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Lumière et pigments photosynthétiques
Les photons sont des particules élémentaires de masse et de charge globalement nulles qui constituent la lumière. Ce sont des grains d’énergie qui se déplacent à la vitesse de la lumière c = 299792458 ms-I (c: signifie célérité) avec une fréquence d’ oscillation v. Leur énergie E est mesurée par la relation: E = h v avec la constante de Planck h ~ 6,626 x 10-34 J.s. La relation entre la fréquence v et la longueur d’onde 0 ,) est proportionnelle v = dA.. Les systèmes d’ antennes des photo systèmes possèdent la faculté d’absorber un photon d’énergie lumineuse du spectre visible (400 à 800 nm). L’absorption de la lumière, en ~ 1 femto seconde, fournie par une source lumineuse extérieure (soleil ou autre source artificielle) crée ainsi le passage de l’état énergétique fondamental (SO) à un état excité (S 1, S2, S3, etc.). Le nombre de molécules mises en jeu dans l’absorption dépend de la densité d’énergie du rayonnement incident ainsi que de la probabilité de la transition considérée. Il existe deux grandes catégories fonctionnelles de pigments: les pigments photo synthétiques et ceux photoprotecteurs. Les premiers pigments, appelés aussI les antennes collectrices de lumière (LHC; Light harvesting complex), sont associés en série dans les membranes de thylakoides et sont responsables de la captation ainsi que de la première étape de la conversion d’énergie lumineuse en énergie chimique chez les plantes. Les LHC se distinguent selon deux types, les LHC l et les LHC II associées aux PSI et PSII respectivement (Figure 1.2).
Les LHC: II forment les antennes les plus abondantes dans la nature, lesquelles se retrouvent principalement en périphérie du PS II. Les LHC II sont des complexes protéines-pigments sous forme trimérique, dans laquelle chaque protéine monomérique Lhcb lie environ 13 à 15 Chl a et b au total, et de 3 à 4 caroténoïdes (Ben-Shem et al. 2003). Les Chi assurent l’essentiel de la capture de l’énergie lumineuse, alors que les caroténoïdes jouent le plus souvent le rôle de protection de l’appareil photo synthétique contre l’excès d’ énergie lumineuse. La chlorophylle a est un pigment actif, car elle capte et convertit l’énergie lumineuse en énergie chimique alors que la chlorophylle b est un pigment surnuméraire, car elle ne fait que transmettre les photons à la chlorophylle a. Contrairement aux LHCII, les LHCI sont des antennes uniques aux PS 1. Les LHCI sont des complexes protéines-pigments sous forme dimérique, dans laquelle chaque protéine monomérique Lhca lie 13 molécules de Chi a et b au total (Liu et al. 2004). L’architecture moléculaire des antennes collectrices de lumière comprenant leur espacement et leur orientation est élaborée de façon à favoriser la capture des photons et canaliser leur énergie jusqu’au centre réactionnel (CR).
Les centres réactionnels Les centres réactionnels (CR) sont les composants des deux photo systèmes (PSII et PSI) où interviennent la photochimie primaire de séparation des charges et les processus de transfert des électrons. L’énergie qui converge vers les centres réactionnels permettra d’induire cette séparation des charges au niveau de la chlorophylle nommée P680 dans le PSII et P700 dans le PSI (<< P » pour pigment et « 6801700 » indique le pic d’absorption optimal en nm). La P680 est située à l’interface des protéines Dl et D2 qui constituent le coeur du centre réactionnel du PSII, codées par les gènes chloroplastiques psbA et psb B, et présentent des structures primaires voisines (Robinson, 1996). L’état oxydé P680+ crée par la séparation des charges est réduite par le donneur primaire d’électrons, la tyrosine Z (Tyz), qui elle-même reçoit un électron de l’eau. Du côté accepteur du PSII, l’électron arraché au CR, P680, pendant la première réaction lumineuse passe par l’intermédiaire d’une chaîne de transporteurs d’électrons au CR du PSI le P700, puis est transféré à la ferrédoxine qui permet la réduction de NADP+ en NADPH.
