Chapitre 7 - La Nitrogénase - PDF

La nitrogénase l\'hydrogène est un produit on dose la quantité libéré au moment de la nitrogénase. I- Physiologie de la nutrition azotée des plantes hébergeant des symbiontes fixateurs d'azote Le nodule qui contint les cellules de plantes qui permet d\'élever les bactéries, qui sent différenciés...

La nitrogénase l\'hydrogène est un produit on dose la quantité libéré au moment de la nitrogénase. I- Physiologie de la nutrition azotée des plantes hébergeant des symbiontes fixateurs d'azote Le nodule qui contint les cellules de plantes qui permet d\'élever les bactéries, qui sent différenciés en bactéroïde. Membrane cytoplasmique s\'invagine jusque dans un cellule des nodules et récupère une vésicule pour la libérer par exocytose. 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. Les nodosités ou nodules sont l\'expression d\'une symbiose rhizobienne se formant sur les racines de nombreuses espèces de plantes, notamment les Fabacées, sous l\'action de bactéries du genre Rhizobium vivant en symbiose avec la plante. Les nodosités élaborées par l\'actinomycète du genre Frankia sont appelées actinorhizes. Dans cette association symbiotique, la plante fournit les substances carbonées et les bactéries les substances azotées synthétisées à partir de l\'azote atmosphérique. Cette symbiose permet à la plante de fixer l\'azote atmosphérique grâce à l\'enzyme nitrogénase synthétisée par la bactérie et dont les plantes eucaryotes sont dépourvues. La bactérie possède sa propre membrane plasmique. La pompe à proton se retrouve sur la membrane du symbiosome, elle acidifie l\'espace péri bactéroidien ce qui créer deux forces protomotrice. Ce qui permet d\'orienter les transporteurs, ce sont des symporteur ou des anti porteurs. Il faut fournir de l\'énergie pour que la nitrogénase ne manque de rien. Elle permet de former du NH3. Du N2 rentre à volonté dans le bactéroïde, il est transformé en NH3 non chargé, le NH3 accumulé dans le bactéroïde sort selon le gradient et ne consomme pas d\'énergie. NH3 se protonne spontanément en NH4+. Transporteur spécifique au NH4+ se nomme le canal ammonium, c\'est un trou sélectif qui permet de faire passer que l\'ammonium. Puis la glutamine synthétase greffe le NH4+ sur la Glutamine et on repart sur un cycle de formation d\'azote. Différences de potentiel utilisée pour faire les transferts de sources d'azote et faire entrer les squelettes de C. Quand le NH3 va dans un milieu acide (= symbiosome), il se protone naturellement en NH4+. Transformation du N2 en NH3 au niveau du bactéroïde. Puis, flux sortant de NH3 du bactéroïde vers le symbiosome : le NH3 devient du NH4+ (passage d'un milieu basique à un milieu acide) → le NH4+sort du symbiosome pour aller dans le cytosol grâce au canal à ammoniac. Une fois dans le cytosol, il va être incorporé dans les AA. II- Importance du phénomène Fixation par organismes libres : - Faible (1-5 kg N/ha/an) Fixation symbiotique : - Élevée : jusqu'à 100 - 300 kg N/ha/an - Ensemencement de Rhizobactéries spécifiques sur les graines de légumineuses - Culture de Légumineuses comme engrais vert (trèfle, lotier,...) et fourrage (luzerne, lupin...) - Légumineuses cultivés pour leur graines riches en protéine (soja, lentille, pois...) - Utilisation d'espèces établissant des symbioses pour planter des végétaux pionniers dans des sols désertifiés dépourvus de matière organique - Ex : Casuarin et Eleagnus (+Frankia) en plantation en Afrique occidentale - Ex : Aulne (+Frankia) pour le reboisement des sites de barrages hydroélectriques. 