Centre de réaction photosynthétique - Photosynthetic reaction centre
Un centre de réaction photosynthétique est un complexe de plusieurs protéines, pigments et autres cofacteurs qui exécutent ensemble les réactions de conversion d'énergie primaire de la photosynthèse . Les excitations moléculaires, provenant directement de la lumière du soleil ou transférées sous forme d'énergie d'excitation via des systèmes d'antennes de récolte de lumière , donnent lieu à des réactions de transfert d'électrons le long du trajet d'une série de cofacteurs liés aux protéines. Ces cofacteurs sont des molécules absorbant la lumière (également appelées chromophores ou pigments ) telles que la chlorophylle et la phéophytine , ainsi que les quinones . L'énergie dule photon est utilisé pour exciter un électron d'un pigment. L' énergie libre créée est ensuite utilisée pour réduire une chaîne d' accepteurs d'électrons proches , qui ont des potentiels redox progressivement plus élevés . Ces étapes de transfert d'électrons sont la phase initiale d'une série de réactions de conversion d'énergie, aboutissant finalement à la conversion de l'énergie des photons en stockage de cette énergie par la production de liaisons chimiques.
Transformer l'énergie lumineuse en séparation de charge
Les centres de réaction sont présents dans toutes les plantes vertes , les algues et de nombreuses bactéries . Il existe une variété de complexes de récolte de lumière entre les espèces photosynthétiques. Les plantes vertes et les algues ont deux types différents de centres de réaction qui font partie de supercomplexes plus grands appelés P700 dans le photosystème I et P680 dans le photosystème II . Les structures de ces supercomplexes sont grandes, impliquant de multiples complexes de récolte de lumière . Le centre de réaction trouvé dans les bactéries Rhodopseudomonas est actuellement le mieux compris, car il s'agissait du premier centre de réaction de structure connue et a moins de chaînes polypeptidiques que les exemples dans les plantes vertes.
Un centre de réaction est aménagé de manière à capter l'énergie d'un photon à l'aide de molécules de pigment et à la transformer en une forme utilisable. Une fois que l'énergie lumineuse a été absorbée directement par les molécules de pigment, ou leur a été transmise par transfert de résonance à partir d'un complexe récepteur de lumière environnant , elles libèrent deux électrons dans une chaîne de transport d'électrons . Dans les plantes vertes, la chaîne de transport d'électrons comporte de nombreux accepteurs d'électrons, notamment la phéophytine , la quinone , la plastoquinone , le cytochrome bf et la ferrédoxine , qui aboutissent finalement à la molécule réduite NADPH et au stockage d'énergie. Le passage de l'électron à travers la chaîne de transport d'électrons se traduit également par le pompage de protons (ions d'hydrogène) à partir du chloroplaste du stroma et dans la lumière , ce qui entraîne un gradient de protons à travers la membrane des thylakoïdes qui peut être utilisé pour la synthèse d' ATP en utilisant la Molécule d' ATP synthase . L'ATP et le NADPH sont tous deux utilisés dans le cycle de Calvin pour fixer le dioxyde de carbone en sucres trioses.
Dans les bactéries
Classification
Deux classes de centres de réaction sont reconnues. Le type I, présent dans les bactéries vertes-soufre , les héliobactéries et les plantes/cyanobactéries PS-I, utilise des amas fer-soufre comme accepteurs d'électrons. Le type II, présent dans le chloroflexus , les bactéries violettes et la PS-II végétale/cyanobactérienne, utilise des quinones. Non seulement tous les membres de chaque classe partagent une ascendance commune, mais les deux classes semblent également, au moyen d'une structure commune, liées. Cette section traite du système de type II trouvé dans les bactéries violettes.
Structure
Le centre de réaction photosynthétique bactérien a été un modèle important pour comprendre la structure et la chimie du processus biologique de capture de l'énergie lumineuse. Dans les années 1960, Roderick Clayton a été le premier à purifier le complexe du centre de réaction des bactéries violettes. Cependant, la première structure cristalline (image supérieure à droite) a été déterminée en 1984 par Hartmut Michel , Johann Deisenhofer et Robert Huber pour lesquels ils ont partagé le prix Nobel en 1988. Cela était également important pour être la première structure cristalline 3D de toute protéine membranaire. complexe.
