Le chloroplaste et la photosynthès

Organisation générale des chloroplastes

Les organismes photosynthétiques se caractérisent par leur capacité à utiliser l’énergie lumineuse pour synthétiser de la matière organique, au cours d’un processus biochimique appelé photosynthèse. Chez les végétaux, la photosynthèse se déroule au sein d’un organite spécialisé, le chloroplaste (Figure 1). Cet organite est délimité par une double enveloppe, composée d’une membrane externe, perméable aux métabolites de faible poids moléculaire, et d’une membrane interne délimitant une matrice intra-chloroplastique, le stroma. Il est communément admis que le chloroplaste des plantes supérieures dérive d’un hôte procaryotique endosymbiotique, ancêtre de la cyanobactérie (pour une synthèse, voir Whatley, 1993). La capture de l’énergie lumineuse et sa conversion en énergie chimique s’opère au sein des membranes thylacoïdiennes internes au chloroplaste et formant un réseau composé d’empilements de petites vésicules aplaties, les thylacoïdes granaires, interconnectés par des thylacoïdes lamellaires. Ces membranes contiennent les pigments photosynthétiques responsables de la capture de l’énergie lumineuse, et les protéines nécessaires à sa conversion en énergie chimique. La photosynthèse permet la conversion du Figure 1. Micrographie par transmission électronique d’un chloroplaste de Nicotiana tabacum (5000x). Cliché aimablement fourni par F. Eymery (CEA Cadarache). Stroma Thylacoïdes granaires Enveloppe Thylacoïdes lamellaires Plastoglobule Stroma Thylacoïdes granaires Enveloppe Thylacoïdes lamellaires Plastoglobule Le chloroplaste et la photosynthèse 4 CO2 atmosphérique en carbone organique grâce à l’énergie lumineuse. Le bilan de la photosynthèse est : 6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6 O2. La photosynthèse est un phénomène complexe qui peut être décrit en deux phases (Figure 2). La première phase, appelée phase photochimique, se déroule au sein des membranes thylacoïdiennes et permet la capture de l’énergie lumineuse et sa conversion en énergie chimique, sous forme de liaison phosphoanhydre contenue dans l’ATP et de pouvoir réducteur par la réduction du NADP+ en NADPH. La seconde phase, appelée phase non photochimique, se déroule dans le stroma. Elle correspond à la fixation du CO2 et à sa transformation en carbone organique grâce à l’utilisation de l’énergie chimique contenue dans l’ATP et le NADPH, au cours du cycle de Calvin. 

Absorption de l’énergie lumineuse et génération de pouvoir réducteur 

L’énergie lumineuse est absorbée par les chlorophylles et les caroténoïdes organisés en antennes collectrices ou LHC (Light Harvesting Complex), puis transférée sous forme d’énergie d’excitation (exciton) vers les centres réactionnels des photosystèmes I et II. Ceuxci réalisent alors une séparation de charges par délocalisation d’un électron au niveau d’une paire de molécules de chlorophylle (chl a*). Cet électron est transféré à la chaîne photosynthétique et l’accumulation de charges positives du côté donneur du PS II permet de réaliser la photolyse de l’eau, entraînant une production d’oxygène (Figure 3). Du côté accepteur du PS II, les électrons sont transférés dans une chaîne de transporteurs membranaires constituée des plastoquinones, du complexe cytochrome b6/f, de la plastocyanine (protéine soluble du lumen dont la forme réduite constitue le donneur au PS I). Figure 2. Représentation schématique des processus photosynthétiques au sein du chloroplaste. La phase photochimique se déroule au sein des membranes des thylacoïdes, la phase non photochimique (cycle de Calvin) dans le stroma. PS : photosystème. H + ATP H + ADP + Pi Lumen Stroma Thylacoïdes PSII PSI H2O ½ O2 + 2H+ NADP+ NADPH e – Delta pH Cycle de Calvin CO2 ATP NADPH Sucres Triose P Pi H + Lumière Lumière H + ATP H + ADP + Pi Lumen Stroma Thylacoïdes PSII PSI H2O ½ O2 + 2H+ NADP+ NADPH e – Delta pH Cycle de Calvin CO2 ATP NADPH Sucres Triose P Pi H + Lumière Lumière 5 Le PS I réalise également une séparation de charge entraînant l’oxydation des plastocyanines. Du coté donneur du PS I, les électrons sont transférés à la ferrédoxine, protéine soluble du stroma. Enfin, la ferrédoxine-NADP réductase réalise la réduction du NADP+ à partir de la ferrédoxine réduite au niveau du PS I. Le transfert d’électrons entre les transporteurs de la chaîne photosynthétique s’effectue dans le sens du potentiel rédox, hormis les deux sauts énergétiques réalisés aux niveaux des photosystèmes I et II, permis par l’énergie lumineuse (pour une synthèse voir Blankenship et Prince, 1985). L’ensemble des réactions qui réalisent le transfert linéaire des électrons de H2O vers le NADP+ grâce à un couplage entre PSII et PS I constitue le « schéma en Z » de la photosynthèse (Figure 3) (Hill et Bendall, 1960). 

