Structure et Fonctionnement des protéines redox. 

Responsable Prof. : P. Sebban
e.mail : pierre.sebban@u-psud.fr
Tel : +33 (0) 1 69 15 30 27
mob : +33 (0) 6 89 49 23 76

Notre équipe est composée d'un Professeur (Paris XI) (P. Sebban), d'une Maître de Conférences (Paris XI) (S. Bernad), d'une ingénieur d'études CNRS (Valérie Derrien),  de doctorants et de chercheurs en stages post-doctoraux. Une ingénieur d'études (Uni. P. XI) (Mireille Benoît) participe aussi à nos activités de recherche.
Ces 10 dernières années, 6 étudiants ont effectué et soutenu leurs thèses dans notre équipe. Chacun de ces travaux a donné lieu à plusieurs publications.

Thématique de recherche

Introduction

Pour leurs fonctionnements énergétiques, les chaînes respiratoires des organismes eucaryotes effectuent un transfert d'électrons du NADH ou d'enzymes de types flavines vers l'oxygène. Ces oxydoréductions sont intimement couplées à des transferts de protons au travers de la membrane des mitochondries. L'établissement de ce gradient électrochimique de protons sert de force "proto-motrice" à la synthèse d'ATP au niveau des ATPases. De manière endothermique, grâce à l'apport de l'énergie lumineuse, les organismes photosynthétiques réalisent au sein des chloroplastes les mêmes phénomènes, mais en sens inverse, en réduisant le NADP+ grâce aux électrons extraits de l'eau.

     Les acteurs macromoléculaires participant à ces processus sont pour la plupart des complexes protéiques membranaires, ainsi que quelques petites protéines solubles. Dans les chaînes respiratoires, les complexes I (NADH-coenzyme Q oxydoréductase), III (coenzyme Q-cytochrome c oxydoréductase ou cytochrome b/c1) et IV (cytochrome oxydase) réalisent ces fonctions. Chez les organismes photosynthétiques supérieurs, les centres photo-systèmes 1 et 2 et le cytochrome b6/f effectuent ces "oxydoréductions intégrées".
    Sur le plan de l'Evolution, les bactéries photosynthétiques pourpres (~ 3.5 milliards d'années) constituent les ancêtres du photosystème 2 des plantes supérieures.
    Certaines des protéines citées plus haut (comme le cytochrome b/c1) sont aussi rencontrées chez ces bactéries et sont communes aux chaînes photosynthétique et respiratoire. 

    Malgré sa diversité, la Nature nous montre donc une continuité dans les processus et les machineries qu'elle utilise.
Axes de recherche

Même si le fonctionnement spécifique de chacun des complexes protéiques présents dans ces chaînes peut paraître différent, les mécanismes moléculaires associés au couplage entre transferts d'électrons et de protons sont sans doute similaires. Les structures 3D de la plupart de ces protéines de membrane ont été ou sont en passe d'être résolues. C'est une donnée de base essentielle pour la compréhension de leur fonctionnement. Cependant, comme dans un grand nombre d'autres cas, l'obtention de la structure 3D à elle seule n'est pas suffisante pour proposer une interprétation moléculaire des données fonctionnelles.  Il semble de plus en plus évident que la connaissance parallèle de la flexibilité, des mouvements thermiques et de la dynamique d'une enzyme, soit obligatoire pour en comprendre le fonctionnement intime sur le plan moléculaire.

 
Notre recherche est donc menée avec le désir d'avancer suivant trois axes:

  i) fonctionnement/dynamique
 ii) fonctionnement/structure
iii) structure/dynamique des complexes protéiques impliqués dans les systèmes membranaires intégrés.

Bien évidemment, ce travail ne peut être mené à bien que par des approches expérimentales et conceptuelles combinées, en d'autres termes multidisciplinaires. 
Par essence, notre projet se situe à l'interface Physique/Chimie/Biologie.  Notre choix de l'objet biologique s'est porté sur une des protéines membranaires participant à ces édifices intégrés, le centre réactionnel photosynthétique des bactéries pourpres.

