière ‘optimale’ une orientation ‘fixe’ est nécessaire

2 Un complexe protéique comme un portemanteau pour les cofacteurs et les chromophores

3 Chlorophylle Les chromophores comme la chlorophylle pour l’absorption des photons

4 Un mécanisme de séparation des charges pour la conversion de l’énergie lumineuse en énergie chimique D A devient D+ A- Dans le photosystème II le donneur D est la chlorophylle et l’accepteur A est la phéophytine (chlorophylle sans Mg)

5 6 La stabilisation de la séparation des charges D3 D2 D1+ A1- A2 A3 Les déplacements du trou électronique Les déplacements de l’électron 6 Une source d’électrons

Comment ça fonctionne dans le chloroplaste?

1 stroma lumen

2 3 La protéine d’antenne comme un portemanteau pour les molécules de chlorophylles et de caroténoides 3

4 + 5 Les donneurs et accepteurs D1 = le P680 (*) D2 = la tyrosine Z D3 = le cluster de manganese A1 = la phéophytine A2 = la quinone A (QA) A3 = la quinone B (QB) (*) L’énergie capturée par l’antenne se déplace en direction d’une paire de chlorophylles. Cette paire est appelée le P680 (ou pigment 680) parce que cette paire de chlorophylles absorbe la lumière de 680 nm.

La quinone

Séparation des charges entre le P680 et le phéophytine: ~3-20 ps Pheo- - QA: ~250 ps QA- - QB: 100-200 µs QA- - QB-: ~400 µs Échange de QBH2: 1-2 ms

Photosystème II L’échelle de temps 1012 1 fs = 1 femtoseconde = 10-15 s (le transfert d’énergie, par exemple entre les chlorophylles a et b) 1 ps = 1 picoseconde = 10-12 s (la séparation des charges) 1 ns = 1 nanoseconde = 10-9 s (le transfert d’un électron de phéophytine à QA) 1 µs = 1 microseconde = 10-6 s (le transfert d’électrons entre QA et QB) 1 ms = 1 millisceconde = 10-3 s (l’échange d’une molécule QB)

5 Stabilisation de la séparation des charges Mn-cluster = D3 TyrZ = D2 P680 = D1 Pheo = A1 QA = A2 QB = A3 30 s 120 ms 0.4 – 1.5 s A2- D1+ = 1 A2- PS II D2+ = 1200 A2- D3+ = 4000-15000 100 µs Séparation des charges A3- D3+ = 300000 Une augmentation de la distance entre l’électron et le trou stabilise la séparation des charges 300000 fois !

6 La source d’électrons

La formule générale de la photosynthèse: lumière CO2 +2H2X  (CH2O) + H2O + X2 chlorophylle Van Niel, 1931 Pour les plantes et les cyanobactéries l’X est l’oxygène (O) et pour les bactéries photosynthétiques l’X est le soufre (S)

Comment nous savons qu’il s’agit d’un cluster de manganèse ? Le photosystème II utilise un cluster de 4 molecules de manganèse pour une reduction chimique de l’eau Comment nous savons qu’il s’agit d’un cluster de manganèse ?

Traitements qui empêchent la production de l’oxygène 1 Traitements qui empêchent la production de l’oxygène Chaleur (45-50 °C) > 1 mM de hydroxylamine (NH2OH) Les chloroplastes dans 0.8 M du tampon Tris (pH 8) Ces traitements causent une libération des molécules de manganèse

2 - Des algues cultivés en absence de manganèse sont incapables de produire de l’oxygène - L’addition de manganèse restaure la production de l’oxygène

Conclusion: le manganèse est important pour la production de l’oxygène Et, il était possible de calculer que la photosynthèse a besoin de 4-6 molécules de manganèse par centre réactionnel

Comment fonctionne ce cluster de manganèse ?

‘Single turnover flash’ Un transfert d’électron avec un demi-temps de > 100 µs ‘Single turnover flash’ Un flash de lumière avec une intensité très forte (>10 fois l’intensité de soleil) et beaucoup plus court que 100 µs (quelques µs) e.g. un flash laser ou un flash xenon

L’observation de Pierre Joliot La rélation entre la production de l’oxygène et le numéro des éclairs très courts (quelques microsecondes): des oscillations avec une périodicité de 4

Il y a une oscillation de période 4 Le signal est amorti Il n’y a pas de production d’oxygène pendant les premiers deux éclairs Il y a une oscillation de période 4, mais le premier maximum est après l’éclair 3

- il y a une oscillation de période 4 - le signal est amorti - il n’y a pas de production d’oxygène pendant les premiers deux éclairs - il y a une oscillation de période 4, mais le premier maximum est après l’éclair 3 La base du modèle: - il y a 5 états: S0 – S4 l’état S4 n’est pas stable lors de chaque éclair très court, le système est capable d’avancer de 0 (un échec), 1 ou 2 (‘double hit’) état(s). en obscurité le système est dans l’état S1 D3 D2 D1 Le modèle de Bessel Kok

Conclusion: Le cluster de manganèse et son environnement passe chaque cycle par 5 états redox

La deuxième quinone (QB) a trois fonctions: - stabilisation de la séparation de charge -   transporteur mobile d’électrons - transporteur mobile des protons

Molécules de plastoquinone comme QB ont une queue longue Molécules de plastoquinone comme QB ont une queue longue. Pour s’associer à photosystème II les molécules fait un mouvement à tire-bouchon.

