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Mécanisme de l'ATP synthase chez les eucaryotes

Bonjour à tous ! Chez les eucaryotes, la membrane mitochondriale interne est pourvue de 4 complexes macromoléculaires permettant des transferts d'électrons vers l'accepteur final, le dioxygène. Les réactions qui s'y déroulent génèrent l'énergie libre permettant le transfert de protons dans l'espace intermembranaire. Ce processus forme alors un gradient électrochimique transmembranaire de concentration en protons. A quoi peut servir un tel gradient protonique ?

C'est ce que nous allons voir maintenant ! A la fin de la vidéo sur la chaîne respiratoire, nous avions vu très brièvement qu'il existait un cinquième complexe très particulier. Il s'agit de l'ATP synthase. Vous avez la vidéo ici, donc si vous ne l'avez pas encore visionné, n'hésitez pas à cliquer dessus.

Vous avez un schéma très simplifié, on peut maintenant le détailler. Zoomons dessus et tournons-le à Voici la structure de ce complexe protéique. Allez, insérons-le maintenant dans la membrane. Avant d'aller plus loin, sachez que ce complexe existe aussi chez les bactéries, ainsi que dans la membrane des thylakoïdes du chloroplaste, chez les végétaux. Mais il existe des petites différences et nous traiterons d'un point de vue transversal.

de Dalton. Sa structure présente deux parties appelées F0 et F1. La partie F1 est constituée de 5 types de chaînes polypeptidiques avec la stoichiométrie indiquée en indice.

Pour la stoichiométrie, ce sont les chiffres qui sont à côté des noms de chaque chaîne polypeptidique, à savoir α3, β3, γ1, δ1, ε1. Les sous-unités α, β que vous voyez ici en dégradé de gris constituent l'esprit essentielles de la sous-unité F1. Elles sont disposées alternativement selon un nano-examérique. Ces sous-unités alpha-bêta sont homologues entre elles, mais seules les sous-unités bêta possèdent un site catalytique.

Les sous-unités alpha présentent des sites de régulation allostérique permettant de moduler la vitesse de réaction du complexe. En dessous, vous voyez que vous avez la tige centrale. Elle est constituée en fait de deux protéines. Vous en avez une en bleu, ici, gamma.

C'est une espèce de longue hélice sur-enroulée qui s'étend jusqu'au centre de l'examère alpha-bêta. et à côté, vous en avez une ici de couleur rouge, c'est epsilon. Passons maintenant à la partie F0.

On voyait que la partie F0 est ancrée dans la membrane par des segments hydrophobes, qui sont ici de couleur vert clair. Et c'est dans cette partie F0 que l'on a un canal à protons. Et d'ailleurs, il est uniquement perméable aux protons.

Ce canal est constitué... d'un anneau comprenant 10 à 14 sous-unités appelées sous-unités C, et ces sous-unités sont présentes au sein de la membrane. Sur la gauche, vous avez une autre sous-unité appelée la sous-unité A par laquelle les protons entrent. Alors quand on revient maintenant à l'électrode, vous voyez que l'électrode est un système l'ATP synthase dans son ensemble. On peut finalement catégoriser les différentes régions de plusieurs façons.

La première, ce que l'on vient de voir d'ailleurs, c'est grâce à l'analyse chimique et à la diffraction des rayons X par des cristaux de ce complexe purifié qui nous ont donné finalement deux régions, c'est à dire la région F0 avec les sous-unités A, B et C et la région F1 avec les sous-unités alpha, bêta, gamma, delta et epsilon. La deuxième façon de le catégoriser est de et de considérer l'aspect dynamique du complexe. Alors on ne l'a pas vu encore, mais je vous le dis maintenant. On regroupe les sous-unités en deux parties. L'une fixe, qu'on appelle le stator, avec les sous-unités A, les sous-unités B, delta, alpha et bêta.

Tout ça, c'est la base du moteur. C'est fixe. L'autre partie, c'est mobile. C'est ce que l'on appelle le rotor, avec les sous-unités C, delta et epsilon.

Tout cela constitue la partie rotative qui est responsable du fonctionnement général. Pourquoi l'appelle-t-on ATP synthase ? Des expériences ont été réalisées en prenant des mitochondries, en éliminant la membrane externe, puis grâce aux ultrasons, les scientifiques ont réussi à fragmenter, c'est-à-dire à couper, la membrane interne qui se referme alors spontanément aux vésicules. On appelle ces vésicules des particules sub-mythocondriales. Ce qui est intéressant pour nous, si on agrandit un petit peu, c'est que les ATP synthase sont présentes dans les membranes des vésicules et tout toute la partie F1, c'est-à-dire la partie sphérique la plus volumineuse, ici, est tournée vers l'extérieur, elles ne sont plus vers l'intérieur comme dans la mitochondrie.