Approches multidisciplinaires pour l’étude des centres réactionnels

Publications de l'équipe  (2000-07) dans des journaux  internationaux à comité de lecture

  1. PILOTELLE-BUNNER, A., CORNELIUS, F., SEBBAN, P., KUSCHEL, P.and CLARKE, R. Mechanism of Mg2+ Binding in the Na+,K+-ATPase (soumis à publication).
  2. PILOTELLE-BUNNER, A., BEAUNIER, P., TANDORI, J., MAROTI, P., CLARKE, R. J., & SEBBAN, P. The local electric field within phospholipid membranes modulates the electron transfer reactions of reaction centres (soumis à publication).
  3. KRAMMER, E-M., TILL, M. S., SEBBAN, P. and ULLMANN, M. G. Proton transfer pathways in photosynthetic reaction centers analyzed by profile Hidden Markov Models and Network calculations (soumis à publication)
  4. BUNNER-PILOTELLE, A., A., FLEMMING, C., SEBBAN, P.? and CLARKE, R. J.* (2008) Role of Mg2+ in the Na+,K+-ATPase Mechanism Biochemistry (sous presse).
  5. KRAMMER, E-M., SEBBAN, P. & G. M. ULLMANN A Hidden Markov Model of photosynthetic reaction centres to analyse the conservation of cofactor binding motifs and proton transfer pathways (accepté à Biochemistry).
  6. SACQUIN-MORA, S., SEBBAN, P. DERRIEN, V. FRICK, B. LAVERY, R. AND ALBA-SIMIONESCO, C. (2007) Probing the flexibility of the bacterial reaction centre: the wild-type protein is more rigid than two site-specific mutants Biochemistry 46(15); 4510-4521.
  7.    Sacquin-Mora, S., Sebban, P., Derrien, V., Frick, B., Lavery, R. and Alba-Simionesco, C. (2007) Probing the flexibility of the bacterial reaction centre: the wild-type protein is more rigid than two site-specific mutants Biochemistry (in press)
  8.       Cheap, H., Tandori, J.,  Derrien, V., Benoit, M., de Oliveira, P.,  Koepke, J., Lavergne, J., Maroti, P. and Sebban, P. (2007) Evidence for Delocalized Anticooperative Flash Induced Proton Binding as Revealed by Mutants at the M266His Iron Ligand in Bacterial Reaction Centers Biochemistry 46 (15); 4510-4521.
  9.       Juergen Koepke, Eva-Maria Krammer, Astrid R. Klingen, Pierre Sebban, G. Matthias Ullmann and Günter Fritzsch (2007) pH Modulates the Quinone Position in the Photosynthetic Reaction Center from Rhodobacter sphaeroides in the Neutral and Charge Separated States J. Mol. Biol.  371, 2, 396-409.
  10.       Hermes, S., Bremm, O., Garczarek, F., Derrien, V., Liebisch, P., Loja, P., Sebban, P., Gerwert, K., Haumann, M (2006) A Time-Resolved Iron-Specific X-ray Absorption Experiment Yields No Evidence for an Fe2+ to Fe3+ Transition during QA- to QB Electron Transfer in the Photosynthetic Reaction Center Biochemistry 45 (2) 353-359.
  11.       Amoroso, S., Agon, V., Starke-Peterkovic, T., McLeod, M., Apell, H.-J., Sebban P. & Clarke, R. J.  (2006) Photochemical Behaviour and Na+,K+-ATPase Sensitivity of Voltage-Sensitive Styrylpyridinium Fluorescent Membrane Probes Photochemistry and Photobiology 82, 2, 495-502.
  12.       de Oliveira, P.,  Ranjbari, A., Baciou, L., Bizouarn, T., Ollesch, G., Ermler, U.,  Sebban, P., Keita B. & L. Nadjo (2006) Preliminary electrochemical studies of the flavohaemoprotein from R. eutropha entrapped in a film of methyl cellulose activation of the reduction of dioxygen Bioelectrochemistry (sous presse).