Le photosystème II (PSII) Le PSII est un complexe multiprotéique qui utilise l’énergie solaire pour oxyder l’eau et réduire les quinones. Le site catalytique d’oxydation de l’eau est localisé sur le côté donneur d’électrons qui se situe du côté du lumen et qui possède le site catalytique du cluster de MI14Ca protégé par des protéines extrinsèques, alors que le site de réduction comprenant les deux quinones (QA et QB) et un fer non-hémique est localisé sur le côté accepteur d’électrons, c’est-à-dire le stroma (Yakushevska, 2003; Ferreira et al. 2004; Guskov et al. 2009). Les premiers modèles du repliement des sous-unités protéiques du PSII ont été confirmés par analyse spectroscopique (Michel et Deisenhofer, 1988; Rutherford, 1989). Ensuite, on assista à la première publication, dans l’année 2001 , de la structure cristallographique du PSII à une résolution de 3.8 (Zouni et al. 2001). Depuis ce jour, la résolution n’a cessé d’être améliorée. Elle a été amenée à 3.5, ce qui a permis pour la première fois le raffinement de la structure et la résolution des acides aminés (Ferreira et al. 2004), ensuite à 2.9 (Guskov et al. 2009). Selon la structure la plus récente (Guskov et al. 2009), le PSU est formé de 20 sous-unités transmembranaires et d’un grand nombre de cofacteurs par monomère à savoir: 35 chlorophylles, 12 caroténoïdes, 2 phéophytines, un fer non-hémique, 2 ions calcium, 4 ions de manganèse (cluster de Mn4Ca), 2 ions cr, 2-3 quinones, 2 hèmes et 25 lipides. Le centre réactionnel (CR) du PSII est principalement composé de 4 molécules de Chl a, d’un hétérodimère protéique constitué des protéines Dl codé par (PsbA) et D2 codé par (PsbD) (chacune de ces protéines contenant une molécule de phéophytine (Phéol et Phéo2 respectivement)) et de 2 antennes intrinsèques, à savoir CP43 et CP47 (Yakushevska, 2003). Ces antennes facilitent le transfert de l’excitation entre les antennes périphériques et le CR (Figure 1.4).
Dissipation d’énergie sous forme de fluorescence
La fluorescence de la Chl est une technique qui permet la mesure du fonctionnement de l’appareil photo synthétique. Cette mesure est devenue une des méthodes d’analyse les plus utilisées dans le domaine des sciences végétales (Schreiber et Bilger, 1993). Sous éclairement solaire, on distingue deux types de fluorescence des plantes: la fluorescence chlorophyllienne (630-800 nm) et la fluorescence bleu-verte (400-630 nm). La mesure de fluorescence chlorophyllienne est une méthode d’investigation largement utilisée pour le suivi de l’ activité photo synthétique sur algues, chloroplastes ou feuilles entières (Baker, 2008). La fluorescence est le processus d’émission lumineuse (UV-visible) spontané d’une espèce excitée par absorption d’un rayonnement incident lors de la relaxation radiative, entre l’état excité singulet (S,) et l’ état fondamental (So). Comme nous l’avons expliqué précédemment, l’état excité S, peut être désactivé (atténué) par différents processus (Figure 1.6). Dès lors, la désactivation par fluorescence se produira si elle est plus rapide qu’un mécanisme non fluorescent. Plusieurs facteurs physiologiques, cinétiques et environnementaux peuvent affecter l’ intensité de la dissipation d’énergie sous forme de fluorescence en fonction du temps. Bien qu’elle ne représente qu’une faible partie des quanta absorbés (de 0.5 à 3 %), son étude fournit des informations sur la dissipation de l’énergie dans les photosystèmes, en particulier par la voie photochimique dans le PS II (Baker, 2008; Lazar, 1999).
Par contre, la fluorescence du PS l est indépendante du rendement photochimique. Deux autres émissions lumineuses peuvent avoir lieu dans la molécule de chlorophylle. La phosphorescence, qui se produit après un transfert intersystème d’énergie vibrationnelle vers un état triplet, est une émission à une longueur d’onde légèrement supérieure à celle de la fluorescence. La luminescence est observée à l’ obscurité, il s’agit d’une émission similaire à la fluorescence, mais l’ excitation des états singulets se fait à partir de la recombinaison des charges entre le coté donneur et le coté accepteur d’électrons du PSU on parle alors de thermoluminescence.
