19.2.2. Une paire spéciale de chlorophylles initie la séparation des charges
Les sous-unités L et M forment le noyau structurel et fonctionnel du centre de réaction photosynthétique bactérien (voir figure 19.9). Chacune de ces sous-unités homologues contient cinq hélices transmembranaires. La sous-unité H, qui ne possède qu’une seule hélice transmembranaire, se trouve sur le côté cytoplasmique de la membrane. La sous-unité cytochrome, qui contient quatre hèmes de type c, se trouve sur le côté périplasmique opposé. Quatre molécules de bactériochlorophylle b (BChl-b), deux molécules de bactériophytine b (BPh), deux quinones (QA et QB) et un ion ferreux sont associés aux sous-unités L et M.
Les bactériophytines sont similaires aux chlorophylles, à l’exception de la réduction d’un anneau de pyrrole supplémentaire et de quelques autres différences mineures qui déplacent leurs maxima d’absorption vers le proche infrarouge, à des longueurs d’onde pouvant atteindre 1000 nm. La bactériophytine est le terme désignant une bactériochlorophylle qui possède deux protons au lieu d’un ion magnésium en son centre.
La réaction commence par l’absorption de la lumière par un dimère de molécules BChl-b qui se trouve près du côté périplasmique de la membrane. Ce dimère, appelé paire spéciale en raison de son rôle fondamental dans la photosynthèse, absorbe la lumière de façon maximale à 960 nm, dans l’infrarouge proche du bord de la région visible. Pour cette raison, la paire spéciale est souvent appelée P960 (P signifiant pigment). L’excitation de la paire spéciale entraîne l’éjection d’un électron, qui est transféré par une autre molécule de BChl-b à la bactériophytine de la sous-unité L (figure 19.10, étapes 1 et 2). Cette séparation initiale des charges, qui produit une charge positive sur la paire spéciale (P960+) et une charge négative sur la BPh, se produit en moins de 10 picosecondes (10-11 secondes). Il est intéressant de noter qu’un seul des deux chemins possibles au sein du dimère L-M presque symétrique est utilisé. Dans leurs états de haute énergie, P960+ et BPh- pourraient subir une recombinaison de charge, c’est-à-dire que l’électron de BPh- pourrait revenir pour neutraliser la charge positive de la paire spéciale. Son retour vers la paire spéciale gaspillerait un précieux électron à haute énergie et convertirait simplement l’énergie lumineuse absorbée en chaleur. Trois facteurs dans la structure du centre de réaction fonctionnent ensemble pour supprimer presque complètement la recombinaison des charges (figure 19.10, étapes 3 et 4). Premièrement, un autre accepteur d’électrons, une quinone (QA) étroitement liée, se trouve à moins de 10 Å de BPh-, et l’électron est donc rapidement transféré plus loin de la paire spéciale. Rappelons que les taux de transfert d’électrons dépendent fortement de la distance (section 18.2.3). Deuxièmement, l’un des hèmes de la sous-unité cytochrome est à moins de 10 Å de la paire spéciale, et la charge positive est donc neutralisée par le transfert d’un électron du cytochrome réduit. Enfin, le transfert d’électrons de BPh- vers la paire spéciale chargée positivement est particulièrement lent : le transfert est si favorable sur le plan thermodynamique qu’il a lieu dans la région inversée où les taux de transfert d’électrons deviennent plus lents (section 18.2.3). Ainsi, le transfert d’électrons se déroule efficacement de BPh- à QA.
Figure 19.10
Chaîne électronique dans le centre de réaction bactérien photosynthétique. L’absorption de lumière par la paire spéciale (P960) entraîne le transfert rapide d’un électron de ce site à une bactériophytine (BPh), créant une séparation de charge photoinduite (étapes (suite…)
De QA, l’électron se déplace vers une quinone plus faiblement associée, QB. L’absorption d’un second photon et le déplacement d’un second électron sur le chemin de la paire spéciale achève la réduction à deux électrons de QB de Q à QH2. Comme le site de liaison de QB se trouve près du côté cytoplasmique de la membrane, deux protons sont pris dans le cytoplasme, contribuant au développement d’un gradient de protons à travers la membrane cellulaire (figure 19.10, étapes 5, 6 et 7).
Comment la sous-unité cytochrome du centre de réaction regagne-t-elle un électron pour terminer le cycle ? La quinone réduite (QH2) est réoxydée en Q par le complexe III de la chaîne respiratoire de transport d’électrons (section 18.3.3). Les électrons de la quinone réduite sont transférés par un intermédiaire cytochrome c soluble, appelé cytochrome c2, dans le périplasme, à la sous-unité cytochrome du centre de réaction. Le flux d’électrons est donc cyclique. Le gradient de protons généré au cours de ce cycle entraîne la génération d’ATP par l’action de l’ATP synthase.