Molecular electrochemistry has proved to be very useful for characterizing redox reactions and deciphering chemical reaction mechanisms that are associated with electron transfer. It correlates strongly with redox-based medicine. In this study, we investigated the electrochemical behavior of pterocarpanquinones and selenoquinones, in protic and aprotic media, in the absence and presence of oxygen, in order to obtain data regarding their reduction mechanisms, reactivity with oxygen, the analysis of the stability of the electrogenerated intermediates and interactions with biological targets, like DNA. In typical measurements, CVs were recorded in aprotic medium (DMF + TBAPF6) to resemble the cell membrane environment. On the other hand, protic medium mimics the hydrophilic regions of the biological matrixes. This work shows cases of successful pharmacoelectrochemical investigations. In the first case, we investigate the electrochemical behavior of LQB-118, a pterocarpanquinone, which is anticancer and parasiticidal, with biological mechanisms of action related to the formation of ROS and interaction with DNA, among others. The cyclic voltammogram (VC) for LQB-118 in aprotic medium exhibits, at least, four waves. The first two are related to the usual reduction of quinones. The presence of additional waves suggests the clivage of the heterocyclic rings and the generation of additional reducible systems. A spectroelectrochemical investigation revealed the appearance of new absorption bands, which suggest the formation of the transient quinonamethide (QM). The QM was captured with thiophenol. In addition, electrochemical experiments were performed in the presence and absence of oxygen to verify the reactivity with oxygen, after the reduction of LQB-118 and its derivatives, with positive results. Studies with the ssDNA biosensor in solution showed positive interaction with LQB-118 and its electrogenerated products. The interaction of LQB-118 with CT-DNA was also evidenced by the fluorescence quenching technique. In the second case, CV was used to investigate the electrochemical behaviour of the antitumor selenoquinones. The obtained profiles confirmed the presence of two individual redox centres. All the compounds had shown electrochemical activity in the cathodic and anodic portions of the CVs. We also studied the behaviour of the compounds in protic medium. Electrochemical methods do well to predict the mechanism for adduct formation, structural rearrangement, generation of reactive oxigen species of pterocarpanquinones and appear well-adapted to explore redox pathways of all the compounds in vitro to be correlated to in vivo studies. / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / A eletroquímica molecular tem se mostrado muito útil para caracterizar reações redox e decifrar mecanismos reacionais associados à transferência de elétrons. Relaciona-se fortemente com a medicina redox. Neste estudo, investigou-se o comportamento eletroquímico de quinonas híbridas, tais como pterocarpanoquinonas e selenoquinonas, em meios prótico e aprótico, na ausência e presença de oxigênio, a fim de obter dados sobre seus mecanismos de redução e oxidação, reatividade com oxigênio, análise da estabilidade dos intermediários eletrogerados e interações com alvos biológicos importantes, como os tióis e o DNA. Em medidas típicas, os voltamogramas cíclicos (VCs) foram registrados em meio aprótico (DMF + TBABF6), para se assemelhar ao ambiente lipofílico, típico de membranas celulares. Por outro lado, o meio prótico mimetiza regiões hidrofílicas das matrizes biológicas. Este trabalho descreve dois casos de investigações farmacoeletroquímicas bem-sucedidas. No primeiro caso, investigou-se o comportamento eletroquímico da LQB-118, uma pterocarpanoquinona antitumoral e parasiticida, com mecanismos de ação relacionados à formação de espécies reativas de oxigênio (EROs) e interação com DNA, entre outros. Estudou-se também as pterocarpanoquinonas derivadas da LQB-118, mais precisamente seus derivados clorado, bromado e nitrado. O voltamograma cíclico (VC) para a LQB-118, em meio aprótico, exibe, pelo menos, quatro ondas catódicas. As duas primeiras são relacionadas com a redução habitual de quinonas. A presença de ondas adicionais sugere a quebra de anel heterocíclico e a geração de sistemas redutíveis adicionais. Investigação espectroeletroquímica revelou o surgimento de novas bandas de absorção, as quais sugerem a formação do quinonametídeo (QM) transiente. O QM foi capturado com tiofenol. Além disso, experimentos eletroquímicos foram realizados na presença e na ausência de oxigênio para verificar a reatividade com oxigênio, após a redução de LQB-118 e seus derivados, com resultados positivos. Estudos com o sensor de ssDNA, em solução, mostrou interação positiva com LQB-118 e seus produtos eletrogerados. A interação de LQB-118 com CT-DNA também foi evidenciada através da técnica de quenching de fluorescência. No segundo caso, a voltametria cíclica foi utilizada para investigar o comportamento eletroquímico de selenoquinonas antitumorais. Os perfis obtidos confirmam a presença de dois centros redox individuais. Todos os compostos mostraram atividade eletroquímica nas regiões anódica e catódica dos VCs. Estudou-se também o comportamento dos compostos em meio prótico e foi observada a formação de selenóxidos. Métodos eletroquímicos se mostraram adequados para prever rearranjos estruturais, formação de adutos, geração de espécies reativas de oxigênio, no caso de pterocarpanquinonas e para explorar caminhos redox in vitro das outras séries, correlacionando-se aos estudos in vivo.

