Bioénergétique : composés " riches en énergie "
Composés à liaison phosphate
ATP : phosphorylation oxydative
ATP synthase : structure de F_O

Chez les eucaryotes, ce processus est localisé en totalité dans les mitochondries, au niveau de la membrane interne (IMM).

L’ATP synthase est constituée de deux régions principales :

• F₁, partie catalytique, responsable de la synthèse de l'ATP à partir de l'ADP et de Pi baignant dans la matrice mitochondriale,
• F_O, partie incorporée dans la membrane mitochondriale interne (IMM), domaine contenant un moteur qui génère une rotation.

F₁ et F_O sont liées par :

• une tige centrale qui transmet l'énergie de rotation du moteur de F_O au domaine F₁,
• une tige périphérique.

Structure générale de la région F_O de l'ATP synthase

La région F_O, O pour oligomycine et non pas le chiffre 0, désignée ainsi car cet antibiotique cible cette fraction, est une protéine insoluble qui possède plusieurs sous-unités différentes :

• 

  c, a et b chez les bactéries,
• c, a/ATP6, ATP8/A6L, e, f, g, k/DAPIT (diabetes-associated protein in insulin-sensitive tissue) et j/6.8PL (6.8-kDa proteolipid) chez les eucaryotes.

Remarque : les sous-unités F6, b et d mitochondriales, i.e. b et b' des bactéries et des chloroplastes, peuvent être considérées comme des sous-unités de F_O.

1. La région F_O de l'ATP synthase est un pore de proton qui est intégré dans la membrane mitochondriale interne (IMM).

F_O est mobile dans le plan de la membrane, et peut tourner autour d’un axe constitué par certaines des sous-unités de F1, d’où sa qualification de rotor/essieu.

2. Par opposition à la région F₁ qui est le stator, F_O est qualifiée de rotor.

Anneau de sous-unités c

Structure d'ensemble

1. Les sous-unités c, en nombre variable selon les espèces, forme un anneau qui passe par des changements conformationnels lorsqu'elles sont protonées et déprotonées ( mécanisme de F_O).

• Ce nombre varie : 8 dans les mitochondries bovines, 10 dans les mitochondries de levure, 14 dans les chloroplastes et de 10 à 15 chez les bactéries.
• On pense que le nombre de c est déterminé par le rapport ion/ATP, qui se situe entre 2,67 pour 8 c et 5,00 pour 15 c.

Les organismes, comme les mammifères, qui possèdent une force motrice des protons (PMF ou Δp) à haute vitesse constante, n'ont besoin que d'un nombre faible de c, alors que ceux exposés à des facteurs de traitement variables comme les chloroplastes et/ou à des PMF à faible taux comme chez les bactéries ont besoin d'un nombre plus élevé de c.

2. Les sous-unités c sont constituées d'une épingle à cheveux, i.e. hélice-boucle-hélice.

a. Elles forment :

• un anneau intérieur qui correspond aux hélices N-terminales,
• un anneau extérieur correspondant aux hélices C-terminales, plus longues, 52 Å contre 41 Å que les premières.

b. Chaque hélice C-terminale contient un résidu ionisable, i.e. un glutamate ou un aspartate selon l'organisme, au milieu de la bicouche lipidique (Unusual features of the c-ring of F1FO ATP synthases 2019).

• Une poche est formée autour de ce résidu qui accepte H⁺, ou bien Na⁺ chez certaines bactéries (Essentials for ATP Synthesis by F 1 F 0 ATP Synthases 2009).
• Le fait que les sous-unités c soient chargées ainsi est favorable à la rotation de F_O.

c. Le large orifice au milieu de l'anneau c, 47 Å en haut et en bas, et 42 Å au milieu de la membrane, est probablement obturé par des phospholipides (The central plug in the reconstituted undecameric c cylinder of a bacterial ATP synthase consists of phospholipids 2001).

3. L’anneau c interagit :

• avec le pied de la tige centrale via les sous-unités γ, δ et ε et les régions de boucles reliant les hélices α de chaque sous-unité c de l’anneau.
• avec a/ATP6 ou a et ATP8/A6L de la tige périphérique.

Cavité centrale de l'anneau c₈

Le contenu de la cavité centrale de l'anneau c₈ est mal connu.

• La moitié supérieure de cette densité a été attribuée à un lipide mobile, peut-être même l'ubiquitinone (Q) ou coenzyme Q (Unusual features of the c-ring of F1FO ATP synthases 2019).
• La moitié inférieure a été attribuée à un autre lipide mobile et à la région C-terminale de la sous-unité e, qui s'étend vers la cavité centrale dans l'espace intermembranaire et pourrait simplement pénétrer dans la cavité chez les bovins, mais pas, semble-t-il, chez la levure (Atomic model for the dimeric FO region of mitochondrial ATP synthase 2019).

