Structure de la membrane des thylacoïdes

L’analyse de la structure des membranes thylacoïdales montre qu’ elles sont formées d’une bicouche lipidique parsemée de plusieurs constituants impliqués dans le fonctionnement de l’appareil photo synthétique . Parmi ces constituants, on distingue trois complexes pigment-protéines majeurs: le PSI, le PSII et le complexe du cytochrome b6f (Cyt b6f), en plus d’un complexe enzymatique: l’ATP synthase (ATPase). La distribution spatiale de tous ces composants dans les différentes structures des thylacoïdes montre que le complexe du PSII est situé en grande partie à l’intérieur des granas, et les Cyt b6f sont repartis sur toute la structure des thylacoïdes .

Toutefois, le PSI et l’ATPase sont présents dans les thylacoïdes inter-granaires et dans les membranes externes des granas. L’emplacement des PSI et des ATPase est favorable pour un fonctionnement adéquat de ces deux composantes qui ont besoin d’exposer l’une de leurs extrémités au stroma. Les complexes de PSI et de PSU sont formés par un cœur multi-protéique, appelé le centre réactionnel, dans lequel se déroulent les réactions photochimiques. Les protéines des cœurs sont entourées par des antennes collectrices de lumière « light harvesting complexes: LHC » appelées LHCI et LHCU respectivement pour le PSI et le PSU. La membrane des thylacoïdes renferme aussi deux transporteurs mobiles qui sont la plastoquinone (PQ) et la plastocyanine (PC), qui assurent le transfert des électrons, en synergie avec le complexe Cyt b6f, entre les deux photosystèmes. Alors que la ferrédoxine (Fd) et la ferrédoxine NADP réductase assurent le transfert d’électrons du PSI vers le NADP+ dans le stroma .

Biogenèse du photosystème

L’ étude des étapes de biogenèse du complexe PSI chez les plantes montre que ses constituants protéiques sont codés aussi bien dans le génome nucléaire que dans le génome chloroplastique . La biogenèse de PSI implique de nombreuses protéines auxiliaires et cofacteurs d’ attache indépendants des constituants du complexe PSI. Ces éléments sont impliqués dans la synthèse de certaines sous-unités du PSI et dans la liaison des uns aux autres pour former une structure fonctionnelle dite super-complexe PSI-LHCI mature. Toutefois, ces cofacteurs indispensables à la biogenèse du PSI ne font pas partie de sa structure .

La première étape de biosynthèse du super-complexe PSI consiste à synthétiser et lier les protéines du centre réactionnel PsaA et PsaB pour former un dimère PsaA-B. La deuxième étape consiste à synthétiser les cofacteurs impliqués dans les réactions d’oxydoréduction (P700, AO et Al) et de les assembler sur les protéines du centre réactionnel grâce au cofacteur d’ attache Alb3. Ces deux étapes aboutissent à la formation de l’hétérodimère PsaA-B d’une masse moléculaire de 165 kDa qui constitue le cœur du PSI. Dans les étapes suivantes, de nouveaux cofacteurs de synthèse et d’attache assurent la fixation de nouvelles petites sous-unités sur l’hétérodimère PsaA-B. Les cofacteurs d’ assemblement Hcfl01, Apo1 et RubA assurent l’insertion des transporteurs d’électrons Fx sur l’hétérodimère PsaA-B, et la FA et FB sur la protéine PsaC .

Fonction des sous-unités du photosystème

L’utilisation de mutants knock-out a permis de déterminer la fonction spécifique de certaines sous-unités du PSI. Il a été rapporté que les protéines du cœur du PSI, PsaA et PsaB fixent les cofacteurs d’oxydoréduction et assurent la collecte de la lumière grâce aux Chls qu’elles fixent. C’est au niveau de la Chl P700 que portent ces protéines que la séparation de charge se produit alors que les cofacteurs AO, Al, Fx, FA et FB dirigent les réactions d’ oxydoréduction et de transfert d’électrons. En ce qui concerne les protéines 11 PsaD et PsaE, elles sont impliquées dans la stabilisation de la protéine PsaC, porteuse des accepteurs fmaux d’électrons (FA et FB), et dans la fixation de la ferrédoxine (Fd).

