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S2019_Lecture_17_Reading - Biologie


Photophosphorylation

Photophosphorylation un aperçu

Photophosphorylation est le processus de transfert de l'énergie de la lumière dans les produits chimiques, en particulier l'ATP. La photophosphorylation a probablement évolué relativement peu de temps après les chaînes de transport d'électrons (ETC) et respiration anaérobie a commencé à fournir une diversité métabolique. L'énergie lumineuse est transférée au pigment et favorise les électrons (e-) dans un état d'énergie quantique supérieur - quelque chose que les biologistes appellent un "état excité". Notez l'utilisation de l'anthropomorphisme ici ; les électrons ne sont pas "excités" au sens classique du terme et ne sautent pas soudainement partout ou ne célèbrent pas leur promotion. Dans cet état, les électrons sont dits familièrement « énergisés ». Alors qu'il est à l'état "excité", le pigment a maintenant un potentiel de réduction beaucoup plus faible et peut donner les électrons "excités" à d'autres porteurs avec des potentiels de réduction plus élevés. Ces accepteurs d'électrons peuvent, à leur tour, devenir des donneurs pour d'autres molécules avec des potentiels de réduction plus importants et, ce faisant, former une chaîne de transport d'électrons.

Lorsque les électrons passent d'un porteur d'électrons à un autre via des réactions red/ox, ces transferts exergoniques peuvent être couplés au transport endergonique (ou pompage) de protons à travers une membrane pour créer un gradient électrochimique. Ce gradient électrochimique génère une force motrice protonique dont la poussée exergonique pour atteindre l'équilibre peut être couplée à la production endergonique d'ATP, via l'ATP synthase. Comme nous le verrons plus en détail, les électrons impliqués dans cette chaîne de transport d'électrons peuvent avoir l'un des deux destins suivants : (1) ils peuvent être renvoyés à leur source initiale dans un processus appelé photophosphorylation cyclique ; ou (2) ils peuvent être déposés sur un proche parent de NAD+ appelé NADP+. Si les électrons sont déposés sur le pigment d'origine dans un processus cyclique, l'ensemble du processus peut recommencer. Si, cependant, l'électron est déposé sur NADP+ pour former le NADPH (**note de raccourci—nous n'avons pas explicitement mentionné de protons mais supposons qu'il est entendu qu'ils sont également impliqués**), le pigment d'origine doit récupérer un électron d'ailleurs. Cet électron doit provenir d'une source avec un potentiel de réduction plus faible que le pigment oxydé et selon le système il existe différentes sources possibles, dont H2O, composés soufrés réduits tels que SH2 et même élémentaire S0.

Que se passe-t-il lorsqu'un composé absorbe un photon de lumière ?

Lorsqu'un composé absorbe un photon de lumière, on dit que le composé quitte son état fondamental et devient "excité".

Figure 1. Un diagramme illustrant ce qui arrive à une molécule qui absorbe un photon de lumière. Attribution : Marc T. Facciotti (œuvre originale)

Quels sont les destins de l'électron « excité » ? Il y a quatre résultats possibles, qui sont schématisés dans la figure ci-dessous. Ces options sont :

  1. L'e- peut se détendre à un état quantique inférieur, transférant de l'énergie sous forme de chaleur.
  2. L'e- peut se détendre à un état quantique inférieur et transférer de l'énergie dans un photon de lumière, un processus connu sous le nom de fluorescence.
  3. L'énergie peut être transférée par résonance à une molécule voisine comme l'e- retourne à un état quantique inférieur.
  4. L'énergie peut changer le potentiel de réduction de telle sorte que la molécule peut devenir un e- donneur. Lier cette e excité- donateur à un bon e- accepteur peut conduire à un transfert d'électrons exergonique. En d'autres termes, l'état excité peut être impliqué dans des réactions red/ox.

Figure 2. Que peut-il arriver à l'énergie absorbée par une molécule.