Alors première situation expérimentale, les scientifiques ont travaillé sur l'importance d'un gradient électrochimique transmembranaire. Comment ? Eh bien tout simplement en réalisant différentes conditions de part et d'autre des compartiments. Premier cas, si le pH de la vésicule interne est égal ou supérieur à celui du milieu extra-vésiculaire, par exemple, prenons pour nous 8 à l'intérieur de la vésicule et de l'éalicité.

extérieur et que l'on rajoute de l'ADP plus du phosphate inorganique dans le milieu extérieur, on constate qu'il ne se passe alors rien, pas de formation d'ATP. Je vous rappelle que plus la concentration en H+, sera importante dans la vésicule, plus le pH sera bas. Lorsque le pH de la vésicule interne est inférieur à celui du milieu extra-vésiculaire, par exemple ici, prenez un pH de 4 dans la vésicule et de 8 à l'extérieur, et que l'on rajoute de l'ADP plus du phosphate inorganique, on constate une synthèse d'ATP dans le milieu extra-vésiculaire.

Une autre expérience importante a été réalisée en 1974. Elle a consisté à insérer une ATP synthase au sein d'une membrane de vésicule artificielle ainsi que d'une pompe à protons un petit peu particulière. Cette pompe à protons est d'origine bactérienne et se retrouve active en présence de lumière. Elle permet de transférer des protons d'un compartiment à un autre.

Cette pompe s'appelle la bactériorhodopsine. Quand on place maintenant ces vésicules artificielles dans un milieu contenant de l'ADP, du phosphate inorganique et des protons, puis qu'on les expose à la lumière, on observe tout d'abord une accumulation de protons dans la vésicule, via la pompe à protons, on concentre ces ions H+, par rapport au milieu extérieur, Puis on observe une production d'ATP avec la sortie des protons pour l'ATP synthase. Toutes ces expériences, ainsi que d'autres que je ne développe pas dans cette vidéo, nous laissent à penser que, dans une mitochondrie intacte, la production d'ATP est liée au gradient de protons. Et oui, produire de l'ATP demande de l'énergie, donc c'est un processus endergonique.

Le passage des protons dans l'espace intermembranaire se réalise spontanément, nous l'avions vu dans la chaîne respiratoire, c'est exergonique. Donc tout porte à croire qu'il existe un couplage par l'intermédiaire de l'ATP synthase. Comment fonctionnent ces ATP synthase ? Le modèle repose sur un changement de conformation, c'est-à-dire sur un changement de son organisation spatiale.

Je reste sur le modèle de fonctionnement le plus couramment admis, c'est-à-dire le modèle de Boyer, qui suppose que les trois sites sont structurellement identiques, mais déphasés au plan fonctionnel. Si l'on réalise une coupe virtuelle dans la partie F1, voilà ce que l'on va pouvoir observer. C'est juste au-dessus.

Vous avez les différentes sous-unités, ainsi que leurs relations entre elles. Si maintenant on zoome sur cette coupe, alors vous voyez ici la présence des sous-unités alpha qui alternent avec les sous-unités beta. Alors j'insiste ici sur le fait que la coupe a été réalisée à un instant T et qu'à cet instant-là, vous avez les trois sites catalytiques, beta 1, beta 2 et beta 3, qui sont chacun dans une conformation différente.

Une configuration ouverte, une configuration lâche et une configuration serrée ou fermée, c'est la même chose. Et ces trois conformations ne sont pas du tout équivalentes fonctionnellement. Alors le premier état, c'est l'état ouvert. Le site catalytique est vide, mais présente une forte affinité pour l'ADP et le PI, et une faible affinité pour l'ATP. Le deuxième état, c'est un état resserré.

Le site catalytique est occupé par l'ADP et le PI. Enfin, le troisième état, c'est un état dit fermé. Le site catalytique présente une forte affinité pour l'ATP qui se forme.

Regardons maintenant comment tout cela fonctionne. Par rapport à toutes les données qui ont été récoltées sur ce complexe protéique, les scientifiques ont proposé un mécanisme de synthèse d'ATP basé sur le passage de protons dans l'ATP synthase. Ce passage de protons induirait un changement de conformation des sous-unités bêta, et cela sous l'effet de la rotation de la sous-unité gamma, qui est au centre de couleur bleue. Allez, regardez bien. Je vous ai représenté cette sous-unité, et c'est volontaire si je ne l'ai pas faite totalement circulaire.

En fait, elle possède une espèce de... une sorte d'encoche qui déformerait les sous-unités bêta lorsqu'elle les touche. La rotation ferait passer β1 en configuration L, β2 en configuration O à faible affinité, qui a conduit au départ de l'ATP, et β3 en configuration T, qui a rapproché l'ADP et le PI.

Le site O de β2 est disponible pour la fixation d'ADP et PI. Le site β3 en configuration T réalise la synthèse d'ATP avec élimination d'une molécule d'eau. La rotation de γ se réalise à nouveau et entraîne le passage du site B.

β3 de la configuration T à la configuration O. Le site β1 est passé de la configuration L à T, et le site β2 lie faiblement l'ADP et le PI. A chaque rotation, finalement, vous voyez que vous avez des renversements d'affinités.

