Transfert d'électrons dans le photosystème II

par Arezki Sedoud

Thèse de doctorat en Biochimie, biophysique

Sous la direction de Alfred william Ruetherford.

Soutenue le 24-03-2011

à Paris 11 , dans le cadre de Ecole doctorale Chimie de Paris-Sud , en partenariat avec Laboratoire de Bioénergétique Moléculaire et Photosynthèse (Saclay, Essonne) (laboratoire) .


  • Résumé

    Le photosystème II (PSII) est un complexe multi-protéique qui utilise l'énergie solaire pour oxyder l'eau et réduire des quinones. Le site catalytique d'oxydation de l'eau est localisé coté lumen du complexe, alors, que le site de réduction comprenant deux quinones (QA et QB) et un fer non-hémique est localisé sur le coté stromal du complexe membranaire. Dans cette thèse j'ai étudié les deux cotés accepteur et donneur d'électrons du PSII.QA•- et QB•- sont couplés magnétiquement au fer non-hémique donnant de faibles signaux RPE. Le fer non-hémique possède quatre ligands histidines et un ligand (bi)carbonate échangeable. Le formate peut échanger le ligand (bi)carbonate induisant un ralentissement dans le transfert d'électrons. Ici, je décris une modification du signal RPE de QB•- Fe2+ lorsque le formate est substitué au (bi)carbonate. J'ai aussi découvert un second signal RPE dû à la présence du formate à la place du (bi)carbonate lorsque QB est doublement réduit. De plus, j'ai trouvé que les signaux RPE natifs de QA•- Fe2+ et QB•- Fe2+ possèdent une signature intense encore jamais détectée. Tous les signaux RPE rapportés dans cette thèse devraient faciliter le titrage redox de QB par RPE. J'ai aussi observé que QB•- peut oxyder le fer non-hémique à l'obscurité en anaérobie. Cette observation implique qu'au moins dans une fraction des centres, le couple QB•-/QBH2 possède un potentiel redox plus haut que supposé. La quantification du nombre de centres où cette oxydation du fer se produit par le couple QB•-/QBH2 reste à faire. La réduction du PSII par le dithionite génère un signal modifié de QA•-Fe2+, un changement structural du PSII observé par électrophorèse. Cela peut indiquer la réduction d'un pont disulfure à l'intérieur du PSII. Concernant le site d’oxydation de l'eau, j'ai étudié la première étape de l'assemblage du site catalytique (Mn4Ca), en suivant l'oxydation du Mn2+ par RPE en bande X et haut champ. J'ai mis au point des conditions expérimentales permettant le piégeage du premier intermédiaire et j'ai aussi trouvé une incohérence avec des travaux publiés dans la littérature. J'ai aussi trouvé que le dithionite pouvait réduire le site catalytique Mn4Ca, en formant des états sur-réduits qui peuvent correspondre aux intermédiaires de l'assemblage du cluster Mn4Ca.

  • Titre traduit

    Electron transfer in photosystem II


  • Résumé

    Photosystem II (PSII) uses light energy to oxidise water and reduce quinone. The water oxidation site is a Mn4Ca cluster located on the luminal side of the membrane protein complex, while the quinone reduction site is made up of two quinones (QA and QB) and a non-heme Fe2+ located on the stromal side of the membrane protein. In this thesis I worked on both oxidation and reduction functions of the enzyme. QA•- and QB•- are magnetically couple to the Fe2+ giving weak and complex EPR signals. The distorted octahedral Fe2+ has four histidines ligands and an exchangeable (bi)carbonate ligand. Formate can displace the exchangeable (bi)carbonate ligand, slowing electron transfer out of the PSII reaction centre. Here I report the formate-modified QB•- Fe2+ EPR signal, and this shows marked spectral changes and has a greatly enhanced intensity. I also discovered a second new EPR signal from formate-treated PSII that is attributed to formate-modified QA•- Fe2+ in the presence of a 2-electron reduced form of QB. In addition, I found that the native QA•- Fe2+ and QB•- Fe2+ EPR signals have a strong feature that had been previously missed because of overlapping signals (mainly the stable tyrosyl radical TyrD•). These previously unreported EPR signals should allow for the redox potential of this cofactor to be directly determined for the first time. I also observed that when QB•-Fe was formed; it was able to oxidise the iron slowly in the dark. This occurred in samples pumped to remove O2. This observation implies that at least in some centres, the QB•-/QBH2 couple has a higher potential then is often assumed and thus that the protein-bound semiquinone is thermodynamically less stable expected. It has yet to be determined if this represents a situation occurring in the majority of centres. Treatment of the system with dithionite generated a modified form of QA•-Fe2+ state and a change in the association of the proteins on gels. This indicates a redox induced modification of the protein, possibly structurally important cysteine bridge in PSII.On the water oxidation side of the enzyme, I studied the first step in the assembly of the Mn4Ca cluster looking at Mn2+ oxidation using kinetic EPR and high field EPR. Conditions were found for stabilising the first oxidised state and some discrepancies with the literature were observed. I also found that dithionite could be used to reduce the Mn4Ca, forming states that are formally equivalent to those that exist during the assembly of the enzyme.


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