71 72 Bilan : nutrition azotée Voie des nitrates (NO3 - ) Interaction plante et espèce de rhizobactérie est très spécifique. Les légumineuse permette de libérer de l\'azote dans le sol, donc belle population de flore autour des racines, elles sont aussi plus riches en protéines (30 à 40% de protéines). III- Bilan nutrition azotée *Voie des nitrates VS Voie des symbioses* Absorption des nitrates et leur circulation dans la plante : On a une acidification par cette pompe à protons du milieu extérieur. De façon constitutive/permanente, la plante acidifie son environnement racinaire → ça créer un gradient de protons qui va être utilisé par un transporteur de nitrate. Le nitrate est chargé négativement donc il ne peut pas diffuser dans la MP → il va être pris en charge par ce co-transporteur protons/nitrate. Pour faire rentrer du nitrate = on a besoin du transporteur et du gradient de protons. Le nitrate a plusieurs devenirs : soit il est majoritairement envoyé vers les parties aériennes où il sera métabolisé en AA ; soit si la plante n'arrive pas à acheminer les sèves vers les parties aériennes (ex : sécheresse), donc pas de flux montant de sève, le nitrate peut être stocké dans la vacuole en attendant que la plante soit capable de faire un flux montant de sève. Le nitrate est réduit par le nitrate réductase en nitrite → le nitrite est incorporé dans le plaste → dans le plaste le nitrite est réduit en NH4+ par le nitrite réductase → tout de suite ça devient des AA par un système GS/GOGAT. Le but de la plante c'est de s'alimenter en NH4+ que ce soit par des bactéries ou non comme ici par le biais de nitrate/nitrite réductase. IV- Autotrophie soufrée Les sources de souffre proviennent globalement de la décomposition. Retenir Sulfate, Sulfite et Sulfide. 1. Importance de la nutrition soufrée 0,2% à 0,3% de la matière sèche des végétaux → généralement pas un composant structural ( différent du carbone et de l\'azote. Ils rentre dans la constitution de deux acides aminés qui sont la cystéine et la méthionines, mais aussi dans quelques vitamines, des coenzymes et les sulfolipides. La carence en soufre et développement végétal à un impact alimentaire néanmoins la plupart des sols sont riches en sulfate. Constitution d\'acides aminés, il est présents de deux façon groupement Sulfydryl et groupement thioether. Les espèce réactives d\'oxygène sont : les superoxydes anion, les hydroxyle radical et le peroxyde. Il y a différent degré d\'oxydation - 1 er degré elle accepte un oxygène l : Méthionine sulfoxyde - 2 ème degré elle accepte 2 oxygène : Méthionine sulfone On trouve la méthionine au début de chaque protéine, et comme beaucoup de protéine elle va être clivée, il se promène beaucoup dans le cytosol. Même piégé à l\'intérieur il peut subir des oxydation et des réductions. Régulation de l'homéostasie redox cellulaire : Oxydation réversible des méthionines → régulation activité enzymatique (ex : canaux potassiques). La méthionine régule l'homéostasie redox, c'est-à-dire qu'elle est capable de gérer des stress oxydatif. Quand il y a un stress oxydatif sur une plante, la méthionine va être capable de récupérer des oxydations et de s'oxyder et donc baisser le statut redox général dans le cytosol de la cellule. Pour maîtriser ces ROS, une des possibilités est d'oxyder les soufres sur les méthionines → cela a un effet tampon immédiat sur le stress oxydatif. Une fois que le stress oxydatif est maîtrise par un système que l'on va voir tout à l'heure, on va pouvoir refaire revenir les méthionines à leur statut réduit avec une Méthionine réductase qui existe chez les végétaux. Stress oxydatif → première étape pour y remédier est d'oxyder les soufres sur les méthionines → maîtrise du stress oxydatif → intervention de la méthionine réductase pour revenir à des méthionines normales sans le « = O » sur les soufres. Dans le cas de la cystéine : - Modification conformationnelle des enzymes - Modification du statut d\'oligomérisation - Apport de pouvoir réducteur Régulation enzymatique : - Rubisco activase → modification conformationnelle - Glycéraldéhyde phosphodéshydrogénase → modification d\'oligomérisation Cystéine dans la chaîne polypeptidiques sont issues de la synthèse des protéines. Nomenclature à une lettre : Glutamate = e Glutamate + Glycine + Cystéine = Glutathion Glutathion : - Dans la cellule 90% de glutathion réduit et 10% oxydé nécessite la présence de glutathion réductase. Présence d\'un pont disulfure dans la version oxydé. - Toxine interagit avec la glutathion transférasse qui le conjugue à un glutathion, les vacuoles reconnaissent le glutathion conjugué et le stockent en