vignette| Représentation simplifiée de la photorespiration et du cycle de Calvin. vignette| Schéma de la photorespiration à travers les organites impliqués.
La "photorespiration" est l'ensemble des réactions mises en œuvre par les organismes photosynthétiques à la suite de l'activité oxygénase de la Rubisco. Le terme respiration est un contre-sens car il ne s'agit pas d'une respiration. En effet l'utilisation d'oxygène n'implique pas une respiration.
La Rubisco intervient le plus souvent à travers son activité carboxylase, par laquelle une molécule de dioxyde de carbone est fixée sur du ribulose-1,5-bisphosphate pour donner deux molécules de 3-phosphoglycérate qui sont métabolisées par le cycle de Calvin. Cependant, la Rubisco peut également oxyder le ribulose-1,5-bisphosphate par une molécule d'oxygène , ce qui donne une molécule de 3-phosphoglycérate et une molécule de 2-phosphoglycolate. Ce dernier ne peut être directement métabolisé par le cycle de Calvin et passe par une série de réactions qui, chez les plantes, font intervenir les chloroplastes, les peroxysomes et les mitochondries des feuilles, où ces organites sont proches les uns des autres. Il y a alors production de glycolate , de peroxyde d'hydrogène et de sérine , recyclés en libérant du et de l'ammoniac . Le résultat est une perte nette en matière organique, susceptible de représenter le quart du dioxyde de carbone fixé par photosynthèse.
La photorespiration est une voie métabolique coûteuse pour la cellule car elle réduit le taux de production du par rapport à celui résultant de la seule activité carboxylase de la Rubisco, avec de surcroît perte nette en carbone fixé et libération de , qui doit être détoxiqué par la cellule à travers un processus également coûteux. Ces réactions induisent en effet la consommation de 2,5 molécules. d'ATP et 2 molécules de NADH ou de NADPH pour ribulose-1,5-bisphosphate dans les organites où elles se déroulent.
Cependant, si la photorespiration est préjudiciable à l'activité photosynthétique des cellules où elle a lieu, elle serait néanmoins utile, voire nécessaire, à d'autres fonctions cellulaires, notamment à la fixation de l'azote des nitrates ainsi que, dans une certaine mesure, à la signalisation cellulaire.
Photorespiration chez les plantes Les réactions intervenant dans la photorespiration font intervenir une douzaine d'enzymes réparties entre les chloroplastes, les peroxysomes et les mitochondries des plantes, catalysant les réactions suivantes :
Organite Enzyme & N° EC Réaction Chloroplaste Rubisco D-ribulose-1,5-bisphosphate + → 3-phospho-D-glycérate + 2-phosphoglycolate Phosphoglycolate-phosphatase 2-phosphoglycolate + Pi + glycolate Peroxysome Glycolate-oxydase glycolate + + glyoxylate Glycine-transaminase glyoxylate + L-glutamate α-cétoglutarate + glycine Mitochondrie Système de clivage de la glycine + + glycine + tétrahydrofolate + NAD+ NADH + H+ + + + 5,10-méthylènetétrahydrofolate Sérine-hydroxyméthyltransférase 5,10-méthylènetétrahydrofolate + glycine + tétrahydrofolate + L-sérine Peroxysome Sérine-glyoxylate-transaminase L-sérine + glyoxylate glycine + hydroxypyruvate Hydroxypyruvate-réductase hydroxypyruvate + NADH + H+ NAD+ + D-glycératehydroxypyruvate + NADPH + H+ NADP+ + D-glycérate Chloroplaste Glycérate-kinase D-glycérate + ATP ADP + 3-phospho-D-glycérate Glutamate-synthase à NADPH α-cétoglutarate + L-glutamine + NADPH + H+ NADP+ + 2 L-glutamate Glutamine-synthétase + L-glutamate + ATP ADP + Pi + L-glutamine
Formation de glycolate dans les chloroplastes Dans les chloroplastes, la Rubisco fixe une molécule d'oxygène sur le à travers son activité oxygénase :
{| align="left" |- align="center" valign="middle" | 220px|class=skin-invert-image | + → 3 H+ + | 180px|class=skin-invert-image | + | 125px|class=skin-invert-image |- align="center" valign="middle" | D-ribulose-1,5-bisphosphate
| 3-phospho-D-glycérate
| 2-phosphoglycolate |- align="center" valign="middle" | colspan="5" bgcolor="ffffd0" | Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygénase (Rubisco) –
Le formé rejoint le cycle de Calvin tandis que le est déphosphorylé en glycolate par la phosphoglycolate-phosphatase et sort du chloroplaste pour être recyclé dans un peroxysome.