O efeito de alterações no estado de óxido-redução (redox), tanto pelo aumento no estado oxidativo quanto pelo aumento no estado redutor, foi avaliado sobre a funcionalidade de ilhotas pancreáticas, através da análise da secreção de insulina estimulada pela glicose (GSIS), metabolismo da glicose e oscilações intracelulares de cálcio. O aumento no estado oxidativo inibiu a funcionalidade da célula pancreática. Entretanto, diminuição no estado oxidativo pela adição de antioxidantes exerceu efeito dual sobre a funcionalidade da célula <font face=\"Symbol\">&#946 pancreática, na qual pequenas alterações no estado redox estimularam a GSIS, enquanto alterações maiores suprimiram este efeito positivo. Adicionalmente, o conteúdo das espécies reativas de oxigênio (EROs) foi modulado por mudanças na concentração de glicose. Agudamente, o aumento na concentração de glicose suprimiu o conteúdo de EROs, que pôde ser correlacionada com o aumento na atividade da via de formação de NADPH, a via das pentoses-fosfato. Sob estes aspectos, alterações no estado redox podem ser parte do processo da GSIS. / The effect of changes in the oxidation/reduction (redox) state over pancreatic islet function was analyzed by shifts toward oxidative or reducing environments. Pancreatic cell function was analyzed by glucose-stimulated insulin secretion (GSIS), glucose metabolism and intracellular calcium oscillations. Redox modulation favoring the oxidative state inhibited pancreatic cell function. However, the suppression of the oxidative state by antioxidant treatment exerted a dual effect on pancreatic <font face=\"Symbol\">&#946 cell function, where small changes were positively correlated with an increase in insulin secretion, while higher changes suppressed GSIS. Additionally, the reactive oxygen species (ROS) content was modulated by changes in glucose concentration. Increasing concentrations of glucose acutely suppressed ROS content, what was correlated with the activation of the NADPH source, the pentose-phosphate pathway. Thus, the intracellular adjustment of ROS content may be part of the insulin secretion mechanism in response to glucose.

Submitted by Geandra Rodrigues (geandrar@gmail.com) on 2018-09-04T14:24:54Z No. of bitstreams: 1 rodrigofragadealmeida.pdf: 7192674 bytes, checksum: 6ae959161ccde060e031fade5c149253 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2018-09-04T15:52:10Z (GMT) No. of bitstreams: 1 rodrigofragadealmeida.pdf: 7192674 bytes, checksum: 6ae959161ccde060e031fade5c149253 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-09-04T15:52:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 rodrigofragadealmeida.pdf: 7192674 bytes, checksum: 6ae959161ccde060e031fade5c149253 (MD5) Previous issue date: 2018-07-30 / A busca por fontes renováveis de energia cresce cada vez mais em diversas regiões do mundo devido a demanda crescente e pela poluição gerada pelo uso de combustíveis fósseis. A energia solar é uma fonte renovável e inesgotável de energia que pode ser aproveitada diretamente por diversos tipos de células solares. Entre estes variadostipos, as células solares sensibilizadas por corante (DSSCs em inglês) se mostram promissoras devido à sua alta eficiência. Das variadas moléculas usadas como sensibilizador neste tipo de célula, as mais eficientes são os complexos polipiridínicos de rutênio(II). Diversas propriedades são importantes para que uma molécula seja aplicável em uma DSSC como um sensibilizador eficiente, entre elas uma larga e intensa absorção na região visível e infravermelho próximo do espectro eletromagnético e um potencial redox que permita que o sensibilizador seja regenerado pelo par redox,que também faz parte da célula. Neste trabalhofoi construída uma metodologia computacional baseada em dados experimentais que leva a resultados com pequenos desviospara o cálculo de potenciais redox e espectros eletrônicosde complexos cis-[Ru(R2-phen)(dcbpy)(NCS)2], sendo dcbpy a 4,4’-dicarboxi-2,2’-bipiridina e R2-phen a 1,10-fenantrolina com substituintes R nas posições 4 e 7.Parao cálculo de potenciais redox foi aplicadaa teoria do funcional da densidade (DFT) e paraasimulação dosespectroseletrônicosa DFT dependente do tempo (TDDFT). Com esta metodologia, novos complexos foram avaliados e suas propriedades estudadas visando estimar as suas eficiências se aplicados a DSSCs. Os novos complexos que apresentaram melhores resultados,em ordem do menos para o mais promissor,são aqueles com substituintes R = 2-piridil, 2-(5-etilfuril), 2-benzotiazolil. / The search for renewable energy sources grows increasingly in many regions of the world due to the crescent demand and pollution generated by the use of fossil fuels.The solar energy is a renewable and endless source of energy, which may be harnessed directly with different types of solar cells. Among thesevaried types, the