détoxication (Cad il est mis dans la vacuole). - Glutathion mis les uns derrière les autres Biosynthèse du Glutathion (GSH) et des Phytochélatine (PCn) : - On prend une cystéine et un glutamate et sous l'effet d'une enzyme, le Gamma EC synthétase, on obtient un dipeptide formé d'une cystéine et d'un glutamate. - On va greffer une glycine à ce dipeptide sous l'effet d'une autre enzyme, le GSH synthétase, on obtient le tripeptide glutathion. - Le glutathion peut ensuite être utilisé pour former de la phytochélatine et donc faire de la détoxication. Les phytochélatines sont des dérivés de glutathion → on va mettre à la suite non pas tout le glutathion mais uniquement la partie gamma glutamate/cystéine sur un glutathion qui a gardé sa glycine. - On a un glutathion de base complet et pour former une phytochélatine il faut l'intervention d'un autre glutathion où l'on va enlever sa glycine. Sur le glutathion de base, on peut ajouter n autres glutathions sans glycine pour former des phytochélatines. Donc, au minimum on aura (gammaGlu-Cys) avec n = 2 et pour les plus grandes phytochélatines, on aura n = 11. Cela se fait par la PC synthase. Détoxification cellulaire : l\'arsenic entre dans la cellulose est est réduit. A partir de glutathion fabrication de cytochératine. Évacuation de tous l\'Arsenic dans la vacuole, présence d\'hélice transmembranaires. L'arsenic se trouve de manière oxydée dans le sol, manque de bol la plante le confond à du phosphate et va,l'incorporer à l'intérieur du cytosol avec un phosphate transporteur. Sa arrive que les plantes se trompent et c'est comme ça qu'elles s'intoxifient, mais elle va réussir à l'éliminer avec dans un premier temps une réduction par l'Arsenic reductase qui permet d'obtenir l'arsenate 3+. Cet arsenic va être complexé à des phytochélatines par la PC synthase. Les détoxifieurs sont des transporteurs que l'on retrouve sur la membrane de la vacuole et qui vont reconnaître les phytochélatines et les transporter à l'intérieur de la vacuole. Les transporteurs sont ABCC1 et ABCC2 = la plante a besoin de deux transporteurs pour détoxifier le cytosol = ils sont capables de transporter des composés dans la vacuole contre un gradient de concentration, ils utilisent de l'énergie sous forme ATP. Ici, ce sont des plantes que l'on a fait pousser dans un milieu avec de l'arsenic. Les plantes où sont mutées ACC1 et ACC2 ne se développent pas alors que les plantes qui présentent que la mutation d'un des deux transporteurs se développent bien car il reste un transporteur fonctionnel. Quand ces transporteurs ne sont plus là, les plantes deviennent sensibles aux métaux lourds. Le rôle de ACC1/ACC2 est donc de détoxifier les métaux lourds. Si il y a soit l\'un soit l\'autre qui fonctionne il y aune redondance de fonctionnalité. Deux grandes catégories de plantes : - Plante hypertolérente et non-hyperaccumulatrice  : - Faible pénétration racinaire - grosse adhésion à la paroi - Grosse capacité de bloquer par chélation - Faible migration dans les parties vertes - translocation racine/tige - Hypertolérante hyperaccumilatrice - Résistance aux pathogène - Application écologique  - Dépollution des sols par phytomédiation - Racine se dirige vers des concentration importantes en métaux La cystéine, toute seule elle protège les protéine, et régule l\'activité des protéines, on peut la transformer en glutathion pour faire de la détoxification, de la régulation redox, les glutathion peuvent être associé à la phytochélatine 2. Les carences en soufre La carence en soufre ressemble à la carence en azote → chlorose - Azote dans les feuilles anciennes ( mobilisation d\'azote dans les chlorophylles) - Sulfate dans le s jeunes feuilles (rôle des sulfolipides) On a pas de remobilisation du soufre des anciennes feuilles vers les jeunes feuilles. Carence du souffre chez le blé : - Réduction de croissance - Chlorose des jeunes feuilles (jaunissement) - Qualité alimentaire : panification - Fermentation alcoolique (levure ) → Co2 - cuisson + gluten → élasticité Une carence en soufre va avoir un impact sur les capacités de la plante à survivre