Bioénergétique : composés " riches en énergie "
Composés à liaison phosphate
ATP : phosphorylation oxydative
ATP synthase : mécanisme de F₁

Mécanisme de F₁

Rotation des sous-unités (αβ)₃

La synthèse, ou l'hydrolyse, de chaque molécule d'ATP est associée à une rotation de 120 ° de la sous-unité γ au sein de F₁, conduisant à des conformations de l'enzyme connues sous le nom d'état rotationnel 1, 2 et 3, maintenant divisé en 6 stades.

• Les sous-unités α et β sont alternées et forment un anneau globulaire d'environ 100 Å de diamètre, i.e. (αβ)₃, avec 6 sites de liaison aux nucléotides.
• La sous-unité γ se trouve au centre.

1. Les sites de liaison aux nucléotides, sous-unités (αβ)₃, sont contenus dans :

• dans les trois sous-unités α catalytiquement inactives, i.e. α_E, α_DP et α_TP,
• dans les trois unités β qui catalysent la synthèse de l'ATP, i.e . β_E, β_DP et β_TP.

Remarque : les articles diffèrent selon les nucléotides liés aux sous-unités α.

2. Les trois unités β subissent des changements conformationnels qui entraînent la rotation de la sous-unité γ pendant l'hydrolyse de l'ATP.

a. Les trois unités β comprennent :

• β_E, à conformation ouverte, qui est vide, i.e. empty en anglais, i.e. 0° sur la figure ci-dessous,
• β_TP, à conformation serrée (tight), qui contient un MgATP, i.e. rotation à 120°,
• β_DP, à conformation lâche (loose), qui contient un MgADP et un Pi, i.e. rotation à 240°.

Les trois sites catalytiques présentent des différences marquées dans leur affinité pour le Mg-nucléotide, i.e. élevée pour β_TP, moyenne pour β_DP et faible pour β_E, qui sont déterminées par la position de la sous-unité γ centrale, i.e. après rotation de y de 120 °, les sites ont échangé leurs affinités.

b. La triple disposition des sites catalytiques dicte que la sous-unité γ tourne avec un pas de 120 °, d'où les trois conformations rotationnelles, trois ATP étant hydrolysés pour chaque révolution complète du rotor (Structure and conformational states of the bovine mitochondrial ATP synthase by cryo-EM 2015).

3. Cependant, cette étape de 120 ° peut être divisée en deux étapes (Catalytic robustness and torque generation of the F1-ATPase 2017 et Coupling of Rotation and Catalysis in F1-ATPase Revealed by Single-Molecule Imaging and Manipulation 2007).

• La position 80 °, appelée “ binding dwell ”, i.e. dwell, demeurer en anglais, correspond à l'étape d'attente de la liaison de l'ATP ou à la libération du phosphate (Pi), i.e. attente de l'hydrolyse.
• La position 40°, appelée “ catalytic dwell ” semblait être une étape d'attente de l'hydrolyse, qui correspondrait, selon les auteurs, à l'hydrolyse effective de l'ATP ou à la libération de l'ADP.

4. Dans la synthèse de l'ATP, la position 80 ° correspond à l'étape d'attente de la liaison de l'ADP et du Pi, la position 40 ° à celle de la synthèse effective de l'ATP.

Remarque : certains auteurs ont trouvé des étapes intermédiaires, augmentant ainsi leur nombre (Rotary catalysis of bovine mitochondrial F1-ATPase studied by single-molecule experiments 2020).

Rôle de la tige centrale

Interaction des sous-unités (αβ)₃ avec la sous-unité γ

Les différences et les changements d'affinité semblent être d'importance capitale pour le mécanisme enzymatique en ce qui concerne le couplage entre la rotation et la catalyse ainsi que la catalyse elle-même.