dye-sensitized solar cells (DSSCs) present themselves to be promising owing to their high efficiency. Fromthe many molecules used as sensitizers in this kind of cell, the most efficient are thepolypyridinicruthenium(II) complexes. Different properties are important for a molecule to be applicable in a DSSC as an efficient sensitizer, among them a broad and intense absorption in the visible and near infrared region of the electromagnetic spectrum and a redox potential that allows the sensitizer to be regenerated by the redox couple,that is also part of the cell. In this work wasbuilt a computational methodologybased on experimental datawhich gives results with small deviations, for the calculation of redox potentials and electronic spectra of complexes cis-[Ru(R2-phen)(dcbpy)(NCS)2], where dcbpy is the4,4’-dicarboxylic acid 2,2’-bipyridineandR2-phenthe1,10-phenanthrolinewith R substituents on the positions 4 and 7. For the calculation of redox potentials, was applied the density functional theory (DFT) and for the electronic spectra simulations, the time-dependent DFT (TDDFT). With this methodology, new complexes where evaluated and their properties studied intending to estimate their efficiencies if applied to DSSCs. The new complexes that presented better results, in order from the less to the most promising, were those with substituents R = 2-pyridyl, 2-(5-ethylfuryl) and 2-benzothiazolyl.

L’amélioration des systèmes de stockage d’énergie représente un défi majeur de la transition vers les véhicules électriques et les énergies renouvelables. Les accumulateurs Li-ion, qui ont déjà conquis le marché de l’électronique portatif, constitueront la technologie dominante pour réaliser cet objectif, et sont donc l’objet d’intense recherches afin d’améliorer leurs performances, en particulier en termes de capacité. Parmi les stratégies les plus prometteuse pour augmenter la capacité des matériaux de cathodes, beaucoup d’espoir est placé dans la préparation de matériaux riches en lithium, qui combinent l’activité électrochimique des cations (métaux de transitions) et des anions (oxygène). Cependant, l’activation des propriétés redox de l’oxygène est accompagnée de plusieurs problèmes qui freinent le développement industriel de ces matériaux. Il est donc nécessaire d’obtenir de solides connaissances fondamentales sur le phénomène de redox anionique pour résoudre ces problèmes. En utilisant des matériaux modèles à base d’iridium, ce travail explore comment l’activité de l’oxygène est influencé par son environnement local. Les propriétés électrochimiques des composés Na2IrO3 et Na(Li1/3Ir2/3)O2 sont étudiés afin de comprendre l’impact de la nature de l’ion alcalin. L’influence du ratio Li/M dans les oxydes de structure NaCl est étudié à travers la synthèse d’un nouveau composé de formule Li3IrO4, qui présente la plus haute capacité réversible parmi les matériaux d’insertion utilisés comme cathode. Cette famille de matériau est finalement étendue à des phases contenant des protons par une simple méthode d’échange cationique, et les propriétés électrochimiques d’un nouveau composé H3+xIrO4 sont étudiées, dévoilant de très bonnes propriétés de stockage de puissance en milieu aqueux. / Improving energy storage stands as a key challenge to facilitate the transition to electric vehicles and renewable energy sources in the next years. Li-ion batteries, which have already conquered the portable electronic market, will be the leading technology to achieve this goal and are therefore the focus of intense research activities to improve their performances, especially in terms of capacity. Among the most promising strategies to obtain high capacity cathode materials, the preparation of Li-rich materials combining the redox activity of cations (transition metals) and anions (oxygen) attracts considerable interest. However, activation of anionic redox in these high capacity materials comes with several issues that need to be solved prior their implementation in the energy storage market. Deep fundamental understanding of anionic redox is therefore required to go forward. Using model systems based on iridium, this work explores how the oxygen local environment can play a role on the activation of anionic redox. The electrochemical properties of Na2IrO3 and Na(Li1/3Ir2/3)O2 phases are studied to understand the impact of the alkali nature. The influence of the Li/M ratio in rocksalt oxides is investigated with the synthesis of a new material Li3IrO4, which presents the highest reversible capacity among intercalation cathode materials. The rich electrochemical properties of this family of iridate materials are finally extended by preparing proton-based materials through a simple ion-exchange reaction and the electrochemical properties of a new H3+xIrO4 material are presented, with high rate capability performances.

