# Photophosphorylation

La photophosphorylation est l'ensemble des processus permettant la production d'adénosine triphosphate (ATP), la plupart du temps couplée à la production de nicotinamide adénine dinucléotide phosphate par oxydation de l'eau, à partir de l'énergie lumineuse au cours de la photosynthèse. Elle regroupe les réactions directement dépendantes de la lumière et correspond à la « phase claire », ou « phase lumineuse », de la photosynthèse. Elle se déroule, chez les procaryotes et les cyanobactéries, dans la membrane des thylakoïdes, à l'intérieur des chloroplastes. Elle met en œuvre une chaîne de transport d'électrons à travers laquelle circulent les électrons excités par la lumière captée par la chlorophylle. Cette chaîne de transport d'électrons convertit l'énergie contenue dans ces électrons excités en gradient électrochimique à partir duquel une ATP synthase assure la phosphorylation de l'adénosine diphosphate en ATP. La photophosphorylation est en quelque sorte le pendant, pour la photosynthèse, de la phosphorylation oxydative pour la respiration cellulaire.

## Dans les chloroplastes

Chez les plantes, la photophosphorylation se déroule dans la membrane des thylakoïdes, à l'intérieur des chloroplastes. Elle peut être non cyclique ou cyclique :
    non cyclique  H$_2$O → photosystème II (P680 (en)) → plastoquinone → complexe cytochrome b$_6$f → plastocyanine → photosystème I (P700 (en)) → ferrédoxine → ferrédoxine-NADP$^+$ réductase → NADP$^+$ ; cyclique photophosphorylation cyclique : (ferrédoxine →) plastoquinone → complexe cytochrome b$_6$f → plastocyanine → photosystème I (P700 (en)) → ferrédoxine (→ plastoquinone).

### Photophosphorylation non cyclique

La photophosphorylation non cyclique consiste en un flux d'électrons depuis une molécule d'eau vers une molécule de NADP$^+$ à travers une série d'enzymes membranaires et de protéines transporteuses avec génération d'un gradient de concentration en protons à travers la membrane des thylakoïdes au niveau du complexe cytochrome b$_6$f. Ce gradient de concentration de protons génère un gradient électrochimique utilisé par l'ATP synthase pour réaliser la phosphorylation de l'ADP en ATP, ce qu'on appelle un couplage chimiosmotique. Ainsi, au cours de la photophosphorylation non cyclique, l'eau H$_2$O est oxydée en oxygène O$_2$ au niveau du photosystème II — plus précisément, du complexe d'oxydation de l'eau — et le NADP$^+$ est réduit en NADPH par la ferrédoxine-NADP$^+$ réductase.
Plus précisément, l'absorption d'un photon par une molécule de chlorophylle P680 du photosystème II conduit à l'excitation d'un électron, qui acquiert suffisamment d'énergie pour être cédé à un accepteur d'électrons par un phénomène de séparation de charges photoinduite. L'accepteur d'électrons primaire est une molécule de chlorophylle dépourvue d'atome de magnésium central appelée phéophytine. De là, l'électron excité passe sur une plastoquinone puis à travers le complexe cytochrome b$_6$f avant d'être transporté sur une plastocyanine jusqu'à un photosystème I. Celui-ci contient un dimère de chlorophylle P700 capable d'exciter un électron par absorption d'un photon, électron transmis par la suite à une ferrédoxine, qui le cède à une ferrédoxine-NADP$^+$ réductase pour réduire une molécule de NADP$^+$ en NADPH.

#### Complexe d'oxydation de l'eau

L'eau H$_2$O est la source d'électrons de la photosynthèse chez les plantes et les cyanobactéries. Deux molécules d'eau sont oxydées par quatre réactions successives de séparation de charges dans le photosystème II pour donner une molécule de dioxygène O$_2$, quatre protons H$^+$ et quatre électrons e$^−$. Chacun des quatre électrons transite par un résidu de tyrosine jusqu'au P680 qui sert de donneur d'électrons primaire du centre réactionnel du photosystème II.
L'oxydation de l'eau est catalysée par un cluster oxométallique comprenant quatre cations de manganèse et un cation de calcium. Cette structure, appelée complexe d'oxydation de l'eau (Oxygen-Evolving Complex), se lie à deux molécules d'eau et permet les quatre oxydations successives aboutissant à la libération d'une molécule d'O$_2$ et de quatre H$^+$, ces derniers contribuant à l'établissement du gradient électrochimique à travers la membrane des thylakoïdes. Le photosystème II est la seule enzyme connue capable d'oxyder l'eau de cette façon. L'oxygène libéré est en fait un déchet, utilisé cependant par la majorité des êtres vivants pour leur respiration cellulaire, y compris les organismes photosynthétiques.