Au fur et à mesure que l'électron excité se désintègre à son état d'énergie inférieur, l'énergie peut être transférée de diverses manières. Alors que de nombreux pigments dits d'antenne ou auxiliaires absorbent l'énergie lumineuse et la transfèrent à quelque chose appelé centre de réaction (par les mécanismes décrits dans l'option III de la figure 2), c'est ce qui se passe au centre de réaction qui nous intéresse le plus (option IV dans la figure ci-dessus). Ici, une molécule de chlorophylle ou de bactériochlorophylle absorbe l'énergie d'un photon et un électron est excité. Ce transfert d'énergie est suffisant pour permettre au centre de réaction de donner l'électron dans une réaction red/ox à une deuxième molécule. Cela initie les réactions de transport d'électrons. Le résultat est un centre de réaction oxydé qui doit maintenant être réduit afin de redémarrer le processus. Comment cela se produit est la base du flux d'électrons dans la photophosphorylation et sera décrit en détail ci-dessous.

Systèmes de photophosphorylation simples : photophosphorylation anoxygénique

Au début de l'évolution de la photophosphorylation, ces réactions ont évolué dans des environnements anaérobies où il y avait très peu d'oxygène moléculaire disponible. Deux séries de réactions ont évolué dans ces conditions, toutes deux directement à partir des chaînes respiratoires anaérobies décrites précédemment. Ceux-ci sont connus sous le nom de réactions lumineuses car ils nécessitent l'activation d'un électron (un électron « excité ») à partir de l'absorption d'un photon de lumière par un pigment du centre de réaction, comme la bactériochlorophylle. Les réactions lumineuses sont classées soit comme cyclique ou comme non cyclique photophosphorylation, en fonction de l'état final du ou des électrons retirés des pigments du centre de réaction. Si le ou les électrons retournent au centre de réaction pigmentaire d'origine, tel que la bactériochlorophylle, il s'agit d'une photophosphorylation cyclique ; les électrons forment un circuit complet et est schématisé sur la figure 4. Si le ou les électrons sont utilisés pour réduire le NADP+ au NADPH, le ou les électrons sont retirés de la voie et se retrouvent sur NADPH ; ce processus est dit non cyclique puisque les électrons ne font plus partie du circuit. Dans ce cas, le centre de réaction doit être à nouveau réduit avant que le processus puisse se reproduire. Par conséquent, une source d'électrons externe est nécessaire pour la photophosphorylation non cyclique. Dans ces systèmes, des formes réduites de soufre, telles que H2S, qui peut être utilisé comme donneur d'électrons et est schématisé à la figure 5. Pour vous aider à mieux comprendre les similitudes entre la photophosphorylation et la respiration, une tour rouge/ox a été fournie qui contient de nombreux composés couramment utilisés impliqués dans la photophosphorylation.

forme oxydée

forme réduite

n (électrons)

Eo' (volts)

PS1* (bœuf)

PS1* (rouge)

-

-1.20

ferredoxine (bœuf) version 1

ferredoxine (rouge) version 1

1

-0.7

PSII* (bœuf)

PSII* (rouge)

-

-0.67

P840* (bœuf)

PS840* (rouge)

-

-0.67

acétate

acétaldéhyde

2

-0.6

CO2

Glucose

24

-0.43

ferredoxine (bœuf) version 2

ferredoxine (rouge) version 2

1

-0.43

CO2

formater

2

-0.42

2H+

H2

2

-0,42 (à [H+] = 10-7; pH=7)

NAD+ + 2H+

NADH + H+

2

-0.32

NADP+ + 2H+

NADPH + H+

2

-0.32

Complexe I

FMN (lié à l'enzyme)

FMNH2

2

-0.3

Acide lipoïque, (bœuf)

Acide lipoïque, (rouge)

2

-0.29

MODE+ (gratuit) + 2H+

FADH2

2

-0.22

Pyruvate + 2H+

lactate

2

-0.19

MODE+ + 2H+ (bondir)

FADH2 (bondir)

2

0.003-0.09

CoQ (Ubiquinone - UQ + H+)

UQH.

