La diversité des cyanobactéries
I.3 La photosynthèse chez les Synechococcus marins .1 Généralités et fonctionnement
Les cyanobactéries sont les seuls organismes procaryotes à réaliser la photosynthèse oxygénique. Ce processus consiste globalement en la conversion de l’énergie lumineuse en énergie chimique de liaison, servant à la fixation de molécules de dioxyde de carbone pour la synthèse de glucides. La réaction globale de la photosynthèse oxygénique s’écrit classiquement comme :
Lumière
6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2
Cette réaction globale ne tient pas compte du détail des nombreuses réactions intervenant dans le processus, qui est généralement divisé en deux phases. Tout d’abord, les réactions « claires » qui ont lieu dans le système thylacoïdien, nécessitent la lumière et ont pour but de former des molécules de nicotinamide adénine dinucléotide phosphate (NADPH) et d’adénosine triphosphate (ATP dans le cytosol. Ces dernières sont utilisées dans les réactions « sombres », indépendantes de la lumière, qui permettent la fixation du CO2 par la Ribulose-1,5-Bisphosphate Carboxylase Oxygénase (RuBisCO) et la synthèse de glucides par le cycle de Calvin-Benson.
a. Les réactions « claires »
Quatre principaux complexes protéiques photosynthétiques établissent un transfert d’électrons au sein des thylacoïdes : le photosystème (PS) II associé au PBS, le cytochrome b6f, le PSI et l’ATP synthétase. Le PSII est composé d’un centre réactionnel (CR) qui comprend deux protéines principales, D1 et D2, associées à un certain nombre de cofacteurs tels que des quinones, des molécules de chlorophylle a (chl a), de phéophytine et de β-carotène. Il comprend aussi une antenne interne, constituée des deux protéines CP43 et CP47. Sur la face luminale, on trouve un complexe de photolyse de l’eau (OEC pour Oxygen Evolving Complex), constitué généralement de trois protéines (33, 23 et 16kDa) complexées à des atomes de manganèse, du calcium et du chlore (Figure 16, Jupin and Lamant 1999).
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Figure 16| Structure d’un monomère de centre réactionnel du PSII de cyanobactérie. Le cristal protéique a été purifié chez Thermosynechococcus elongatus, à la résolution de 3Å. Les différentes protéines composant le super-complexe sont différentiellement colorées, et la localisation des protéines principales est indiquée sur la structure (Neveu, Curtis, PDB-2 AXT).
Le PSI est composé des deux protéines principales PsaA et PsaB très riches en chl a et β-carotène, qui lient aussi des cofacteurs tels que des centres fer-soufre. Les deux photosystèmes (PS) comprennent aussi un ensemble de protéines de petite taille dont les fonctions ne sont pas toujours bien connues. Le cytochrome b6f assure le lien entre les deux PS et permet notamment des processus de transport cyclique d’électrons (Jupin and Lamant 1999).
Tous ces transferts d’électrons sont ordonnés en fonction des différents potentiels d’oxydo-réduction des accepteurs d’électrons (Figure 17). La paire spéciale de chl a du PSII, appelée P680, reçoit l’énergie lumineuse de l’antenne photosynthétique et réalise la séparation de charge, qui a pour conséquence le transfert d’un électron à un accepteur primaire. Cette paire spéciale de chl a revient à son état stable en récupérant l’électron perdu via le complexe OEC, qui décompose des molécules d’eau en dioxygène et en protons, libérés dans le lumen des thylacoïdes. Le flux d’électrons initié par la paire de chl a du PSII se propage dans le CR via plusieurs accepteurs, dont une molécule de phéophytine et des quinones, jusqu’à la plastoquinone (PQ). Cette dernière molécule, soluble dans les membranes thylacoïdiennes, réduit le cytochrome b6f. Il transfère les électrons à une cuproprotéine, la plastocyanine, soluble dans le lumen du thylakoïde. La plastocyanine rend ses électrons à la paire spéciale de chl a (P700) excitée du PSI. Le flux d’électrons transite via différents accepteurs du PSI jusqu’à la ferrédoxine, accepteur final des électrons du PSI. Cette dernière, ainsi réduite, réagit notamment avec une autre protéine, la Ferrédoxine-NADPH réductase, qui réduit simultanément la molécule de NADP+ en NADPH. De façon concomitante, l’activité de la PQ et du sous-complexe du PSII qui décompose les molécules d’eau conduit à
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l’augmentation de la concentration en protons dans le lumen. Ce gradient de pH transmembranaire généré par le transfert linéaire d’électron permet le fonctionnement de l’ATP synthétase thylacoïdale, qui réalise la synthèse d’ATP dans le cytosol (ou le stroma chez les eucaryotes).
