Transporteurs actifs : pompes (transporteurs primaires)
V-ATPases : vue d'ensemble

Les pompes (ou transporteurs secondaires) sont des protéines transmembranaires (ou polytopiques) qui couplent le passage d'une molécule à une réaction enzymatique exergonique, comme l'hydrolyse de l'ATP.

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  Les pompes font partie des transporteurs actifs.
• En biologie, le transport dit actif désigne le passage d'un ion ou d'une molécule à travers une membrane contre son gradient de concentration (driving force).

Vue d'ensemble des V-ATPases

1. Les V-ATPases (Vacuolar-type H⁺-ATPases) sont des enzymes archaïques hautement conservées aussi bien dans la composition que dans le mécanisme biochimique (The V-type H+-ATPase in vesicular trafficking: targeting, regulation and function 2008).

Les V-ATPases sont des pompes à protons qui sont considérées comme des ATPases de type F inversées.

2. Dans les cellules de mammifères, les sous-unités V-ATPase existent sous plusieurs isoformes qui sont souvent exprimées de manière spécifique selon le tissu ( voir tableau).

• Les isoformes de la sous-unité a de V0 ciblent la V-ATPase vers des destinations cellulaires distinctes
• Au moins six des quatorze sous-unités V-ATPase restantes existent sous plusieurs isoformes dans les cellules de mammifères.

Dans chaque cas, une isoforme est exprimée de manière ubiquitaire tandis que d'autres isoformes sont souvent exprimées dans un tissu spécifique.

4. Le pH des organites individuels est étroitement contrôlé et essentiel pour leur fonction (Sensors and regulators of intracellular pH 2009 et Consequences of Loss of Vph1 Protein-containing Vacuolar ATPases (V-ATPases) for Overall Cellular pH Homeostasis 2011).

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  Le cytosol, le noyau et le réticulum endoplasmique (RE) ont un pH presque neutre d'environ 7,2,
• Le réseau de Golgi maintient un pH d'environ 6,7 à 6, descendant progressivement des compartiments cis à médial à trans-Golgi (A new pH sensor localized in the Golgi apparatus of Saccharomyces cerevisiae reveals unexpected roles of Vph1p and Stv1p isoforms 2020). Les granules de sécrétion sont généralement plus acides, avec une plage de pH de 5,2 à 5,7
• Les endosomes précoces et de recyclage ont un pH de 6,3 à 6,5, les endosomes tardifs un pH plus de 5,5, les lysosomes un pH de 4,7 à 5,5 en fonction de leur position par rapport au noyau ( pH des lysosomes).

La composition en phosphoinositides des différents organites et des endosomes suivant leur maturation est différente ( phosphoinositides et endosomes) et pourrait influencer l'activité des V-ATPases (Regulation of V-ATPase Activity and Organelle pH by Phosphatidylinositol Phosphate Lipids 2020).

• En plus des effets directs sur la V-ATPase, les phosphoinositides sont également susceptibles d'affecter indirectement le pH des organites, par le biais d'interactions avec d'autres transporteurs membranaires.

Fonctions des V-ATPases

Les V-ATPases acidifient un large éventail d'organites intracellulaires et pompent des protons à travers les membranes plasmiques de nombreux types cellulaires comme (Regulation and Isoform Function of the V-ATPases 2011) :

• les endosomes et les lysosomes,
• les vésicules dérivées de l'appareil de Golgi,
• les vésicules sécrétoires,
• la membrane plasmique pour certaines cellules.

Système endomembranaire

Dans le système endomembranaire, les V-ATPases interviennent à plusieurs niveaux.

1. Dans les endosomes, les V-ATPases :

• dissocient les ligands internalisés, tels que les lipoprotéines de basse densité (LDL), de leurs récepteurs, facilitant ainsi le recyclage des récepteurs vers la membrane plasmique,
• sont nécessaires au bourgeonnement des vésicules endosomales qui transportent les ligands intériorisés des endosomes précoces aux endosomes tardifs,
• permettent la dissociation des enzymes lysosomales des récepteurs du mannose-6-phosphate qui les ciblent du Golgi au lysosome.

Les compartiments endosomaux acides fournissent également le point d'entrée pour les parties cytotoxiques de nombreux virus d'enveloppe, i.e. grippe, virus Ebola ou de toxines, i.e. diphtérie ou anthrax. La capacité de ces agents pathogènes à infecter ou à tuer des cellules dépend donc de manière critique de l'activité de la V-ATPase.

2. Dans les lysosomes, l'acidification par les V-ATPases est nécessaire à l'activité des enzymes de dégradation situées dans la lumière lysosomale et à l'exportation des produits de dégradation via des transporteurs couplés.

3. Dans les vésicules sécrétoires provenant de l'appareil de Golgi, Les V-ATPases créent à la fois :

• le pH acide requis pour le traitement des pro-hormones en leurs formes matures,
• le gradient de pH et le potentiel membranaire utilisés pour entraîner l'absorption de petites molécules, telles que les neurotransmetteurs.

Membrane plasmique

1. Au niveau de la membrane plasmique, les V-ATPases sont impliquées dans la métastase des cellules tumorales, par exemple en fournissant un environnement extracellulaire acide nécessaire à l'activité des cathepsines, protéases impliquées dans les métastases (Cysteine Cathepsins and the Cutting Edge of Cancer Invasion 2007).

2. Les V-ATPases entrent en jeu dans de nombreux processus métaboliques en réponse aux variations de la concentration par exemple du glucose ou d'acides aminés ( régulations de l'activité des V-ATPases).

3. Les V-ATPases interviennent dans la signalisation comme la signalisation WNT ou Notch.

4. Les V-ATPases de la membrane plasmique jouent principalement des rôles spécifiques au type cellulaire.

Dans les cellules rénales intercalées du tubule distal tardif et du canal collecteur, les V-ATPases situées dans la membrane apicale fonctionnent pour sécréter de l'acide dans l'urine (Renal Vacuolar H+-ATPase 2003).

Un défaut dans les isoformes des sous-unités V-ATPase qui sont sélectivement exprimées dans le rein conduit à l'acidose tubulaire distale.

Dans les ostéoclastes, les V-ATPases de la membrane plasmique jouent un rôle essentiel dans la résorption osseuse en acidifiant l'espace entre la cellule et l'os, dissolvant ainsi la matrice osseuse (From lysosomes to the plasma membrane: localization of vacuolar-type H+ -ATPase with the a3 isoform during osteoclast differentiation 2000 et V-ATPases and osteoclasts: ambiguous future of V-ATPases inhibitors in osteoporosis 2020).

Les défauts de la V-ATPase conduisent à l'ostéopétrose, caractérisée par des défauts de développement résultant de l'incapacité à dégrader et remodeler l'os (Defects in TCIRG1 subunit of the vacuolar proton pump are responsible for a subset of human autosomal recessive 2000).

Dans l'épididyme, les V-ATPases localisées sur la membrane apicale des cellules claires maintiennent le liquide séminal à un pH acide, une propriété cruciale pour la maturation et le stockage normaux du sperme (Distinct Expression Patterns of Different Subunit Isoforms of the V-ATPase in the Rat Epididymis 2006).

Structure et régulations des V-ATPases