1

0.031

UQ + 2H+

UQH2

2

0.06

Plastoquinone; (bœuf)

Plastoquinone; (rouge)

-

0.08

Ubiquinone; (bœuf)

Ubiquinone; (rouge)

2

0.1

Complexe III Cytochrome b2; Fe3+

Cytochrome b2; Fe2+

1

0.12

Complexe III Cytochrome c1; Fe3+

Cytochrome c1; Fe2+

1

0.22

Cytochrome c ; Fe3+

Cytochrome c ; Fe2+

1

0.25

Complexe IV Cytochrome a ; Fe3+

Cytochrome a ; Fe2+

1

0.29

1/2 O2 + H2O

H2O2

2

0.3

P840GS (bœuf)

PS840SG (rouge)

-

0.33

Complexe IV Cytochrome un3; Fe3+

Cytochrome un3; Fe2+

1

0.35

Ferricyanure

ferrocyanure

2

0.36

Cytochrome f ; Fe3+

Cytochrome f ; Fe2+

1

0.37

psiGS (bœuf)

psiSG (rouge)

.

0.37

Nitrate

nitrite

1

0.42

Fe3+

Fe2+

1

0.77

1/2 O2 + 2H+

H2O

2

0.816

PSIISG (bœuf)

PSIIGS (rouge)

-

1.10

* État excité, après avoir absorbé un photon de lumière

GS Ground State, état avant d'absorber un photon de lumière

PS1 : Photosystème oxygénique I

P840 : Centre réactionnel bactérien contenant de la bactériochlorophylle (anoxygénique)

PSII : photosystème oxygénique II

figure 3. Tour d'électrons qui a une variété de composants de photophosphorylation communs. PSI et PSII se réfèrent aux photosystèmes I et II des voies de photophosphorylation oxygénée.

Photophosphorylation cyclique

Dans la photophosphorylation cyclique, la bactériochlorophyllerouge la molécule absorbe suffisamment d'énergie lumineuse pour dynamiser et éjecter un électron pour former de la bactériochlorophyllebœuf. L'électron réduit une molécule porteuse dans le centre de réaction qui à son tour réduit une série de porteurs via des réactions red/ox. Ces transporteurs sont les mêmes transporteurs trouvés dans la respiration. Si le changement de potentiel de réduction des diverses réactions red/ox est suffisamment important, H+ les protons peuvent être transloqués à travers une membrane. Finalement, l'électron est utilisé pour réduire la bactériochlorophyllebœuf (faire une boucle complète) et tout le processus peut recommencer. Ce flux d'électrons est cyclique et on dit donc qu'il entraîne un processus appelé photophosphorylation cyclique. Les électrons font un cycle complet : la bactériochlorophylle est la source initiale d'électrons et est l'accepteur final d'électrons. L'ATP est produit par le F1F0 ATPase. Le schéma de la figure 4 montre comment les électrons cycliques circulent et donc comment fonctionne la photophosphorylation cyclique.

Figure 4. Flux d'électrons cyclique. Le centre de réaction P840 absorbe l'énergie lumineuse et devient excité, noté *. L'électron excité est éjecté et utilisé pour réduire une protéine FeS en laissant un centre de réaction oxydé. L'électron est transféré à une quinone, puis à une série de cytochromes, ce qui réduit à son tour le centre de réaction P840. Le processus est cyclique. Notez le réseau gris provenant de la protéine FeS allant à une ferridoxine (Fd), également en gris. Cela représente une voie alternative que l'électron peut emprunter et sera discutée ci-dessous dans la photophosphorylation non cyclique. Noter que l'électron qui quitte initialement le centre de réaction P840 n'est pas nécessairement le même électron qui finit par retrouver son chemin pour réduire le P840 oxydé.

Remarque : discussion possible

La figure de la photophosphorylation cyclique ci-dessus représente le flux d'électrons dans une chaîne respiratoire. Comment ce processus aide-t-il à générer de l'ATP ?