La fonction des antennes périphériques LHCIs est la collecte de la lumière et le transfert de son énergie à la Chl spéciale du PSI: P700. Cependant, la fonction précise des constituants restants n’est pas encore élucidée, mais ils sont considérés comme des fixateurs ou stabilisateurs d’autres sous-unités ou de Chl .

Origine de la photo inhibition

Lorsque les plantes sensibles aux basses températures sont exposées à la lumière, les électrons en provenance du PSII et 1’0 2 constituent des facteurs indispensables à la photo inhibition du PSI. En effet, sous une forte pression de réduction du PSI, il se produit une fuite des électrons de la Fd vers 1’02 , au lieu de l’ accepteur NADP+. Ceci aboutit à la formation de l’ion superoxyde (0 2-) qui se transforme en peroxyde d’hydrogène (H202) . Le H20 2 peut interagir avec les centres [4Fe4S] réduits, au niveau des protéines Fx, FA et FB, pour produire le radical hydroxyle (OH), une espèce oxygénée hautement réactive et nocive pour les molécules biologiques . L’accumulation excessive des ROSs induit la génération d’un état de stress oxydatif, dans le matériel photo synthétique, qui cause la photo inhibition au niveau de PSI. Cette accumulation des ROSs est due à l’inefficacité des mécanismes de protection situés à plusieurs niveaux dans la plante (feuille et cellule). Plus particulièrement, le système antioxydant enzymatique situé dans le stroma ou dans la membrane des thylacoïdes . D’ailleurs, il a été rapporté que certaines enzymes antioxydantes de ce système de défense telles que la superoxyde dismutase (SOD) et l’ascorbate peroxydase (APX) sont inhibées sous les conditions d’excès de lumière.

Mécanisme de dégradation de la protéine PsaB

L’inhibition du fonctionnement de PSI (525 kDa) est généralement accompagnée de la dégradation des sous-unités du centre -réactionnel PsaA et PsaB (65-68 kDa) ainsi que d’autres petites sous-unités. L’étude du mécanisme de dégradation de la protéine PsaB montre que le stress oxydatif génère la production de plusieurs fragments protéiques de masse moléculaire 51 , 45 et 18 kDa détectés par western blot, en utilisant des anticorps anti-PsaB et anti-Ala234-G1n248 (séquence d’acides aminés situés sur la protéine PsaB). Le mécanisme proposé pour la formation du fragment de 51 kDa, consiste en une destruction du centre [4Fe4S] au niveau du transporteur d’électron Fx par le radical OH, ce qui perturbe la conformation structurale de la protéine PsaB. Cette perturbation rend la protéine susceptible aux protéases qui vont fragmenter sa partie exposée au stroma. Le site de clivage est probablement situé entre les hélices 8 et 9 de la protéine, près du site de fixation du Fx .

