La respiration versus la photosynthèse

La photosynthèse et la respiration sont deux processus biochimiques antagonistes. L’un produit de l’oxygène, l’autre le consomme. Cependant, ces deux phénomènes ont une activité commune : la production d’ATP^4-, intermédiaire métabolique riche en énergie et transporteur d’énergie chimique au sein du métabolisme. La photosynthèse utilise comme source d’énergie les photons de la lumière. La respiration cellulaire fournit de l’énergie à partir de l’oxydation des nutriments présents. Dans les deux cas, le processus de fonctionnement est le même : la conversion d’énergie induit un transfert d’électrons le long d’une chaine de transport d’électrons jusqu’à un accepteur final (Nicholls et Ferguson, 2013). Le transfert d’électrons se déroule dans un milieu semi-solide, ou du moins un milieu possédant une organisation spatiale, qui est le plus souvent une membrane délimitant différents compartiments cellulaires. Les gradients transmembranaires, en particulier les gradients de pH et de potentiel redox, traduisent la première étape de la conversion de l’énergie. Ces gradients induisent des transferts de composés chimiques entre les différents compartiments qui permettent des biosynthèses, en particulier la régénération des molécules d’ATP, ce qui constitue la deuxième étape du processus de conversion d’énergie.

L’analyse mécanistique de la respiration et de la photosynthèse, suivant un modèle de connaissance, nécessite donc la prise en compte de la compartimentation. Cette méthodologie

8 d’analyse énergétique a été développée par Sasidharan (2012) pour les végétaux supérieurs. Elle a été reprise et adaptée ici, pour les deux microorganismes photosynthétiques considérés, à partir d’une construction stœchiométrique originale. En effet, que ce soit dans le chloroplaste ou dans la mitochondrie, il existe des différences de pH et de potentiel redox entre les différentes phases de chaque organite.

Pour le chloroplaste, deux compartiments (ou deux phases) sont présents (Figure 1) : la phase P (positive), correspond au lumen du chloroplaste et présente un pH de 4 ; et la phase N (négative), correspond au stroma, avec un pH de 7,5.

Figure 1 : Représentation schématique du chloroplaste et de ces 2 phases [1]

Pour la mitochondrie (Figure 2), siège de la respiration cellulaire, deux phases sont décrites. La première, la phase P, correspond à l’espace inter-membranaire dont le pH est de 6,5. La seconde, la phase N, est représentée par la matrice de la mitochondrie dont le pH est de 7,5.

Figure 2 : Schéma d'une mitochondrie et de ces 2 phases [2] Thylakoïde Stroma pH = 7,5 Lumen pH = 4 Phase Membrane externe Membrane (Phase N) (Phase P)

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1.2.1 La Photosynthèse

La photosynthèse, réalisée au niveau du chloroplaste, utilise l’énergie lumineuse (les photons) et une source carbonée inorganique pour produire de l’oxygène et de la matière organique. C’est donc un enchainement de réactions dont la première étape est photochimique. Elle se déroule en deux phases (Figure 3) et peut être schématisée sous la forme suivante :

Figure 3 : Schéma des 2 phases de la photosynthèse [3]

La première étape est dépendante de la lumière. Elle est localisée au niveau de la paroi des grana du chloroplaste. Elle correspond à la captation d’énergie lumineuse, c’est-à-dire la captation de photons puis à une photolyse de l’eau afin de produire de l’énergie et des cofacteurs réduits (NADPH, ATP) en utilisant la chaine de transports des électrons. La seconde phase, dite « sombre » est indépendante de la lumière. Cette phase correspond à l’assimilation du CO2 et à la production de molécules organiques (CH2O) notamment lors du cycle de Calvin dans le stroma des cellules. Pour cela, les cofacteurs produits précédemment sont indispensables. Ces deux phases sont donc dépendantes l’une de l’autre.

Ainsi la photosynthèse oxygénique nécessite deux sous unités : le photosystème I (PSI) et le II (PSII), qui sont localisées au niveau de la membrane cellulaire dans le cas des cyanobactéries et de la membrane des thylakoïdes du chloroplaste dans le cas des microalgues. Ces deux photosystèmes possèdent des antennes photosynthétiques : P680 et P700. P680 est le centre réactionnel de la chlorophylle a (chla) du PSII et utilise les photons pour réaliser l’oxydation de l’eau et produire de l’ATP. P700, dans le cas du PSI, utilise les électrons produits et les ions H⁺ issus du PSII pour réduire le NADP en NADPH. Ainsi le CO2 atmosphérique peut être transformé en glucose.

