Généralités sur la photosynthèse

Généralités sur la photosynthèse

La photosynthèse est un processus biochimique qui convertit l’énergie de la lumière en énergie chimique qui permet l’élaboration des sucres. C’est un processus assez complexe qu’on retrouve chez les plantes et chez certaines bactéries. La photosynthèse se fait dans les chloroplastes des cellules végétales ou dans des régions spécialisées de la membrane cellulaire des cellules procaryotes. L’énergie de la lumière est convertie en énergie chimique, qui permet l’élaboration d’hydrates de carbone, glucose. La lumière est une énergie électromagnétique qui se propage en onde. La lumière visible comprend la lumière ayant les longueurs d’ondes de 200 nm (couleur bleue) à 850 nm (couleur rouge). La lumière ultraviolette (environ 300 nm) est absorbée en grande partie par notre atmosphère. La lumière à onde plus courte comme la lumière ultraviolette a plus d’énergie. Elle a la capacité d’endommager notre ADN se qui peut causer le cancer. C’est la couche d’ozone qui nous protège contre cette lumière ultraviolette. L’étape la plus importante dans le processus de la photosynthèse est la séparation photoinduite des charges, réalisée dans des complexes transmembranaires de types protéinespigments appelés centres réactionnels (CR).

H. Michel et coll. ont réussi en 1982 à cristalliser la première protéine transmembranaire provenant de la bactérie pourpre photosynthétique Rhodopseudomonas viridis. Sa structure fut résolue à l’échelle de l’atome par cristallographie aux rayons X par Deisenhofer et coll. en 1984. L’ensemble de ce travail a valu le prix Nobel à ses auteurs en 1988. L’étude des bactéries photosynthétiques est importante pour la compréhension des processus mis en jeu au sein du CR. Cependant, avant que l’énergie ne soit transférée au CR, une caractéristique remarquable de la photosynthèse est la façon dont la lumière est captée par les pigments chlorophylliens des antennes collectrices.

Les antennes collectrices d’énergie lumineuse

Description des antennes collectrices

Une fois que l’architecture moléculaire de l’appareil photosynthétique a été découverte, les différents mécanismes complexes qui se déroulent lors de la photosynthèse ont été révélés et mieux compris. La structure atomique du complexe bactérien récoltant la lumière, le LH2, a été décrite par McDermott et collaborateurs. Cette découverte constitue une étape importante complétant la structure du CR établie par H. Michel et coll.

Tous les organismes photosynthétiques disposent de pigments chlorophylliens qui composent les antennes collectrices d’énergie photonique. Ces antennes sont en général localisées à l’intérieur de la membrane photosynthétique, près du CR. La structure décrite par McDermott fait état de systèmes où les antennes collectrices sont constituées d’un grand nombre de pigments maintenus en place par des complexes polypeptidiques. A l’intérieur de ces complexes, les pigments sont proches les uns des autres et sont orientés parallèlement. Ces pigments peuvent être des caroténoïdes ou des chlorophylles. Ces molécules absorbent la lumière dans une très large gamme spectrale, dans l’UV et de 400 nm (caroténoïdes) à 1000 nm (bactériochlorophylles). La plupart des bactéries photosynthétiques possèdent deux complexes polypeptidiques au moins, chacun possédant des propriétés biochimiques ou spectroscopiques distinctes. L’énergie photonique va passer par plusieurs complexes ou collecteurs de lumière (LH). Le complexe LH2 est le premier de ces complexes, c’est l’antenne extérieure responsable de la collecte de l’énergie lumineuse avant que celle-ci ne soit transférée à sa destination finale en passant à travers un deuxième complexe, l’antenne intérieure LH1.

La structure de l’antenne intérieure, LH1, a été établie par cristallographie aux rayons X. La résolution du complexe LH1 montre que ce complexe est construit avec le même type d’unités moléculaire que le complexe LH2. Toutefois, le LH1 est beaucoup plus grand que le LH2, puisque le complexe LH1 accueille le CR.

Description schématique du processus de collecte de l’énergie lumineuse

La lumière est captée par une « antenne » composée de deux complexes protéiques collecteurs de lumière, LH1 et LH2, puis transmise à un centre réactionnel où elle est convertie en énergie chimique. Plus précisément, les complexes LH2 captent la lumière puis se la repassent entre eux jusqu’à ce qu’elle parvienne à un complexe LH2 se trouvant en contact avec l’un des complexes LH1, de plus grande taille. L’énergie circule alors autour du complexe LH1, ou passe à un autre LH1, avant d’être transmise au centre réactionnel. Les chercheurs ont découvert que lorsque la lumière se fait rare, les complexes LH2, qui ont une forme d’antenne, coopèrent en s’assemblant, ce qui leur permet d’exploiter au mieux le peu de lumière disponible. Chaque complexe LH1 est relié à son propre centre réactionnel, et d’après les images recueillies, les chercheurs pensent que si un LH1 capte de la lumière alors que son centre réactionnel est « occupé », il continue à passer l’énergie aux complexes LH1 voisins .