1. La synthèse et l'hydrolyse de l'ATP ne se produisent que sur le site de haute affinité.

• 

  Dans la synthèse de l'ATP, la rotation de γ induite par la translocation de protons force l’ouverture du site de haute affinité et la réduit à faible afin que l’ATP nouvellement formé puisse être libéré (ATP Synthase with Its γ Subunit Reduced to the N-terminal Helix Can Still Catalyze ATP Synthesis 2009).
• Dans l'hydrolyse de l'ATP, la fermeture du site de faible affinité autour de l'ATP nouvellement lié, accompagnée d'une conversion du site à forte affinité, est largement considérée comme entraînée par la rotation à 80 °.

2. Dans le domaine C-terminal des sous-unités β_TP et β_DP, la boucle DELSEED (en orange), avec le motif DELSEED hélice-tour-hélice (en vert) sur la figure ci-contre, jouerait un rôle essentiel dans le couplage entre la catalyse et la rotation de γ (The Role of the DELSEED Motif of the β Subunit in Rotation of F1-ATPase 2000 et The Role of the βDELSEED-loop of ATP Synthase 2009).

3. La plupart des contacts entre γ et l'anneau (αβ)₃ font intervenir les hélices N- et C-terminales de y (Identification of two segments of the γ subunit of ATP synthase responsible for the different affinities of the catalytic nucleotide-binding sites 2018).

a. L'hélice N-terminale de γ, i.e. résidus 5-15, entre en contact avec la boucle DELSEED du domaine C-terminal des sous-unités β_TP, et β_DP.

• L'absence de ce segment ne parvient apparemment pas à amener la sous-unité respective dans la conformation à haute ou moyenne affinité (Torque Transmission Mechanism via DELSEED Loop of F1-ATPase 2015).

b. L'hélice C-terminale de γ, i.e. résidus 256-265, approche de la boucle de capture, i.e. catch loop, de la β_E, i.e. résidus 309-316.

L'absence de ce segment inhibe cette interaction.

Rôle de la sous-unité δ/ε

La sous-unité δ au niveau mitochondrial, qui correspond à la sous-unité ε au niveau des bactéries et des chloroplastes, inhiberait la rotation de la sous-unité γ.

1. La structure cristalline de F₁ d'E. coli a révélé que le domaine C-terminal très étendu de la sous-unité ε est inséré entre les sous-unités β et γ, via ses segments boucle2/hélice2/crochet (Structure of the ATP synthase catalytic complex (F1) from Escherichia coli in an auto-inhibited conformation 2011).

• La conformation étendue (ε_X) de l'extrémité C-terminale de la sous-unité ε correspondrait à l'inhibition de la rotation et de l'hydrolyse de l'ATP.
• La forme compacte (ε_C) n'aurait pas d'effet inhibiteur, car le domaine C-terminal n'interagirait pas avec les sous-unités catalytiques y.

Les deux conformations sont susceptibles d'être réversibles en fonction des conditions cellulaires (Large conformational changes of the ɛ subunit in the bacterial F1F0 ATP synthase provide a ratchet action to regulate this rotary motor enzyme 2001).

2. En outre, le domaine carboxyl-terminal de la sous-unité ε contribue probablement à réduire l'énergie d'activation de l'hydrolyse de l'ATP pour la rotation des sous-unités et l'activité ATPase (ATP synthase from Escherichia coli: Mechanism of rotational catalysis, and inhibition with the ε subunit and phytopolyphenols 2016).

a. Dans la catalyse, la sous-unité ε pourrait intervenir dans les étapes élémentaires par des interactions avec :

• la sous-unité γ avec son hélice2,
• la sous-unité β1 liée à l’ADP, par sa boucle2/hélice2,
• la sous-unité β3 liée à aucun nucléotide par son crochet.

b. Pour l'instant, le mécanisme est encore obscur, malgré les explications développées dans les articles cités.

Rôles de la tige périphérique (PS)

La tige périphérique (PS) est une structure composée par les sous-unités OSCP, b, d, F6 et la région extramembranaire d'ATP8/A6L qui relie la surface externe du domaine catalytique à la sous-unité a/ATP6 dans le domaine membranaire (Structure of the dimeric ATP synthase from bovine mitochondria 2020).

