Le domaine de la bioénergie moléculaire concerne le transfert et le stockage d’énergie dans les cellules biologiques. Ce projet s’articule autour de la respiration et plus précisément le mécanisme de pompage de sodium et de protons, et son couplage au transfert d’électrons. Premièrement, nous nous sommes intéressés au pompage d’ions sodium par la NADH : quinone oxidoreductase de la bactérie Vibrio cholerae. L’importance de flavines spécifiques et des résidus acides dans le transfert de sodium ont été démontrée. Par la suite, l’interaction entre protéines, notamment le cytochrome c552 et le fragment CuA de l’oxidase de type ba3 de l’organisme Thermus thermophilus a été étudié. Une réorganisation structurelle induit par le transfert d’électron a été démontrée par la spectroscopie IRTF différentielle. Enfin, dans la dernière partie de ce travail, l’interaction au sein du supercomplex bc1-aa3 de la chaîne respiratoire du Corynebacterium glutamicum a été analysée. / The field of molecular bioenergetics deals with the energy transduction in biological cells. In this project, respiration and more specifically proton and sodium pumping enzymes and their coupling to electron transfer have been in focus. First we have been interested in the Na+-pumping NADH:quinone reductase from Vibrio cholerae which is the entry site of electrons in the respiratory chain of several pathogens. The role of specific flavin cofactors and amino acids involved in Na+ transfer has been shown in a combined IR spectroscopic and electrochemical approach. The interaction between proteins, namely the cytochrome c552 and the CuA fragment from the terminal ba3 oxidase from the organism Thermus thermophilus was then investigated. Structural reorganization during electron transfer was revealed by IR spectroscopy. Finally, in the third part of the project the interaction within the bc1-aa3 supercomplex from the respiratory chain from Corynebacterium glutamicum was analyzed.

Le domaine de la bioénergétique concerne l’étude des échanges et des transformations de l’énergie au sein des organismes vivants. Cette thèse propose une étude électrochimique et spectroscopique de protéines issues de la chaine respiratoire, les oxydases terminales, afin de comprendre l’influence de différentes propriétés de ces enzymes (potentiels des cofacteurs, dépendance pH…) sur leur mécanisme réactionnel. La première partie de ce travail décrit le développement d’une méthode d’immobilisation permettant de conserver l’intégrité et l’activité de ces enzymes. Cette technique a d’abord été utilisée pour étudier l’inhibition de la cytochrome aa3 oxydase de P. denitrificans et a permis de mettre en avant l’importance du transfert de protons sur la réaction de réduction de l’oxygène. Une deuxième étude propose de comparer deux isoformes de la cytochrome cbb3 oxydase dont aucune différence n’a été observée à ce jour. La spectroscopie IRTF couplée à l’électrochimie montre l’implication de résidus acides différents au cours de la réaction d’oxydoréduction suggérant des différences mécanistiques. La dernière partie propose une étude comparative d’oxydases terminales de différents types et met en perspective l’influence des potentiels relatifs des hèmes sur la réaction de réduction de l’oxygène. / The field of bioenergetics concerns the study of exchange and transformation of energy in living organisms. This manuscript proposes an electrochemical and spectroscopic study of the fourth complex of the respiratory chain, the terminal oxidases. The aim of this study was to understand the influence of some properties of these enzymes (potential of the cofactors, pH dependency…) on the catalytic mechanism. The first part describes an immobilization procedure which retains the protein activity and structure. This procedure has been applied for the study the inhibition of the proton pathways of cytochrome aa3 oxidase from P. denitrificans and shows the importance of proton transfer on the oxygen reduction. In a second study, two isoforms of cytochrome cbb3 oxidase were compared. No differences were observed between them until now. Our electrochemically induced FTIR spectroscopy study suggests the implication of different acidic residues during the redox reaction implying differences in the mechanism of these enzymes. The last part deals with the comparison of terminal oxidases of different types and shows the influence of the relative order of the midpoint potentials of the hemes on the oxygen reduction.

