Photophosphorylation

Enzymes membranaires et protéines transporteuses d'électrons de la photophosphorylation non cyclique ; PS II : photosystème II ; PQH₂ : plastoquinone ; cyt b₆f : complexe cytochrome b₆f ; PC : plastocyanine ; PS I : photosystème I ; Fd : ferrédoxine ; Fp : ferrédoxine-NADP⁺ réductase ; ATP synthase.

La photophosphorylation non cyclique consiste en un flux d'électrons depuis une molécule d'eau vers une molécule de NADP⁺ à travers une série d'enzymes membranaires et de protéines transporteuses avec génération d'un gradient de concentration en protons à travers la membrane des thylakoïdes au niveau du complexe cytochrome b₆f. Ce gradient de concentration de protons génère un gradient électrochimique utilisé par l'ATP synthase pour réaliser la phosphorylation de l'ADP en ATP, ce qu'on appelle un couplage chimiosmotique. Ainsi, au cours de la photophosphorylation non cyclique, l'eau H₂O est oxydée en oxygène O₂ au niveau du photosystème II — plus précisément, du complexe d'oxydation de l'eau — et le NADP⁺ est réduit en NADPH par la ferrédoxine-NADP⁺ réductase.

Plus précisément, l'absorption d'un photon par une molécule de chlorophylle P680 du photosystème II conduit à l'excitation d'un électron, qui acquiert suffisamment d'énergie pour être cédé à un accepteur d'électrons par un phénomène de séparation de charges photoinduite. L'accepteur d'électrons primaire est une molécule de chlorophylle dépourvue d'atome de magnésium central appelée phéophytine. De là, l'électron excité passe sur une plastoquinone puis à travers le complexe cytochrome b₆f avant d'être transporté sur une plastocyanine jusqu'à un photosystème I. Celui-ci contient un dimère de chlorophylle P700 capable d'exciter un électron par absorption d'un photon, électron transmis par la suite à une ferrédoxine, qui le cède à une ferrédoxine-NADP⁺ réductase pour réduire une molécule de NADP⁺ en NADPH.

Représentation du cycle de Kok[1]. Le nombre d'oxydation des atomes de manganèse est un sujet encore débattu.

L'eau H₂O est la source d'électrons de la photosynthèse chez les plantes et les cyanobactéries. Deux molécules d'eau sont oxydées par quatre réactions successives de séparation de charges dans le photosystème II pour donner une molécule de dioxygène O₂, quatre protons H⁺ et quatre électrons e⁻. Chacun des quatre électrons transite par un résidu de tyrosine jusqu'au P680 qui sert de donneur d'électrons primaire du centre réactionnel du photosystème II.

L'oxydation de l'eau est catalysée par un cluster oxométallique comprenant quatre cations de manganèse et un cation de calcium. Cette structure, appelée complexe d'oxydation de l'eau (Oxygen-Evolving Complex), se lie à deux molécules d'eau et permet les quatre oxydations successives aboutissant à la libération d'une molécule d'O₂ et de quatre H⁺, ces derniers contribuant à l'établissement du gradient électrochimique à travers la membrane des thylakoïdes. Le photosystème II est la seule enzyme connue capable d'oxyder l'eau de cette façon. L'oxygène libéré est en fait un déchet, utilisé cependant par la majorité des êtres vivants pour leur respiration cellulaire, y compris les organismes photosynthétiques[2].

Le « schéma en Z » représente les variations d'énergie des électrons au cours de la photophosphorylation non cyclique :

(en) « Schéma en Z » de l'énergie des électrons le long des réactions de la photophosphorylation non cyclique.

