Le photosystème II (PSII) est un complexe multi-protéique qui utilise l'énergie solaire pour oxyder l'eau et réduire des quinones. Le site catalytique d'oxydation de l'eau est localisé coté lumen du complexe, alors, que le site de réduction comprenant deux quinones (QA et QB) et un fer non-hémique est localisé sur le coté stromal du complexe membranaire. Dans cette thèse j'ai étudié les deux cotés accepteur et donneur d'électrons du PSII.QA*- et QB*- sont couplés magnétiquement au fer non-hémique donnant de faibles signaux RPE. Le fer non-hémique possède quatre ligands histidines et un ligand (bi)carbonate échangeable. Le formate peut échanger le ligand (bi)carbonate induisant un ralentissement dans le transfert d'électrons. Ici, je décris une modification du signal RPE de QB*- Fe2+ lorsque le formate est substitué au (bi)carbonate. J'ai aussi découvert un second signal RPE dû à la présence du formate à la place du (bi)carbonate lorsque QB est doublement réduit. De plus, j'ai trouvé que les signaux RPE natifs de QA*- Fe2+ et QB*- Fe2+ possèdent une signature intense encore jamais détectée. Tous les signaux RPE rapportés dans cette thèse devraient faciliter le titrage redox de QB par RPE. J'ai aussi observé que QB*- peut oxyder le fer non-hémique à l'obscurité en anaérobie. Cette observation implique qu'au moins dans une fraction des centres, le couple QB*-/QBH2 possède un potentiel redox plus haut que supposé. La quantification du nombre de centres où cette oxydation du fer se produit par le couple QB*-/QBH2 reste à faire. La réduction du PSII par le dithionite génère un signal modifié de QA*-Fe2+, un changement structural du PSII observé par électrophorèse. Cela peut indiquer la réduction d'un pont disulfure à l'intérieur du PSII. Concernant le site d'oxydation de l'eau, j'ai étudié la première étape de l'assemblage du site catalytique (Mn4Ca), en suivant l'oxydation du Mn2+ par RPE en bande X et haut champ. J'ai mis au point des conditions expérimentales permettant le piégeage du premier intermédiaire et j'ai aussi trouvé une incohérence avec des travaux publiés dans la littérature. J'ai aussi trouvé que le dithionite pouvait réduire le site catalytique Mn4Ca, en formant des états sur-réduits qui peuvent correspondre aux intermédiaires de l'assemblage du cluster Mn4Ca.

Les observations de radicaux organiques dans les enzymes et de leur implication dans les cycles catalytiques n'ont cessé de croître ces dernières années. La spectroscopie de résonance paramagnétique électronique (RPE) à champ intense est un outil de choix pour l'étude de radicaux organiques car elle permet de résoudre la faible anisotropie du tenseur g pour ces espèces paramagnétiques. Un spectromètre fonctionnant à 285 GHz / 10.5 teslas a été construit dans la Section de Bioénergétique du centre d'études du CEA de Saclay. Le travail présentée dans ce mémoire de thèse a porté sur l'application de la RPE à champ intense à l'étude de radicaux organiques présents dans le photosystème II, qui est l'enzyme de dégagement d'oxygène, ainsi que dans les composés I de deux peroxydases, la cytochrome c peroxydase et la prostaglandine synthase.<br />Le premier chapitre présente la technique de RPE à champ intense de façon générale et introduit l'instrumentation. Les aspects généraux du photosystème II utiles dans la suite du mémoire sont également présentés.<br />Le second chapitre montre comment les propriétés anisotropes du tenseur g ont été utilisées pour obtenir des informations structurales quant à l'orientation de radicaux organiques dans le photosystème II.<br />Les enzymes étudiées dans ce travail de thèse sont des métalloprotéines. Les situations de couplages magnétiques entre les centres métalliques et les radicaux organiques présents sont souvent rencontrées dans ces cas-là. Les chapitres 3 à 5 portent sur l'étude de tels systèmes couplés.<br />Le dernier chapitre présente des situations pour lesquelles l'étude des valeurs de g permet d'obtenir des informations sur l'environnement électrostatique du radical étudié. Cette propriété déjà connue pour les radicaux tyrosyles et semiquinones est étendue aux radicaux anions de phéophytines.

