Autotrophie Carbonée - Chapitre 6 PDF

Autotrophie Carbonée Activation de la rubisco : « Carbamylation de la RuBisCO » La RuBisCO garde une forte affinité pour RuBP Le RuBP reste 'trop longtemps' dans le site actif : - Carbamylation d'un résidu Lysine du site actif - Modification covalente de la RuBisCO - Complexe carbamate-Mg2...

Autotrophie Carbonée Activation de la rubisco : « Carbamylation de la RuBisCO » La RuBisCO garde une forte affinité pour RuBP Le RuBP reste 'trop longtemps' dans le site actif : - Carbamylation d'un résidu Lysine du site actif - Modification covalente de la RuBisCO - Complexe carbamate-Mg2 Baisse de l'affinité de la RubisCO pour le RuBP : cycle catalytique accélère. La nuit la rubisco est éteinte par l\'inhibiteur le matin le système thioredoxine ferredoxine vient éjecter l\'inhibiteur puis carbamylation de la lysine qui ajoute un ion MG2+ c\'est ce qui permet de faire fonctionner la rubisco. Importance du système Ferrédoxine/Thiorédoxine : - Rubisco activase - Cycle de Calvin - glycéraldéhyde phosphate déshydrogénase (GAPDH) statut d\'oligomérisation qui décide si elle est active ou pas. - 3 ème enzyme cycle 2 Calvin (Phase 2 : Réduction) - Sédoheptulose-1,7-BP phosphatase, Phosphoribulokinase (PRK) (Phase 3 : Régénération RuBP) - Fructose-1,6-Bis phosphatase (synthèse amidon) - ATPase/ pompe à proton : synthèse ATP I -- Importance de cette autotrophie : cycle du carbone dans la biosphère L\'essentiel du carbone est dans les roches sédimentaires, ne sort pas sauf si on creuse pour récupérer des combustibles fossiles. II- Autotrophie azotée 1. Importance de la nutrition azotée pour la plante Azote : - Dans les acides aminés - Les bases azotées - Et dans la chlorophylle qui possède 4 atomes de carbone et un magnésium - Nicotine - Auxine Carence azotée : les feuilles apparaissent jaune. L\'azote représente 2 à 3% de la matière sèche de la plante, c\'est le deuxième atome juste après le carbone. Il entre dans la composition de nombreuses molécules : - a\. aminés; protéines, nucléotides, a. nucléiques , chlorophylles , hormones (cytokinines, auxine), alcaloïdes - Bonne nutrition azotée et indispensable Carence en azote : Chlorose provoque une diminution de la croissance. Chez certaines espèces : accumulation d'anthocyanes dans les vacuoles (teinte pourpre). Excès d\'azote : provoque une croissance déséquilibré : - feuillage abondant et vert sombre - Système racinaire peu développé - Retard de la floraison Signaux hormonaux par des cytokinines, afin de réguler la taille des racines en fonction de la présence d\'azote. 2. Utilisation des différentes formes d\'azote du sol Ammonification : Fabrication d\'ammoniaque Nitrification : Fabrication de nitrate Le nitrate vient d'une voie bactérienne qui fait donc de la nitrification. Juste en bas, on retrouve l'ammoniaque qui est fabriqué de 2 grandes façons différentes : \- Par la décomposition des animaux (droite) : un animal consomme la plante et fait de l'excrétion, il va mourir et subir la décomposition par des bactéries et des champignons. Quand un animal meurt, toute la matière organique qui le constitue va être redécoupée en petits morceaux et les AA vont être coupés atomes par atomes en petits morceaux et ça va libérer le NH2 des AA qui sera transformé en ammoniaque par l'ammonification des bactéries \- Par la décomposition de la matière végétale (gauche) : en général elle est pauvre en protéines et riche en matériaux de polymère de sucres et d'azotes qui va constituer l'humus. On a une dégradation qui est beaucoup plus longue et plus complexe par rapport à la décomposition de la viande. 2. 1. Azote organique Les débris végétaux, microbiens et animaux subissent une décomposition dans le sol : activité des micro-organismes. Rapide (90%) : minéralisation 1/Protéolyse : dégradation protéines en acides aminés (peu absorbés par les racines) 2/Ammonification des a.a. (et de l'urée): libération de NH4 + 3/Nitrification: libération de NO3 : - Nitrosation : production de nitrite (***NO2-***) - 2 NH4 + + 3 O2 → 2 **NO2 -** +2 H2O + 4H+ (bactéries Nitrosomonas sp.) - Nitratation : production de nitrate - 2 NO2 - + O2 → 2 NO3 - (bactéries Nitrobacter sp.) - Facteurs limitant pour la croissance des végétaux si ces transformation ne se passent pas bien. L\'ammoniac est peu ou pas transformer par les plantes et subit la nitrification. Lente (10%) : humification - Humus : décomposition débris végétaux (cellulose, lignine, tanins...) - Azote peu disponible - Minéralisation secondaire 2. 