Structure et grandes fonctions métaboliques des plantes

Structure et grandes fonctions métaboliques des plantes
Assimilation de l’azote
Source et cycle de l’azote
A la surface de la Terre, il existe 3 sources d’azote : le pool atmosphérique  N2, le pool
minéral  nitrates NO3- et NH3/NH4+ et le pool organique  acide aminé et protéine. Il y a
des échanges permanents. Les nitrates dans le sol sont des anions et sont donc peu retenu à la
surface du sol donc peu abondant. Ils subissent un lessivage important et les nitrates sont la
forme préférentielle des plantes. Ils sont réduits en nitrites puis la nitrite réductase les réduit
en ammonium. L’ammonium se trouve également dans le sol. Le premier acide aminé formé
est du glutamate. La seconde partie du cycle se trouve dans le sol. Les protéines sont
dégradées pour reformer de l’azote minéral à partir de l’azote organique. La formation
d’humus permet l’ammonisation : retour au NH3. Enfin les bactéries nitrificatrices permettent
la nitrification des sols. Ce sont des bactéries chimiosynthétiques. La réaction est exergonique
et l’énergie récupérer permet de fixer le CO2.
NH3  NO2NH3  NO3∆G < 0
Le N2 est convertit en ammonium par les microorganismes du sol.
Assimilation du NO2Transport des nitrates
Ceci concerne les cellules racinaires : le rhizoderme et les poils absorbants. Les nitrates sont
transportés par la sève brute et sont redistribués à la plante pour une partie des NO 3 - seulement.
L’autre partie est réduite dans la racine. Les transporteurs se situent dans les cellules foliaires
et racinaires. Il y a un mécanisme de symport avec les protons. Ce transport n’est pas
électroneutre mais il est très actif. La concentration en nitrate varie beaucoup selon les sols et
est rarement élevée.
Cf graphe p.36
Il existe deux familles de transporteurs : un transporteur qui présente une forte affinité mais
une faible capacité (HATS) et un autre qui possède une forte capacité mais une faible affinité
(LATS). On a fait des études cinétiques sur des racines coupées pour étudier la vitesse de
transport en fonction de la concentration en nitrate. On obtient une courbe de type
michaelienne sur laquelle on peut déterminer Vmax et Km qui est l’affinité pour le
transporteur. Deux familles de gènes codent pour ces transporteurs : les gènes NRT2 codent
pour les HATS et pour les LATS ce sont les gènes NRT1. NRT2 codent pour des
transporteurs constitutifs c'est-à-dire qu’ils sont tout le temps synthétisés et NRT1 sont
inductibles par la concentration en nitrates en augmentant. C’est un système symport nitrate –
proton. La capacité d’accumulation est importante. Il s’agit d’un transport actif secondaire.
Après l’absorption, les nitrates sont réduits en nitrites.
Réduction du NO3La réduction se fait par une enzyme, la nitrate réductase. C’est une enzyme soluble et
cytosolique constitué d’un homo dimère (deux sous unités identiques). Chaque sous unité est
formée de 3 domaines :
FAD qui utilise le pouvoir réducteur  un hème qui est un cytochrome b  un atome de
MoCo (cobalt). C’est un oligoélément présent en faible quantité mais indispensable car il
intervient dans la réaction de transfert des électrons depuis le NADPH. Les deux électrons
réduisent les nitrates en nitrites. C’est une réaction exergonique donc le transfert des électrons
est spontané. Elle ne consomme pas d’ATP mais du pouvoir réducteur.
NO3-  NO2- + H2O
Sa position est stratégique car elle subit de multiple régulation. Les gènes de la NR codent
pour une enzyme qui est active dans sa forme native. La transcription est sous le contrôle de
la lumière et des nitrates (substrat). Le glucose et d’autres sucres sont aussi des activateurs de
la transcription. Il y a donc une connexion entre le métabolisme azoté et le métabolisme
carboné. La NR est régulée par une phosphorylation post-traductionnelle. Quand elle est
phosphorylée, elle fixe un inhibiteur qui l’inactive. Tout ceci est sous le contrôle d’une kinase
phosphatase. La phosphorylation est régulée par la lumière et des sucres qui inhibe le
processus. Cette réduction se fait dans les tiges ou les racines. La répartition en enzyme dans
les feuilles et les tiges dépend des plantes et la concentration en nitrate exogène.
Réduction du NO2Le NO2- est le substrat de la nitrite réductase et elle fait intervenir 6 électrons.
NO2- + 6e- + 6 H+  NH3 + H2O
Ensuite NH3 est protoné pour former du NH4+ : NH3 + OH- + 2H+  NH4+ + H2O
 NO2- + 6e- + 8H+ = NH4+ + 2 H2O
Cette réaction alcalinise le cytoplasme et tous les organes peuvent réaliser cette réduction. La
NIR est localisée différemment selon les organes : dans les racines elle se trouve dans les
proplastes et dans les feuilles elle se trouve dans les chloroplastes. Dans les racines le pouvoir
réducteur est le NADPH (3 sont nécessaires pour les 6 électrons) et dans les feuilles, il
provient de la ferredoxine (6 sont nécessaires pour les 6 électrons). La NIR est juste formée
d’une chaîne contenant 3 domaines : un domaine contient du FMN responsable de la fixation
des électrons de la ferredoxine, le 2e est une protéine Fer - souffre et enfin un hème.