Conversion du glycolate en glycine dans les peroxysomes
Dans les peroxysomes, le glycolate est converti en glyoxylate par la glycolate-oxydase avec formation de peroxyde d'hydrogène . Le glyoxylate peut être traité par deux enzymes pour donner de la glycine, le plus simples des acides aminés protéinogènes :
la glycine-transaminase catalyse la réaction : glyoxylate + L-glutamate α-cétoglutarate + glycine ;
la transaminase sérine-glyoxylate catalyse la réaction : glyoxylate + L-sérine hydroxypyruvate + glycine.
L'accumulation de glycine étant nocive pour les cellules, cet acide aminé est dégradé dans les mitochondries.
Conversion de la glycine en sérine dans les mitochondries Dans les mitochondries, la glycine est convertie en sérine par un ensemble d'enzymes et de protéines formant le système de clivage de la glycine (GCS), couplé à la sérine hydroxyméthyltransférase (SHMT). Cet ensemble catalyse la réaction globale :
2 glycine + NAD+ + → L-sérine + + + NADH.
Formation de glycérate dans les peroxysomes
La sérine est convertie en hydroxypyruvate avec formation de glycine sous l'action de la transaminase sérine-glyoxylate :
L-sérine + glyoxylate hydroxypyruvate + glycine,
puis l'hydroxypyruvate est réduit en glycérate par l'hydroxypyruvate-réductase avec consommation d'une molécule de NADH ou de NADPH :
hydroxypyruvate + NADH + H+ D-glycérate + NAD+ ; hydroxypyruvate + NADPH + H+ D-glycérate + NADP+.
Recyclage du glycérate et de l'ammoniac dans les chloroplastes
L'α-cétoglutarate et la glutamine réagissent sous l'action de la glutamate-synthase à NADPH pour former deux molécules de glutamate, dont une redonne de la glutamine par fixation d'ammoniac sous l'action de la glutamine-synthétase ; la réaction globale de ces deux enzymes peut s'écrire :
α-cétoglutarate + + ATP + NADPH + H+ L-glutamate + ADP + Pi + NADP+.
L'ammoniac formé dans les mitochondries permet ainsi de convertir une molécule en glutamine moyennant la consommation d'une molécule de NADPH et l'hydrolyse d'une molécule d'ATP.
Le glycérate est enfin phosphorylé dans un chloroplaste par la glycérate-kinase avec consommation d'une molécule d'ATP pour former du , qui peut rejoindre le cycle de Calvin.
Représentation schématique Ces réactions peuvent être globalement résumées par le schéma ci-dessous :
upright=3.6|centre|vignette|Organites et réactions associées à la photorespiration. Un chloroplaste est représenté à gauche, un peroxysome au centre et une mitochondrie à droite.CC représente le cycle de Calvin. Les enzymes suivantes sont représentées : PGP : phosphoglycolate-phosphatase ; GOX : glycolate-oxydase ; GGT : glycine-transaminase ; GDC : système de clivage de la glycine ; SHMT : sérine-hydroxyméthyltransférase ; SGT : sérine-glyoxylate-transaminase ; HPR : hydroxypyruvate-réductase ; GLYK : glycérate-kinase ; Les numéros indiquent les métabolites suivants : 1 ribulose-1,5-bisphosphate, 2 3-phosphoglycérate, 3 2-phosphoglycolate, 4 glycolate, 5 glyoxylate, 6 glycine, 7 sérine, 8 hydroxypyruvate, 9 glycérate.