Une petite question. Comment le flux de protons fournit-il l'énergie nécessaire à la synthèse de l'ATP ? Parce que quand même, certaines expériences ont révélé des choses plutôt inattendues.

Oui, assez inattendues, oui, c'est vrai. Alors pour résumer, il a été montré que la formation d'ATP se forme facilement au niveau de l'ATP synthase, même en l'absence d'une force protomotrice. Expérimentalement, lorsque l'on rajoute de l'ADP et du phosphate inorganique à l'ATP synthase, on a montré que l'ATP se forme. Mais par contre, cet ATP ne quitte pas le site catalytique, tant que des protons ne s'écoulent pas à travers l'enzyme. Donc le gradient de proton n'est pas de fournir l'énergie pour former de l'ATP, quand l'ADP et le PI sont fixés sur l'ATP synthase, mais de le libérer de l'enzyme sur laquelle il est fortement fixé en raison de sa grande affinité.

Regardons le fonctionnement du modèle à partir d'une animation. En voici l'ATP synthase dans son ensemble non enchâssé dans la membrane. Maintenant, regardez lorsque ce complexe se trouve au niveau de la membrane interne mitochondriale. Alors en dessous, vous avez l'espace intermembranaire avec une grande concentration en protons. Voici la sous-unité A avec par transparence la présence de deux demi-canaux protoniques.

Vous avez une diffusion facilitée des protons qui se réalise, vous voyez qu'un proton d'ailleurs pénètre. par le demi-canal de la sous-unité A, et il se fixe sur une sous-unité C. Alors plus intimement, il protone un radical aminé, ce qui provoque à ce moment-là la rotation de l'anneau d'une unité.

En même temps, de l'autre côté, vous voyez qu'un proton est libéré au niveau de l'autre demi-canal après avoir fait un tour complet, et il se retrouve dans la matrice. La rotation de l'anneau provoque la rotation de l'axe central gamma qui lui est solidaire. Par contre, la sphère 1 qui est au-dessus, alpha-bêta, Elle est totalement fixe.

Ce sont les sous-unités B que l'on a vu tout à l'heure qui empêchent la rotation. Rappelez-vous de la partie stator. Au niveau des sites bêta, vous avez ici un site en conformation lâche avec l'ADP et le PI.

Et dès que la rotation s'effectue, cela provoque le changement de conformation du site qui passe de la forme lâche à la forme fermée. Et donc ça phosphorie l'ADP en ATP. Puis nouvelle rotation et le site fermé passe dans une conformation ouverte, O. Et ça, ça libère l'ATP.

Finalement, vous voyez ici les deux parties fonctionnelles de l'ATP synthase, avec la partie fixe, le stator, et la partie mobile, le rotor. Tous les trois protons se réalisent une rotation de vers la gauche, et ça permet de synthétiser une molécule d'ATP. Maintenant, sachant qu'à chaque rotation complète, il y a production de 3 ATP, et que, en gros, le rotor effectue à peu près 130 tours par seconde, chaque ATP synthase libère en gros autour de 400 molécules d'ATP.

Alors pour tester la pertinence de ce modèle avec ce type de fonctionnement, il fallait visualiser la rotation du système. Et il a été réalisé une expérience où les scientifiques ont fixé sur une plaque de verre les sous-unités αβ avec la tige rigide γ au centre. Puis ils ont réalisé un petit montage dans lequel ils ont fixé un filament d'actine, ici en rouge, et avec dessus un fluorochrome.

Je vous rappelle qu'un fluorochrome c'est une substance capable d'émettre de la lumière par fluorescence après excitation. Ainsi, grâce à un microscope à fluorescence, les scientifiques ont pu observer ce qui se passait quand on rajoutait de l'ATP. Voici en image les observations. Et là, vous voyez que ça a provoqué quoi ?

Ça a provoqué la rotation du filament d'actine de façon unidirectionnelle, dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Donc, dans cette expérience, ici, vous voyez que la sous-unité gamma tourne grâce à l'hydrolyse de l'ATP. Elle fournit le substrat à l'activité ATP-ASIC. De plus, les scientifiques sont allés... plus loin, faisant varier la longueur du filament et la quantité d'ATP à partir de différentes mesures.

Et ils ont montré que le système atteint un rendement énergétique quasiment de 100%. Donc la quasi-totalité de l'énergie provenant de l'hydrolyse de l'ATP a été convertie en énergie mécanique. Le transfert énergétique finalement repose sur l'existence d'un gradient de protons, établi de part et d'autre de la membrane. L'énergie est sous forme osmotique.

Après fonctionnement de l'ATP synthase, l'énergie du gradient se trouve transférée sous forme chimique avec l'ATP formé. L'ATP produit par ce procédé provient d'un couplage osmo-chimique. Et comme toujours, si vous avez apprécié, n'hésitez pas à vous abonner à cette chaîne biologique.

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