Chez des mammifères

1. Il existe une inadéquation entre les rotations des domaines catalytiques αβ de pseudo-symétrie 3, et l'anneau c, de pseudo-symétrie 8 ou plus, que doivent résoudre (Structure of the human ATP synthase 2023) :

• les tiges centrale et périphérique (Rotary substates of mitochondrial ATP synthase reveal the basis of flexible F 1 -F o coupling 2019 et Structure of ATP synthase under strain during catalysis 2022),
• les molécules lipidiques (Cryo-EM structures provide insight into how E. coli F1Fo ATP synthase accommodates symmetry mismatch 2020).

2. La tige périphérique (PS) est un composant essentiel du stator de l'enzyme reliant (αβ)₃ du domaine catalytique F₁ à la région en forme de coin associée à la membrane et à la sous-unité a/ATP6 adjacente dans le sous-complexe du stator contre lequel le rotor tourne.

a. Pendant la catalyse ( figure S23) :

• elle empêche la dissociation du domaine (αβ)₃ de la tige centrale en la plaquant à l'aide d'OSCP,
• elle résiste au couple de rotation de la tige centrale, empêchant le domaine (αβ)₃ et le reste du domaine du stator de suivre la direction de la rotation.

Cette vidéo montre les mouvements latéraux étendus de la tige périphérique et le mouvement de bascule du domaine catalytique alors que la tige centrale asymétrique tourne dans le domaine F1.

• Les résidus 1-25 des sous-unités α sont rouge pâle.
• Les sous-unités ATP8/A6l, a, b, d, F6 et l'OSCP sont respectivement rouge brique, bleu bleuet), rose clair, orange, magenta et bleu sarcelle.

b. La tige périphérique possède quatre composants mécaniques ( anatomie de la tige périphérique).

• La coiffe, i.e. cap en anglais, est composée par le domaine N-terminal de l'OSCP.
• La charnière, reliant la coiffe au domaine C-terminal de l'OSCP, qui permet à la tige périphérique de s'adapter aux mouvements verticaux et transversaux du domaine (αβ)₃ pendant la catalyse causée par le rotor asymétrique.
• La tige rigide de 150 Å de longueur est formée par des portions parallèles de régions α-hélicoïdale des sous-unités b, d, F6 et la région C-terminale de ATP8/A6L.
• La charnière de la sous-unité b s'attache à la sous-unité a/ATP6 de F_O.

3. Ainsi, les déplacements latéraux de la tige périphérique provoqués par la rotation de la tige centrale asymétrique sont transmis au domaine membranaire, avec une réduction du déplacement du domaine catalytique, i.e. processus qui pourrait augmenter l'efficacité de l'enzyme.

• Un certain degré de mouvement du domaine catalytique doit être autorisé pour permettre une conversion efficace du couple de rotation de la tige centrale en changements conformationnels dans les sous-unités catalytiques, mais sans gaspiller de l'énergie par déplacement inutile de la partie extrinsèque de l'enzyme.
• La flexibilité de la tige périphérique mène efficacement cet équilibre, empêchant la rotation libre du domaine catalytique, pour s'adapter aux mouvements de balancement induits par la tige centrale asymétrique et le déplacement d'amortissement du domaine membranaire aidant à maintenir la sous-unité a en place.

Chez E. Coli ou chez la levure

La tige périphérique (PS) de l’ATP synthase d’Escherichia coli ou de S. cerevisiae est plus simple et consiste en un domaine coiled-coil (superhélice) α-hélicoïdal formé par les deux sous-unités b.

Des déplacements supplémentaires perpendiculaires au mouvement latéral du PS vers l’axe central du rotor ont été observés (Structure of a bacterial ATP synthase 2019 et Cryo-EM structures provide insight into how E. coli F1Fo ATP synthase accommodates symmetry mismatch 2020).

Il n’y a pas de tels mouvements dans le cycle catalytique du dimère bovin.

Mécanisme de F_O