Figure 17| Représentation des principaux complexes protéiques thylacoïdiens impliqués dans le transfert linéaire d’électrons photosynthétiques chez Synechococcus. Les quatre complexes des réactions claires de la photosynthèse sont présents dans les thylacoïdes, en forme de sacs membranaires circulaires dans le cytosol. L’absorption lumineuse par le phycobilisome génère un ensemble de réactions biochimiques qui s’initient par un flux d’électrons (en rouge) et de protons (en bleu).
En 1954, Arnon et collaborateur ont mis en évidence une voie alternative de transport d’électrons, appelée le transport cyclique des électrons (Arnon et al. 1954 ; Figure 18). Il contribue à créer une force proton-motrice génératrice d’ATP sans réduction de NADPH, et est utile notamment en cas de photoinactivation du PSII. Cette voie est aussi mobilisée chez les cyanobactéries lors des transitions d’état, où le PBS passe du PSII au PSI (voir « La photoinactivation du PSII »).
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Figure 18| Schéma en « Z » représentant le transfert d’électrons lors de la photosynthèse oxygénique conduisant à la photolyse de l’eau, à la formation de dioxygène, d’ATP et de NADPH. Les chlorophylles P680 et P700 sont les donneurs primaires des photosystèmes II et I respectivement. Pheo : phéophytine; PQA : plastoquinone A; PQB : plastoquinone B; PC : plastocyanine; A0 et A1 : accepteurs d'électrons; Fe-S : protéine fer-soufre; Fd: ferredoxine. La ligne discontinue représente la voie de transfert cyclique des électrons, qui n'implique que le photosystème I (Humily 2013).
b. Les réactions « sombres »
Les réactions sombres sont une série de réactions biochimiques indépendantes de la lumière, qui ont lieu dans des structures icosaédriques appelées carboxysomes. Elles mettent en scène l’incorporation du CO2 dans les composés organiques glucidiques grâce à l’ATP et au NADPH produits lors de la phase claire. Ces réactions cycliques sont mieux connues sous le nom de cycle de Calvin-Benson (Figure 19). La première étape consiste en la transformation du bicarbonate en CO2 catalysée par l’anhydrase carbonique (CA), et l’accumulation de ce dernier dans le carboxysome, qui favorise l’activité carboxylase de la RuBisCO et limite ainsi la photorespiration (Jupin and Lamant 1999). Le résultat est la conversion de carbone inorganique en en carbone organique, élément majeur de tous les constituants cellulaires. Une partie des molécules issues de des réactions du cycle de Calvin-Benson (3-Phosphoglycérate) sera utilisée pour la synthèse de fructose bisphosphate, intermédiaire de tous les sucres utilisés ensuite par la cellule (Jupin and Lamant 1999).
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Figure 19| Représentation du cycle de Calvin-Benson au sein d’une cellule cyanobactérienne. La première étape consiste en la transformation du bicarbonate en CO2 catalysée par l’anhydrase carbonique (CA), et l’accumulation de ce dernier dans le carboxysome (en bleu). En utilisant l’ATP produit au cours de la phase claire, la Ribulose 1,5 Bisphosphate Carboxylase Oxygénase (RuBisCO) permet l'incorporation du CO2 dans une molécule de ribulose 1,5 biphosphate (RuBP) qui se scindera en deux molécules de 3-phosphoglycérate (G3P) Une partie des molécules de 3-phosphoglycérate est utilisée pour régénérer les molécules de ribulose 1, bisphosphate, alors que l’autre partie représente le gain net du cycle et constitue le point de départ de la synthèse des sucres (Pittera 2015).