Quatre sous-unités différentes se sont avérées importantes pour la fonction du centre de réaction photosynthétique. Les sous - unités L et M , représentées en bleu et violet sur l'image de la structure, couvrent toutes deux la bicouche lipidique de la membrane plasmique. Ils sont structurellement similaires les uns aux autres, tous deux ayant 5 hélices alpha transmembranaires . Quatre molécules de bactériochlorophylle b (BChl-b), deux molécules de bactériophéophytine b (BPh), deux quinones (Q A et Q B ) et un ion ferreux sont associés aux sous-unités L et M. La sous-unité H, représentée en or, se trouve du côté cytoplasmique de la membrane plasmique. Une sous-unité de cytochrome, ici non représentée, contient quatre hèmes de type c et est située sur la surface périplasmique (extérieure) de la membrane. Cette dernière sous-unité n'est pas un motif structurel général chez les bactéries photosynthétiques. Les sous-unités L et M se lient aux cofacteurs fonctionnels et interagissant avec la lumière, représentés ici en vert.
Les centres de réaction de différentes espèces bactériennes peuvent contenir des chromophores de bactério-chlorophylle et de bactério-phéophytine légèrement altérés en tant que cofacteurs fonctionnels. Ces altérations provoquent des changements de couleur de la lumière qui peuvent être absorbés. Le centre de réaction contient deux pigments qui servent à collecter et à transférer l'énergie de l'absorption des photons : BChl et Bph. BChl ressemble à peu près à la molécule de chlorophylle trouvée dans les plantes vertes, mais, en raison de différences structurelles mineures, sa longueur d'onde d'absorption maximale est décalée dans l' infrarouge , avec des longueurs d'onde allant jusqu'à 1000 nm. Bph a la même structure que BChl, mais l'ion magnésium central est remplacé par deux protons. Cette altération provoque à la fois un décalage maximum d'absorbance et une diminution du potentiel redox.
Mécanisme
Le processus commence lorsque la lumière est absorbée par deux molécules BChl qui se trouvent près du côté périplasmique de la membrane. Cette paire de molécules de chlorophylle, souvent appelée "paire spéciale", absorbe des photons à 870 nm ou 960 nm, selon les espèces et, ainsi, est appelée P870 (pour Rhodobacter sphaeroides ) ou P960 (pour Blastochloris viridis ), avec P debout pour "pigment"). Une fois que P absorbe un photon, il éjecte un électron, qui est transféré à travers une autre molécule de Bchl vers le BPh dans la sous-unité L. Cette séparation de charge initiale donne une charge positive sur P et une charge négative sur le BPh. Ce processus se déroule en 10 picosecondes (10 -11 secondes).
Les charges sur le P + et le BPh - pourraient subir une recombinaison de charges dans cet état. Cela gaspillerait l'électron à haute énergie et convertirait l'énergie lumineuse absorbée en chaleur . Plusieurs facteurs de la structure du centre de réaction servent à empêcher cela. Premièrement, le transfert d'un électron de BPh − à P960 + est relativement lent par rapport à deux autres réactions d'oxydoréduction dans le centre réactionnel. Les réactions les plus rapides impliquent le transfert d'un électron de BPh − (BPh − est oxydé en BPh) à l'accepteur d'électrons quinone (Q A ), et le transfert d'un électron à P960 + (P960 + est réduit à P960) à partir d'un hème dans la sous-unité du cytochrome au-dessus du centre de réaction.
L'électron de haute énergie qui réside sur la molécule de quinone étroitement liée Q A est transféré à une molécule de quinone échangeable Q B . Cette molécule est faiblement associée à la protéine et est assez facile à détacher. Deux des électrons de haute énergie sont nécessaires pour réduire complètement Q B en QH 2 , en absorbant deux protons du cytoplasme dans le processus. La réduction de la quinone QH 2 diffuse à travers la membrane à un autre complexe protéine ( cytochrome bc 1 - complexe ) , où il est oxydé. Dans le processus, le pouvoir réducteur du QH 2 est utilisé pour pomper des protons à travers la membrane vers l'espace périplasmique. Les électrons du complexe cytochrome bc 1 sont ensuite transférés à travers un intermédiaire soluble du cytochrome c, appelé cytochrome c 2 , dans le périplasme vers la sous-unité du cytochrome.
