Le transport non cyclique et cyclique des électrons - Schéma en "Z"

1. Le transport des électrons

2. Schéma en "Z"

3. Parcours des électrons au sein du photosystème II (centre réactionnel : p680)

4. Parcours des électrons au sein du photosystème I (centre réactionnel : P700)

 

5. ATP synthase chloroplastique et synthèse d'ATP

6. Le transport cyclique des électrons

7. Liens Internet et références bibliographiques

 

1. Le transport des électrons

Le transfert d'électrons dans l'appareil photosynthétique peut suivre 2 chemins :

  • soit passer par une série linéaire de transporteurs (transport NON cyclique) pour aboutir au NADP+
  • soit emprunter la plupart de ces transporteurs, mais en trajet cyclique et dans ce cas il n'y a pas réduction finale du NADP+

Lors de ces deux types de transport, des protons sont pompés du stroma vers le lumen à travers la membrane. Ce processus est à l'origine de la force proton motrice qui est le moteur de la synthèse d'ATP par l'ATP synthase.

2. Schéma en "Z"

Les électrons passent des transporteurs à bas potentiel de réduction (réducteurs) aux transporteurs à fort potentiel de réduction (oxydants). Ces transporteurs sont ancrés à la membrane du chloroplaste.

Dans la photosynthèse, l'absorption de l'énergie du photon abaisse le potentiel de réduction de P680 et de P700.

Quand on représente les transporteurs en fonction de leur potentiel de réduction, on obtient un schéma en "zig-zag" appelé schéma en "Z".

On remarque deux sauts de potentiel de réduction dûs à l'excitation des centres réactionnels des photosystèmes.

Schema en Z dans la photosynthese - passage des electrons des transporteurs a bas potentiel de reduction aux transporteurs a fort potentiel de reduction

Source : "La photosynthèse" - A. Carbonnière

Schema en Z dans la photosynthese - passage des electrons des transporteurs reducteurs aux transporteurs oxydant

Z, donneur d'électrons à P680 - Pha : phéophytine a - PQA : plastoquinone fortement attachée à PSII - PQB : plastoquinone attachée de façon réversible à PSII - "PQpool" : réserve de plastoquinones PQ et PQH2

Plastocyanine, donneur d'électrons à P700 - A0 : chlorophylle a - A1 : phylloquinone - FX, FA et FB : centres [Fe-S] - Fd : ferrédoxine

Source : "Principes de Biochimie" Horton et al. (1994)

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3. Parcours des électrons au sein du photosystème II (centre réactionnel : P680)

a. Les électrons en jeu dans ce transport sont arrachés à l'eau au cours d'une réaction catalysée par le complexe générateur d'oxygène : le complexe Z ou complexe tyrosine Z.

Il est associé à PSII sur la face luminale de la membrane thylacoïde.

Il contient du chlore.

Le complexe Z contient 4 ions manganèse qui perdent successivement 4 électrons qui sont cédés à P680 (figure ci-contre).

En conséquence, 4 charges positives s'accumulent.

Tous les 4 photons, le complexe Z regagne 4 électrons à partir de 2 molécules d'eau.

1 molécule d'oxygène est dégagée ainsi que 4 protons qui compensent ceux perdus par P680.

Parcours des electrons dans le complexe generateur d'oxygene : le complexe Z ou complexe tyrosine Z

Figure adaptée de : "Physiologie végétale" (1995) - Laval-Martin & Mazliak

Parcours des electrons jusqu'a la paire speciale chlorophylle

Source : "Principes de Biochimie" Horton et al. (1994)

En parallèle, P680 est excité par 4 photons successifs (du fait du mécanisme du complexe Z).

L'absorption de l'énergie d'un photon par une molécule de pigment du complexe d'antenne de PSII initie les réactions lumineuses de la photosynthèse en faisant passer cette molécule de pigment dans un état excité.

Cette énergie est transferée par canalisation à d'autres molécules de pigments du complexe d'antenne pour converger vers les molécules de chlorophylle a (Chl a) de la paire spéciale de P680.

En effet, ces molécules de Chl a ont un potentiel de réduction plus élevé que les autres molécules de Chl du centre réactionnel.

