Elements pour la cration dune centre ractionelle

1

La photosynthèse des plantes vasculaires
2
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
3
Les buts une compréhension 1. de la structure et
la fonction des complexes protéiques des
membranes thylacoïdales 2. du transport
délectrons entre le côté donneur du photosystème
II et le côté accepteur du photosystème I 3. de
la régulation de lutilisation/dissipation
dénergie absorbée dans lantenne du photosystème
II 4. de linteraction entre la chaîne de
transport délectrons et le cycle
Calvin-Benson 5. des différences entre le
métabolisme des plantes C3, C4 et CAM
4
(No Transcript)
5
(No Transcript)
6
La formule générale de la photosynthèse des
plantes
lumière CO2 2H2O ?
(CH2O) H2O O2
chlorophylle
Van Niel,
1931
7
Derrière la réaction générale de la photosynthèse
se cachent deux processus

• Une chaîne de transport délectrons comparable à
  celle trouvé dans les mitochondries
• Un cycle des réactions biochimiques comparable au
  cycle de lacide citrique dans les mitochondries

8
Les mitochondries
protons
Un flux délectrons du NADH à lO2
Les chloroplastes
Un flux délectrons de l H2O au NADP
9
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
10
Des éléments nécessaires pour la transformation
de la lumière en énergie chimique
Ou une description de photosystème II
11

1
Une membrane Pour la récolte de lumière
optimale une orientation fixe est nécessaire
12
2
Un complexe protéique comme un portemanteau pour
les cofacteurs et les chromophores
13
3
Chlorophylle
Les chromophores comme la chlorophylle pour
labsorption des photons
14
4
Un mécanisme de séparation des charges pour la
conversion de lénergie lumineuse en énergie
chimique
D
A
devient
D
A-
Dans le photosystème II le donneur D est la
chlorophylle et laccepteur A est la phéophytine
(chlorophylle sans Mg)
15
5
La stabilisation de la séparation des charges
D3
D2
D1
A1-
A2
A3
Les déplacements du trou électronique
Les déplacements de lélectron
6
Une source délectrons
16
Comment ça fonctionne dans le chloroplaste?
17
1
stroma
lumen
18
2
La protéine dantenne comme un portemanteau pour
les molécules de chlorophylles et de caroténoides
3
19
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)
() Lénergie capturée par lantenne se déplace
en direction dune paire de chlorophylles. Cette
paire est appelée le P680 (ou pigment 680) parce
que cette paire de chlorophylles absorbe la
lumière de 680 nm.
20
La quinone
21

• 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

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Photosystème II
Léchelle de temps
1012
1 fs 1 femtoseconde 10-15 s (le transfert
dénergie, 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 dun électron de phéophytine
à QA) 1 µs 1 microseconde 10-6 s (le
transfert délectrons entre QA et QB) 1 ms 1
millisceconde 10-3 s (léchange dune molécule
QB)
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5 Stabilisation de la séparation des charges
A2-
D1 1
A2-
D2 1200
PS II
A2-
D3 4000-15000
100 µs
Séparation des charges
A3-
D3 300000
Une augmentation de la distance entre lélectron
et le trou stabilise la séparation des charges
300000 fois !
24
6
La source délectrons
25
La formule générale de la photosynthèse
lumière CO2 2H2X ?
(CH2O) H2O X2
chlorophylle
Van Niel,
1931
Pour les plantes et les cyanobactéries lX est
loxygène (O) et pour les bactéries
photosynthétiques lX est le soufre (S)
26
Le photosystème II utilise un cluster de 4
molecules de manganèse pour une reduction
chimique de leau
Comment nous savons quil sagit dun cluster de
manganèse ?
27
1
Traitements qui empêchent la production de
loxygène

• Chaleur (45-50 C)
• gt 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

28
2

• - Des algues cultivés en absence de manganèse
  sont incapables de produire de loxygène
• - Laddition de manganèse restaure la production
  de loxygène

29

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

30
Comment fonctionne ce cluster de manganèse ?
31
Un transfert délectron avec un demi-temps de gt
100 µs
Single turnover flash Un flash de lumière avec
une intensité très forte (gt10 fois lintensité de
soleil) et beaucoup plus court que 100 µs
(quelques µs) e.g. un flash laser ou un flash
xenon
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Lobservation de Pierre Joliot
La rélation entre la production de loxygène et
le numéro des éclairs très courts (quelques
microsecondes) des oscillations avec une
périodicité de 4
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• Il y a une oscillation de période 4
• Le signal est amorti
• Il ny a pas de production doxygène pendant les
  premiers deux éclairs
• Il y a une oscillation de période 4, mais le
  premier maximum est après léclair 3

