Photosystème II

Le noyau du photosystème II consiste en un hétérodimère pseudo-symétrique de deux protéines homologues, D1 et D2[2]. Contrairement à tous les centres réactionnels de tous les autres photosystèmes qui ont une paire de molécules de chlorophylle étroitement associées, le pigment qui subit la séparation de charge photoinduite initiale dans le photosystème II est un monomère de chlorophylle. La charge positive n'étant pas partagée entre deux molécules, le pigment ionisé est très oxydant et intervient dans la dissociation de l'eau.

Le photosystème II des plantes vertes et des cyanobactéries est constitué d'une vingtaine de sous-unités, le nombre exact dépendant des espèces, ainsi que de diverses protéines de collecte lumineuse. Chaque photosystème II contient au moins 99 cofacteurs[3] :

• 35 chlorophylle a ;
• 12 β-carotène ;
• 2 phéophytine ;
• 2 plastoquinone ;
• 2 hème ;
• 1 bicarbonate HCO₃⁻ ;
• 20 lipides ;
• 1 cluster Mn₄CaO₅ (avec un ion chlorure Cl⁻) ;
• 1 cation ferreux Fe²⁺ non héminique ;
• peut-être également 2 cations de calcium Ca²⁺ par monomère.

Plusieurs structures cristallines ont été déterminées pour le photosystème II. Les codes PDB d'accès aux structures de ces protéines sont par exemple 3ARC, 3BZ1, 3BZ2 (3BZ1 et 3BZ2 sont des structures monomériques du dimère de photosystème II), 2AXT (voir ci-dessous), 1S5L, 1W5C, 1ILX, 1FE1 et 1IZL.

Représentation montrant l'arrangement des différents composants du photosystème II dans un monomère D1-D2 (PDB 2AXT[1]).

Structure proposée du cluster Mn₄CaO₅.

Le complexe d'oxydation de l'eau, souvent appelé oxygen-evolving complex de son nom anglais, est un cluster oxométallique de quatre cations de manganèse dont le nombre d'oxydation va de +3 à +5 et un cation de calcium bivalent Ca²⁺. Au cours de l'oxydation de l'eau, les quatre électrons de l'eau circulent l'un après l'autre d'abord sur la chaîne latérale de la tyrosine D1-Y161 puis directement sur la chlorophylle P680.

La structure exacte de ce cluster demeure encore discutée, notamment les structures obtenues par cristallographie aux rayons X car il apparaît que les atomes de manganèse sont réduits par les rayons X intenses utilisés pour l'observation, ce qui altère la structure du complexe. Cependant, cette méthode, combinée avec d'autres techniques moins destructrices telles que la spectroscopie EXAFS et la résonance paramagnétique électronique, donne une idée assez claire de la structure de ce cluster. Une possibilité est une structure de type cubane[4].

Sa structure a été résolue en 2011 avec une résolution de 1,9 Å, ce qui a révélé la présence de cinq atomes d'oxygène servant de ponts oxo entre les cinq atomes métalliques et quatre molécules d'eau liées au cluster Mn₄CaO₅. Plus de 1 300 molécules d'eau ont été trouvées dans chaque photosystème II, certaines formant de grands réseaux par liaison hydrogène qui pourraient servir de canaux à protons H⁺, à molécules d'eau H₂O ou à oxygène O₂[5].

(en) Schéma de fonctionnement des réactions photosynthétiques dépendantes de la lumière montrant la position du photosystème II par rapport à la plastoquinone, au complexe cytochrome b₆f, à la plastocyanine, au photosystème I, à la ferrédoxine-NADP⁺ réductase et à l'ATP synthase.