Le photosystème II (PSII) est un complexe multi-protéique qui utilise l'énergie solaire pour oxyder l'eau et réduire des quinones. Le site catalytique d'oxydation de l'eau est localisé coté lumen du complexe, alors, que le site de réduction comprenant deux quinones (QA et QB) et un fer non-hémique est localisé sur le coté stromal du complexe membranaire. Dans cette thèse j'ai étudié les deux cotés accepteur et donneur d'électrons du PSII.QA•- et QB•- sont couplés magnétiquement au fer non-hémique donnant de faibles signaux RPE. Le fer non-hémique possède quatre ligands histidines et un ligand (bi)carbonate échangeable. Le formate peut échanger le ligand (bi)carbonate induisant un ralentissement dans le transfert d'électrons. Ici, je décris une modification du signal RPE de QB•- Fe2+ lorsque le formate est substitué au (bi)carbonate. J'ai aussi découvert un second signal RPE dû à la présence du formate à la place du (bi)carbonate lorsque QB est doublement réduit. De plus, j'ai trouvé que les signaux RPE natifs de QA•- Fe2+ et QB•- Fe2+ possèdent une signature intense encore jamais détectée. Tous les signaux RPE rapportés dans cette thèse devraient faciliter le titrage redox de QB par RPE. J'ai aussi observé que QB•- peut oxyder le fer non-hémique à l'obscurité en anaérobie. Cette observation implique qu'au moins dans une fraction des centres, le couple QB•-/QBH2 possède un potentiel redox plus haut que supposé. La quantification du nombre de centres où cette oxydation du fer se produit par le couple QB•-/QBH2 reste à faire. La réduction du PSII par le dithionite génère un signal modifié de QA•-Fe2+, un changement structural du PSII observé par électrophorèse. Cela peut indiquer la réduction d'un pont disulfure à l'intérieur du PSII. Concernant le site d’oxydation de l'eau, j'ai étudié la première étape de l'assemblage du site catalytique (Mn4Ca), en suivant l'oxydation du Mn2+ par RPE en bande X et haut champ. J'ai mis au point des conditions expérimentales permettant le piégeage du premier intermédiaire et j'ai aussi trouvé une incohérence avec des travaux publiés dans la littérature. J'ai aussi trouvé que le dithionite pouvait réduire le site catalytique Mn4Ca, en formant des états sur-réduits qui peuvent correspondre aux intermédiaires de l'assemblage du cluster Mn4Ca. / Photosystem II (PSII) uses light energy to oxidise water and reduce quinone. The water oxidation site is a Mn4Ca cluster located on the luminal side of the membrane protein complex, while the quinone reduction site is made up of two quinones (QA and QB) and a non-heme Fe2+ located on the stromal side of the membrane protein. In this thesis I worked on both oxidation and reduction functions of the enzyme. QA•- and QB•- are magnetically couple to the Fe2+ giving weak and complex EPR signals. The distorted octahedral Fe2+ has four histidines ligands and an exchangeable (bi)carbonate ligand. Formate can displace the exchangeable (bi)carbonate ligand, slowing electron transfer out of the PSII reaction centre. Here I report the formate-modified QB•- Fe2+ EPR signal, and this shows marked spectral changes and has a greatly enhanced intensity. I also discovered a second new EPR signal from formate-treated PSII that is attributed to formate-modified QA•- Fe2+ in the presence of a 2-electron reduced form of QB. In addition, I found that the native QA•- Fe2+ and QB•- Fe2+ EPR signals have a strong feature that had been previously missed because of overlapping signals (mainly the stable tyrosyl radical TyrD•). These previously unreported EPR signals should allow for the redox potential of this cofactor to be directly determined for the first time. I also observed that when QB•-Fe was formed; it was able to oxidise the iron slowly in the dark. This occurred in samples pumped to remove O2. This observation implies that at least in some centres, the QB•-/QBH2 couple has a higher potential then is often assumed and thus that the protein-bound semiquinone is thermodynamically less stable expected. It has yet to be determined if this represents a situation occurring in the majority of centres. Treatment of the system with dithionite generated a modified form of QA•-Fe2+ state and a change in the association of the proteins on gels. This indicates a redox induced modification of the protein, possibly structurally important cysteine bridge in PSII.On the water oxidation side of the enzyme, I studied the first step in the assembly of the Mn4Ca cluster looking at Mn2+ oxidation using kinetic EPR and high field EPR. Conditions were found for stabilising the first oxidised state and some discrepancies with the literature were observed. I also found that dithionite could be used to reduce the Mn4Ca, forming states that are formally equivalent to those that exist during the assembly of the enzyme.