La structure protéique

La membrane thylacoïdale Les modèles pliables des deux polypeptides du centre réactionel: D1 et D2* * (le D = ‘diffuse’, parce que sur un gel les bandes des D1 et D2 sont ‘diffuse’). La membrane thylacoïdale Typique pour les protéines membraniques: des hélices alpha transmembraniques

Le modèle d’une hélice alpha Une hélice transmembranique: 20-25 acides aminés hydrophobiques comme glycine, serine, alanine, phenylalanine, leucine, histidine ou tyrosine. Le modèle d’une hélice alpha C’est possible de détecter des hélices transmembraniques dans des séquences des acides aminés: les hélices transmembraniques forment des groupes des 20-25 acides aminés hydrophobes

La structure cristal de photosystème II: un forêt des hélices alpha Le centre réactionel de photosystème II Ferreira et al. 2004

Resumé Les fonctionnes de photosystème II : Le recolte de lumière La création d’une séparation de charge La stabilisation des charges La donnation des électrons (cluster de manganèse) La libération des protons dans le lumen

Pool de plastoquinone et cytochrome b6/f

Pool de plastoquinone Réduction = 2 électrons + 2 protons Plusieurs photosystèmes II partagent 1 pool de plastoquinone. Avantage: l’inactivation d’un photosystème II n’a pas d’effet sur l’activité de la chaîne entière parce que les autres photosystèmes II qui partagent le pool peuvent compenser la perte. Pool de plastoquinone Les fonctionnes de pool de plastoquinone: Tampon entre le photosystème II et la cytochrome b-f (comme un accordéon) Transporteurs mobiles des électrons Transporteurs transmembraniques des protons pour la création d’un gradient des protons

Des représentations schématiques de cytochrome b-f La structure cristal du cytochrome b-f (Le cytochrome b-f est un dimère) Deux parties du dimère

Le cycle Q Les 2 électrons de PQH2 sont distribués entre le cytochrome f et le cytochrome b. Après 2 cycles de ré-oxidation de PQH2, les deux électrons sur les deux cytochromes b sont utiliser pour la réduction d’une molécule PQ. Le seul but du cycle Q est une augmentation du nombre des protons libérés dans le lumen par chaque électron transféré.

Gradient de proton La réduction de l’eau: 2 H2O + 4 photons donnent 1 O2 + 4 e- (= 2 PQH2) + 4 H+ L’oxydation de 2 molécules PQH2 donne 4 e- + 4 H+ Le cycle Q: l’utilisation de 2 e- (par 2 molécules de PQH2) pour la réduction d’une molécule de plastoquinone. Ça donne 2 H+ extra. Un de ces deux électrons est utilisé pour un autre cycle. Cet électron donne 1 H+ extra; tous les cycles suivant: 0.5 + 0.25 + 0.125, etc. donne ensemble finalement un autre proton. C’est-à-dire: chaque 4 séparations des charges environ 12 protons sont libérés dans le lumen. L’ATP synthase a besoin de 4 protons par molécule d’ATP: 12 protons = 3 molécules de l’ATP L’acidification du lumen est accompagnée par une alcalisation du stroma!

Plastocyanine La connexion entre le photosystème II et le cytochrome b-f est composé d’un pool de molécules de plastoquinone La connexion entre le cytochrome b-f et le photosystème I est composé d’un ‘pool’ de plastocyanine Le centre réactionnel de plastocyanine (une petite protéine) contient une molécule de cuivre. (N.B. les cyanobactéries peuvent remplacer plastocyanine avec un cytochrome en cas d’un déficit de cuivre.)

La photosynthèse, pourquoi a-t-elle besoin de deux photosystèmes? Plastoquinone n’est pas capable de réduire NADP+ La photosynthèse, pourquoi a-t-elle besoin de deux photosystèmes? Dans le schéma Z les réactions redox sont arrangées en fonction de leur place sur une échelle énergétique  Le ligne bleu indique que PQH2 (plastoquinone réduit) plus bas sur l’échelle énergétique que NADPH. C’est-à-dire que PQH2 ne peut pas réduire NADP+ Seulement après la deuxième séparation des charges dans photosystème I, l’énergie redox est suffisante pour la réduction de NADP+

= les parties differentes Plastoquinone vs phylloquinone Pheophytine vs chlorophylle Dimère de chlorophylle Les premiers transferts des électrons dans photosystème II et I sont très similaires. Le centre réactionnel se composé des deux molécules de chlorophylle. L’accepteur primaire est phéophytine dans photosystème II (chlorophylle sans magnésium) et chlorophylle dans photosystème I. Et l’accepteur secondaire est un plastoquinone dans photosystème II et un phylloquinone dans photosystème I.

Ils ne sont pas seulement les cofacteurs des photosystèmes II et I, qui sont similaires; la structure des hélices alpha est aussi presque identique pour les deux photosystèmes C’est une indication que dans l’évolution il y étais une duplication des gènes des photosystèmes. C’est-à-dire qu’il existe un ancêtre commun des photosystèmes I et II.

Le côté accepteur de photosystème I n’est pas comme photosystème II: Il y a 3 clusters fer-souffre qui transfert les électrons en direction de ferredoxin

Une résumé du transport des électrons: le schéma Z Finalement, catalysé par l’enzyme ferredoxin-NADP+-reductase (FNR) ferredoxin peut réduire NADP+ FNR est inactif en obscurité. L’enzyme est activé par une alcalinisation du stroma après quelques secondes d’illumination.

On a fait aussi des cristalles de photosystèmes I: Photosystème I de cyanobactéries

ATP-synthase

ATP-synthase

L’ATP-synthase était isolée, renversée et stabilisée On sait comment l’ATP-synthase fait une rotation interne?