Les perturbations auxquelles font face les communautés écologiques, du fait des activités humaines, sont à l'origine de changements profonds dans ces communautés. Nombreuses caractéristiques des espèces sont altérées, de leur physiologie à leur occurrence même. Ces changements se répercutent sur la composition, la diversité et la structure des communautés, puisque les espèces n'interagissent pas tout le temps de la même manière en fonction des conditions. Prévoir le devenir de ces communautés émergentes, et des fonctions qu'elles soutiennent est un défi central de l'écologie et de nos sociétés. Différents cadres conceptuels ont été utilisés pour relever ce défi, basés sur différents mécanismes écologiques, et ont divergé en plusieurs domaines. D'un côté, l'analyse des chaînes trophiques utilise la consommation pour expliquer les effets de la diversité verticale (le nombre de niveaux trophiques) sur le fonctionnement, et de l'autre côté, les analyses biodiversité-fonctionnement lient compétition et effets de la diversité horizontale (la diversité au sein des niveaux trophiques isolés). Chacun de ces domaines a produit des résultats clés pour comprendre les conséquences fonctionnelles des changements de composition et diversité des communautés écologiques. Cependant, ils sont chacun basés sur différentes simplifications fortes des communautés. L'hypothèse qui sous-tend cette thèse est que la réconciliation en un même cadre de travail des résultats fondamentaux de ces champs conceptuels divergents, ainsi que des effets des changements de structure de la biodiversité, est une étape clé pour pouvoir améliorer notre compréhension du fonctionnement de communautés écologiques en changement. L'essor récent des méthodes d'analyse des réseaux trophiques, et des modèles permettant de simuler le fonctionnement de ces réseaux trophiques offre un cadre idéal pour cette réconciliation. En effet, les réseaux trophiques cartographient les échanges de matière entre toutes les espèces d'une communauté, permettant la mise en place d'interactions variées. Ils reflètent mieux la réalité complexe des communautés que les chaînes trophiques ou leurs niveaux trophiques isolés en intégrant notamment compétition et consommation. Un modèle ressource-consommateur bioénergétique classique, développé par Yodzis et Innes (1992), permet d'en simuler le fonctionnement, en intégrant des mécanismes et taux testés empiriquement. Au-delà d'utiliser ces outils, cette thèse se concentre aussi sur leur évaluation. Après un premier chapitre d'introduction, le second chapitre propose une plateforme ouverte, commune, solidement testée et efficace pour l'utilisation du modèle bioénergétique, permettant ainsi une synthèse plus rapide et aisée des résultats. Le troisième chapitre est une revue du corpus méthodologique d'analyse des réseaux trophiques, proposant une gamme de méthodes robustes et informatives, et soulignant leur domaine d'application et leurs limites. Enfin le quatrième chapitre met ce cadre méthodologique à l'épreuve. Dans ce chapitre, nous montrons l'existence d'une relation entre la complexité de la structure du réseau trophique des communautés et leur régime de fonctionnement, se traduisant par la réalisation de différentes prédictions issues de l'analyse des chaînes trophiques ou des analyses diversité-fonctionnement. Cette mise en évidence des conditions structurelles pour la réalisation de différentes prédictions nous permet de mieux comprendre quels mécanismes écologiques prédominent selon différentes conditions, dirigeant l'effet de la diversité sur le fonctionnement. / Human-driven disturbances are causing profound changes in ecological communities, as many characteristics of species are altered, from their physiology to their very occurrence. These changes affect the composition, diversity and structure of communities, since species do not always interact in the same way under different conditions. Predicting the fate of these emerging communities, and the functions they support, is a central challenge for ecology and our societies. Diverging conceptual frameworks have been used to address this challenge, based on different ecological mechanisms. On the one hand, food chain analysis uses consumption to explain the effects of vertical diversity (the number of trophic levels) on functioning, and on the other hand, biodiversity-functioning analyses link competition and the effects of horizontal diversity (diversity within isolated trophic levels). Each of these domains has produced key results for understanding the functional consequences of changes in the composition and diversity of ecological communities. However, they are each based on different strong simplifications of communities. The hypothesis underlying this thesis is that reconciling the fundamental results of these divergent conceptual fields, as well as the effects of changes in the structure of biodiversity, into a single framework is a key step towards improving our understanding of the functioning of changing ecological communities. The recent development of food web analysis and of models to simulate food webs functioning provides an ideal framework for this reconciliation. Food webs map the exchange of matter between all species in a community, allowing for a variety of interactions to take place. They better reflect the complex reality of communities than food chains or their isolated trophic levels, notably by integrating competition and consumption. A classical consumer-resource bioenergetic model developed by Yodzis and Innes (1992) specifically makes it possible to realistically simulate their functioning, using empirically tested mechanisms and rates. Beyond using these tools, this thesis focuses on their evaluation and implementation. After a first, introductory chapter, the second chapter proposes an open, common, well-tested and efficient platform for the use of the bioenergetic model, allowing a faster and easier synthesis of the results. The third chapter is a review of the methodological corpus for ecological networks analysis, outlining a range of robust and informative methods, and highlighting their scope and limitations. Finally, the fourth chapter puts this methodological framework to the test. In this chapter, we show the existence of a relationship between the complexity of communities' food-web structure and functioning regime, resulting in the realization of different predictions from food chain analysis or diversity-functioning analyses. This demonstration of the structural conditions for the realization of different predictions allows us to better understand which ecological mechanisms predominate under different conditions, directing the effect of diversity on functioning.