Au départ de l’illumination, on observe l’oxydation du cytochrome f plus ou moins rapide jusqu’à obtenir un état stationnaire. Lorsque l’on éteint la lumière, on observe la re-réduction du cytochrome f plus ou moins rapide.
Ces cinétiques de variations d’absorptions du cytochrome f montrent, dans un premier temps, chez le type sauvage, dans les conditions aérobiques (A), une certaine oxydation du cytochrome sans présence d’inhibiteur (carré). La présence de DCMU, inhibiteur du PSII, montre une cinétique différente (cercle) de celle observée sans inhibiteur. On observe une oxydation du cytochrome f plus rapide ainsi qu’une re-réduction un peu plus lente. De même pour la cinétique en présence de DBMIB, inhibiteur du cyt f (triangle), similaire à celle en présence de DCMU excepté pour la re-réduction à l’obscurité, plus lente.
Ces premières courbes fournissent déjà des informations intéressantes sur le fonctionnement de la chaîne photosynthétique dans les conditions aérobiques. Au vue des résultats qui montrent que l’inactivation fonctionnelle des complexes photosynthétiques : Photosystème II et du cytochrome f, donnant des cinétiques de variations d’absorptions différentes pour l’oxydation du cytochrome f sans inhibiteur, impliquent la sollicitation fonctionnelle du PSII et du cytochrome f dans les conditions aérobiques. Ceci décrit le parcours de transfert des électrons linéaire, qui sollicite tous les complexes de la chaîne photosynthétique.
Les courbes en conditions anaérobiques (B), toujours pour le type sauvage, sont similaires sans inhibiteur (carré) et avec utilisation de DCMU (cercle). Contrairement à celle avec l’utilisation de DBMIB qui montre une cinétique similaire en condition aérobique. Donc que le Photosystème II soit actif ou non fonctionnellement, les cinétiques d’oxydation du cytochrome f sont identiques.
Au vue de ces résultats, en conditions anaérobiques, le PSII est peu sollicité, contrairement au cytochrome f, qui semble toujours avoir une fonction dans ces conditions, au vue des cinétiques en DBMIB (triangle). Le flux d’électrons semble donc « tourner » autour du PSI et du cytochrome f, ce qui décrit le parcours de transfert des électrons cyclique, qui sollicite les complexes PSI et cytochrome b6f de la
chaîne photosynthétique.
Cette première série d’expériences apporte des conclusions importantes sur l’implication des flux d’électrons et de leur commutation dans le changement d’états et la transition des antennes. Selon les résultats, chez le type sauvage de Chlamydomonas, le transfert d’électrons linéaire est promu dans les conditions aérobiques, soit à l’état 1. Et le transfert d’électrons cyclique est promu dans les conditions anaérobiques, soit à l’état 2.
Maintenant intéressons-nous aux expériences menées sur le mutant stt7, altéré dans la transition d’état et bloqué à l’état 1 : les antennes LHCII restent alors associées aux Photosystèmes II.
Tout comme le type sauvage dans les conditions aérobiques (C), le mutant stt7 montre une certaine cinétique sans inhibiteur (carré) et des cinétiques différentes en présence d’inhibiteur du PSII et du cytochrome f, permettant de conclure tout comme
le type sauvage que le transfert d’électrons linéaire est prédominant dans les conditions aérobiques, chez ce mutant.
Cependant, les cinétiques sont similaires dans les deux types de conditions : aérobique (C) et anaérobique (D). Ces résultats sont donc différents de ceux observés chez le type sauvage, suggérant que la commutation vers le transfert d’électrons cyclique n’a pas lieu.
Ces résultats qui montrent que, le cyclique n’est pas induit dans les conditions anaérobiques qui promeuvent l’état 2, le mutant stt7 restant par sa mutation, bloqué à l’état 1, suggèrent que la migration des antennes LHCII mobiles sont déterminantes pour la commutation entre les deux types de transferts d’électrons.
Il semble donc, aux vues de ces résultats qu’il existe une corrélation forte entre la commutation du transport d’électrons linéaire à cyclique et la redistribution latérale réversible des antennes mobiles collectrices de lumière entre le PSII et le PSI.
II Constats expérimentaux - Discussion
J’ai tout d’abord reproduit les expériences d’oxydation du cytochrome f, pour le type sauvage et pour le mutant altéré dans la migration des antennes : le mutant stt7 bloqué à l’état 1.
Nous retrouvons les mêmes profils de cinétiques pour le type sauvage t222+ et le mutant stt7-9 de chlamydomonas reinhardtii, dans les deux conditions redox.