2. Azote ammoniacal (NH\'+) → Forme réduite Certaines rares espèces de végétaux peuvent absorber l\'ion ammoniac. Le problème est la fixation au complexe argiolo-humique. (chargé négativement) → tourbière (riche en protons). 2. 3. Azote nitrique (NO3-) / nitrate → forme oxydée La plupart des végétaux absorbe surtout cette forme, c\'est une absorption racinaire, Réduction en ion ammoniacal (NH4+) dans les racines et/ou les feuilles. III- Absorption des nitrates et leur circulation dans la plante - Absorption racinaire du nitrate par un cotransporteur nitrate/proton - Au niveau de l'épiderme racinaire - Circulation vers le cortex et la stèle - Stockage de nitrate dans la vacuole - Assimilation racinaire (faible) - et/ou exportation de nitrate dans la sève (brute) du xylème. - Assimilation foliaire (forte) Proton expulsés par une pompe à proton ATP dépendante qui force la sortie de proton, c\'est ce qui permet au cotransporteur de faire rentrer des nitrates. Si pas d\'évapotranspiration, les fluides stockent dans la plante, on stocke le nitrate dans la vacuole, si l\'eau revient on pourra renvoyer le nitrate vers le haut de la plante. On peut assimiler l\'azote dans les racines à faible concentration si problème dans la plante. Une fois que l\'azote est rentré il passe par les vaisseaux et arrive dans les parties vertes pour être transformé en acide aminé. Juste avant il est transformé en ammoniaque. Le NO3- devient du NH4+. 2 enzymes : - Chloroplaste NiRED : Nitrite réductase transforme le NO2- en NH4+ - Cytosol NaRED : Nitrate réductase transforme le NO3- en NO2- donc le nitrate en nitrite. Réduction du nitrate (NO3 - ) en nitrite (NO2 - ) par la nitrate réductase dans le cytosol NO3 - +NADH + H+ → NO2 - + NADP+ + H2O Réduction du nitrite en ammoniaque (NH4+) par la nitrite réductase dans les chloroplastes NO2 - + 6 Fdxred + 8 H+ → NH4 + + 6 Fdxox + 2 H2O Incorporation de NH4+ dans les composés organiques dans les plastes → acides aminés (glutamate) Voie Glutamine Synthétase / GOGAT NO3 - → NO2 - → NH4+ → → Glutamate NADH Fdx ATP Fdx/NADPH Système d\'assimilation de l\'Azote : *Étape 1* : On récupère le NH4+ qui est greffe par la glutamine synthase sur une glutamine, c\'est une réaction qui consomme de l\'ATP. On passe d\'une forme minérale d\'azote à une forme organique. *Étape 2* : GOGAT prend la glutamine fabriqué par la glutamine synthétise, on lui ajoute l\'oxoglutarate. Elle consomme deux électron avec de la férédoxine ou du NADPH. La glutamine qui a perdu son NH2 devient du glutamate et l\'oxoglutarate devient un glutamate. Un glutamate est exporté et l\'autre retourne dans la chaîne de synthèse. Cette synthèse est universelle. *Bilan* : Le nitrite rendre dans le chloroplaste grâce à un transporteur de nitrite/H+. Alimentation du cycle de Calvin avec du NADPH et de l\'ATP. La nitrate réductase est la seule enzyme qui n\'est pas dans le chloroplaste. Photosystème 1 et 2 font la photolyse de l\'eau, l\'essentiel des produits partent vers le cycle de Calvin mais certains partent vers le système GS GOGAT pour fabriquer du glutamate. IV -- Assimilation des nitrates dans les parties non chlorophyllienne Assimilation des nitrates faibles concentration principalement dans les racines (plaste) Énergie = glycolyse → utilisation de saccharose Bilan énergétique de l\'assimilation des nitrates : Réduction d'un ion NO3 - en NH4+ et incorporation dans un acide aminé: NO3 - +NADH+H+ → NO2 - + NAD+ + H2O Nitrite réductase : NO2 - + 6 Fdxred + 8 H+ → NH4 + + 6 Fdxox + 2 H2O (6 e-) GS/GOGAT NH4 + + l\'oxoglutarate + ATP + 2Fdxred → → glutamate + ADP + 2Fdxox (6 e-) (6 e-) → 1 NADH+H+ + 8 Fdxred + 1 ATP (8 e-) V- Utilisation de l\'azote moléculaire (N2) de l\'atmosphère 1. Les organismes fixateurs d\'azote