Effet d’Antenne

Plus les collecteurs d’énergie photonique LH1 et LH2 compteront de pigments chlorophylliens, meilleure sera la collecte de l’énergie photonique. Des centaines de pigments absorbent ainsi l’énergie photonique dans une très large gamme spectrale pour ensuite la transférer vers un Centre Réactionnel accepteur d’énergie. C’est l’effet d’antenne. L’architecture moléculaire joue un rôle important pour que tous les mécanismes de la photosynthèse se déroulent de la meilleure façon. L’efficacité et la rapidité de ce processus sont dues à l’espacement et à l’orientation favorable des pigments à l’intérieur des complexes. Ainsi, l’architecture moléculaire des antennes collectrices du système photosynthétique est élaborée de façon à favoriser la capture des photons et la canalisation de leur énergie jusqu’au CR .

C’est ensuite au cœur de la membrane cellulaire que l’énergie lumineuse est transformée en énergie chimique utilisable par les cellules à travers une séquence de réactions de transfert d’électrons.

Le Centre Réactionnel, CR

Structure du CR de la bactérie Rhodopseudomonas viridis

Le CR de la bactérie pourpre photosynthétique Rhodopseudomonas viridis est représenté Figure 2. Il est constitué de quatre sous-unités protéiques nommées selon leur poids moléculaire. On distingue ainsi la protéine H (Heavy), la protéine M (Medium), la protéine L (Light) et le cytochrome C. Les sous-unités protéiques M et L forment le cœur du complexe. Elles sont constituées :

– d’un dimère de bactériochlorophylles (BCp) appelé paire spéciale (P)
– de deux bactériochlorophylles accessoires (BCA)
– de deux bactériophéophytines (BP)
– d’un atome de fer non hémique ayant probablement un rôle structural
– de deux quinones, la ménaquinone QA et l’ubiquinone QB .

Alors que la paire spéciale P joue le rôle de donneur d’électron après excitation par l’énergie lumineuse, la BP de la protéine L ainsi que les deux quinones servent d’accepteurs d’électron. Le rôle de la BCA, quant à lui, est toujours controversé.