Quand la paire spéciale a reçu cette énergie, le centre réactionnel passe dans l'état excité P680*.

Differents etats de la paire speciale de P680

b. La phéophytine

Dés qu'il est dans l'état excité, P680* transmet immédiatement cette excitation à une phéophytine a.

A la diffèrence de la Chl a qui contient de 2 ions magnésium, la phéophytine a contient 2 protons.

La phéophytine a cède 1 électron à l'accepteur primaire, la plastoquinone QA (fortement attachée à un polypeptide de PSII) selon le mécanisme décrit dans la figure ci-dessous.

Transfert des electrons a la pheophytine

pheophytine

Source : KEGG

c. Les plastoquinones PQA et PQB - Les cytochromes b6/f - Le cycle Q

La phéophytine a cède 1 électron à l'accepteur primaire, la plastoquinone PQA, fortement attachée à un polypeptide de PSII.

Comme dans le cas de l'ubiquinone des mitochondries, PQA est réduite par 2 transferts mono-électroniques successifs.

PQA cède un premier puis un second électron à un accepteur secondaire PQB, une plastoquinone attachée de façon réversible à un polypeptide de PSII (figure ci-contre) : PQB devient une semi-quinone PQBH., puis un quinol PQBH2.

La queue hydrophobe de PQBH2 lui permet de ciculer dans la membrane et de rejoindre le réservoir des plastoquinones (PQH2 et PQ).

Source : "Principes de Biochimie" Horton et al. (1994)

plastoquinone semiquinone

Comme dans le cas de des mitochondries, le cycle Q du chloroplaste oxyde les quinones réduites.

Cette oxydation est due au complexe des cytochromes b6/f qui contient des cytochromes à fer et des centres [Fe - S] de type "de Rieske".

Le complexe des cytochromes b6/f n'accepte que les électrons.

C'est l'équivalent du complexe III (coenzyme Q - cytochrome c oxydoréductase) de la chaîne respiratoire des mitochondries.

Le cycle Q s'effectue en 2 parties :

1ère partie :

  1. une première molécule de PQH2 est oxydée en PQ
  2. 2 protons sont libérés dans le lumen
  3. 1 électron est dirigé vers le cytochrome f et réduit la plastocyanine
  4. 1 autre électron associé à 1 proton du stroma réduit PQ en PQH.

Source : "Principes de Biochimie" - Horton et al. (1994)

cycle Q membrane thylacoide

cycle Q membrane thylacoide

2ème partie :

  1. une deuxième molécule de PQH2 est oxydée en PQ
  2. 2 protons sont libérés dans le lumen
  3. 1 électron est dirigé vers le cytochrome f et réduit la plastocyanine
  4. 1 autre électron associé à 1 proton du stroma réduit PQH. en PQH2

Le cycle Q libère donc 2 x 2 protons dans le lumen ce qui est à l'origine de la force proton motrice qui est à la source de la synthèse d'ATP par l'ATP synthase.

d. La plastocyanine

C'est une petite protéine de 11 kDa qui contient du cuivre et qui est réduite par le cytochrome f du complexe b/f.

Le transfert des électrons au sein de la plastocyanine consiste en plusieurs changements de valence de l'atome de cuivre fixé au site actif par 2 atomes d'azote et 2 atomes de soufre de 4 acides aminés distincts.

Ci-contre, structure de la plastocyanine de Chlamydomonas reinhardtii.

Source : "Institute for Genomics and Proteomics"

plastocyanine

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4. Parcours des électrons au sein du photosystème I (centre réactionnel : P700)

Dés que la plastocyanine est réduite, P700 passe dans passe dans l'état excité P700*. Cette excitation se fait via le complexe d'antenne périphérique mobile de PSI : LHC1.

P700 est le réducteur le plus puissant de la chaîne de transport d'électrons avec un potentiel de réduction : E°' = - 0,80 V.

P700* cède ensuite ses électrons à :

  • une chlorophylle réduite Chl- (A0)
  • puis à une phylloquinone (A1)
  • puis à trois centres [Fe-S] : FX, FA (F1, figure ci-contre pour les cyanobactéries) et FB (F2)

FX appartient à PSI mais FA et FB font partie d'une protéine accessible à la face stromale de la membrane thylacoïde.

