Les modalités de couplage de la chaine redox photosynthétique à la phosphorylation dans les chloroplastes

Modality of energy coupling of the photosynthetic redox chain to the phosphorylation in chloroplast thylakoids

• Auteur / Autrice : Claude Sigalat
• Direction : Yaroslav de Kouchkovsky
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences naturelles
• Date : Soutenance en 1988
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Gadal
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yaroslav de Kouchkovsky, Pierre Gadal, Giorgi Forti, Claude Lance, Jean-Michel Galmiche
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Claude Lance

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrochimie

Photosynthèse

Chloroplastes

Mots clés libres

Gradient de protons

Phosphorylation

Résumé

L'énergie nécessaire au métabolisme est fournie par l'ATP qui est formé, pour l'essentiel, au niveau des membranes internes des mitochondries ou des chloroplastes. Ces membranes contiennent les chaînes rédox respiratoires ou photosynthétiques et les enzymes de phosphorylation, c'est-à-dire les facteurs de couplage ou ATPases. Selon Mitchell (1961), c'est la différence de potentiel électrochimique du proton (ΔµH) à travers ces membranes qui assure la liaison énergétique entre les chaînes rédox et les ATPases. Le ΔµH comprend un terme chimique (osmotique), ΔpH, et un terme électrique, ΔΨ. On montre ici, avec des chloroplastes, qu'en modifiant les propriétés physico-chimiques du milieu on change la résistance de la phase interne des vésicules aux courants de protons et par cela même la nature du couplage. A cet effet, nous avons comparé les forces thermodynamiques (ΔµH, réduit ici à ΔpH, ΔΨ étant négligeable ou même annulé) et les flux couplés: vitesse de synthèse d'ATP (VP) et de transfert d'électrons (Ve). Les chaînes rédox font intervenir l'un (PS1) ou l'autre (PS2) des systèmes photosynthétiques, ou les deux. Les mesures comparées en D20 et H20 montrent qu'il existe des ΔpH locaux, différents du ΔpH moyen mesurable et qui sont plus faibles aux points de fuite des protons, les ATPases, qu'à leurs sites de translocation rédox. Si l'on module l'influx des protons dans les thylacoides (réduction de l'éclairement) ou leur efflux (fuites artificielles créées par la nigéricine), les courbes flux-force obtenues ne sont pas superposables. En jouant sur la topographie membranaire (le PS2 est concentré dans les régions granaires, le PS1 et les ATPases dans les régions stromatiques), on vérifie bien que la résistance latérale aux protons croît avec la distance. L'hypotonie et une concentration ionique élevée, semblent rompre les barrières de diffusion qui isolent la membrane du milieu et diminuent les résistances latérales aux H+, ce qui délocalise le ΔpH. On obtient le même effet en présence d'amines qui transporteraient les protons le long de la membrane et de l'interface vers le cœur des solutions. Ces résultats confirment et précisent le modèle de microchimiosmose généralisée proposé précédemment et qui intègre dans un même ensemble la théorie classique de Mitchell et les différents schémas de couplage localisé.

Metabolic energy requirement is insured by ATP which is synthesized in the internal membranes of mitochondria and chloroplasts. These membranes include the respiratory and photosynthetic redox chains and the phosphorylating enzymes, coupling factors or ATPases. According to Mitchell (1961), the proton electrochemical potential difference (ΔµH) across these membranes connects the redox chains and the ATPases; this ΔµH comprises electrical, ΔΨ, and chemical (osmotic), ΔpH, components. It is shown here, that with chloroplasts, a modification of the medium physicochemical characteristics changes the protonic resistances and consequently the coupling mode. This is established by comparing thermodynamic forces (ΔµH reduced here to ΔpH, ΔΨ being negligible or even suppressed), and fluxes: ATP synthesis (VP) and electron transfer (Ve) rates. Either one or both photosystems (PS1, PS2) where the driving force. Comparative measurements in D20 and H20 reveal the existence of local ΔpH, lower at proton leaks, ATPases, than at redox sources and different from the mean measured ΔpH. Proton influx decrease (light lowering) or efflux increase (ionophore addition)show the absence of univocal flux-force relationships. Thanks to the membranous topography (PS2 is in grana stacks, PS1 and ATPases is stromal lamellae), it is established that the lateral protonic resistance increases with the distance. Hypotonic or hypertonic media break the proton diffusion barriers which partly isolate the membrane from bulk phases and lower the lateral resistances; thus ΔpH is delocalized. The same effect is obtained with amines which may also carry protons along the membrane. This work therefore extends the general microchemiosmotic model previously proposed, which includes the classical theory of Mitchell and the opposing schemes of localized protonic coupling.