34

• La base du modèle
• - il y a 5 états S0 S4
• létat S4 nest pas stable
• lors de chaque éclair très court, le système est
  capable davancer de 0 (un échec), 1 ou 2
  (double hit) état(s).
• en obscurité le système est dans létat S1

- il y a une oscillation de période 4 - le signal
est amorti - il ny a pas de production doxygène
pendant les premiers deux éclairs - il y a une
oscillation de période 4, mais le premier maximum
est après léclair 3
D3
D2
D1
Le modèle de Bessel Kok
35
Conclusion Le cluster de manganèse et son
environnement passe chaque cycle par 5 états redox
36
La deuxième quinone (QB) a trois fonctions -
stabilisation de la séparation de charge -  
transporteur mobile délectrons -
transporteur mobile des protons
37
Molécules de plastoquinone comme QB ont une queue
longue. Pour sassocier à photosystème II les
molécules fait un mouvement à tire-bouchon.
38
La structure protéique
39
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
40
Une hélice transmembranique 20-25 acides aminés
hydrophobiques comme glycine, serine, alanine,
phenylalanine, leucine, histidine ou tyrosine.
Le modèle dune hélice alpha
Cest possible de détecter des hélices
transmembraniques dans des séquences des acides
aminés les hélices transmembraniques forment des
groupes des 20-25 acides aminés hydrophobes
41
La structure cristal de photosystème II un forêt
des hélices alpha
Le centre réactionel de photosystème II
Ferreira et al. 2004
42
Resumé

• Les fonctionnes de photosystème II
• Le recolte de lumière
• La création dune séparation de charge
• La stabilisation des charges
• La donnation des électrons (cluster de
  manganèse)
• La libération des protons dans le lumen

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Pool de plastoquinone et cytochrome b6/f
44
Réduction Plastoquinone 2 électrons 2
protons
Plusieurs photosystèmes II partagent 1 pool de
plastoquinone. Avantage linactivation dun
photosystème II na pas deffet sur lactivité 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 dun gradient des protons

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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
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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 dune molécule PQ. Le seul but du
cycle Q est une augmentation du nombre des
protons libérés dans le lumen par chaque électron
transféré.
47

• Gradient de proton
• La réduction de leau 2 H2O 4 photons donnent
  1 O2 4 e- ( 2 PQH2) 4 H
• Loxydation de 2 molécules PQH2 donne 4 e- 4
  H
• Le cycle Q lutilisation de 2 e- (par 2
  molécules de PQH2) pour la réduction dune
  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.
• Cest-à-dire chaque 4 séparations des charges
  environ 12 protons sont libérés dans le lumen.
  LATP synthase a besoin de 4 protons par molécule
  dATP 12 protons 3 molécules de lATP
• Lacidification du lumen est accompagnée par une
  alcalisation du stroma!

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Plastocyanine
La connexion entre le photosystème II et le
cytochrome b-f est composé dun pool de molécules
de plastoquinone La connexion entre le cytochrome
b-f et le photosystème I est composé dun 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 dun déficit de cuivre.)
49
Plastoquinone nest 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
léchelle énergétique que NADPH. Cest-à-dire que
PQH2 ne peut pas réduire NADP Seulement après la
deuxième séparation des charges dans photosystème
I, lénergie redox est suffisante pour la
réduction de NADP
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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. Laccepteur primaire est
phéophytine dans photosystème II (chlorophylle
sans magnésium) et chlorophylle dans photosystème
I. Et laccepteur secondaire est un plastoquinone
dans photosystème II et un phylloquinone dans
photosystème I.
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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
Cest une indication que dans lévolution il y
étais une duplication des gènes des
photosystèmes. Cest-à-dire quil existe un
ancêtre commun des photosystèmes I et II.
52
Le côté accepteur de photosystème I nest pas
comme photosystème II Il y a 3 clusters
fer-souffre qui transfert les électrons en
direction de ferredoxin
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Une résumé du transport des électrons le schéma Z
Finalement, catalysé par lenzyme
ferredoxin-NADP-reductase (FNR) ferredoxin peut
réduire NADP FNR est inactif en obscurité.
Lenzyme est activé par une alcalinisation du
stroma après quelques secondes dillumination.
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On a fait aussi des cristalles de photosystèmes I
Photosystème I de cyanobactéries
55
ATP-synthase
56
ATP-synthase
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LATP-synthase était isolée, renversée et
stabilisée
On sait comment lATP-synthase fait une rotation
interne?