Table des matières

INTRODUCTION
I – Généralités sur la photosynthèse
1 – Les antennes collectrices d’énergie lumineuse
A – Description des antennes collectrices
B – Description schématique du processus de collecte de l’énergie lumineuse
C – Effet d’Antenne
D – Le Centre Réactionnel, CR
a) Structure du CR de la bactérie Rhodopseudomonas viridis
b) Séparation photoinduite des charges dans le CR
c) Phénomènes biologiques induits par ce transfert d’électron
2 – Rappel général sur les mécanismes de transfert d’énergie et d’électron
A – Le transfert d’électron de type réducteur ou oxydant
B – Le transfert d’énergie de type Förster ou Dexter
3 – Couplage excitonique entre deux chromophores
II – Porphyrines et applications
III – Objectifs de la thèse
CHAPITRE I SYNTHESE ET CARACTERISATION DE MULTIPORPHYRINES A ESPACEURS NUCLEOSIDIQUES
I – Stratégie de synthèse
II – Généralités sur la synthèse des porphyrines
1 – Méthodes de synthèse des porphyrines
A – Synthèse des porphyrines selon la méthode d’Adler et Longo
B – Synthèse des porphyrines selon la méthode de J. S. Lindsey
a) Synthèse d’une tétraphénylporphyrine
b) Obtention d’une porphyrine de type A3B
c) Obtention d’une porphyrine de type A2B2 trans
2 – Caractérisation par spectroscopie RMN du proton
3 – Caractérisation par spectroscopie d’absorption UV-visible
III – Synthèse des dimères 1 et 2
1 – Obtention de l’espaceur 5’-isopropylsilyl-2’-déoxyuridine
2 – Synthèse et caractérisation de la porphyrine A3B base-libre ester 14 et son analogue acide la porphyrine 15
A – Synthèse des aldéhydes de départ de la porphyrine A3B base-libre 14
a) Préparation du di-tert-butylbenzaldéhyde A1
b) Préparation du 4-(4-formyl-phénoxy)-butyrate d’éthyle B1
B – Obtention et caractérisation de la porphyrine A3B base-libre 14
C – Obtention et caractérisation des porphyrines 15 et 16
3 – Synthèse des précurseurs du dimère 1
A – Obtention du précurseur protégé 17
B – Obtention du précurseur déprotégé 18
4 – Synthèse et caractérisation du dimère 1
A – Synthèse
B – Caractérisation du dimère 1
5 – Synthèse et caractérisation du dimère 2
A – Synthèse du dimère 2
B – Caractérisation
IV – Synthèse des dimères 3 et 4
1 – Fonctionnalisation de l’espaceur uridine 19
A – Obtention de la 5-iodo-uridine 20
B – Obtention du 5’-O-tert-butyldiméthylsilyl-5-iodo-uridine
C – Obtention du 2’,3’-O-acétyl-O-5’-tert-butyldiméthylsilyl-5-iodo-uridine 22
D – Obtention du 2’,3’-O-acétyl-5-iodo-uridine 23
2 – Synthèse et caractérisation de la porphyrine A3B 26
A – Synthèse de l’aldéhyde du départ B2 de la porphyrine 26
B – Obtention de la porphyrine A3B base-libre 24
C – Obtention de la porphyrine A3B métallée au Zn (II) 26
3 – Synthèse du précurseur 27
4 – Synthèse et caractérisation du dimère 3
A – Synthèse du dimère 3
B – Caractérisation du dimère 3
5 – Synthèse et caractérisation du dimère 4
A – Synthèse du dimère 4
B – Caractérisation du dimère 4
V – Synthèse des trimères 5 et 6
1 – Obtention du précurseur porphyrinique 28
2 – Synthèse et caractérisation de la porphyrine A2B2 trans 32
A – Synthèse de dipyrrométhane 29
B – Obtention de la porphyrine A2B2 trans 31
3 – Synthèse du trimère 5 et caractérisation
A – Synthèse du trimère 5
B – Isolement du trimère 5
C – Caractérisation du trimère 5
4 – Synthèse du trimère 6
VI – Conclusion
Chapitre II ETUDES DE LA COMPLEXATION DE BASES BIDENTATES PAR LES DIFFERENTES MULTIPORPHYRINES SYNTHETISEES
I – Introduction
II – Spectroscopie UV-visible
1 – Caractérisation des dimères 1 et 2 par spectroscopie d’absorption électronique
2 – Caractérisation des dimères 3 et 4 par spectroscopie d’absorption électronique
3 – Caractérisation des trimères 5 et 6 par spectroscopie d’absorption électronique
4 – Etude de la bande de Soret
III – Coordination des différents dimères et trimères par le DABCO
1 – Complexation du dimère 2 et de ses composés modèles par le DABCO
A – Association du monomère 32 avec le DABCO
B – Association du dimère 2 avec le DABCO
2 – Complexation du dimère 4 et de ses composés modèles par le DABCO
A – Association du monomère 25 avec le DABCO
B – Association du dimère 4 avec le DABCO
3 – Complexation du trimère 5 et de ses composés modèles par le DABCO
A – Association du monomère 32 avec le DABCO
B – Association du trimère 5 avec le DABCO
4 – Complexation du trimère 6 et de ses composés modèles par le DABCO
A – Association du monomère 33 avec le DABCO
B – Association du trimère 6 avec le DABCO
5 – Conclusion
IV – Coordination des deux dimères 2 et 4 par la 4,4’-bipyridine
1 – Complexation du dimère 2 et de ses composés modèles par la bipyridine
A – Association du monomère 32 avec la bipyridine
B – Association du dimère 2 avec la bipyridine
2 – Complexation du dimère 4 et de ses composés modèles par la bipyridine
A – Association du monomère 25 avec la bipyridine
B – Association du dimère 4 avec la bipyridine
3 – Etude théorique de Modélisation Moléculaire sur les différentes complexations effectuées
4 – Interprétation des résultats concernant les études de complexation
V – Coordination des dimères 2 et 4 par des molécules chirales
1 – Complexation des dimères 2 et 4 et des références 32 et 25 par le R.DAMC et le S.DAMC
A – Association des dimères 2 et 4 et des monomères 32 et 25 avec le R.DAMC
B – Association des dimères 2 et 4 et des monomères 32 et 25 avec le S.DAMC
C – Constantes d’association
2 – Complexation des dimères 2 et 4 et des références 32 et 25 par le R.DIPEA et S.DIPEA
CHAPITRE III ETUDES PHOTOPHYSIQUES ET ETABLISSMENT DE LIAISONS HYDROGENES
I – Etudes par fluorimétrie de l’état stationnaire
1 – Etudes du dimère 1 et de ses composés modèles par fluorimétrie
2 – Etudes du dimère 3 et de ses composés modèles par fluorimétrie
3 – Etudes du trimère 5 et de ses composés modèles par fluorimétrie
4 – Conclusion
II – Synthèse de la triazine disubstituée 42
1 – Introduction
2 – Synthèse du dérivé bromé 37
3 – Synthèse de la porphyrine A3B aminée 40
4 – Synthèse et caractérisation de la triazine disubstituée 42
III – Etude de l’appariement entre les composés 1 et 18 et la triazine disubstituée 42
1 – Etude de l’appariement entre le 18 et la triazine disubstituée 42
A – Dilution de l’uridine protégé 18
B – Détermination de la stœchiométrie
2 – Etude de l’appariement entre le dimère 1 et la triazine disubstituée 42
A – Dilution du dimère 1
B – Détermination de la stœchiométrie
3 – Conclusion
CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES
PARTIE EXPERIMENTALE
BIBLIOGRAPHIE

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