LHCII (Lhcbl et Lhcb2 >

Les protéines du complexe LHCII de plusieurs espèces des plantes

supérieures ont une composition similaire en acides aminés. Elles sont riches en

prolines et en résidus hydrophobes et pauvres en histidines (Richter et Homann

1984, Thornber et coll. 1979).

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Lhca [ ^{Type [ LHCI} LHC Ib LHCI-'àO

-Lhcal Type [[ LHCT _LHCI-obO

-Lhcuà Type III LHCI LHC la LHCI-obO

-Lhca^ Type IV LHCI _{LHC Ib LHCI-'30}

-Lncb l Type I LHCII LHC Ilb 28 kDa LHCII b

Lhcb: Type II LHCII ' _{LHC Ilb 27 kDa LHCII c}

Lhcbj Type III LHCII _{LHC Ilb 25 kDa LHCI la dl’}

Lhcb4 Type II CP29 LHC lia CP29 a

Lbccf Tvpe I C?:9 _{LHC Ile CP2b} ^{- >}

Lhcbo CP24 _{LHC Ild CP 2^}

stroma

Figure 1,10. Monomère LHCII. Le plan du monomère montre 4 hélices dont trois

traversent la membrane thylacoïdienne (A, B et C), et la quatrième hélice reste

exposée à la surface lumenale de la membrane (D) (Kühlbrandt et al , 1994).

T S SLQ .T G ■ ATGTPSKA A D A A 3VAAKPVG FIS HSLLP E AN SR K ST TYPEl RJCTATKAKPV'SSGSPWYGPDRVKYLGPFSGESPSYLTGErPGDYGWDTAGLSADPETFAKNRELEVIHCRWAMLGA I " ~ T I I I I I TYPE2 RRTV KSVF QSIWYGEDRPKYLGPFSEQTPSYLTGEFPGDYGWDTAGLSADPETFARNRELEVIHCRWAMLGA I RAAS E A F G AV K S P T I Q VAE S AL GLKAKDQSQI L TI I I QII L TYPE! LGCVFPELLARNGVKFGEAVWFKAGSQIFSEGGLDYLGNPSLVHAQSILAIWACQWLMGAVEGYRVAGGPLGEWDP ! ! ~ ~ ! ! ! TYPE2 LGCVFPEILSKNGVTFGEAVWFKAGSQIFSEGGLDYLGNPNLVHAQSILAIWATQWLMGFVEGYRVGGGPLGEGLDK ILVLK AOQAI C LI T P A Q i A Q TV Q T L I N ERAD G E L K L I IGD IV SY R TYPE! LYPGGSFDPLGLADDPEAFAELKVKEIKNGRLAMFSMFGFFVQAIVTGKGPLENLADHLADPVNNNAWAFATNFVPGK

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TYPE2 lYPGGAFDPLGLADDPEAFAELKVKEIKNGRLAMFSMFGFFVQAIVTGKGPIENLSDHIADPVANNAWAFATNFVPGK LL D K Y L Y

Figure I.10.E. Comparaison des séquences des acides aminés des deux

polypeptides LHCbl (TYPE1) et LHCb2 (TYPE2) chez les angiospermes et les

Chapitre I : Introduction

Chez les plantes supérieures, les protéines du LHCII (Tableau 1.3) sont

codées par une famille de vingt gènes nucléaires (Buetow et coll. 1988, Green

et coll. 1991).

Les LHCII isolés à partir des feuilles d’algues vertes (Apel 1977), des

épinards (Ryrie et coll. 1980, Andersson et coll. 1982, Ryrie et Fuad 1982), de

l’orge (Dunkley et Anderson 1979, Ryrie et Fued 1982, Simpson 1979) et des

pois (Ryrie et coll. 1980, Bennett et coll. 1981) contiennent au moins deux

polypeptides de 21-29 kDa. Larsson et coll. (1987) ont montré que le complexe

LHCII est extrêmement hétérogène et composé en grande partie par deux

protéines de 27 et de 25 kDa. Les protéines de 27 kDa seraient situées à

l’intérieur du complexe LHCII où elles sont strictement liées au noyau du PSII.

Les protéines de 25 kDa enrichissent la face périphérique du complexe.