Photophosphorylation non cyclique

Dans la photophosphorylation cyclique, les électrons passent de la bactériochlorophylle (ou chlorophylle) à une série de porteurs d'électrons et finalement reviennent à la bactériochlorophylle (ou chlorophylle); il n'y a théoriquement pas de perte nette d'électrons et ils restent dans le système. Dans la photophosphorylation non cyclique, les électrons sont retirés du photosystème et de la chaîne red/ox et finissent par se retrouver sur NADPH. Cela signifie qu'il doit y avoir une source d'électrons, une source qui a un potentiel de réduction plus petit que la bactériochlorophylle (ou la chlorophylle) qui peut donner des électrons à la bactériochlorophyllebœuf pour le réduire. En regardant la tour d'électrons de la figure 3, vous pouvez voir quels composés peuvent être utilisés pour réduire la forme oxydée de la bactériochlorophylle. La deuxième exigence est que, lorsque la bactériochlorophylle s'oxyde et que l'électron est éjecté, elle doit réduire un porteur qui a un potentiel de réduction plus important que le NADP/NADPH (voir la tour d'électrons). Dans ce cas, les électrons peuvent passer de la bactériochlorophylle énergisée au NADP formant du NADPH et de la bactériochlorophylle oxydée. Des électrons sont perdus du système et se retrouvent sur NADPH; pour compléter le circuit, la bactériochlorophyllebœuf est réduit par un donneur d'électrons externe tel que H2S ou élémentaire S0.

Flux d'électrons non cyclique

Figure 5. Flux d'électrons non cyclique. Dans cet exemple, le centre de réaction P840 absorbe de l'énergie lumineuse et devient énergisé ; l'électron émis réduit une protéine FeS et à son tour réduit la ferridoxine. Ferridoxine réduite (Fdrouge) peut maintenant réduire le NADP pour former le NADPH. Les électrons sont maintenant retirés du système et se dirigent vers le NADPH. Les électrons doivent être remplacés sur P840, ce qui nécessite un donneur d'électrons externe. Dans ce cas, H2S sert de donneur d'électrons.

Remarque : discussion possible

Il convient de noter que pour les voies de photophosphorylation bactériennes, pour chaque électron donné par un centre de réaction [rappelez-vous qu'un seul électron est réellement donné au centre de réaction (ou molécule de chlorophylle)], la sortie résultante de cette chaîne de transport d'électrons est soit la formation de Le NADPH (nécessite deux électrons) ou l'ATP peuvent être fabriqués mais PAS les deux. En d'autres termes, le chemin emprunté par les électrons dans l'ETC peut avoir un ou deux résultats possibles. Cela limite la polyvalence des systèmes photosynthétiques anoxygéniques bactériens. Mais que se passerait-il s'il évoluait un processus qui utilisait les deux systèmes, c'est-à-dire une voie photosynthétique cyclique et non cyclique dans laquelle l'ATP et le NADPH pourraient être formés à partir d'une seule entrée d'électrons ? Une deuxième limitation est que ces systèmes bactériens nécessitent des composés tels que le soufre réduit pour agir comme donneurs d'électrons pour réduire les centres de réaction oxydés, mais ce ne sont pas nécessairement des composés largement répandus. Que se passerait-il si une chlorophyllebœuf molécule aurait un potentiel de réduction supérieur (plus positif) que celui de l'O moléculaire2/H2réaction ? Réponse : un changeur de jeu planétaire.

Photophosphorylation oxygénique

Génération de NADPH et d'ATP

La fonction globale des réactions dépendantes de la lumière est de transférer l'énergie solaire en composés chimiques, principalement les molécules NADPH et ATP. Cette énergie soutient les réactions indépendantes de la lumière et alimente l'assemblage des molécules de sucre. Les réactions dépendantes de la lumière sont représentées sur les figures 6 et 7. Les complexes protéiques et les molécules de pigment travaillent ensemble pour produire du NADPH et de l'ATP.