Dans les cyanobactéries et les plantes
Les cyanobactéries, précurseurs des chloroplastes présents dans les plantes vertes, possèdent les deux photosystèmes avec les deux types de centres réactionnels. La combinaison des deux systèmes permet de produire de l'oxygène.
Photosynthèse oxygénique
En 1772, le chimiste Joseph Priestley réalise une série d'expériences relatives aux gaz impliqués dans la respiration et la combustion. Dans sa première expérience, il a allumé une bougie et l'a placée sous un bocal renversé. Après un court laps de temps, la bougie s'est éteinte. Il a réalisé une expérience similaire avec une souris dans l'espace confiné de la bougie allumée. Il a découvert que la souris est morte peu de temps après l'extinction de la bougie. Cependant, il pourrait revivifier l'air vicié en plaçant des plantes vertes dans la zone et en les exposant à la lumière. Les observations de Priestley ont été parmi les premières expériences qui ont démontré l'activité d'un centre de réaction photosynthétique.
En 1779, Jan Ingenhousz réalise plus de 500 expériences étalées sur 4 mois pour tenter de comprendre ce qui se passe réellement. Il a écrit ses découvertes dans un livre intitulé Experiments on Vegetables . Ingenhousz a pris des plantes vertes et les a immergées dans de l'eau à l'intérieur d'un réservoir transparent. Il a observé de nombreuses bulles s'élevant de la surface des feuilles chaque fois que les plantes étaient exposées à la lumière. Ingenhousz a collecté le gaz dégagé par les usines et a effectué plusieurs tests différents pour tenter de déterminer de quel gaz il s'agissait. Le test qui a finalement révélé l'identité du gaz était de placer un cône fumant dans l'échantillon de gaz et de le rallumer. Ce test prouva qu'il s'agissait d'oxygène, ou, comme Joseph Priestley l'avait appelé, « d' air déphlogistiqué ».
En 1932, Robert Emerson et son étudiant, William Arnold, ont utilisé une technique de flash répétitif pour mesurer avec précision de petites quantités d'oxygène dégagées par la chlorophylle dans l'algue Chlorella . Leur expérience a prouvé l'existence d'une unité photosynthétique. Gaffron et Wohl ont ensuite interprété l'expérience et réalisé que la lumière absorbée par l'unité photosynthétique était transférée. Cette réaction se produit au centre de réaction du photosystème II et se déroule dans les cyanobactéries, les algues et les plantes vertes.
Photosystème II
Le photosystème II est le photosystème qui génère les deux électrons qui finiront par réduire le NADP + dans la ferredoxine-NADP-réductase. Le photosystème II est présent sur les membranes des thylacoïdes à l'intérieur des chloroplastes, site de la photosynthèse des plantes vertes. La structure du photosystème II est remarquablement similaire au centre de réaction bactérien, et il est théorisé qu'ils partagent un ancêtre commun.
Le cœur du photosystème II se compose de deux sous-unités appelées D1 et D2 . Ces deux sous-unités sont similaires aux sous-unités L et M présentes dans le centre de réaction bactérienne. Le photosystème II diffère du centre de réaction bactérien en ce qu'il possède de nombreuses sous-unités supplémentaires qui se lient à des chlorophylles supplémentaires pour augmenter l'efficacité. La réaction globale catalysée par le photosystème II est :
- 2Q + 2H 2 O + hν → O 2 + 2QH 2
Q représente la plastoquinone, la forme oxydée de Q. QH 2 représente le plastoquinol, la forme réduite de Q. Ce processus de réduction de la quinone est comparable à celui qui se déroule dans le centre réactionnel bactérien. Le photosystème II obtient des électrons en oxydant l'eau dans un processus appelé photolyse . L'oxygène moléculaire est un sous-produit de ce processus, et c'est cette réaction qui alimente l' atmosphère en oxygène. Le fait que l'oxygène des plantes vertes provienne de l'eau a été déduit pour la première fois par le biochimiste américain d'origine canadienne Martin David Kamen . Il a utilisé un isotope stable de l'oxygène, le 18 O, pour tracer le chemin de l'oxygène de l'eau à l'oxygène moléculaire gazeux. Cette réaction est catalysée par un centre réactif dans le photosystème II contenant quatre ions manganèse .