On peut le tracer précisément à partir des valeurs du potentiel d'oxydoréduction E°' des différents couples rédox[3] :

La photophosphorylation cyclique ne fait intervenir que le photosystème I, le complexe cytochrome b₆f et la plastocyanine ; le photosystème I absorbe l'énergie lumineuse, ce qui permet d'exciter un électron, transféré à un complexe cytochrome b₆f auquel il cède son énergie en générant un gradient électrochimique utilisé par une ATP synthase pour produire de l'ATP, avant de revenir au photosystème I via une plastocyanine. Ces réactions ne produisent ni O₂ ni NADPH.

Les cyanobactéries sont les seules bactéries capables de photosynthèse oxygénique. À l'instar des chloroplastes, elles possèdent des thylakoïdes, dont la chaîne de transport d'électrons est essentiellement la même que celle des plantes — le cytochrome b₆ est apparenté au complexe cytochrome b₆f — à la différence près qu'elles utilisent le cytochrome c₆ à la place de la plastocyanine :

non cyclique	H2O → photosystème II (P680 (en)) → plastoquinone → cytochrome b6 → cytochrome c6 → photosystème I (P700 (en)) → ferrédoxine → NADP+ ;
cyclique	(ferrédoxine →) plastoquinone → cytochrome b6 → cytochrome c6 → photosystème I (P700 (en)) → ferrédoxine (→ plastoquinone).

Elles utilisent en revanche des pigments différents dans leurs antennes collectrices pour capter l'énergie électromagnétique de la lumière incidente, préférant les phycobilines aux chlorophylles. Elles sont également capables d'utiliser leur chaîne de transport d'électrons comme chaîne respiratoire et générer de l'ATP par oxydation du NADH avec conversion concomitante d'une molécule d'oxygène O₂ en deux molécules d'eau H₂O :

NADH → NADH déshydrogénase → plastoquinone → cytochrome b₆ → cytochrome c₆ → cytochrome aa₃ → O₂.

Cette chaîne présente des analogies avec la chaîne respiratoire mitochondriale dans la mesure où on y retrouve une NADH déshydrogénase apparentée au complexe I, le couple plastoquinone / plastoquinol apparenté au couple ubiquinone / ubiquinol, le cytochrome b₆ apparenté à la coenzyme Q-cytochrome c réductase (complexe III), le cytochrome c₆ qui est un cytochrome c et le cytochrome aa₃ apparenté à la cytochrome c oxydase (complexe IV).

Les bactéries vertes sulfureuses n'utilisent qu'un photosystème, semblable au photosystème I des plantes :

non cyclique	H2S → P840 → ferrédoxine → NAD+ ;
cyclique	(ferrédoxine →) ménaquinone → cytochrome bc1 → cytochrome c553 → P840 → ferrédoxine (→ ménaquinone).

La photophosphorylation cyclique de ces bactéries présente des analogies avec la chaîne respiratoire mitochondriale dans la mesure où le couple ménaquinone / ménaquinol est apparenté au couple ubiquinone / ubiquinol, le cytochrome bc₁ est apparenté à (mais distinct de) la coenzyme Q-cytochrome c réductase (complexe III) et le cytochrome c₅₅₃ est un cytochrome c.

Les bactéries pourpres utilisent un photosystème unique apparenté au photosystème II des cyanobactéries et des chloroplastes :

photophosphorylation cyclique : (cytochrome c₂ →) P870 → ubiquinone → cytochrome bc₁ (→ cytochrome c₂).

Il s'agit d'un processus cyclique entre un centre réactionnel P870 de bactériochlorophylle et une pompe à protons au niveau du cytochrome bc₁, semblable à la coenzyme Q-cytochrome c réductase (complexe III) de la chaîne respiratoire mitochondriale mais néanmoins distincte de celle-ci.

Le NADPH est produit par une chaîne de transport d'électrons fonctionnant à partir de donneurs d'électrons tels que l'hydrogène H₂, le sulfure d'hydrogène H₂S, l'anion sulfure S²⁻, l'ion sulfite SO₃²⁻, ou des composés organiques tels que le succinate ⁻OOC–CH₂–CH₂–COO⁻ et le lactate H₃C–CHOH–COO⁻.