Remarque : discussion possible

Reculez un peu. Pourquoi est-ce un objectif raisonnable de vouloir faire du NADPH et de l'ATP ? Dans la discussion sur la glycolyse et le cycle du TCA, l'objectif était de produire de l'ATP et du NADH. Quelle est la principale différence ? Peut-être comment ces molécules seront-elles utilisées ? Autre chose?

Figure 6. Un photosystème se compose d'un complexe de collecte de lumière et d'un centre de réaction. Les pigments du complexe de collecte de lumière transmettent l'énergie lumineuse à deux chlorophylles spéciales une molécules dans le centre de réaction. La lumière excite un électron de la chlorophylle une paire, qui passe à l'accepteur d'électrons primaire. L'électron excité doit alors être remplacé. Dans (a) le photosystème II, l'électron provient de la division de l'eau, qui libère de l'oxygène en tant que déchet. Dans (b) photosystème I, l'électron provient de la chaîne de transport d'électrons du chloroplaste discutée ci-dessous.

L'étape réelle qui transfère l'énergie lumineuse dans une biomolécule a lieu dans un complexe multiprotéique appelé un photosystème, dont deux types se trouvent incrustés dans la membrane thylacoïdienne, photosystème II (PSII) et photosystème I (PSI). Les deux complexes diffèrent sur la base de ce qu'ils oxydent (c'est-à-dire la source de l'apport d'électrons de basse énergie) et de ce qu'ils réduisent (l'endroit où ils livrent leurs électrons sous tension).

Les deux photosystèmes ont la même structure de base ; un nombre de protéines d'antenne auquel les molécules de chlorophylle sont liées entourent le centre de réaction dans lequel se déroule la photochimie. Chaque photosystème est desservi par le complexe de récolte de lumière, qui transmet l'énergie de la lumière du soleil au centre de réaction ; il se compose de plusieurs protéines d'antenne qui contiennent un mélange de 300 à 400 chlorophylle une et b molécules ainsi que d'autres pigments comme les caroténoïdes. L'absorption d'un seul photon- une quantité distincte ou "paquet" de lumière - par l'une des chlorophylles pousse cette molécule dans un état excité. En bref, l'énergie lumineuse est maintenant captée par des molécules biologiques mais n'est pas encore stockée sous une forme utile. L'énergie capturée est transférée de la chlorophylle à la chlorophylle jusqu'à ce qu'elle soit finalement (après environ un millionième de seconde) délivrée au centre de réaction. Jusqu'à présent, seule l'énergie a été transférée entre les molécules, pas les électrons.

Figure 7. Dans le centre de réaction du photosystème II (PSII), l'énergie solaire est utilisée pour extraire les électrons de l'eau. Les électrons voyagent à travers la chaîne de transport d'électrons du chloroplaste jusqu'au photosystème I (PSI), ce qui réduit le NADP+ à NADPH. La chaîne de transport d'électrons déplace les protons à travers la membrane thylakoïde dans la lumière. Dans le même temps, la division de l'eau ajoute des protons à la lumière et la réduction du NADPH élimine les protons du stroma. Le résultat net est un pH bas dans la lumière thylakoïde et un pH élevé dans le stroma. L'ATP synthase utilise ce gradient électrochimique pour fabriquer de l'ATP.

Le centre de réaction contient une paire de chlorophylle une molécules possédant une propriété particulière. Ces deux chlorophylles peuvent subir une oxydation lors de l'excitation ; ils peuvent en fait abandonner un électron dans un processus appelé photoactivation. C'est à cette étape du centre réactionnel, cette étape de la photophosphorylation, que l'énergie lumineuse est transférée dans un électron excité. Toutes les étapes suivantes impliquent d'amener cet électron sur le vecteur d'énergie NADPH pour le livrer au cycle de Calvin où l'électron peut être déposé sur du carbone pour un stockage à long terme sous la forme d'un glucide.