Il est donc possible de reproduire les résultats observés dans l’article (Finazzi, Rappaport et al. 2002), dans les mêmes conditions expérimentales.
Mais il est important de souligner que pour faire ces observations de variations d’absorptions sur le cytochrome f, j’ai dû travailler à une intensité lumineuse très faible et ce à cause de la grande constante d’équilibre entre le PSI et le Cytochrome f, discuté ci-dessous.
A l’état stationnaire, la quantité de P700 oxydé est donnée par le rendement : kox / (kox + kred), où kox et kred sont respectivement les constantes de vitesses d’oxydation et de réduction de P700. En absence d’activité PSII, l’hypothèse est faite que kred
correspond à la vitesse cyclique. Nous constatons que deux cas extrêmes doivent être distingués : celui où kox est faible devant kred, dans ce cas le flux cyclique sera cinétiquement limité par la vitesse à laquelle P700 est oxydé, en d’autres termes par la vitesse photochimique, et le cas où kred est faible devant kox, est dans ce cas c’est la réduction de P700 par le processus cyclique qui est cinétiquement limitante. Il va sans dire que seule cette situation est significative si nous voulons mesurer le flux d’électrons cyclique. Or, lorsque cette condition est satisfaite, kox > kred, et par conséquent kox / (kox + kred) > 0,5.
Si cette condition est réunie, alors forcément nous obtenons une concentration d’au moins 50% de P700 oxydé.
Or, de par les potentiels redox des complexes : +420 mV pour P700 à l’état fondamental et de +350 mV pour le cytochrome f, on obtient, selon les lois thermodynamiques une constante d’équilibre de 15. En d’autre terme, avec une telle constante d’équilibre, pour 10 % de P700 oxydé nous obtenons plus de 90 % de cytochrome f oxydé. Il est, dans de telles conditions, impossible de mesurer le
cyclique en utilisant la sensibilité de l’état redox du cytochrome f au DCMU comme observable. Pour n’obtenir que 50 % de cytochrome f oxydé en présence de lumière en DCMU, il faut donc diminuer l’intensité lumineuse et obtenir ainsi en diminuant la quantité de P700 oxydé, faire de l’état d’oxydation du cytochrome f une observable sensible à d’éventuelles variations de l’activité du PSI. Dans ces conditions le niveau stationnaire de P700 oxydé n’excédera pas ~10 % et kox sera nécessairement plus faible que la kred.
Or à très faible intensité, le poids relatif d’autres flux électroniques que le transfert cyclique augmente. Ainsi la chlororespiration et même les électrons produits par l’activité photochimique peuvent interférer. La diminution du flux cyclique est illustrée sur la figure suivante qui montre sa dépendance en fonction de l’intensité lumineuse (Méthode de calcul (Takahashi, Clowez et al. 2013)), dans les conditions anoxiques.
Figure 2: vitesse d’électrons cyclique (e s-1 PSI-1) en fonction de l’intensité lumineuse (µE m-2 s-1), dans les conditions anoxiques.
Comme ce graphique le montre, à des intensités de 52 et 115 µE m-2 s-1, les flux d’électrons cycliques sont similaires, soit entre 34-40 électrons par seconde par Photosystème I. On peut considérer que le flux est indépendant de l’intensité lumineuse dans ces domaines d’intensité. Il est donc cinétiquement limité par une étape non-photochimique. Au contraire, à faible intensité le flux cyclique diminue et devient dépendant de l’intensité lumineuse ; il est cinétiquement limité par la vitesse photochimique. En conclusion, la mesure du niveau stationnaire du cytochrome f sera donc une mesure de l’intensité lumineuse et non du flux cyclique.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 0 10 20 30 40
Intensité lumineuse (µE/m²/s)
Fl ux d' él ec tron c yc lique ( e/ s/ PS I)
Il est donc impossible, en se plaçant à une intensité aussi faible comme cela a sans doute été fait dans les études reposant sur les mesures de l’état d’oxydation du cytochrome f comme mesure des flux linéaire et cyclique, de conclure sur le transfert d’électrons cyclique. C’est pourquoi, nous avons opté pour une autre approche consistant à mesurer le flux cyclique via les états redox de P700 dans des conditions de relativement forte intensité.
Nous venons donc de voir que les conclusions sur la corrélation stricte entre transition d’état et activation du mode cyclique reposent sur des bases expérimentales dont nous pouvons interroger la fiabilité. En outre, plusieurs études viennent également affaiblir cette corrélation.
III Constats contradictoires théoriques