Le paludisme reste une des maladies infectieuses les plus importantes au monde. Récemment, le laboratoire de Dr E. Davioud-Charvet a conçu des 3-Benzyl-Ménadiones substituées (benzylMD) comme agents antipaludiques prometteurs. Les études sur le mode d'action ont mis en évidenceque ces molecules déstabilisent l'équilibre redox des érythrocytes infectés en agissant comme agent catalytique redox (redox-Cycler), une stratégie prometteur pour le développement de nouveaux agents antipaludiques. Le travail de thèse présenté a caractérisé l'activité in vitro et le mécanisme d'action de tête de série, la 3-[4-(trifluorométhyl)-Benzyl]-Ménadione 1c, ce qui représente une partie principale du développement des benzylMDs. Une deuxième partie explorait les relations structure-Activité de benzylMD dérivés. Dans l'ensemble, les résultats démontrent l'activité in vitro très prometteuse de la benzylMD 1 cet soutiennent l'amélioration de benzylMDs comme nouveaux candidats-Médicaments antipaludiques. / Malaria is still one of the most important infectious diseases worldwide. Previously, the laboratory of Dr. E. Davioud-Charvet presented the chemical design of very promising antimalarial agents, 3-[substituted-Benzyl]-Menadiones (benzylMD). Studies on the mode of action evidenced that these agents disturb the redox balance of the parasitized erythrocyte by acting as redox-Cyclers - a promising strategy for the development of new antimalarial agents. The presented PhD work characterized the in vitro potency and the mechanism of action of the lead agent, the 3-[4-(trifluoromethyl)benzyl]-Menadione 1 c, which represents an essential part of the lead optimization stage of the benzylMD drug development process. A second part of this work focused on the structure-Activity relationships benzylMD derivatives. Overall, the presented findings demonstrate the promising in vitro potency of lead benzylMD 1c and highly support the further development of benzylMDs as antimalarial drug candidates.

L’intégration des énergies renouvelables pour la production d’électricité impose une bonne maîtrise des flux énergétiques et le développement de nouveaux dispositifs de stockage de l’électricité est devenu un élément clé pour corriger l’intermittence des énergies éolienne et photovoltaïque. Parmi les dispositifs de stockage électrochimiques existants, les batteries se caractérisent par une grande densité d’énergie, mais souffrent d’une faible puissance, tandis que les supercondensateurs électrochimiques ont une faible densité d’énergie, mais conservent l’avantage d’une grande puissance. La difficulté à réunir ensemble puissance et énergie laisse vacant un large domaine du diagramme de Ragone, devenu la cible de nouveaux dispositifs hybrides. Une stratégie récente pour améliorer les performances des dispositifs de stockage consiste à greffer des molécules électroactives sur les matériaux d’électrodes, afin d’ajouter une contribution faradique au stockage. Cette approche modulaire permet de construire un matériau hybride sur mesure en fonction de l’application visée, mais la stratégie du greffage montre des limitations et des efforts restent à faire pour concilier les bonnes propriétés des molécules et du carbone, souvent utilisé pour cette application. Au cours de cette thèse, l’impact des propriétés de texture de matériaux carbonés poreux sur la modification chimique d’électrodes de supercondensateurs a été étudié afin de rationaliser la sélection des carbones et améliorer l’intégration des molécules. Dans cette perspective, le greffage du liant, jusqu’à présent considéré comme une masse "morte", sera considéré comme une alternative au greffage du carbone. / The integration of renewable energy into the production of electricity, forces us to conceive innovative charge storage systems to deal with the issue of the intermittent supply of wind and solar-generated electricity. At present, electric storage devices range from electrochemical capacitors, which can supply high power densities but suffer from low energy densities, to batteries, which are considered as a high-energydensity and low-power-density technology. The difficulty of combining the high power density of supercapacitors with the high energy density of batteries creates a large free area in the Ragone diagram that is targeted by new hybrid energy systems. A recent strategy consists in grafting fast redox-active small molecules onto the surface of porous carbons for producing organic storage devices at the frontier between electrochemical capacitors and batteries. This modular approach allows designing universal electrode materials applicable both for anode and cathode, but efforts are still needed for improving the integration of molecules in the microporous structure of carbons. In this thesis, we have studied the impact of textural properties of a series of carbons on the electrochemical performances of the corresponding carbon-molecules composite materials to rationalize the selection of carbons and enhancing the integration of molecules in the microposity of carbons. An novel approach, presented at the end of this work, for improving performance without decreasing the double-layer capacitance contribution and hindering the ionic transportation is to use the binder for the charge storage by grafting molecules onto its polymeric skeleton.