#### Schéma en Z

Le « schéma en Z » représente les variations d'énergie des électrons au cours de la photophosphorylation non cyclique :
On peut le tracer précisément à partir des valeurs du potentiel d'oxydoréduction E°' des différents couples rédox :
| Couple rédox | Potentiel d'oxydoréduction (V) |
| H$_2$O / O$_2$ | + 0,82 |
| P680 / P680$^+$ | + 0,9 |
| P680* / P680 | - 0,8 |
| Phéophytine réduite / oxydée | - 0,6 |
| Plastoquinone réduite / oxydée | 0 |
| Complexe cytochrome b$_6$f | - 0,2 et + 0,2 |
| P700 / P700+ | + 0,4 |
| P700* / P700 | -1,3 |
| Ferrédoxine réduite / oxydée | - 0,42 |
| NADPH / NADP$^+$ | - 0,32 |

### Photophosphorylation cyclique

La photophosphorylation cyclique ne fait intervenir que le photosystème I, le complexe cytochrome b$_6$f et la plastocyanine ; le photosystème I absorbe l'énergie lumineuse, ce qui permet d'exciter un électron, transféré à un complexe cytochrome b$_6$f auquel il cède son énergie en générant un gradient électrochimique utilisé par une ATP synthase pour produire de l'ATP, avant de revenir au photosystème I via une plastocyanine. Ces réactions ne produisent ni O$_2$ ni NADPH.

## Chez les bactéries

Les bactéries sont des procaryotes et ne possèdent donc pas d'organites semblables aux chloroplastes des eucaryotes. Les bactéries photosynthétiques — cyanobactéries, bactéries vertes sulfureuses (Chlorobi), bactéries vertes non sulfureuses (Chloroflexi), bactéries pourpres — présentent en revanche des ressemblances frappantes avec les chloroplastes eux-mêmes, ce qui est à l'origine de la théorie endosymbiotique.

### Cyanobactéries

Les cyanobactéries sont les seules bactéries capables de photosynthèse oxygénique. À l'instar des chloroplastes, elles possèdent des thylakoïdes, dont la chaîne de transport d'électrons est essentiellement la même que celle des plantes — le cytochrome b$_6$ est apparenté au complexe cytochrome b$_6$f — à la différence près qu'elles utilisent le cytochrome c$_6$ à la place de la plastocyanine :
    non cyclique  H$_2$O → photosystème II (P680 (en)) → plastoquinone → cytochrome b$_6$ → cytochrome c$_6$ → photosystème I (P700 (en)) → ferrédoxine → NADP$^+$ ; cyclique (ferrédoxine →) plastoquinone → cytochrome b$_6$ → cytochrome c$_6$ → photosystème I (P700 (en)) → ferrédoxine (→ plastoquinone).
Elles utilisent en revanche des pigments différents dans leurs antennes collectrices pour capter l'énergie électromagnétique de la lumière incidente, préférant les phycobilines aux chlorophylles. Elles sont également capables d'utiliser leur chaîne de transport d'électrons comme chaîne respiratoire et générer de l'ATP par oxydation du NADH avec conversion concomitante d'une molécule d'oxygène O$_2$ en deux molécules d'eau H$_2$O :
    NADH → NADH déshydrogénase → plastoquinone → cytochrome b$_6$ → cytochrome c$_6$ → cytochrome aa$_3$ → O$_2$.
Cette chaîne présente des analogies avec la chaîne respiratoire mitochondriale dans la mesure où on y retrouve une NADH déshydrogénase apparentée au complexe I, le couple plastoquinone / plastoquinol apparenté au couple ubiquinone / ubiquinol, le cytochrome b$_6$ apparenté à la coenzyme Q-cytochrome c réductase (complexe III), le cytochrome c$_6$ qui est un cytochrome c et le cytochrome aa$_3$ apparenté à la cytochrome c oxydase (complexe IV).

### Bactéries vertes sulfureuses

Les bactéries vertes sulfureuses n'utilisent qu'un photosystème, semblable au photosystème I des plantes :
    non cyclique  H$_2$S → P840 → ferrédoxine → NAD$^+$ ; cyclique (ferrédoxine →) ménaquinone → cytochrome bc$_1$ → cytochrome c$_{553}$ → P840 → ferrédoxine (→ ménaquinone).
La photophosphorylation cyclique de ces bactéries présente des analogies avec la chaîne respiratoire mitochondriale dans la mesure où le couple ménaquinone / ménaquinol est apparenté au couple ubiquinone / ubiquinol, le cytochrome bc$_1$ est apparenté à (mais distinct de) la coenzyme Q-cytochrome c réductase (complexe III) et le cytochrome c$_{553}$ est un cytochrome c.

### Bactéries pourpres

Les bactéries pourpres utilisent un photosystème unique apparenté au photosystème II des cyanobactéries et des chloroplastes :
    photophosphorylation cyclique : (cytochrome c$_2$ →) P870 → ubiquinone → cytochrome bc$_1$ (→ cytochrome c$_2$).
Il s'agit d'un processus cyclique entre un centre réactionnel P870 de bactériochlorophylle et une pompe à protons au niveau du cytochrome bc$_1$, semblable à la coenzyme Q-cytochrome c réductase (complexe III) de la chaîne respiratoire mitochondriale mais néanmoins distincte de celle-ci.
Le NADPH est produit par une chaîne de transport d'électrons fonctionnant à partir de donneurs d'électrons tels que l'hydrogène H$_2$, le sulfure d'hydrogène H$_2$S, l'anion sulfure S$^{2−}$, l'ion sulfite SO$_3$$^{2−}$, ou des composés organiques tels que le succinate $^−$OOC–CH$_2$–CH$_2$–COO$^−$ et le lactate H$_3$C–CHOH–COO$^−$.