La photosynthèse permet de convertir l’énergie solaire en énergie chimique. Ce processus met en jeu un grand nombre de protéines et complexes protéiques. Le premier complexe de la chaîne photosynthétique est le photosystème II où a lieu l’oxydation de l’eau. Le PSII est composé des protéines D1 et D2. Chez la cyanobactérie thermophile Thermosynechococcus elongatus, il y a trois gènes qui codent trois protéines D1 différentes. La première partie de la thèse décrit le développement d’outils protéomiques basés sur les gels d’électrophorèse 2D pour étudier le protéome des trois différents variants, qui expriment chacun une seule protéine pour D1. Peu de différences ont été trouvées. Toutefois, un seul des variants exprime Tll0287. La deuxième partie de la thèse décrit la caractérisation de Tll0287 avec différents techniques : spectroscopies d’absorption UV-visible ou de résonance Raman et spectro-électrochimie. Tll0287 a été identifié comme un cytochrome de type c, mais il présente beaucoup de caractéristiques inattendues. Les spectres d’absorption UV-visible et de résonance Raman de Tll0287 réduit montrent une dépendance vis-à-vis du pH. Deux formes d’hèmes sont présents dans chacun des états oxydé et réduit. Un changement du ligand cystéine a été observé quand l’hème est réduit. Les titrages redox présentent de multiples potentiels à pH 10 et pH 5. Tll0287 peut fixer une molécule de CO à pH 7,6. Ces caractéristiques suggèrent que Tll0287 pourrait être une protéine senseur. De plus, la structure cristallographique montre que Tll0287 n’a pas un repliement classique d’un cytochrome de type c mais celui d’une protéine senseur. Les mutants de délétion du gène tll0287 ont été construits et aideront à comprendre la fonction de ce nouveau cytochrome. La troisième partie décrit l’étude de PsbV2 : un autre cytochrome de type c. Afin d’obtenir en quantité suffisante la protéine pour permettre sa caractérisation, elle a été surexprimée dans un système homologue en utilisant le promoteur de l’enzyme de la rubisco. Le potentiel redox de PsbV2 a été déterminé, comme étant très bas, inférieur à -460 mV (vs SHE, pH 5). Le spectre d’absorption UV-visible de la forme réduite a été caractérisé. La structure cristallographique de PsbV2 a été résolue et a révélé une cystéine comme ligand axial et un repliement proche de celui de cytochromes connus de T.elongatus. Bien que Tll0287 et PsbV2 présentent une cystéine comme ligand axial, leurs structures et leurs propriétés physico-chimiques suggèrent que leurs fonctions sont bien différentes. Une contribution majeure de cette thèse est la caractérisation d’un nouveau senseur à hème de type c chez les cyanobactéries et le développement d’outils nécessaires pour son étude. / Photosynthesis converts solar energy into chemical energy. This process involves a large number of proteins and protein complexes. The first protein complex in the photosynthetic chain is Photosystem II within the oxidation of water takes place. PSII is composed of the D1 and D2 proteins. In the thermophile cyanobacterium Thermosynechococcus elongatus, three genes encoded three different D1 proteins. The first part of this thesis describes the development of proteomics tools based on 2D gel-electrophoresis to study the proteome of three different variants, each expressing a single different D1 protein. Very few differences were found. However, only one expressed the protein Tll0287. The second part of the thesis describes the characterization of Tll0287. It was characterized using different techniques: electronic absorption and Raman resonance spectroscopies and spectro-electrochemistry. Tll0287 has been previously identified as a c-type cytochrome, but it presents some unexpected characteristics. The UV-visible absorption and Raman resonance spectra of reduced Tll0287 show a pH dependence. The reduced and oxidized states each had two different forms of the heme. A switch of ligands from a cysteine to histidine was observed in the reduced state. Redox titration showed multiple midpoints at pH 10 and 5. Tll0287 was shown to fix a CO molecule at pH 7.6. These physical properties suggested that Tll0287 could be a sensor. The crystallographic studies reveal that Tll0287 does not have a classical c-type cytochrome fold and is similar to other known sensor proteins, strengthening the hypothesis that it is a sensor. Deletion mutants were constructed that will help to better understand the function of this new cytochrome. The third part describes a study of the PsbV2, another c-type cytochrome. In order to obtain sufficient quantities to carry out characterization of this protein, it was overexpressed in a homologous system using the promotor of the rubisco enzyme. The redox midpoint potential of PsbV2 was found to be very low, below -460 mV (vs SHE, pH 5). The UV-visible absorption spectrum of the reduced form was determined. The crystallographic structure of PsbV2 was solved and reveals an axial cysteine ligand. Although both Tll0287 and PsbV2 share this feature, their different structures and physico-chemical properties suggest that their functions are unlikely to be similar. A major contribution of this thesis is the characterization of a new c-type cytochrome sensor in cyanobacteria and the development of proteomic tools required to study it.