L’écosystème digestif est sous l’influence de facteurs abiotiques et biotiques qui déterminent son équilibre et par conséquent influencent la santé digestive de l'hôte. Chez le lapin en croissance, un déséquilibre de l’écosystème caecal est associé aux entéropathies, responsables de mortalités importantes en élevage. La compréhension des interactions biotope – biocénose digestive permettra la mise en oeuvre de stratégies pour garantir l'équilibre de cet écosystème. Ainsi, le rôle des facteurs biotiques de stabilité l’écosystème digestif, tels que des microorganismes exogènes probiotiques, fait actuellement l’objet de nombreuses études, mais leur mode d’action sur la biocénose et le biotope reste encore peu clair. L’objectif de notre travail est de contribuer à la compréhension du fonctionnement de l'écosystème caecal chez le jeune lapin, soumis ou non à un stress nutritionnel et en présence ou non d'une flore exogène ajoutée. Il s'agit aussi, de faire une approche comparative des effets d'un même probiotique (S. cerevisiae) dans cet écosystème et dans le rumen de la vache, pour mieux décrire les mécanismes d'action d'une levure probiotique sur les relations biocénose-biotope. Dans ce but, nous avons mis au point et validé pour le caecum du lapin la mesure du potentiel redox (Eh), pour mieux juger de l'état d'anaérobiose du biotope caecal. Nous avons également validé un nouvel indicateur de l’inflammation générale (haptoglobine sérique) en réponse à l'application d'un stress nutritionnel ou d'un état sanitaire déficient. Comparé au rumen, le biotope caecal est un milieu très anaérobie, puisque son potentiel redox moyen est de -220 mV et ne varie pas avec l’âge (de 28 à 64 jours). La biodiversité de la biocénose bactérienne caecale, calculée à partir de leur empreinte moléculaire (CE-SSCP) est en moyenne de 5,0 (indice de Simpson). Chez l'animal touché par un dysfonctionnement digestif, nous observons une élévation du niveau général de l'inflammation (+70% du taux d’haptoglobine sérique), associée à une chute de l'activité fermentaire caecal (-50%) et une hausse du pH (+ 0,7), mais qui n'est pas associée à des variations d'Eh caecal ou de la diversité bactérienne. L'application d'un stress nutritionnel (déficience en fibres) entraîne chez le lapin une baisse de la concentration caecale en AGV totaux (-25%) et une hausse du pH (+0,1). Cependant, la déficience en fibres n’a pas d'effet marqué sur le Eh caecal, dont la moyenne est de -210 mV. De même, la diversité bactérienne n’est pas modifiée (5,3) par la réduction de la teneur en fibres de l’aliment et la similarité observée est de 76%. La teneur de fibres dans l’aliment n’influence pas non plus le niveau d'inflammation générale. L’apport de levures vivantes dans la ration du lapin tend à augmenter la diversité bactérienne (+10%), et peut élever le potentiel redox caecal de 25 mV caecal. Il n’affecte cependant pas la structure du microbiote bactérien caecal (similarité= 99%). Elle n’entraîne pas non plus de variation du taux d’haptoglobine. L'ingestion de levures vivantes a permis l’amélioration de la santé digestive par la réduction de la mortalité (jusqu'à -50%) pendant les périodes de forte mortalité où le taux d’haptoglobine sérique augmente d’environ 70%. L’effet de la levure observé ici dans le caecum du lapin diffère de celui observé dans le rumen de la vache, pour lequel on observe une baisse du potentiel redox et une hausse du pH, ce qui favoriserait l’activité des bactéries anaérobies strict transformant le lactate en propionate. La levure stabiliserait donc le biotope (pH, potentiel redox) qui favoriserait la croissance ou l’activité de certaines bactéries. Cette hypothèse reste encore à confirmer pour l'écosystème caecal du lapin, à l'aide méthode appropriées. / The digestive ecosystem is influenced by abiotics and biotics factors that determined its balance and consequently influenced the host digestive health. In the young rabbit, caecal ecosystem disorders are largely responsible for nonspecific enteropathies that cause livestock losses. Understanding biotope/biocenosis interrelationships would allow the development of new strategies that preserve the ecosystem balance. Thus, the role of biotic factors that stabilise the digestive ecosystem, such as probiotics is extensively studied, however their effects on biocenosis and biotope remain unclear. The aim of our work is to improve our understanding of the caecal ecosystem functioning, submitted or not to a nutritional stress and with or without addition of an exogenous flora. We also aimed to compare the effects of the same probiotic (S. cerevisiae) in the caecum and in the rumen (dairy cow), to improve our knowledge on the mechanisms of action of yeast probiotic on biocenosis and biotope. We have developed and validated the measure of redox potential in the caecum. We also validated for the growing rabbit, a new indicator of the general inflammation (haptoglobin) in response to the application of nutritional stress or under a deficient sanitary status. Compared to the rumen, the caecal biotope is very anaerobic, since