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Table des matières

CHAPITRE 1 :INTRODUCTON GENERALE
1.1 Généralité sur la photostabilité de l’appareil photo synthétique
1.2 L’appareil photo synthétique
1.2.1 Les chloroplastes
1.2.2 Structure de la membrane des thylacoïdes
1.3 Le photo système 1
1.3.1 Structure du photo système 1
1.3.1.1 Le complexe protéique du PSI
1.3.1.2 Les antennes du photosystème l
1.3.2 Biogenèse du photosystème l
1.3.3 Fonction des sous-unités du photo système 1
1.4 Le photo système II
1.5 Le cytochrome b6f
1.6 La plastocyanine
1.7 Fonctionnement de la membrane des thylacoïdes
1. 7.1 Absorption de l’énergie lumineuse
1. 7.2 Séparation de charge et transport des électrons
1.7.3 Production du pouvoir réducteur et bilan de la photosynthèse
1.7.4 Transport cyclique des électrons
1.7.5 Voies de dissipation de l’énergie lumineuse
1.7.6 Perturbation de la dissipation de l’énergie lumineuse
1.8 La photoinhibition du photo système I
1.8.1 Conditions de la photoinhibition
1.8.2 Origine de la photoinhibition
1.8.3 Sites et mécanisme de la photo inhibition du photo système I
1.8.3.1 Sites de l’inhibition du photo système l
1.8.3.2 Mécanisme de dégradation de la protéine PsaB
1.8.4 Recouvrement de la photoinhibition
1.9 La photoprotection du photo système l
1.9.1 Mécanismes préventifs
1.9.2 Mécanismes de régulation
1.9.2.1 Dissipation de l’excès d’énergie
1.9.2.2 Inhibition du photo système IL
1.9.2.3 Transport cyclique des électrons
1.9.3 Mécanisme antioxydant
1.9.4 Rôles des protecteurs osmotiques
1.10 Les polyamines biogéniques
1.10.1 Métabolisme des polyamines
1.10.1.1 Biosynthèse
1.10.1.2 Conjugaison
1.10.1.3 Catabolisme
1.10.1.4 Régulation du métabolisme des polyamines
1.10.2 Polyamines et stress environnementaux
1.10.2.1 Application exogène
1.10.2.2 Stimulation de l’expression des gènes
1.10.3 Polyamines et aspects de la réponse aux stress
1.10.3.1 Protection de la croissance et de la photosynthèse
1.10.3.2 Rôle antioxydant
1.10.3 .3 Stabilisation des membranes
1.10.4 Interaction des polyamines avec les protéines photo synthétiques
1.10.4.1 Site d’interaction
1.10.4.2 Mode d’interaction
1.11 Problématique
1.12 Hypothèse
1.13 Objectifs spécifiques
1.14 Plan de travail
1.15 Références
CHAPITRE II :PROTECTIVE ACTION OF SPERMINE AND SPERMIDlNE AGAINST PHOTOINHIBITION OF PHOTOSYSTEM 1 IN ISOLATED THYLAKOID MEMBRANES
2.1 Résumé
2.2 Premier article scientifique
Abstract
Introduction
Materials and methods
Thylakoid membranes isolation
Photoinhibitory treatment and polyamines addition
Oxygen uptake rates
Oxygen evolvement rates
P700 photooxidation
Superoxide anions generation
Results
Protective effect of polyamines on photo-damage of photo system 1
Effect of Spm and Spd on oxygen uptake rates
Action of Spm and Spd on P700 photooxidation
Inhibition of O2- generation by Spm and Spd
Correlation between PSI photo-protection, PSII inhibition and 0 2- generation by Spm and Spd
Discussion
Conclusion
References
Figure legends
Supporting information legend
CHAPITRE III :EFFECT OF BIOGENIC POL y AMINE SPERMINE ON THE
STRUCTURE AND FUNCTION OF PHOTOSYSTEM 1
3.1 Résumé
3.2 Deuxième article scientifque
Abstract
Introduction
Materials and methods
Isolation of PSI sub-membrane fractions
Spermine application and photoinhibitory treatment
O2 uptake rates measurement
Measurement ofP700 photooxidation
Analysis of protein conformation
Molecular modeling
Results
Effect of Spm on the absorbance changes at 820 nm in PSI sub-membrane fractions
Effect of Spm on O2 uptake rates in photoinhibited PSI sub-membrane fractions
Effect of Spm on absorbance changes at 820 nm in photoinhibited PSI sub-membrane fractions
FTIR spectra of Spm-PSI sub-membrane fractions complexes
Docking studies
Discussion
Conclusion
References
Figure legends
CHAPITRE IV :CONCLUSION ET PERSPECTIVES
4.1 Conclusion générale
4.1.1 Investigation de l’action protectrice de la Spm sur le PSI sous conditions de photo inhibition
4.1.1.1 Investigation de l’action protectrice de la Spm et de la Spd
4.1.1.2 Caractérisation des mécanismes d’action de la Spm et de la Spd dans la photoprotection du PSI
4.1.1.3 Importance du nombre de charges positives dans la photoprotection du PSI
4.1.2 Action protectrice de la Spm sur des membranes enrichies en PSI
4.1.3 Détermination du site d’action de la Spm dans le complexe PSI
4.2 Synthèse sur le phénomène de la photoprotection du PSI par la Spm
4.3 Contributions à l’avancement des connaissances
4.4 Perspectives
4.4.1 Détermination du mode d’action antioxydant de la Spm
4.4.2 Influence de la température sur l’efficacité du rôle protecteur de la Spm
4.4.3 Utiliser la Spm comme supplément pour améliorer la croissance des plantes en condition de photoinhibition
4.5 Références