Actuellement, la contribution des deux polypeptides Lhcbl et Lhcb2 (Tableau

1.4) dans la formation du complexe LHCII est clairement établie. Les protéines

Lhcb3, Lhcb4, Lhcb5 et Lhcb6 sont également des protéines LHC du PSII qui

peuvent être détectées dans les préparations purifiées du complexe LHCII

(Jansson 1994).

La structure du complexe LHCII a été déterminée par la cristallographie

électronique à 3.4 A° (Kühlbrandt et coll. 1994). Le polypeptide du monomère

LHCII (LHCbl ou LHCb2) (Figure 1.10) est composé de 232 acides aminés. Il est

lié à au moins 12 molécules de chlorophylle a et b (Kühlbrandt et coll. 1994), à

deux lutéines et une autre xantophylle (Bassi et al 1993, Juhier et al 1993) et à

deux lipides différents le Digalactosyldiacylglycerol (DGDG) et Le

phosphatidylglycerol (PG). L’analyse cristallographique du complexe LHCII

(Kühlbrandt et coll. 1994) a révélé que chaque monomère est organisé en

quatre hélices ; Deux hélices transmembranaires A et B (Figure 1.10. A, B) de 30

à 35 a.a., une hélice transmembranaire C (Figure I.10.C) de 20 a.a. et une petite

hélice amphipatique de 10 a.a (Figure 1.10.D). Les deux hélices A et B

s’inclinent selon un angle proche de 30° par rapport à la normale à la

membrane. L’hélice C est légèrement inclinée par rapport à la normale à la

Chapitre I : Introduction

surface membranaire (11°) et elle est séparée des deux autres hélices. L’hélice

D est située du côté de l’espace interne des thylacoïdes et elle est orientée

parallèlement à la surface de la membrane. Toutes les protéines du LHCII ont

une structure similaire (Pichersky et coll. 1991, Jansson 1994).

11.1.3.2. Trimérisation du LHCII.

Dans les plantes supérieures, les polypeptides du LHCII sont codés par

un gène nucléaire. Ils sont synthétisés sous forme de précurseurs dans le

cytoplasme. Le précurseur (p)LHCII traverse d’abord l’enveloppe du

chloroplaste, ensuite le stroma probablement sous forme de complexe soluble

(Reed et coll. 1990, Payan et Cline 1991, Li et coll. 1995). Une fois que le LHCII

est inséré dans la membrane des thylacoïdes, il est complexé sous sa forme

mature avec les chlorophylles a et b et les xantophylles. Les complexes

monomériques du LHCII sont assemblés en complexes trimériques (Dreyfuss et

Thornber 1994) (Figure 1.11). Ces derniers sont groupés dans le PSII.

Des monomères fonctionnels de LHCII ont été reconstitués in vitro en

absence des lipides (Plumiey et Schmidt 1987, Paulsen et coll. 1990). Les

lipides sont essentiels pour la formation du trimère LHCII, en particulier le PG

qui est directement impliqué dans la formation et la stabilisation du trimère LHCII

(Rémy et coll. 1984, Trémolières et coll. 1994).

Nupberger et coll. (1993) ont montré que la digestion enzymatique des 50

premiers acides aminés de la région N-terminale du LHCII induit non seulement

le détachement du PG du complexe, mais aussi la dissociation du trimère LHCII

en monomère. Plus précisément, les acides aminés localisés en position 17 à 22

dans la région N-terminale constituent un motif essentiel à la trimérisation du

LHCII (Hobe et coll. 1995). Il s’agit de la séquence WYXXXR. Elle contient les

trois acides aminés TryplO, Tyr17 et Arg21, essentiels pour la formation du

trimère LHCII.

Les complexes mineures chlorophylles-protéines des antennes du PSII

13

Protein Spectes Phosphorylation site Reference

LHCII

Type I 27 kOa pea

spinach

?-{R,K)SAT(?P)T(7P)KK...

Ac-RKT(P)AGKPKN...

Ac-RKT(P)AGKPKT...

Ac-RKS<P)AGKPKN...