its redox potential is meanly of -220mV, and do not vary with age (35-63d old). The biodiversity of the bacterial community in the caecum, calculated from fingerprint technique (SSCP), reached meanly 5.0 (Simpson index). In the rabbit having a digestive trouble, the seric haptoglobin concentration increased by 70%, while caecal fermentative activity dropped by 50%. In parallel, the caecal pH increased (+0,7 unit) whereas the redox potential and the bacterial diversity remain unaffected in the caecum. When the young rabbit is submitted to a nutritional stress (fibre deficiency), the caecal volatile fatty acids concentration dropped by 25%, while the pH increased by 0.1 unit. However, the fibre deficiency did not affect the caecal redox potential (meanly -210 mV). Similarly, the bacterial biodiversity in the caecum was not modified (5,3) according to dietary fibre intake, as well the bacterial community structure. Besides, the haptoglobin concentration remained similar with fibre intake. The live yeast added in the diet tended to increase the bacterial diversity (+10%), and could slightly increase the caecal Eh (+25 mV). Yeast have no effect on the structure of rabbit caecal microbiota (bacteria only), where the similarity is 99%. It does not change the serum haptoglobin level. In return, yeast addition improved the digestive health by reducing mortality rate by 50%, particularly during periods of high mortality, when the serum haptoglobin increased by 70%. The effect of yeast described in the rabbit caecum differed from that found for the cow rumen: yeast decreased the redox potential and increased the pH that favors the strict anaerobic bacterial activity. The live yeast thus would stabilise the biotope (pH, Eh) and would favor the growth and activity of specific bacteria. However, this hypothesis still remains to be confirmed for the rabbit caecal ecosystem, using pertinent methodology.

La phosphoribulokinase (PRK) et la glycéraldéhyde 3-phosphate déshydrogénase (GAPDH) sont deux enzymes-clés du cycle de Calvin-Benson. Leurs activités sont régulées par l’intermédiaire de la CP12, une protéine intrinsèquement désordonnée. Au cours de la transition lumière-obscurité, la GAPDH, la CP12 et la PRK forment un complexe supramoléculaire au sein duquel l’activité des enzymes est inhibée. Dans les travaux présentés ici, nous nous sommes intéressés à la formation de ce complexe et à la dynamique de ses composants. Nous avons montré pour la première fois que les résidus cystéine Cys243 et Cys249 de la PRK sont essentiels à la formation du complexe GAPDH-CP12-PRK et qu’ils peuvent former un pont disulfure en présence de CP12. Nous avons également étudié la dynamique de la CP12 en présence de ses partenaires, et observé que la CP12 adopte une conformation beaucoup plus compacte en présence de GAPDH et de PRK. La glutathionylation (formation d’un pont disulfure mixte entre une molécule de glutathion et un résidu cystéine appartenant à une protéine) est une modification post-traductionnelle associée au stress oxydant qui affecte dix enzymes du cycle de Calvin-Benson, y compris la GAPDH et la PRK. Nous avons étudié l’impact de la glutathionylation sur ces enzymes, et montré que l’inactivation de la PRK naît de l’encombrement du site de fixation de l’ATP.Enfin, la dernière partie de ces travaux est centrée sur l’adénylate kinase 3 de C. reinhardtii, une enzyme impliquée dans le métabolisme de l’ATP et qui possède une extension similaire à la CP12. Cette première étude montre que cette extension augmente la stabilité de l’ADK 3 et intervient dans sa glutathionylation. / Phosphoribulokinase (PRK) and glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase (GAPDH) are two key enzymes of the Calvin-Benson and their activities are redox-regulated through the intervention of CP12, a intrinsically disordered protein. During the light-to-dark transitions, GAPDH, CP12 and PRK form a supramolecular complex in which the enzymes are strongly inhibited; this complex is dissociated during the dark-to-light transition and the active enzymes are released.In the work presented here, we studied the formation of the complex and the dynamics of its components. For the first time, we showed that two cysteine residues of PRK, Cys243 and Cys249, are essential to the assembly of the GAPDH-CP12-PRK complex, and can form a disulfide bridge in presence of CP12.Glutathionylation (the formation of a mixed disulfide bridge linking one glutathione molecule and a cysteine residue from a protein) is a post-translational modification associated with oxidative stress that affects ten of the Calvin-Benson enzymes, including GAPDH and PRK, and we show that the inactivation of PRK by glutathionylation is caused by the blockage of the ATP binding site by glutathione.The last part of this work is centered around adenylate kinase 3 from C. reinhardtii, an enzyme tied to the energetic metabolism of the cells that presents a CP12-like C-terminal extension. Our results suggest that this CP12-like “tail” improve the stability of ADK 3 and participates in tis glutathionylation.

