Biologie cellulaire
Moteurs moléculaires : vue d'ensemble

1. Les moteurs moléculaires sont des machines moléculaires biologiques essentielles à de nombreux processus cellulaires, notamment :

• au transport intracellulaire,
• aux mouvements cellulaires,
• à la migration.

Ces moteurs, généralement constitués de protéines ou de complexes protéiques, avec un support ou un substrat moléculaire et utilisent généralement l'énergie fournie par l'hydrolyse de l'ATP ou du GTP ou par un gradient électrochimique (driving force). pour produire un travail mécanique grâce à des changements de conformation.

2. À l'échelle moléculaire, leur fonctionnement diffère profondément de celui des moteurs macroscopiques.

• Ils évoluent dans le " bain thermal " (thermal reservoir ou thermal bath), environnement dans lequel l'agitation thermique à l'origine des mouvements browniens est particulièrement importante.
• En outre, la viscosité des milieux dans lesquels ils évoluent exerce une influence majeure sur leur fonctionnement.

Classification des moteurs

Les moteurs moléculaires peuvent notamment être distingués selon la nature du mouvement qu'ils produisent en moteurs linéaires et moteurs rotatifs.

Moteurs linéaires

Les moteurs linéaires produisent un déplacement dirigé le long d'un support moléculaire ou assurent la translocation d'une macromolécule et peuvent être processifs ou non processifs.

1. En biologie moléculaire et en biochimie, la processivité désigne la capacité d'un moteur moléculaire à effectuer plusieurs cycles mécanochimiques successifs le long d'un même support sans s'en dissocier.

Cette propriété est notamment illustrée par :

• certaines myosines, notamment les myosines V et IX,
• de nombreuses kinésines, notamment la kinésine-1,
• la dynéine cytoplasmique, dont la processivité est notamment favorisée par son association avec la dynactine et des adaptateurs cargo.

2. Les moteurs non processifs se dissocient de leur support après un cycle ou un petit nombre de cycles mécanochimiques et fonctionnent généralement en ensembles de plusieurs moteurs, comme la myosine II .

3. Les moteurs linéaires interviennent dans différents types de déplacements ou de translocations moléculaires.

a. Dans le cytosquelette, les moteurs linéaires se déplacent de manière orientée le long des filaments polarisés.

• Le long des microfilaments d'actine, les myosines se déplacent vers l'extrémité barbée (+), à l'exception de la myosine VI qui se dirige vers l'extrémité pointue (-).
• Le long des microtubules, les kinésines se déplacent vers l'extrémité (+) et les dynéines vers leur extrémité (-).

b. Sur les acides nucléiques, certains moteurs moléculaires se déplacent le long de l'ADN ou de l'ARN.

• Les ADN polymérases progressent le long de l'ADN au cours de la réplication.
• Les ARN polymérases progressent le long de l'ADN au cours de la transcription.

c. Au cours de la traduction, le ribosome doit se déplacer d'un codon le long de de l'ARN messager (ARNm) afin de permettre la poursuite de l'élongation.

Cette étape, appelée translocation, est assurée chez les eucaryotes par le facteur d'élongation eEF2, une GTPase dont l'activité est couplée à l'hydrolyse du GTP.

2. Les moteurs rotatifs produisent un mouvement de rotation autour d'un axe.

Chez les eucaryotes, ils comprennent notamment les ATP synthases présentes dans la membrane mitochondriale interne et dans la membrane des thylakoïdes des chloroplastes, dont la rotation est couplée à un gradient électrochimique de H⁺.

Remarque : chez les bactéries, des moteurs rotatifs sont notamment présents :

• dans la membrane plasmique, avec les ATP synthases dont la rotation est généralement couplée à un gradient électrochimique de H⁺ ou, chez certaines espèces, de Na⁺,
• dans le moteur flagellaire, dont la rotation est alimentée par un gradient électrochimique de H⁺ ou de Na⁺ et entraîne la rotation du flagelle bactérien.

Contrairement au flagelle bactérien, le mouvement du flagelle des spermatozoïdes et des cils motiles, notamment ceux des épithéliums respiratoire et tubaire, repose sur les moteurs linéaires ATP-dépendants que sont les dynéines axonémales.

Power stroke ou powerstoke

Littéralement, le power stroke se traduit par " coup de puissance ", mais stroke désigne ici une course mécanique, plutôt qu'un coup au sens courant.

1. Ce terme est notamment utilisé pour les protéines motrices, myosines, kinésines ou dynéines, qui convertissent l'énergie chimique fournie par l'ATP en travail mécanique.

Le terme power stroke est aussi employé pour certaines GTPases comme la dynamine, qui utilisent l'énergie fournie par l'hydrolyse du GTP pour produire des changements conformationnels et un travail mécanique ( dynamine et GTP).

2. Le mouvement produit par le power stroke peut être caractérisé par :

• son working stroke, qui correspond à l'amplitude du déplacement mécanique généré par ce changement conformationnel, généralement exprimée en nanomètres,
• le step size, ou longueur du pas, qui correspond au déplacement du moteur entre deux positions successives sur le filament.

Remarque : le step size peut être différent du working stroke, notamment chez les myosines processives à deux têtes, dont le pas dépend également du déplacement de la seconde tête vers un nouveau site de liaison à l'actine.

2. Plusieurs termes décrivent les changements conformationnels et les états associés au cycle mécanochimique (Structure of human cytoplasmic dynein-2 primed or its powerstroke 2015).

• Le pre-power stroke désigne un état conformationnel précédant le power stroke.
• Le post-power stroke désigne l'état conformationnel atteint à l'issue du power stroke.
• Le recovery stroke ou course de récupération correspond à un changement conformationnel qui réarme le moteur en vue d'un nouveau cycle.
• Le primed state ou état armé désigne un état conformationnel dans lequel le moteur est préparé à effectuer un nouveau power stroke.