Autres sous-unités

Remarque : la sous-unité 8 correspond à j/6.8PL (6.8-kDa proteolipid) et la sous-unité I sont facultatives.

1. La sous-unité a/ATP6, présente par 2, est formée par plusieurs hélices α (Structure of a Complete ATP Synthase Dimer Reveals the Molecular Basis of Inner Mitochondrial Membrane Morphology 2016) :

• aH1 est une hélice transmembranaire, à la suite de la courte extrémité N-terminale hydrophile,
• aH2 est une hélice amphipathique (AH),
• aH3-aH6 forme un faisceau hélicoïdal, i.e. aH5 contiendrait Arg182, qui interagit avec le glutamate de l’anneau c protonatable.

La sous-unité a est essentielle au mécanisme de translocation des protons par ces deux demi-canaux ( translocation des protons).

2. La sous-unité b a deux α-hélices transmembranaires N-terminales interagissant directement ou indirectement avec les sous-unités e, f, g, k/DAPIT et j/6,8PL, qui n’ont aucun rôle connu dans la synthèse ou l’hydrolyse de l’ATP.

• 

  Le domaine membranaire de la sous-unité b est associé aux sous-unités a/ATP6 et ATP8/A6L codées par les mitochondries.
• La région N-terminale d’ATP8 a une seule hélice α transmembranaire, et sa région C-terminale s’étend dans la tige périphérique.

a. L'ATP8 et la sous-unité b maintiennent l’ATP6 en contact avec l’anneau c.

b. La sous-unité b relie F_O au sommet de l'hexagone (αβ)₃ de F₁.

3. D'autres sous-unités sont étudiées dans la dimérisation.

Dimérisation

Chez les levures

1. La dimérisation des domaines F_O de l’ATP synthase, dans la figure ci-contre de S. cerevisiae, est formée principalement par les deux sous-unités a/ATP6 et par les deux sous-unités j/6.8PL (Atomic model for the dimeric FO region of mitochondrial ATP synthase 2017 et Assembly of the membrane domain of ATP synthase in human mitochondria 2018).

2. Cependant, les sous-unités e et g contribueraient à la stabilisation du complexe (Atomic model for the dimeric FO region of mitochondrial ATP synthase 2019).

a. La sous-unité e possèderait :

• une hélice transmembranaire N-terminale avec un motif GxxxG essentiel conservé, une signature d’interaction hélice-hélice
• une extrémité C-terminale hydrophile qui expliquerait son attache à l’IMS.

b. La sous-unité g comprendrait :

• un domaine matriciel N-terminal,
• une hélice transmembranaire C-terminale qui contient également un motif GxxxG conservé.

La sous-unité g pourrait être liée à l’extrémité N-terminale de b dans la matrice car la suppression de la première hélice transmembranaire de b entraîne la perte de g et la dissociation du dimère.

c. Les sous-unités e et g peuvent ainsi former un hétérodimère serré dans la membrane via leurs motifs GxxxG.

Chez les mammifères

La dimérisation dans de l'ATP synthase des mammifères est plus complexe.

1. Chez l'homme, il semble que la sous-unité f soit essentielle à cette dimérisation (The f subunit of human ATP synthase is essential for normal mitochondrial morphology and permeability transition 2021).

• La sous-unité f stabilise les dimères de l’ATP synthase, mais pas les monomères.
• L’activité synthétique/hydrolytique de l’ATP synthase n’est pas altérée dans les KO de la sous-unité f.
• La régulation négative de la sous-unité f humaine perturbe la morphologie normale des crêtes mitochondriales.
• La sous-unité f module la taille et la sensibilité du pore de transition de perméabilité.

2. DAPIT (diabetes-associated protein in insulin-sensitive tissue) , appelée aussi k comme l'orthologue de la levure, pourrait être impliquée dans la formation de liens entre les dimères dans les rangées de dimères des crêtes.

3. La sous-unité e, mal connue, interviendrait aussi dans la dimérisation.

Remarque : la formation tétramérique porcine décrite dans Cryo-EM structure of the mammalian ATP synthase tetramer bound with inhibitory protein IF1 (2019) n'est pas exacte, car la sous-unité j a été mal identifiée en tant que sous-unité k, et la sous-unité k en tant que protéine hypothétique.

Mécanisme de l'ATP synthase