La régulation de la photosynthèse est cruciale pour les organismes photoautotrophes et est habituellement opérée par la modulation de l'absorption de la lumière ou par la réorientation des électrons vers des puits alternatifs afin de redistribuer l'énergie entre plusieurs voies métaboliques. Parmi les différents mécanismes décrits, le remodelage de l'appareil photosynthétique est crucial dans des conditions de carences nutritives ou de fluctuations de la lumière. Il est bien connu que l'oxyde nitrique (NO) joue un rôle de signalisation dans de nombreuses réponses au stress abiotique, agissant comme second messager et / ou modifiant les protéines cibles par des modifications post-traductionnelles redox. Sa participation a été récemment décrite au cours de la carence en azote chez Chlamydomonas reinhardtii. Ce travail se concentre sur le remodelage de l'appareil photosynthétique lors de la carence en soufre et lors des fluctuations de lumineuses chez Chlamydomonas reinhardtii, avec un intérêt particulier pour la voie de signalisation impliquée dans ces réponses. Tout d'abord, nous avons caractérisé la carence en soufre en conditions d’hétérotrophie ou de photo-autotrophie. En faible lumière ou à l’obscurité, l'inactivation photosynthétique est obtenue grâce à la dégradation spécifique de la Rubisco et du cytochrome b6f et ne se produit qu'en présence de carbone réduit dans le milieu. Nous avons également montré une forte production de NO après le début de la carence, avec des sondes fluorescentes sensibles au NO visualisées par microscopie confocale. Nous fournissons des preuves pharmacologiques que la production de NO intracellulaire régit cette voie de dégradation. En outre, ici, nous fournissons des preuves claires de l’existence d’un circuit régulateur qui contrôle la traduction cytosolique du LHCII en réponse à des changements de quantité de lumière. Ce circuit nécessite la protéine de liaison à l'ARN cytosolique NAB1 pour réprimer la traduction de certains ARNm de LHCII. La nitrosylation spécifique de la Cys-226 diminue l'activité de NAB1 et a été démontrée in vitro et in vivo. La forme moins active et nitrosylée de NAB1 se trouve dans les cellules acclimatées à un apport de lumière limité, ce qui permet l'accumulation de protéines des antennes et la capture efficace de la lumière. En revanche, une intensité lumineuse plus élevée provoque la dénitrosylation de NAB1, activant ainsi la répression de la synthèse des protéines LHCII et diminuant ainsi la pression de la lumière au niveau du PSII. La dénitrosylation de NAB1 est efficacement réalisée par le système thiorédoxine cytosolique in vitro. À notre connaissance, NAB1 est le premier exemple de dénitrosylation induite par un stimulus dans le contexte de l'acclimatation photosynthétique. Dans l’ensemble, nos données suggèrent un rôle pivot pour la signalisation NO dans le contrôle des réponses au stress environnemental. / The regulation of photosynthesis is crucial for photoautotrophic organisms and is usually operated by the modulation of light absorption or by redirection of electrons towards alternative sinks, in order to redistribute energy among several metabolic pathways. Between different mechanisms described, the remodeling of the photosynthetic apparatus is crucial under conditions of nutrient starvation or light fluctuations. It is well known that nitric oxide (NO) plays a signaling role in many abiotic stress responses, acting as a second messenger and/or modifying target proteins through redox post translational modifications. Its involvement has been recently described during nitrogen starvation in Chlamydomonas reinhardtii. This work focuses on the remodeling of the photosynthetic apparatus upon sulfur starvation and light fluctuations in Chlamydomonas reinhardtii, with particular interest for the signaling pathway involved in the responses. First we characterized sulfur starvation under heterotrophy and photo-autotrophy. Photosynthetic inactivation under low light and darkness is achieved through specific degradation of Rubisco and cytochrome b₆f and occurs only in the presence of reduced carbon in the medium. We have also shown a strong NO production after the onset of starvation, with NO-sensitive fluorescence probes visualized by confocal microscopy. We provide pharmacological evidence that intracellular NO production governs this degradation pathway using NO scavengers, NO synthesis inhibitors and NO donors. Furthermore, here, we provide clear evidence for a regulatory circuit that controls cytosolic LHCII translation in response to light quantity changes. This circuit requires the cytosolic RNA-binding protein NAB1 to repress translation of certain LHCII mRNAs. Specific nitrosylation of Cys-226 decreases NAB1 activity and could be demonstrated in vitro and in vivo. The less active, nitrosylated form of NAB1 is found in cells acclimated to limiting light supply, which permits accumulation of light harvesting proteins and efficient light capture. In contrast, elevated light supply causes NAB1 denitrosylation, thereby activating the repression of light-harvesting protein synthesis and decreasing the light pressure at the level of PSII. Denitrosylation of NAB1 is efficiently performed by the cytosolic thioredoxin system in vitro. To our knowledge, NAB1 is the first example of stimulus-induced denitrosylation in the context of photosynthetic acclimation. Taken together, our data suggest a pivotal role for NO-signaling in the control of environmental stress responses.