Les composants de la chaîne de transfert d’électrons

 Le PS II est constitué d’un centre réactionnel, appelé P680 contenant la chlorophylle a (chl a) et de nombreuses protéines. Parmi celles-ci, les protéines D1 et D2, qui consistuent le cœur du centre réactionnel, sont codées par les génes chloroplastiques psbA et psbB et présentent des structures primaires voisines (Robinson, 1996) (Figure 4). D1 et D2 contiennent chacune cinq hélices transmembranaires et forment un hétérodimère (Barber, 1987). Chaque protéine D1/D2 contient un résidu tyrosine qui sert de donneur d’électrons à la chlorophylle a du P680 + (Debus et al., 1988). Les protéines D1 et D2 sont associées avec une phéophytine et une plastoquinone (QA) (Melis, 1991). Le PSII est associé à des antennes collectrices de lumière ou LHCII (Kühlbrandt et Wang 1991 ; Hankamer et al., 1997). La plupart des pigments des LHC sont associés à des protéines dénommées protéines CAB (Chl a/b binding protein) et forment les complexes protéine-chlorophylle les plus abondants. L’énergie d’excitation est transmise des LHCII au centre réactionnel, P680, par l’intermédiaire des protéines antennes CP47 et CP43 (codées par les gènes psbC et psbD, Diner et Babcock, 1996). Figure 3. Schéma du transfert photosynthétique d’électrons (shéma en Z) et des translocations de protons. Les transferts d’électrons sont représentés en noir, les translocations de protons en rouge. PS : photosystème, PQ(H2) : Plastoquinones ou (plastoquinols), Pc : plastocyanine, Fd : ferrédoxine, FNR : ferrédoxine NADP+ réductase. Cyt : cytochrome. Pc PQ(H2 ) P680 Qa P700 PSII PSI cytb6 NADPH H2O FNR 2 H+ 2 H+ ATP NADP+ ADP+Pi cytf Stroma Lumen Fd ½ O2 + 2 H+ H+ Lumière Lumière Qb Pc PQ(H2 ) P680 Qa P700 PSII PSI cytb6 NADPH H2O FNR 2 H+ 2 H+ ATP NADP+ ADP+Pi cytf Stroma Lumen Fd ½ O2 + 2 H+ H+ Lumière Lumière Qb 6 Le cytochrome b559 est est composé de deux sous-unités de 9 kDa (a) et 4,5 kDa (b) codées respectivement par les gènes psbE et psbF. Bien qu’il ait été sugggéré qu’il participe à de nombreux processus, comme l’assemblage du PSII, la photolyse de l’eau, la protection contre la photoinhibition ou le transfert cyclique des électrons autour du PSII, sa fonction précise demeure inconnue (Whitmarsh et Pakrasi, 1996). Plusieurs autres protéines de petite taille dont le rôle est encore inconnu, codées par les gènes psbH, J, K, L, M, R, participent à la structure du PS II (Diner et Babcock, 1996). Enfin, la plastoquinone QB, également associée au PSII, transfère les électrons de QA vers le pool de plastoquinones liposolubles.Enfin, trois protéines extrinsèques de 33, 24 et 17 kDa (codées respectivement par les gènes psbO, psbP et psbQ) et des cofacteurs inorganiques tels que le manganèse, le calcium et le chlore sont impliqués dans la photolyse de l’eau (Renger, 1997). Les plastoquinones (environ 7 molécules de PQ par PSII) permettent le transport d’électrons entre le PSII et le complexe cytochrome b6/f. Grâce à leur queue hydrocarbonée composée d’unités isopréniques, les plastoquinones sont solubles dans le cœur hydrophobe des bicouches phospholipidiques et y sont mobiles. En acceptant un électron, la PQ est réduite en semi-quinone PQ.- , forme semi-radicalaire dans laquelle l’électron célibataire est délocalisé entre le noyau benzènique et les atomes d’oxygène. En acceptant un deuxième électron et deux protons, la PQ est entièrement réduite en PQH2 (plastoquinol). Sous cette forme, elle peut servir de donneur d’électrons au complexe cytochrome b6/f.