sur des milieux qui sont contaminé ou à résister à des stress oxydatifs si elle n'arrive pas à accumuler ces 10 mM de glutathion ou à fabriquer ces phytochélatines. Une carence apporte donc une réduction de croissance, une chlorose des jeunes feuilles (jaunissement), réduction de la qualité alimentaire du grain de blé (panification des grains de blé). Le blé devient inexploitable pour la production de pain. Gluténine et Gliadine polymérise, lorsqu\'elles sont clivé elles libèrent des petits peptides qui peuvent déclencher l\'allergie au gluten. Si y a pas beaucoup de gluten tous les autres composés soufrés ne permettent pas d\'éviter l\'oxydation. Souffre améliore la qualité de la pomme de terre : En carence → accumulation de sucre réducteurs (modification red/ox). Cela entraîne un brunissement (couleur caramel) à la cuisson. Les brassicaceae famille consommatrice de soufre : nécessite 4 fois plus de besoins en souffre que pour toutes les autres plantes, elles produisent des composés soufrés pou leur défense. Les brassicacée accumule de manière spécifique des composés de type Glucosinolate dans les vacuoles de leurs feuilles, c'est un glucose qui possède une chaîne variable (glucose + résidu soufré + chaîne variable) et est un composé qui peut être hydrolysé sous l'action de la Myrosinase : cela entraîne une libération de glucose et d'un autre composé, qui peut être un composé proche du cyanure = l'isothiocyanate = ce qui dissuade les prédateurs. Cette hydrolyse confère une résistance à la plante. De plus l'action de la myosinase confère la saveur caractéristique des Brassicacae (amertume, piquant\...). Famille consommatrice de soufre : - Colza plante très exigeante en souffre - espace cultivé en plein essor - Carence - chlorose Les glucosinolate sont dégadés par les myosinase Quand un pathogène vient grignoter les feuilles il casse les feuilles du parenchyme Libération des glucosinolates et hydrolyse par myrosinase = entraîne la formation des isothiocyanates. Les isothiocyanates sont désagréables, voire toxiques pour les pathogènes = mécanisme de défense. Certains insectes sont devenus résistants aux glucosinates : Chenille : Pieris brassicae - Tolérance des isothiocyanates (les stockent dans sa graisse et s\'en sert pour se protéger. - Incorporation et accumulation - Protection Pucerons : brevicoryne brassicae ; trompe se guide entre les cellules et inspire le contenu de la vacuole, il aspire les glucosinolate donc incorporation par sussions. Il en garde une certaines quantité et si il se fait attaqué par une coccinelle : - Production de myosinase endogène - Production d\'isothiocyanates - Joue le rôle de phéromone et signal d\'attaque pour les congénères. Pendant longtemps : - Apport de soufre par la pollution aérienne de sources industrielles - Apport important avant les années 1990 en Europe de l(ouest et Amérique - → réduction notable dans les pays industrialisés - Apport dans les engrais minéraux - Contaminant des engrais phosphatés (utilisation de H2SO4 pour solubiliser les phosphates des minéraux - → Absent des engrais type superphosphates Formes de soufre dans le sol : Environ 5 % du soufre sous forme inorganique (SO4 2-libre ou adsorbé). Environ 95 % sous forme organique : lié à la matière organique du sol, à des esters, des AA, ou autres. Il est donc peu disponible. Il est libéré par l'action de micro-organismes. On a eu un apport de soufre par la pollution aérienne de sources industrielles : - Apport important avant les années 1990 et Europe de l'ouest et en Amérique. - En réduction notable dans les pays industrialisés. Ainsi qu'un apport dans les engrais minéraux : - « Contaminant » des engrais phosphatés (utilisation de H2SO4 pour la solubiliser les phosphates des minéraux). - Absent des engrais type superphosphates. Cause de pollution : charbon, ménages, industrie, artisanat, trafic motorisé. Quand on a commencé à réduire la pollution, on aussi créé des carences en soufre dans les sols, que l'on alimentait par la pollution atmosphérique. → La pollution atmosphérique alimente la plante en soufre. Cela a été prouvé par