La réaction commence par l'excitation d'une paire de molécules de chlorophylle similaires à celles du centre de réaction bactérien. En raison de la présence de chlorophylle a , contrairement à la bactériochlorophylle , le photosystème II absorbe la lumière à une longueur d'onde plus courte. La paire de molécules de chlorophylle au centre de réaction est souvent appelée P680 . Lorsque le photon a été absorbé, l'électron de haute énergie résultant est transféré à une molécule de phaéophytine à proximité. C'est au-dessus et à droite de la paire sur le diagramme et est de couleur grise. L'électron se déplace de la molécule de phéophytine à travers deux molécules de plastoquinone, la première étroitement liée, la seconde faiblement liée. La molécule étroitement liée est représentée au-dessus de la molécule de phaéophytine et est colorée en rouge. La molécule faiblement liée se trouve à gauche de celle-ci et est également colorée en rouge. Ce flux d'électrons est similaire à celui du centre de réaction bactérien. Deux électrons sont nécessaires pour réduire complètement la molécule de plastoquinone faiblement liée en QH 2 ainsi que l'absorption de deux protons.
La différence entre le photosystème II et le centre de réaction bactérien est la source de l'électron qui neutralise la paire de molécules de chlorophylle a . Dans le centre de réaction bactérien, l'électron est obtenu à partir d'un groupe hème composé réduit dans une sous-unité du cytochrome ou à partir d'une protéine cytochrome-c soluble dans l'eau.
Une fois la séparation des charges photo-induite effectuée, la molécule P680 porte une charge positive . Le P680 est un oxydant très puissant et extrait les électrons de deux molécules d' eau qui sont liées au centre du manganèse directement en dessous de la paire. Ce centre, en dessous et à gauche de la paire dans le diagramme, contient quatre ions manganèse, un ion calcium , un ion chlorure et un résidu tyrosine . Le manganèse est adepte de ces réactions car il est capable d'exister dans quatre états d'oxydation: Mn 2+ , Mn 3+ , Mn 4+ et Mn 5+ . Le manganèse forme également des liaisons fortes avec des molécules contenant de l'oxygène telles que l'eau.
Chaque fois que le P680 absorbe un photon, il émet un électron, gagnant une charge positive. Cette charge est neutralisée par l'extraction d'un électron du centre de manganèse, qui se trouve directement en dessous. Le processus d'oxydation de deux molécules d'eau nécessite quatre électrons. Les molécules d'eau oxydées au centre du manganèse sont à l'origine des électrons qui réduisent les deux molécules de Q en QH 2 . À ce jour, ce centre catalytique à séparation d'eau n'a été reproduit par aucun catalyseur artificiel.
Photosystème I
Une fois que l'électron a quitté le photosystème II, il est transféré vers un complexe cytochrome b6f , puis vers la plastocyanine , une protéine de cuivre bleue et un porteur d'électrons. Le complexe de plastocyanine porte l'électron qui neutralise la paire suivante dans le centre de réaction, le photosystème I .
Comme avec le photosystème II et le centre de réaction bactérien, une paire de molécules de chlorophylle a initie une séparation de charge photo-induite. Cette paire est appelée P700 . 700 Est une référence à la longueur d'onde à laquelle les molécules de chlorophylle absorbent la lumière au maximum. Le P700 se trouve au centre de la protéine. Une fois la séparation de charge photo-induite initiée, l'électron parcourt une voie à travers une molécule de chlorophylle situated située directement au-dessus du P700, à travers une molécule de quinone située directement au-dessus, à travers trois clusters 4Fe-4S, et enfin jusqu'à un complexe interchangeable de ferredoxine. La ferrédoxine est une protéine soluble contenant un cluster 2Fe-2S coordonné par quatre résidus cystéine. La charge positive laissée sur le P700 est neutralisée par le transfert d'un électron de la plastocyanine . Ainsi la réaction globale catalysée par le photosystème I est :
- Pc (Cu + ) + Fd [ox] + hν → Pc (Cu 2+ ) + Fd [rouge]
La coopération entre les photosystèmes I et II crée un flux d'électrons de H 2 O vers NADP + . Cette voie est appelée le « schéma Z » car le diagramme redox de P680 à P700 ressemble à la lettre z.
Voir également
- Complexe de récolte de lumière
- Photosynthèse
- Photosystème
- Phycobilisome
- Famille de protéines du centre de réaction photosynthétique
Les références
Liens externes
- Orr L, Govindjee R. "Ressources Web de photosynthèse" . Université de l'Illinois à Urbana-Champaign.