Pleurozium (mousse) → Nostoc (= cyanobactérie). Azolla (fougère aquatique) → Anabaena (= cyanobactérie qui fait des chaînettes). Alnus (plantes actinorhiziennes = nom donné aux plantes qui s'associent aux bactéries de type actinomycète) → Frankia (actinomycète). Légumineuses (fabacées) → Rhizobium. Association -- Nostoc dans la forêt boréale : - Pleurozium schreberi est une mousse très répandue dans les forêts boréales - 60 --80% de la couverture du sol (14% de la biomasse totale) - Autrefois, construction de maisons - La cyanobactérie Nostoc infecte les phyllidies du gamétophyte: extracellulaire - Fixation d'azote : → 1,5-2kg N ha-1.année Association fougère/Anabaena : - Au départ les filaments d'Anabaena générateurs de la colonie dans le méristème apical de la fougère sont formés uniquement de cellules végétatives - Lors du développement d'Azolla une cavité foliaire se forme, les hétérocystes commencent aussi à se différencier des cellules végétatives: synchronisation - Association extracellulaire (cavité foliaire ouverte) - Plante envahissante → tapisse la surface de l'eau → prive de la lumière - Mort → relargage de sources d'azote dans le milieu Engrais vert pour les rizières pays asiatiques → pays africains de l'Ouest Récemment Azolla endémique à Madagascar → rizière Malgache → Fort potentiel agro-écologique Association Frankia/aulne : Actinomycète: bactéries avec filaments (anciennement associées aux champignons) se trouve dans les racines de certaines plantes. Ces bactéries forment des actinorhizes et sont le site de fixation du NH2. Frankia est plus volumineuse que des mousses et des fougères donc elle est plus importante dans sa fixation d'azote. Elle ne se met pas en symbiose avec les feuilles mais avec les poils racinaires. On a une déformation des poils racinaires dès qu'on le met en présence d'un peu de filaments de bactéries. Un poil racinaire est normalement juste un bâtonnet mais sous l'action des bactéries il va générer des cavités dans lequel la bactérie va venir migrer, ensuite elle va pénétrer à l'intérieur du poil jusqu'à rejoindre le cortex de la racine de la racine, où là la plante va développer des nodules pour faire un élevage de bactéries et permettre la fixation de l'azote. Dans les racines, on va avoir d'énormes nodules avec des bactéries qui vont se différencier (ne vont plus être filamenteuses mais sous forme de petites boule noirs et là elles vont être capables de fixer l'azote). C'est une symbiose intracellulaire très efficace (ce n'est plus un biofilm sur les feuilles mais un nodule dans les racines) = on peut fixer 450 kg d'azote par hectare et par an. Ce n'est pas une maladie de la plante, mais une symbiose, tout le monde est content. Il est capable de fixer 450Kg d\'azote par racine et par an. Plante actinorhiziennes : Test de nodulation de Frankia alni sur des semis d\'Alnus glutinosa → croissance sur un substrat artificiel sans azote → inoculation (ou pas ) avec Fran Elles présentent : - Intérêt biologique → enrichissement des sols appauvris → stabilisation des sols érodées, reboisement - 200 plantes dans 24 genres différents (70%-100% apport en azote) - Agroforesterie (association arbre+agriculture/élevage Les symbioses de ces 3 associations se sont mises en place avec des plantes. Ce sont des interactions spécifiques, ce qui veut dire que chaque plante ne reconnaît qu'une espèce de bactérie. 2. Les légumineuses → Grande famille de plantes Les rizhobactéries : espèce avec différents genres. Lorsqu\'elles abritent des bactéries elles développent des nodules. Les bactéries se transforme pour devenir des bactéroïde elles sont cultivés au sein du symbiosome. 1\) La plante par sa racine sécrète de façon constitutive les flavonoïdes (= composés organiques qui sont spécifiques à la plante) → les bactéries vont reconnaître le flavonoïde. Il y a des centaines de flavonoïdes différents qui peuvent être fabriqués et chaque légumineuse va fabriquer un type de flavonoïde. Ici, ce sera celui du haricot. Si on va sur celui du petit pois, ce sera un flavonoïde qui sera un petit peu différent du haricot. C'est cette spécificité qui va conférer la sélection d'un type de bactérie seulement. La rhizobactérie qui va être démesurément grande (cercle rose à droite) va percevoir un type de flavonoïde donné et donc reconnaître si c'est du haricot ou du petit pois\... La bactérie sera capable de reconnaître le flavonoïde du haricot et les autres elle s'en fiche = il y a une sélection. 