la structure du charbon (anthracite) par exemple qui est très riche en soufre. Quand on fabrique du charbon, les sulfobactéries utilisent le soufre comme source d\'énergie, les bactéries océanique différencient du 32SO42- et du 34SO42- elles fonctionne mieux avec le 34SO42-. Donc quand je fait brûler du charbon je relargue du soufre moins forte que celle utilisée par les bactéries. Le souffre présent dans les plantes à le même ratio que le souffre présents dans le charbon, donc le soufre présent dans les plantes provient du soufre émis par le charbon. A partir des années 90 sol carencé en soufre, pluie acide qui ont ravagés les plantes. On a donc bloqué les émissions de soufre. 3. Absorption et circulation des sulfates : On note la présence d'un transporteur de soufre, de sulfate qui va prélever le sulfate directement dans le sol au niveau des racines, c'est un symporteur protons/sulfate = cela signifie qu'il doit trouver des protons à l'extérieur pour le faire rentrer dans la plante et ces protons sont émis à l'extérieur par une pompe à protons ATP dépendante de la membrane plasmique.La cellule fait rentrer du sulfate SO42-. Essentielle de l'assimilation au niveau des feuilles.Une fois que le sulfate est dedans, il se passe à peu près la même chose que pour le nitrate. Le sulfate entre dedans, il peut être stocké dans la vacuole s'il y en a beaucoup et que la plante n'arrive pas à l'amener dans les parties aériennes. Dans la racine, on peut avoir de l'assimilation de sulfate comme on l'a vu pour l'assimilation de nitrates. Sinon, les sulfates vont arriver dans les parties aériennes, il passe par un autre symporteur, et il va être métaboliser à l'intérieur du chloroplaste pour former dans un premier temps de la cystéine, puis du glutathion qui va être distribué dans la plante. 4. Assimilation des sulfates dans les chloroplastes 2 voies: - Une voie qui réduit le sulfate en sulfite - sulfate récupéré dans la feuille est greffé sur de l\'ATP qui donne de l\'adénosine 5\' phosposulfate (APS), il subit l\'action de l\'APS réductase amené par du glutathion, il faudra 2 électrons pour réduire le sulfate en sulfide. - Voie d\'assimilation - On part d\'une sérine qui utilise une sérine acétyltransférace qui est prélevé sur une acétylcoenzyme A, il permet de produire de l\'OAS qui est greffé sur un oxygène et donne une cystéine. Corégulation positive des voies A et des voies B, au fur et à mesure que l\'on fabrique du sulfite ça stimule l\'activité de la sérine acétyltransférase, plus on fabrique d\'oacétylsérine plus on stimule l\'OAS, et la réduction. Régulation négative : production de cystéine vient bloquer les voies A et B et acétylsérine bloque sa propre synthèse. Sulfide par voie de réduction qui déclenche oligomérisation des enzymes OAS ET serine acétyltransférase sauf que quand on les colles ensemble on inactive l\'OAS et on inhibe la sérine acétyltransférase. Donc OAS stimule la fabrication de S2-. Au bout d\'un moment l\'OAS stimule le décrochage du système et l\'OAS commence à se transformer en cystéine. Plus je fabrique de cystéine plus j\'inhibe la production d\'OAS. Quand le taux est suffisamment bas on ré-assemble et recommence le cycle. Bilan énergétique : Assimilation par les parties non chlorophyllienne : Feuille : pouvoir réducteur en énergie : - Oxydation de l\'eau et énergie lumineuse (chloroplaste) Racine : pouvoir réducteur et énergie : - oxydation du glucose (glycolyse) Feuilles = utilisation de l'énergie de la photosynthèse. Utilisation par les jeunes feuilles car ce sont elles qui ont besoin de soufre. Racines = moins avantageux. Métabolisme du souffre : - Constitution des acides aminés cystéine et méthionine - Biosynthèse des protéines arrangement structural et activité (SH HS \< \> S-S) - Cluster fer souffre → centre réactionnel - Réponse aux stress oxydatif GSH → ROS, Pcs → métaux lourd - Défense es plants, biosynthèses des glucosinolates et autres composés soufrés - Vitamines, biotine - Biosynthèse des sulfolipides → chloroplastes - La disponibilité en soufre influence la photosynthèse et l\'assimilation de l\'azote