CH2O

Chloroplaste O2

Phase claire Phase sombre

10 De manière plus précise, le PSII est un complexe de protéines dont le cœur est composé de pigments type chlorophylle et β-carotène, reliés aux antennes photosynthétiques. C’est à ce niveau que l’énergie lumineuse sert à exciter les centres réactionnels constitués des protéines D1 (hétérodimère) et D2, afin d’être convertie en cofacteurs nécessaires à l’oxydation de l’eau (au niveau du complexe OEC). De plus, cette étape est indispensable pour permettre un assemblage correct et fonctionnel du cluster manganèse (situé du côté du lumen sur les protéines D1 et D2), lui-même relié aux phéophytines, aux quinones et à l’atome de fer. En effet, lors de l’excitation par les photons, un électron est transféré au donneur primaire (Chla) par l’intermédiaire de la phéophytine (accepteur d’électron) jusqu’à la quinone. Ainsi l’oxydation du PSII active la protéine D1 et réduit le P680. Les électrons sont ôtés du complexe manganèse, entrainant une oxydation de l’eau et la formation d’oxygène libre. Le PSI peut ainsi produire le NADPH afin de convertir le CO2 en glucose à partir des électrons libérés.

Cependant, compte tenu de l’importance de la photosynthèse dans la modélisation et la compréhension du fonctionnement des microorganismes photosynthétiques, le mécanisme de fonctionnement du chloroplaste, représenté sur la Figure 4, sera détaillé d’un point de vue énergétique dans le chapitre 3.

4 4 2 2 + 1/ 2 2 e -p p p N N N 4 2 3 -N -phase p H = 7 .5 P -phase p H =4 2 NADP H, H_N+ 6 80 70 0 4 4 2 2 + 1/ 2 2 e -p p p N N N 4 2 3 -N -phase p H = 7 .5 P -phase p H =4 2 NADP H, H_N+ 6 80 70 0

Figure 4 : Chaine de transport des électrons lors de l'assimilation des photons dans le chloroplaste (Voet & Voet, 2005) (PS : photosystème ; PC : phycocyanine ; Cyt : cytochrome ; Pheo : phéophytine ; e^- : électron ; hµ : photon ; O2 : oxygène ; Pi : phosphate inositol ; OEC : complexe d’oxydation de l’eau ; N-phase : phase

négative (stroma) ; P-phase : phase positive (lumen) ; Fd : ferrédoxine ; H2O : eau)

1.2.2 La respiration

La respiration cellulaire, située au niveau des mitochondries, utilise l’énergie issue de dégradation de composés organiques en dioxyde de carbone. Elle regroupe trois voies

11 majeures : la glycolyse, la voie des pentoses-phosphates et le cycle de Krebs, ainsi qu’un enchainement de phosphorylations oxydatives. A partir d’une construction stœchiométrique originale, la méthodologie développée par Sasidharan (2012) permet d’obtenir des équations stœchiométriques simplifiées adaptées aux microorganismes photosynthétiques, qui sont présentées ci-dessous.

La voie métabolique de la glycolyse est responsable de la conversion du glucose, via le fructose-1,6-bis-phosphate, en pyruvate et de la régénération de l’ATP et du NADH. C’est une succession de réactions enzymatiques qui ont lieu au niveau du cytoplasme de la microalgue. Dans certains cas, la glycolyse permet de dégrader un polysaccharide de réserve (constitué d’un enchainement d’unités de type glucose) comme l’amidon (cas de Chlamydomonas reinhardtii) ; l’équation synthétique de dégradation s’écrit alors :

Eq. 1

La voie des pentoses phosphates permet la formation de NADPH en oxydant du glucose. C’est une voie alternative à la glycolyse qui se résume sous la forme suivante :

Eq. 2 Le cycle de Krebs est responsable de l’oxydation des substrats, dans la matrice interne de la mitochondrie. Le point d’entrée est l’acétyl-CoA. Le cycle de Krebs produit essentiellement des cofacteurs réduits, du CO2 et de l’ATP. Il peut être résumé sur le plan stœchiométrique comme suit :

Eq. 3

Enfin, les phosphorylations oxydatives permettent la synthèse endergonique d’ATP à partir de l’ADP et du phosphate inorganique (Pi). Cette voie est couplée à la chaine de transport des électrons (complexe 5) dans la matrice mitochondriale (Figure 5). Elle nécessite une conservation de l’énergie par un couplage énergétique entrainant la formation d’un gradient de protons entre la matrice et l’espace inter-membranaire, c’est-à-dire entre les deux phases décrites précédemment.