Mullet (1983)

Michel et al (1989)

Michel et al (1989)

Michel et al (1989)

Type II 25 kDa spinacti ^{Ac-RRT(p)AKSVPQ... Michel et al (1989)}

PS II

psbH protein-SkDa _{spinach AT(P)QTVESSSR... Michel et al (1988)}

DI 32 tcDa _{spinach Ac-T(P)AIL£RR... Michel et Bennett (1987)}

D2-34 kDa _{spinach Ac-T(P)1AVGK... Michel et Bennett (1987)}

CP43 43 kDa _{spinach Ac-T(P)LFNGTLTLAGR.. Michel et Bennett (1987)}

Stromal

PPDK94kDa

Rubisco LS 54 kDa

Rubisco SS 14 kDa

GaL3-PDH 38 kDa

maize

spinach

spinach

spinach

.. TERGG^rr(P)SH(P)AAWAR Roeske et al (1988)

Foyer (1985)

Kaul et al (1986)

Guitton et Mach (1987)

Tableau 1.4. Les phosphoprotéines identifiées dans les thylacoïdes et le

stroma (Bennett 1991).

Chapitre I : Introduction

Lhcb4 (CP29), LhcbS (CP26) et Lhcb6 (CP24) (Tableau 1.3) forment des

complexes monomériques (Peter et Thornber 1991, Hoizenburg et coll. 1993,

Dunahay et Staehelin 1986, Bassi et coll. 1987).

On ignore actuellement, si les monomères Lhcbl et les monomères

Lhcb2 (Tableau 1.4) s’associent en homo-trimères ou en hétéro-trimères et si la

stoechiométrie de leurs associations est fixe ou variable (Spangfort et

Andersson 1989, Allen et Staehelin 1992). On ignore aussi, si le monomère

Lhcb3 appartient ou non aux oligomères LHCII (Peter et Thornber 1991).

11.1.3.3. Phosphorylation du LHCII et régulation de l’énergie lumineuse.

L’exposition d’une plante à un éclairage intense provoque une forte

excitation du PSII de la membrane des thylacoïdes, suivie d’une réduction

excessive de plastoquinone localisée entre les deux photosystèmes PSII et PSI.

La présence d’une grande quantité de plastoquinone réduite dans la membrane

induit l’activation d’une kinase membranaire qui se met à phosphoryler les

monomères du complexe LHCII (Larsson et coll. 1987).

Les charges négatives du groupement phosphate (PO4), localisées à la

surface du LHCII après sa phosphorylation, provoquent la dissociation partielle

du supercomplexe LHCII-PSII (Barber 1982). Le LHCII(P) libre migre

latéralement vers le PSI où il agit comme une protéine antennaire (Allen 1992,

Larsson et coll. 1987).

La dissociation du supercomplexe LHCII-PSII après phosphorylation est

probablement provoquée par la perturbation des interactions spécifiques

protéine-protéine et protéine-lipide (Bennett 1991, Allen 1992).

Dès que le stress photonique disparaît, la déphosphorylation du LHCll(P)

est déclenchée. Le LHCII déphosphorylé migre de la région lamellaire vers la

région granaire où il rejoint le PSII. L’exposition alternative des plantes à des

cycles lumière/obscurité en présence de y^^P-ATP a révélé l’activation,

dépendante de la lumière, d’une kinase fixée à la membrane des thylacoïdes

Chapitre I ; Introduction

(Bennett 1979) qui catalyse la phosphorylation du polypeptide du complexe

LHCII (Bennett 1977). Cinq séquences de site de phosphorylation ont été

identifiées dans cinq LHCII : un site dans le LHCII des pois et quatre sites dans

le LHCII des épinards (Tableau 1.4).

La température représente un autre paramètre qui induit une organisation

dynamique et réversible dans la membrane thylacoïdienne. In vitro, une

augmentation de la température des thylacoïdes des épinards aux environs

40°C induit le détachement du complexe LHCII du PSII d’une manière similaire

au LHCII(P). Le PSII libre migre vers la région lamellaire riche en PSI (Sundby et

Andersson 1985, Gounaris et coll. 1983). La dissociation du complexe LHCII du

PSII diminue fortement la capacité du PSII de convertir l’énergie lumineuse en

énergie chimique (Anderson et Andersson 1988). Dès que la température

diminue, le PSII migre vers la région granaire où il se fixe au LHCII.

La migration latérale du LHCII(P) vers le PSI après sa dissociation du

PSII ou la migration latérale du PSII vers la région lamellaire après sa

dissociation du LHCII est une stratégie que la plante utilise afin de minimiser les

dommages causés par un brusque stress photonique ou thermique.

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