Les conditions contraignantes provoquent la modification de l’état redox et la signalisation liée aux formes actives de l’oxygène (ROS), dont les concentrations sont régulées par des systèmes antioxydant complexes. On dénombre de plus en plus de processus qui sont affectés par la régulation redox, mais nous avons toujours des connaissances fragmentaires quant à l’importance des interactions centrales entre ROS et systèmes antioxydants pour la signalisation cellulaire chez les plantes. Cette étude a utilisé des approches de génétique classique et inverse chez l’espèce-modèle, Arabidopsis thaliana dans le but d’élucider les rôles des catalases et des systèmes NADPH-glutathion-ascorbate dans le métabolisme du H₂O₂ et la signalisation qui en dépend. Une analyse de mutants ADN-T pour les trois gènes codant la catalase a révélé que la mutation cat2, à la différence de cat1 et de cat3, a fortement affecté la croissance et le développement de la plante. Lorsqu’il était cultivé dans l’air, le mutant cat2 présentait une croissance réduite à la fois au niveau de la rosette et des racines, mais ces effets étaient absents lors de la culture des plantes sous un taux de CO₂ élevé, suggérant que la taille diminuée est causée, directement ou indirectement, par une capacité compromise de métaboliser le H₂O₂ produit par la photorespiration. Une étude de cat2 cultivé dans des photopériodes différentes a mis en évidence une forte influence de la période d’illumination sur la signalisation oxydative et ceci d’une manière qui est indépendante de l’intensité du stress. Lorsque cat2 est cultivé en jours longs, le stress oxydant induit la voie de l’acide salicylique (SA), provoquant des lésions visibles sur les feuilles. Cette réponse au stress oxydant est annulée dans un double mutant cat2 g6pd5, chez lequel l’expression d’une forme spécifique de la glucose-6-phosphate déshydrogénase (G6PDH) a également été inactivée. Une approche de génétique classique a permis d’identifier plusieurs gènes susceptibles d’être impliqués dans la régulation de la formation de lésions SA-dépendante dans ce double mutant. Afin d’explorer les rôles des monodéshydroascorbate réductases (MDHAR) spécifiques dans des conditions optimales et de stress, des mutants d’insertion pour plusieurs gènes codant la MDHAR ont été obtenus. Ces mutants présentaient un phénotype sauvage dans des conditions de culture optimales, mais à la suite de son introduction dans le fond cat2, l’un d’entre eux a fortement modifié l’induction de la voie SA par le stress oxydant. Pris dans leur ensemble, les résultats soulignent l’importance de CAT2 et permettent de dessiner un lien fonctionnel entre des G6PDH et MDHAR spécifiques dans les voies de signalisation oxydative chez Arabidopsis, lien qui pourrait s’expliquer par la production de NADPH par la G6PDH et son utilisation par la MDHAR. / Stress conditions lead to modified redox states and signaling linked to reactive oxygen species (ROS), whose cellular concentrations are regulated by complex antioxidative systems. While the list of processes subject to redox regulation continues to grow, our understanding of the importance of the core interactions between ROS and plant antioxidative systems in cell signaling remains very fragmentary. This work used forward and reverse genetics to analyze the roles of catalases and the NADPH-glutathione-ascorbate systems in H₂O₂ metabolism and related signaling in the model species, Arabidopsis thaliana. An analysis of T-DNA mutants for the three catalase-encoding genes revealed that cat2, but not cat1 or cat3, substantially impacted plant growth and development. While the cat2 mutant showed decreased shoot and root size when grown in air, both these effects were annulled by growth at high CO₂, suggesting that they were caused, directly or indirectly, by compromised capacity to metabolize photorespiratory H₂O₂. An analysis conducted in cat2 rosettes following growth in different photoperiods revealed that oxidative signaling is strongly influenced by day length in a manner that is independent of stress intensity. When cat2 is grown in long days, oxidative stress induces the salicylic acid (SA) pathway, leading to visible lesions on the leaves. This response to oxidative stress is annulled in cat2 g6pd5, which has additionally lost the function of a specific glucose-6-phosphate dehydrogenase (G6PDH). A forward genetics approach identified several genes that may be involved in regulating SA-dependent lesion formation in this double mutant. To explore the roles of specific monodehydroascorbate reductases (MDHAR) in optimal and stress conditions, insertion mutants for several MDHAR-encoding genes were obtained. While these mutants showed a wild-type phenotype in optimal growth conditions, one of them markedly altered induction of the SA pathway by oxidative stress when introduced into the cat2 background. Together, the results underline the importance of CAT2 and point to functional coupling between specific NADPH-producing G6PDH and NADPH-requiring MDHAR in oxidative stress signaling pathways in Arabidopsis.