2\) Elle le reconnaît avec la protéine NodD qui a deux fonctions : a\. De reconnaître le flavonoïde, de l'accrocher physiquement. b\. Une fois que le flavonoïde du haricot est fixé au NodD, NodD va se délocaliser pour se fixer sur l'ADN bactérien (pas n'importe où sur l'ADN bactérien). 3\) Il reconnaît une séquence spécifique de l'ADN = le promoteur nodbox (la protéine NodD une fois qu'elle a fixé le flavonoïde elle va reconnaître une séquence du promoteur qui est le nodbox). Ce promoteur est capable d'activer l'opéron nod. Cet opéron nod code pour 3 protéines NodA, NodB et NodC qui sont communes à toutes les rhizobactéries. Les trois protéines NodA/B/C sont fabriquées et leur rôle c'est une petite voie de biosynthèse. Leur rôle est de fabriquer le facteur Nod (= EPS = Exo-PolySaccharide). 4)Il y a excrétion de ce facteur nod par la bactérie qui va être reconnu par le haricot. 5)Il va être perçu par des récepteurs de la plante. 6\) La bactérie rentre dans la plante via les poils absorbants, ensuite la bactérie va migrer vers le cœur de la racine et sera libérée à l'intérieur des cellules végétales. N.B : Les rizhobactéries sont flagellés, elles sont donc capables de nager. Elles sont programmées pour nager vers des concentrations croissantes de flavonoïde à partir du moment où le facteur Nod le reconnaît. L'adhésion va envoyer un signal au niveau nucléaire qui va programmer une déformation du poil racinaire. Ça va commencer à s'enrouler et les bactéries vont venir se confiner à l'intérieur de l'incurvation. Une fois que toutes les bactéries sont à l'intérieur de cette incurvation, il y aura une hydrolyse de la paroi végétale. La bactérie va pénétrer entre la membrane plasmique et la paroi végétale. Elle ne va pas encore pénétrer dans la cellule. L'invagination de la MP continue de s'allonger jusqu'au cœur de la cellule. Pour pouvoir invaginer la membrane plasmique, il y a des vésicules golgiennes qui viennent fusionner avec le sommet de l'invagination ce qui permet d'allonger la membrane plasmique jusqu'à la base du poil absorbant. Cette invagination va être transmise aux autres cellules et on va avoir un filament/cordon d'infection des cellules bactériennes qui vont migrer toujours dans cette invagination de la MP au cœur de la racine et enfin être libérée dans les cellules du cortex de la racine. Les bactéries ne sont pas libérées librement dans le cytosol → elles sont encapsulées dans des bulles de membrane plasmique. C'est un processus d'endocytose. La bactérie sera ensuite transformée en bactéroïde qui sera capable de fixer l'azote moléculaire. C'est la plante qui guide la bactérie jusqu'au cœur de la racine. A partir de la racine vont émerger des grosses boules = les nodules. On réactive le cortex qui va faire des divisions cellulaires qui se différencie et produit un organe. C'est un organe programmé génétique dans la plante, de la même manière qu'un pétale de fleur pousse. Si on coupe ce nodule en deux : on voit un aspect rouge. Les nodules ont à l'intérieur de Leghémoglobine (= rouge, « hémoglobine de plante »). Ça fixe l'oxygène et le rendre le nodule en anaérobie partielle, parce que l'action de l'enzyme qui fixe l'azote se fait en anaérobie. 3. Mécanisme biologique de fixation de l\'azote moléculaire : nitrogénase Le complexe enzymatique de la nitrogénase réduit le dinitrogène : N2 + 8e- + 8H+ + 16ATP → 2 NH3 + H2+ 16ADP + 16 Pi Elle fixe de l\'azote moléculaire avec un centre qui s\'appelle la protéine FeMo. Les électrons arrivent par la dinitrogénase réductase on prélève les électrons grâce à la protéine Fe. Il faut 2 ATP pour faire avancer 8 électron entre les deux paties du complexe enzymatique. Chaque fois qu\'elle dégage 2NH3 on libère du N2. -L'enzyme fonctionne à faible \[O2\] Fixation de l' O2 par la leghémoglobine (LB)