Coupled electron and proton transfers in bacterial reaction center from Rhodobacter sphaeroides : combined experimental and molecular modelling approaches

• Auteur / Autrice : Antoine Taly
• Direction : Pierre Sebban, Jeremy C. Smith
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie
• Date : Soutenance en 2003
• Etablissement(s) : Paris 11 en cotutelle avec Universität Heidelberg

Mots clés

Mots clés libres

@Rhodobacter sphaeroides

@Interactions electrostatiques

@Protéoliposomes

Résumé

Electron transfer reactions are key events in the. Functioning of living cells, in particular in photosynthesis and respiration. To study the electron transfer processes in proteins, we used a multi- disciplinary approach on the photosynthetic reaction center (RC) from Rhodobacter sphaeroides. We have modified some environmemal factors (membrane, pH, binding of transition metal ions) with the aim of following the induced structural and functional changes. These modifications were studied in parai lei by photoinduced absorption change spectroscopy and by molecular modeling. This work leads to the following results: - Effect of the pH on the Position of QB. Ln the literature, the secondary quinone (QB) is described using X-ray crystallography to occupy mainly two positions. The equilibrium between these two positions has been proposed to depend on the redox state of QB. Using electrostatics-based calculations, we have shown that the conformational equilibrium of QB does not solely depend on the' redox state OfQB, but also on the pH value of the solution. - Effect of the Membrane Environment on the Electron Transfer Properties. Experimentally, RC were incorporated in dimyristoylphosphatidylcholine (DMPC) liposomes. We have shown that the DMPC lipid phase transition influences differently the first and second electron transfer. The second electron transfer being sensitive to the lipid phase transition whereas the first electron transfer is not. This observation confirms the different nature of the rate limiting steps involved in the two electron transfer processes. - Effect of Cadmium Binding. There is a debate in the literature to determine if the effect of transition metal ion on the RC is either local, on the first shell of residues that bind it, or rather more delocalized. Our study of the Ko value of Cd2+, combining experimental and theoretical methods, suggest that the Cd2+ interacts electrostatically with a large domain of the protein (delocalized interaction).

Les transferts d'électrons sont des évènements clefs dans le fonctionnement des organismes vivants, en particulier pour la photosynthèse et la respiration. Pour étudier les processus de transferts d'électrons dans les. Centres réactionnels (CR) de Rhodobacter sphaeroides, nous avons utilisé une approche multidisciplinaire. Nous avons modifiés des facteurs environnementaux (membrane, pH, fixation d'ions de métaux de transitions) dans le but de suivre les modifications structurales et fonctionnelles associées. Ces modifications ont été étudiées en parallèle par spectroscopie de changement d'absorption et par modélisation moléculaire. Ce travail a conduit aux résultats suivants: - Influence du pH sur la position de Qs. Dans la littérature, la quinone secondaire (QB) est observée par cristallographie aux rayons X principalement dans deux positions. Il a été proposé que l'équilibre entre ces deux positions dépend de l'état redox de QB. En utilisant des calculs d'électrostatique de continuum, nous avons montré que cet équilibre conformationnel dépend non seulement de l'état redox de QB mais aussi du pH de la solution. - Influence de l'environnement membranaire sur les propriétés de transfert d'électron. Des CR ont été incorporés dans des liposomes de dimyristoylphosphatidylcholine. Nous avons montré que la transition de phase lipidique affecte différemment le premier et le second transfert d'électron entre la quinone primaire (QA) et QB. Cette observation confirme la différence de nature des étapes limitant ces deux transferts d'électrons. - Effet de la fixation de cadmium. Il existe dans la littérature un débat pour déterminer si l'effet des ions de métaux de transition sur le CR est local, sur les résidus qui participent à la fixation, ou plus délocalisé. Notre étude du KD pour le Cd2+, en combinant des méthodes expérimentales et théoriques, suggère que le Cd2+ interagit de manière électrostatique avec un domaine large de la protéine (interaction délocalisée).