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Table des matières
REMERCIEMENTS
AVANT-PROPOS
RESUME
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES FIGURES
LISTE DES ABRÉVIATIONS, SIGLES ET ACRONYMES
CHAPITRE 1 INTRODUCTON
1.1 La phoosynthèse
1.1.1 Les chloroplastes
1.1.2 Lumière et pigments photo synthétiques
1.1.2.1 Les centres réactionnels.
1.1.2.2 La chlorophylle a (Chl a)
1.1.3 Le photo système U (PSU)
1.1.4 Le photo système I (PSI)
1.1.5 Les voies de dissipation d’énergie
1.1.5.1 Dissipation d’énergie sous forme de fluorescence
1.1.5.2 Dissipation d’énergie sous forme de phosphorescence
1.1.5.3 Dissipation d’énergie sous forme de chaleur
1.1.5.4 Dissipation d’énergie par transfert d’électrons
1.2 Aspects environnementaux
1.2.1 Pollution des sols
1.2.2 Les métaux lourds
1.2.2.1 Effets des métaux lourds sur les plantes
1.2.2.2 Effets des métaux lourds sur les protéines
1.2.2.3 Le plomb (Pb)
1.3 Les albumines
1.3.1 L’albumine du sérum humain (HSA)
1.3.2 L’albumine sérum bovin (BSA)
1.4 Problématiques et objectifs du sujet
CHAPITRE II MÉTHODES EXPÉRIMENTALES
2.1 Matériel utilisé
2.2 Isolation des membranes de thylakoïdes
2.3 Isolation des membranes enrichies en PSI
2.4 Préparations des albumines
2.5 Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR)
2.5.1 FTIR pour les albumines
2.5.2 FTIR pour les membranes de PSI
2.5 .3 Analyse de la structure secondaire par FTIR
2.6 Spectroscopie de dichroïsme circulaire (CD)
2.7 Mesure de consommation d’oxygène
2.8 Mesure des spectres de fluorescence
2.9 Mesure d’induction de fluorescence (IF)
2.10 Cinétique de déclin de fluorescence induite par flash
2.11 Mesure de thermoluminescence (TL)
2.12 Mesure des changements d’absorption à 830 n
2.13 La spectroscopie des photoélectrons X (XPS)
2.13.1 Principe
2.13.2 Appareillage
CHAPITRE III LOCATING THE BINDING SITES OF PB (II) ION WITH HUMAN AND BOVINE SERUM ALBUMIN
3.1 Résumé ..
3.2 Premier article scientifique
Abstract.
Introduction.
Materials and Methods
Materials
Preparation of stock solutions
FTIR spectroscopic measurements
Analysis of prote in conformation
Circular dichroism
Fluorescence spectroscopy
X-ray photoelectron spectroscopy
Results and Discussion
FTIR and CD spectra of Pb complexes with HSA and BSA CD spectra….
Fluorescence spectra and stability of Pb complexes with HSA and BSA
XPS studies and Pb-protein binding sites.
Conclusion
Acknowledgments
References
Captions for Figures
CHAPITRE IV INHIBITION OF THE WATER OXIDIZING COMPLEX OF PHOTO SYSTEM II AND THE REOXIDATION OF THE QUINONE ACCEPTOR QA- BY PB2
4.1 Résumé
4.2 Deuxième article scientifique
Abstract
Introduction.
Material and methods
Thylakoid membranes isolation
Chlorophyll fluorescence induction
Thermoluminescence
Fluorescence measurements ..
Flash-induced fluorescence decay kinetics
Results
Chlorophyll fluorescence induction.
Fluorescence of ChI a and MgTPP
Chlorophyll fluorescence induction parameters
Flash-induced ChI fluorescence decay kinetics
Thermoluminescence
Discussion
References
Figure legends
CHAPITRE V ALTERATION OF THE STRUCTURE AND FUNCTION OF PHOTO SYSTEM 1 BY PB2
5.1 Résumé
5.2 Troisième article scientifique
Abstract
Introduction..
Materials and methods
Isolation of PSI submembrane fractions
FTIR spectroscopic measurements
Analysis of protein conformation
X-ray photoelectron spectroscopy
Fluorescence spectroscopy
Oxygen uptake measurements
Redox state ofP700
Results
XPS studies
FTIR spectroscopy
Fluorescence spectroscopy
Oxygen uptake
Redox state of P700
Discussion
References
Captions for Figures
CHAPITRE VI CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES
6.1 Étude des interactions entre les albumines et le plomb (Pb)
6.2 Étude de l’effet toxique du Pb sur le photo système II
6.3 Étude de l’effet toxique du Pb sur le photo système l (PSI)
6.4 Perspectives
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
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