Ce mémoire de thèse est consacré au développement et à la caractérisation de nouveaux complexes homo- et hétéronucléaires de manganèse et de métaux alcalino-terreux dans le cadre de la modélisation du cluster inorganique Mn4CaO5 de l’OEC du photosystème II.De nouveaux ligands incluant un nombre variable de groupements pyridine-carboxylates basés sur les architectures tris-(2-picolyl)amine et bis-(2-picolyl)ethylamine ont été synthétisés. Ces ligands ont permis d’isoler de nouveaux complexes homonucléaires avec Ca2+ et Sr2+ et ainsi que des complexes hétéronucléaires MnII–Ca. L’analyse par spectroscopie XAS sur le calcium de certaines de ces espèces (parmi d’autres modèles) a permis de calibrer cette technique et ainsi montrer que le XAS pourrait être utilisé pour sonder le cluster naturel dans les différents états du cycle de Kok.Par la suite, une nouvelle famille de complexes tétranucléaires MnII3M’ (M’ = Li+, Ca2+, Sr2+, Mn2+) a été isolée, reposant sur une base métallomacrocyclique trinucléaire accueillant un cation M’ dans la cavité formée. Ces complexes ont révélé un comportement électrochimique original présentant trois systèmes redox successifs et réversibles dont le potentiel varie avec M’. Ces espèces ont démontré une excellente stabilité en solution, y compris à l’état d’oxydation du manganèse +III. Des complexes homonucléaires M3M (M = Fe2+, Co2+) similaires ont aussi été étudiés.Enfin, des complexes binucléaires de Mn3+ pontés par des ligands oxo ont été isolés, ainsi que leurs précurseurs de Mn2+. Par ailleurs, un exemple de cluster métallomacrocyclique à valence mixte Mn2+/Mn3+ et incorporant du calcium a été obtenu, qui représente le premier exemple d’un manganèse(II) ponté par un ligand hydroxo à deux ions Ca2+. / This thesis is focused on the development and characterization of new homo- and heteronuclear complexes of manganese and alkaline-earth metals for the modelization of the Mn4CaO5 inorganic cluster of the OEC of photosystem II.New ligands incorporating a varied number of pyridine-carboxylate groups and based on the tris-(2-picolyl)amine and bis-(2-picolyl)ethylamine architectures have been synthesized. These ligands enabled the isolation of Ca2+ and Sr2+ homonuclear complexes as well as heteronuclear MnII–Ca complexes. Part of these species have been characterized (among other models) by Ca XAS spectroscopy, enabling the calibration of this technique for the study of more complex systems such as the OEC.Furthermore, a new family of MnII3M’ (M’ = Li+, Ca2+, Sr2+, Mn2+) tetranuclear complexes has been isolated, based on a trinuclear Mn2+ metallamacrocyclic architecture hosting a M’ cation in the formed cavity. These complexes exhibited an original electrochemical behavior, displaying three successive reversible redox processes in oxidation whose potentials vary depending on the metal M’. These species demonstrated an excellent stability in solution, even at the +III oxidation state of manganese. Similar homonuclear M3M (M = Fe2+, Co2+) complexes have been isolated.Finally, binuclear Mn3+ complexes bridged by oxo ligands have been isolated, as well as their Mn2+ precursors. Moreover, a mixed-valence Mn2+/Mn3+ metallamacrocyclic cluster incorporating calcium has been synthesized, revealing the first example of a manganese(II) bridged by an hydroxo ligand to Ca2+ ions.