Assimilation du NH4+
Dans les plantes le NH4+ n’est pratiquement jamais transporté dans les sèves car il est toxique.
Après son assimilation il est transformé en glutamate directement sur son lieu de formation.
La GS et la GOGAT
GS : glutamine synthétase
GOGAT : glutamate oxoglutarate amino transférase : glutamate synthase
La GS utilise le glutamate préexistant et fixe le NH4+ avec de l’ATP pour former de la
glutamine. La GOGAT transfère le groupement amine sur l’oxoglutarate pour donner du
glutamate. Le premier glutamate utilisé est alors régénéré. On a donc formation de 2
glutamates. La GOGAT nécessite du pouvoir réducteur provenant de la ferredoxine ou du
NADPH. Dans les racines, l’ammonium est pris en charge par la GS 1 ou la GS 2 (proplaste).
La GOGAT à NADPH se trouve dans les proplastes. Dans les feuilles, GOGAT et GS2 sont
dans les chloroplastes, et GS1 est dans cytosol.
La GDH
Il s’agit de la glutamate déshydrogénase qui est une enzyme mitochondriale. Elle fonctionne
quand NH3 est important dans le sens α’cétoglutarate qui est alors réduit :
α + NH3 + NADH  NAD+ + glutamate
Cette enzyme est peu active chez les végétaux supérieurs mais plus chez les champignons.
Chez les végétaux, la GOGAT est très performante car la GS a une forte affinité pour son
substrat. La GDH est peu efficace tant que la concentration en NH4+ n’est pas élevée ce qui est
relativement rare chez une plante car il est toxique. Cependant la PR peut faire intervenir cette
enzyme car quand elle est importante, elle libère du NH4+ dans les mitochondries qui doit être
recyclé.
Les transaminations
A partir du glutamate on obtient du NH2 et grâce aux transaminations on peut obtenir les
autres acides aminés.
Glutamate
α’cétoglutarate
AOA / Glyoxylate / Pyruvate …
aspartate / glycine / alanine …
Origine du NH4+ dans les plantes
L’ammonium a plusieurs origines :
- réduction des nitrates
- absorption directe
- catabolisme des protéines
- c’est une forme de transport pour l’asparagine
- photorespiration pour son recyclage
N2 atmosphérique  NH3
Fixation symbiotique du N2 atmosphérique dans les nodules
La fixation de l’azote symbiotique nécessite des microorganismes se trouvant dans les
nodosités. Ce sont les bactéries qui fixent le N2 de l’atmosphère. Ceci est essentiellement
présent chez les légumineuses. Chez les Fabacées par exemple, il y a une symbiose avec une
famille de bactérie : les rhizobiacé. Cette symbiose se retrouve souvent dans les racines, on
parle de nodosités racinaires et peut parfois apparaître sur les tiges, ce sont alors des nodosités
caulinaires. Il existe également des nodosités chez les non légumineuses, chez les Ulnacés
(aulne). Chaque plante a une espèce de bactérie.
La plante déclenche le processus d’infection en activant les bactéries de la rhizosphère en
libérant des flavonoïdes qui interagissent alors avec une protéine bactérienne (NOD). Cette
protéine va être activée et joue le rôle de facteur de transcription. Elle va conduire à
l’expression des gènes NOD de la bactérie. Ces gènes codent pour une enzyme intervenant
dans la biosynthèse d’oligosaccharides qui sont des facteurs NOD reconnus par la plante. Les
oligosaccharides sont des répétitions de la glucosamine (4 à 5 fois) avec des substitutions.
Après la reconnaissance la bactérie vient au contact des racines et il y a initiation de la
formation d’un cordon d’infection dans un poil absorbant pour conduire la bactérie dans le
parenchyme. La formation des méristèmes nodulaires est réalisée par la reprise des divisions.
Quand les nodules sont différenciés : il y a une zone méristématique, une zone où la bactérie
continue d’infectée et enfin au centre la cellule colonisée. Il y a une formation de tissus
conducteurs propres à la bactérie. Dans la cellule infectée les bactéries sont regroupées dans
des structures arrondies : des bactéroïdes limité par une membrane dérivant de la membrane
plasmique. La membrane est le symbiosome. Dans le cytoplasme, il y a beaucoup de
mitochondries et de Leghémoglobine. La bactérie catalyse la fixation du N2 grâce à la
nitrogénase pour former du NH3. Elle contient deux composants : la nitrogénase et la
nitroréductase. Le pouvoir réducteur provient de la ferredoxine des bactéries.