Le schéma en Z

PSII et PSI sont deux composants majeurs de la photosynthèse chaîne de transport d'électrons, qui comprend également le complexe de cytochromes. Le centre réactionnel du PSII (appelé P680) délivre ses électrons de haute énergie, un à la fois, à un accepteur d'électrons primaire appelée phéophytine (Ph), puis séquentiellement à deux plastoquinones liées QUNE et QB. Les électrons sont ensuite transférés hors de PSII sur un pool de plastoquinones mobiles (pool Q) qui transfèrent ensuite les électrons à un complexe protéique appelé Cytochromeb6F. Le complexe cytochrome utilise les transferts red/ox pour pomper des protons à travers la membrane thylakoyde, établissant une force proton-motrice qui peut être utilisée pour la synthèse d'ATP. Les électrons quittant le cytochrome sont transférés à une protéine contenant du cuivre appelée plastocyanine (PC) qui transfère ensuite les électrons au PSI (P700). L'électron manquant de P680 est remplacé par l'extraction d'un électron de l'eau ; ainsi, l'eau est divisée et le PSII est ré-réduit après chaque étape de photoactivation. Juste pour partager quelques nombres : diviser un H2La molécule O libère deux électrons, deux atomes d'hydrogène et un atome d'oxygène. Le fractionnement de deux molécules d'eau est nécessaire pour former une molécule d'O diatomique2 gaz. Chez les plantes, environ dix pour cent de cet oxygène est utilisé par les mitochondries de la feuille pour soutenir la phosphorylation oxydative. Le reste s'échappe dans l'atmosphère où il est utilisé par les organismes aérobies pour soutenir la respiration.

Lorsque les électrons se déplacent à travers les protéines situées entre le PSII et le PSI, ils participent aux transferts exergoniques red/ox. L'énergie libre associée à la réaction exergonique red/ox est couplée au transport endergonique de protons du côté stromal de la membrane vers la lumière thylakoïde par le complexe cytochrome. Ces ions hydrogène, ainsi que ceux produits par la division de l'eau, s'accumulent dans la lumière thylakoïde et créent une force motrice protonique qui sera utilisée pour conduire la synthèse d'ATP dans une étape ultérieure. Étant donné que les électrons sur le PSI ont maintenant un potentiel de réduction plus important que lorsqu'ils ont commencé leur randonnée (il est important de noter que le PSI non excité a un potentiel red/ox supérieur à celui du NADP+/NADPH), ils doivent être réactivés en PSI avant d'être déposés sur NADP+. Par conséquent, pour terminer ce processus, un autre photon doit être absorbé par l'antenne PSI. Cette énergie est transférée au centre de réaction du PSI (appelé P700). P700 est ensuite oxydé et envoie un électron à travers plusieurs étapes intermédiaires red/ox au NADP+ pour former NADPH. Ainsi, le PSII capte l'énergie dans la lumière et couple son transfert via des réactions red/ox à la création d'un gradient de protons. Comme déjà noté, la relaxation exergonique et contrôlée de ce gradient peut être couplée à la synthèse d'ATP. Le PSI capte l'énergie dans la lumière et la couple, grâce à une série de réactions red/ox, pour réduire le NADP+ dans NADPH. Les deux photosystèmes fonctionnent de concert, en partie, pour garantir que la production de NADPH sera dans la bonne proportion à la production d'ATP. D'autres mécanismes existent pour affiner ce rapport afin qu'il corresponde exactement aux besoins énergétiques en constante évolution du chloroplaste.

Figure 8. Un diagramme illustrant le flux d'électrons et les potentiels rouge/ox de leurs porteurs dans les systèmes photosynthétiques oxygénés exprimant à la fois le photosystème I (encadré en bleu) et le photosystème II (encadré en vert). Ph = la phéophytine; QA = plastoquinone liée, QB = plastoquinone associée de manière plus lâche ; Q pool = pool de plastoquinone mobile ; Cyt petit ami = Cytochrome b6f complexe; PC = plastocyanine ; Chla0 = chlorophylle spéciale; UNE1 = vitamine K ; FX et FUN B = centres fer-soufre; F = ferredoxine; FNR = ferredoxine-NADP réductase. Facciotti (propre travail)