  13.       Spitz, J-A.., Derrien, V. & P. Sebban (2005) Specific triazine resistance in bacterial reaction centers induced by a single mutation in the QA protein pocket Biochemistry 44, 1338-1343.
  14.       Mulkidjanian, A., Cherepanov D, Feniouk B, Gopta O, Klishin S, Kozlova M, Knorre D, Baciou L, Sebban P, Junge W (2004) Proton transfer dynamics in photosynthetic membranes Biochim Biophys Acta 1658, 72-, 2004.
  15.       Nabedryk, E., Breton, J., Sebban, P. & L. Baciou (2003) Quinone  binding site and protein structural changes in reaction center mutants at the Pro-L209 revealed by vibrational spectroscopy Biochemistry 42, 19, 5819-27.
  16.       Taly, A., Sebban, P., Smith, J.C. and M. G. Ullmann (2003) The position of QB in the photosynthetic reaction center depends on pH: a theoretical analysis of the proton uptake upon QB reduction Biophysical J. 84, 2090-98.
  17.       TALY, A., BACIOU, L. and P. SEBBAN (2002)  The DMPC lipid phase transition influences differently the first and the second electron transfer reactions in reaction centers FEBS Letters 532, 12, 91-6.
  18.        BRETON, J., BOULLAIS, C., MIOSKOWSKI, C., SEBBAN, P., BACIOU, L., NABEDRYK, E. (2002)  Vibrational spectroscopy favors a unique QB binding site at the proximal position in wild-type reaction centers and in the Pro-L209to Tyr mutant from Rhodobacter sphaeroides Biochemistry (accelerated publication) 41, 43, 12991-7.
  19.       Gerenscer, L., Taly, A., Baciou, L., Maroti, P. & P. Sebban Effect of binding of Cd2+ on bacterial reaction center mutants: proton- transfer uses interdependent pathways (2002) Biochemistry  41, 9132-8.
  20.       Tandori, J., Maroti, P., Alexov, E., Sebban, P. & L. Baciou Key role of proline L209 in connecting the distant quinone pockets in the reaction center of Rhodobacter sphaeroides (2002) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 99, 6702-6.
  21.       Xu, Q., Baciou, L., Sebban, P. and Gunner, M.R. (2002) Exploring the energy landscape for QA to QB electron transfer in bacterial reaction centers: effect of substrate position and tail length on the conformational gating step Biochemistry 41, 10021-5.
  22.       Tandori, J., J. Miksovska, M. Valerio-Lepiniec, M. Schiffer, P. Maroti, D.K. Hanson & P. Sebban (2002) Proton uptake of Rhodobacter capsulatus reaction center mutants modified in the primary quinone environment Photochem. Photobiol. 75,2,126-134.
  23.       Tandori, J., Baciou, L., Alexov, E., Maroti, P., Schiffer, M., Hanson, D.K. & P. Sebban (2001)    Revealing the involvement of extended hydrogen-bond networks in the cooperative function between distant sites in bacterial reaction centres J. Biol. Chem. (accelerated publication) 276, 49, 45513-15.
  24.       Kuglstatter, A., J. Miksovska, P. Sebban & G. Fritzsch (2000) Structure of the Photosynthetic Reaction Centre from Rb sphaeroides Reconstituted with Anthraquinone as Primary Quinone QA  FEBS Letters 472, 114-116.
  25.        Alexov, E., MIksovska, J., Baciou, L., Schiffer, M., Hanson, D. K., Sebban, P.& M. R. Gunner (2000) Modeling the Effects of Mutations on the Free Energy of the First Electron Transfer from QA- to QB in Photosynthetic Reaction Centers Biochemistry 39, 20 5940-5952.