Source : "Photosystem I" - "Plant Physiology Online"

Parcours des electrons au sein du photosysteme I - centre reactionnel P700

Les électrons sont cédés à la ferrédoxine, protéine de 11 kDa faiblement liée à la membrane qui contient un centre [Fe-S]. Elle a un potentiel de réduction : E°' = - 0,43 V.

La ferrédoxine réduit à son tour le groupe prosthétique FAD (en FADH2) de la ferrédoxine NADP-oxydoréductase (EC 1.18.1.2), une flavoprotéine de 44 à 49 kDa plus fortement liée à la membrane.

Enfin, le FADH2 réduit le NADP+ en NADPH (E°' = - 0,32 V). Cette étape accroit la différence de pH au travers de la membrane thylacoïde car un proton du stroma y est consommé au moment de la réduction du NADP+ en NADPH.

Cette dernière étape termine le transport non cyclique des électrons.

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5. ATP synthase chloroplastique et synthèse d'ATP

Le gradient de proton et la différence de pH instaurés au cours de ce transport non cyclique des électrons génère une force proton motrice qui permet à l'ATP synthase de catalyser la synthèse d'ATP.

Ce processus n'a lieu qu'en présence d'une source de lumière chez les Plantes. C'est la raison pour laquelle, au cours de la photosynthèse, on l'appelle photophosphorylation.

L'ATP synthase ne se trouve que dans les lamelles de stroma des chloroplastes.

C'est un complexe multimérique semblable à celui des mitochondries.

La terminologie est cependant :

  • CF0 (au lieu de F0): tunnel à proton enfoui dans la membrane thylacoïde
  • CF1 (au lieu de F1) : site de catalyse qui fait saillie dans le stroma

Source : "Photosynthèse" - Université Lausanne

 

 

ATP synthase chloroplastique et synthese d'ATP - lamelles de stroma

6. Le transport cyclique des électrons

Chaque paire d'électrons utilisés pour la réduction de une molécule de NADP+ en NADPH correspond à la formation d'une force proton motrice capable de synthétiser une molécule d'ATP.

Cette stoechiométrie 1:1 issue des réactions de la phase lumineuse n'est pas suffisante pour satisfaire la stoechiométrie des réactions de la phase sombre qui forment les glucides. En effet, celles-ci consomment deux molécules de NADPH et trois molécules d'ATP.

Ce déséquilibre entre phase lumineuse et phase sombre est compensé par un transport cyclique d'électrons qui forme de l'ATP sans former de NADPH.

Comme pour le transport non cyclique des électrons, ceux-ci passent de la plastoquinone au complexe des cytochromes b6/f via un cycle Q puis sont cédés à PSI et la ferrédoxine.

Mais la ferrédoxine rend son électron au réservoir des plastoquinones PQ au cours d'un processus qui met en jeu des cytochromes b6/f via un cytochrome qui n'intervient que dans le transport cyclique des électrons.

Grâce au cycle Q, le transport cyclique des électrons contribue à la force proton motrice.

Les vitesses relatives des 2 types de transport sont influencés par le rapport des concentrations de NADPH et de NADP+. Quand ce rapport est élevé dans le stroma, le transport non cyclique des électrons est lent car NADP+ est limitant.

C'est le transport cyclique des électrons qui prédomine.

 

7. Liens Internet et références bibliographiques
"Principes de Biochimie" Horton, Moran, Ochs, Rawn et Scrimgeour (1994) - Ed. DeBoeck Universités - ISBN : 2-8041-1578-X
"Physiologie végétale" (1995) volume I - "Nutrition et métabolisme", Danielle Laval-Martin et Paul Mazliak, Collection "Méthodes", Hermann / ISBN : 2 7056 6253 7
"Photosystem I" : "Plant Physiology Online" Aller au site
Schubert et al. (1997) "Photosystem I of Synechococcus elongatus at 4 A resolution: comprehensive structure analysis" J. Mol. Biol. 272, 741 - 69 Article

 

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