La photosynthèse est un processus biologique naturel qui convertit l'énergie lumineuse en énergie chimique par l'action de centres réactionnels photosynthétiques. L'énergie convertie est stockée sous forme de produits de haute énergie synthétisés par la branche réductive du processus photosynthétique. Les électrons nécessaires à ces réactions sont fournis par des molécules d'eau lors de leur oxydation par le centre de dégagement de l'oxygène (Oxygen Evolving Complex: OEC) pour le système de photosynthèse II (PSII). La photosynthèse artificielle cherche à reproduire les réactions qui se produisent dans les organismes naturels afin de i) de mieux comprendre les processus chimiques qui se déroulent dans les systèmes naturels, et ii) de parvenir à exploiter l'énergie solaire pour le développement de carburants propres et renouvelables. Chaque étape qui survient dans le processus de photosynthèse naturelle, telle que la capture de lumière, le transfert d'énergie, le transfert d'électron, la séparation de charge, l'activation du catalyseur et la réaction catalytique doit se produire au sein du système artificiel. La photosynthèse artificielle cherche à reproduire les réactions qui se produisent dans les organismes naturels afin de i) de mieux comprendre les processus chimiques qui se déroulent dans les systèmes naturels, et ii) de parvenir à exploiter l'énergie solaire pour le développement de carburants propres et renouvelables. Chaque étape qui survient dans le processus de photosynthèse naturelle, telle que la capture de lumière, le transfert d'énergie, le transfert d'électron, la séparation de charge, l'activation du catalyseur et la réaction catalytique doit se produire au sein du système artificiel. Avec ces concepts en vue, nous avons conçu, synthétisé et caractérisé des molécules qui imitent les réactions réalisées par les antennes et les centres réactionnels présents dans le photosystème II. Ces molécules sont capables de reproduire la séparation de charges induite par la lumière, le transfert d'électrons et l'accumulation d'équivalents oxydo-réducteurs observés pendant la photosynthèse naturelle. Les antennes artificielles se constituent de caroténoïdes et phthalocyanines. Ces molécules présentent des profiles d'absorption large avec des coefficients d'extinction élevés, et sont capables de supporter des transferts d'énergie ultra rapides qui permettent l'état de séparation de charges. En faisant varier la longueur de la chaine conjuguée des caroténoïdes de neuf à onze liaisons doubles, nous avons pu mettre en évidence comment ces molécules peuvent agir aussi bien comme donneurs que comme agents dissipateurs d'énergie, effet caractéristique qui s'apparente au processus de trempe non-photochimique (Non Photochemical Quenching: NPQ) qui se produit dans le cycle de la zéaxanthine. Les mimiques des agents donneurs du photosystème II ont aussi été étudiées. Ces systèmes supramoléculaires contiennent une partie photoactive liée de façon covalente par un intermédiaire à une cavité contenant un ion ou un agrégat d'ions métalliques. La photosensibilisateur utilisé est un complexe du ruthénium [Ru(bipy)3]2+ (bpy = 2,20-bipyridine), homologue du P680, qui absorbe la lumière dans le spectre visible et déclenche le transfert d'électron. Les espèces RuIII résultantes ont un potentiel d'oxydation réversible de 1.3 V vs SCE, comparables à celui de P680 (1.25 V vs NHE) et présentent donc la possibilité d'oxyder à la fois un complexe manganèse ainsi qu'une source d'électron. Concernant les molécules imitant le coté donneur du PSII, nous avons synthétisé des paires ruthénium-phénol, ainsi que des systèmes ruthénium-manganèse bimétalliques. Parmi ces dernières, nous avons étudié celles présentant des cavités de coordination constituées de terpyridines, vu qu'il a déjà été montré que les dimères Mn-di-μ-oxo-Mn de ce type peuvent catalyser l'oxydation de l'eau en oxygène moléculaire. Des salènes et salophènes ont aussi été examinés étant donné que de tels groupes peuvent accomplir l'oxydation à deux électrons de substrats organique. Dans la littérature, ces réactions sont toutes conduites par l'action d'oxydants chimiques externes, tandis que nous avons pour but d'utiliser des espèces oxydantes induites par l'action de la lumière.