Photorespiration chez les cyanobactéries Les cyanobactéries sont les seules bactéries connues réalisant une photosynthèse oxygénique. Elles réalisent la fixation du carbone à l'aide du cycle de Calvin. On a longtemps pensé qu'elles n'avaient pas recours à la photorespiration car elles concentrent le autour de leur Rubisco à l'aide d'organites spécialisés appelés carboxysomes, ce qui favorise fortement l'activité carboxylase de la Rubisco au détriment de son activité oxygénase, et on pensait que le peu de glyoxylate formé serait facilement éliminé hors de la cellule sans nécessiter de voie métabolique spécifique pour le détoxiquer. On sait cependant qu'elles métabolisent le 2-phosphoglycolate selon un ensemble de voies métaboliques qui commencent comme chez les plantes par la conversion du en glyoxylate puis en glycolate. Les réactions sont semblables à celles des plantes pour Anabaena et pour Prochlorococcus marinus, mais Synechocystis a recours à une glycolate déshydrogénase qui consomme du NADH et ne libère pas de peroxyde d'hydrogène .
Le glyoxylate peut être métabolisé de différentes façons selon les cyanobactéries considérées, et trois voies métaboliques ont été partiellement identifiées à ce jour :
Il peut être converti par une glyoxylate-oxydase en oxalate, lui-même converti par une oxalate-oxydase et une formiate déshydrogénase en deux molécules de .
Il peut également être converti en hydroxypyruvate, comme chez les plantes ou en condensant deux molécules de glyoxylate par une tartronate-semialdéhyde synthase pour former du tartronate semialdéhyde, lui-même converti glycérate par une tartronate semialdéhyde réductase avec consommation d'une molécule de NADH ou de NADPH.
Chez Synechocystis et Anabaena, l'hydroxypyruvate réduit en glycérate subit une phosphorylation en 3-phophoglycérate sous l'effet d'une glycérate-kinase comme chez les plantes, mais d'autres cyanobactéries forment d'abord du 2-phosphoglycérate, isomérisé par la suite en 3-phosphoglycérate par une réaction semblable à celle catalysées par la phosphoglycérate-mutase de la glycolyse.
Ces trois voies métaboliques s'entrecroisent et se déroulent en même temps chez Synechocystis. Ce n'est que lorsqu'elles sont toutes les trois inactivées que cette cyanobactérie requiert des concentrations élevées de dioxyde de carbone pour survivre, comme les plantes.
Affinité relative de la Rubisco pour l'oxygène et le dioxyde de carbone Le site actif de la Rubisco présente la particularité de posséder à la fois une activité carboxylase et une activité oxygénase. Ceci provient du fait que l'enzyme active son substrat, le , sous forme d'un ènediol instable qui peut réagir aussi bien avec le qu'avec :
upright=2.5|centre|vignette|Le ribulose-1,5-bisphosphate (1) est activé par la Rubisco sous forme d'un ènediol (2) susceptible de réagir aussi bien avec pour donner deux molécules de (3) qu'avec pour donner une molécule de (3) et une molécule de (4).
Le fait que l'oxygénation se produise dans environ 25 % des cas par rapport à la carboxylation suppose que cette dernière soit fortement favorisée par la Rubisco quand on prend en compte le fait que l'oxygène est environ plus abondant dans l'atmosphère que le dioxyde de carbone, ce ratio tombant à en solution dans l'eau à . Le ratio de sélectivité varie entre 20 et 280 selon les espèces, tandis que la vitesse de catalyse varie de par seconde.
Aspects bénéfiques de la photorespiration Couplage avec l'assimilation des nitrates