The photosynthetic water oxidation reaction is catalyzed by an inorganic Mn4OxCaClyHCO3-z cluster at the heart of the oxygen evolving complex (OEC) in photosystem II. In the absence of an atomic resolution crystal structure, the precise molecular organization of the OEC remains unresolved. Accordingly, the role of the protein and inorganic cofactors of PSII (Ca2+, HCO3- and Cl-) in the mechanism of O2-evolution await clarification. In this study, rapid 18O-isotope exchange measurements were applied to monitor the substrate-water binding kinetics as a function of the intermediate S-states of the catalytic site (i.e. S3, S2 and S1) in Triton X-100 solubilized membrane preparations that are enriched in photosystem II activity and are routinely used to evaluate cofactor requirements. Consistent with the previous determinations of the 18O exchange behavior in thylakoids, the initial 18O exchange measurements of native PSII membranes at m/e = 34 (which is sensitive to the 16O18O product) show that the ‘fast’ and ‘slowly’ exchanging substrate-waters are bound to the catalytic site in the S3 state, immediately prior to O2 release. Although the slowly exchanging water is bound throughout the entire S-state cycle, the kinetics of the fast exchanging water remains too fast in the S2, S1 [and S0] states to be resolved using the current instrumentation, and left open the possibility that the second substrate-water only binds to the active site after the formation of the S3 state. Presented is the first direct evidence to show that fast exchanging water is already bound to the OEC in the S2 state. Rapid 18O-isotope exchange measurements for Ex-depleted PSII (depleted of the 17- and 23-kDa extrinsic proteins) in the S2 state reveals a resolvable fast kinetic component of 34k2 = 120 ± 14 s-1. The slowing down of the fast phase kinetics is discussed in terms of increased water permeation and the effect on the local dielectric following removal of the extrinsic subunits. In addition, the first direct evidence to show the involvement of calcium in substrate-water binding is also presented. Strontium replacement of the OEC Ca2+-site reveals a factor of ~3-4 increase in the 18O exchange of the slowly exchanging water across the S3, S2 and S1 states while the kinetics of the fast exchanging water remain unchanged. Finally, a re-investigation of the proposed role for bicarbonate as an oxidizable electron donor to photosystem II was unable to discern any 18O enrichment of the photosynthetically evolved O2 in the presence of 18O-bicarbonate. A working model for O2-evolution in terms of these results is presented.

Conifers are important both ecologically and socioeconomically, however, same parts of their biology are not that well researched. This includes genetics and breeding and partly even physiology. Because quantitative genetic analyzes applied in breeding necessitate an analysis of a large number of samples, and conventional methods of analysis are quite time-consuming, certain parameters describing e.g. the activity of photosynthetic electron-transport chain (ETC) are considered for such use. Several methods of the measurement of the activity of photosynthetic ETC exist, but there are some problems with their usage in conifers. I studied this issue from different points of view in three parts of this thesis. 1) I compared the photosynthetic ETC activity in 8 species of conifers using chlorophyll (Chl) fluorescence measurements on intact needles and polarographic measurements in isolated chloroplasts. Each method brought different information. 2) I measured Chl fluorescence parameters, reflectance spectra and pigment content in 536 genetically defined trees of Pinus sylvestris L. Many parameters showed relatively high genetic variability and heritability. I have also determined the suitability of various reflectance indices to estimate pigment and water content of needles. 3) I have optimized the...

<p dir="ltr">Insights from research into the natural photosynthetic processes are applied to inform the rational design of inorganic catalysts. The study of these synthetic systems – artificial photosynthesis – will lead towards the development of a device able to absorb light, convert and store the energy in the form of chemical bonds. The water-splitting reaction, a bottleneck of the photosynthetic process, is a key barrier to overcome in this endeavor. Thus, the focused study of water-oxidation catalysts able to facilitate this difficult reaction is performed, in order to develop a green-energy solution in the form of an artificial photosynthesis system.</p>

All life on earth depends mainly on the presence of oxygen. Largest producers of oxygen are green plants, cyanobacteria and algae. Oxygen is released from the oxygenevolving complex of photosystem II during photosynthesis and it is used in cellular respiration of all life complexes. The oxygen-evolving complex of photosystem II has the same function in each photosynthetic organism, but it has a different composition and organization of extrinsic proteins; only PsbO protein is ubiquitous in all known oxyphototrophs. Until now only low resolution electron microscopy structural models of plant PSII and crystal structures of cyanobacterial PSII are available. Higher plant extrinsic proteins (PsbP, PsbQ and PsbR) are structurally unrelated, non-homologues to the cyanobacterial extrinsic proteins (PsbO, PsbU and PsbV) and this is the reason why it is not possible to predict arrangement of these proteins on the lumenal site of higher plant PSII. Recently, models differ mainly in the structure of the oxygen-evolving complex, which could be resolved by determination of the exact binding sites for extrinsic proteins. An other question evolves: if the difference in the oxygen-evolving complex composition is the result of evolution or adaptation of photosynthetic organisms to their environment. Structural knowledge of extrinsic proteins that could help to resolve the location and subsequently the function of extrinsic proteins is still incomplete. From this case,structural analysis, interactions and probably arrangement of proteins PsbP and PsbQ was studied and is described in detail in this thesis.