Théorie chimio-osmotique - Synthèse d'ATP par l'ATP synthase
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1. Rappel sur l'expulsion des protons au cours de la chaîne de transport d'électrons

2. La théorie chimio-osmotique et la force proton motrice

3. Le complexe V ou ATP synthase

4. Les autres types d'ATPases

5. Expression de la force proton motrice Δp

6. Le mécanisme de la synthèse de l'ATP par l'ATP synthase

7. Transport de l'ATP formé au cours de la respiration

8. Liens Internet et références bibliographiques

 

1. Rappel sur l'expulsion des protons au cours de la chaîne de transport d'électrons
Complexe

Protons expulsés

Remarques

Respiration phosphorylation oxydative mitochondrie mitochondria vegetaux ATP synthase theorie chimio osmotique force proton motrice biochimej

I

3 ou 4 protons

3 ou 4 protons selon les données expérimentales.
II

pas d'expulsion

La variation d'énergie libre de la réaction est trop faible du fait d'une faible différence de potentiel de réduction entre les donneurs et les accepteurs d'électrons.
III

(2 x 2) protons

Variation d'énergie libre légèrement plus faible que celle générée par le complexe I.
IV 2 protons Contribue d'autant plus à la formation du gradient de concentration de protons que, du fait de la formation de molécule d'eau, il soustrait des protons de la matrice.
NAD(P)H déshydrogénases

pas d'expulsion

Spécifiques des plantes - Elles "court-circuitent" le premier site d'expulsion des protons (le complexe I).

Oxydase alternative

pas d'expulsion

Spécifique des plantes - Cette voie alternative transfère les électrons des quinones à l'oxygène et contourne ainsi 2 sites d'expulsion de protons.


Dans l'enchaînement des réactions d'oxydo-réduction qui ont lieu lors du transfert des électrons de l'ensemble de la chaîne de transport d'électrons , si l'on ne considère que :

  • le premier donneur de protons et d'électrons : NADH + H+
  • le dernier accepteur d'électrons : l'oxygène moléculaire, O2

les deux demi-réaction rédox sont :

(1)   NADH + H+ ---> NAD+ + 2H+ +2 e- E°'(NAD+/ NADH + H+) = - 0,32 V
(2)  1/2 O2 + 2H+ +2 e- ---> H2O E°'(1/2 O2 / H2O) = + 0,82 V
Réaction globale : NADH + H+ + 1/2 O2 ---> NAD+ + H2O E°'(1/2 O2 / H2O) - E°'(NAD+/ NADH + H+) = + 1,14 V
Donc : ΔG°'réaction   =   -   n  .  F  .  ΔE°'réaction   =   - (2  .  96500  .  1,14) =   - 220 kJ.mol-1

Puisque la variation d'énergie libre standard de la synthèse de l'ATP est environ +30,5 kJ.mol-1, la variation d'énergie libre standard liée à la réoxydation du (NADH + H+) devrait, en théorie, permettre la synthèse de : (220 kJ.mol-1 / 30,5 kJ.mol-1) = 7 molécules d'ATP par molécule de (NADH + H+) réoxydé.

En fait ce sont 3 molécules d'ATP qui sont synthétisées.

En effet, le réel potentiel énergétique pour la synthèse d'ATP émane de la force proton motrice.

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2. La théorie chimio-osmotique et la force proton motrice

La théorie chimio-osmotique formulée par Peter Mitchell en 1961 (Prix Nobel en 1978) postule que le gradient de concentration de protons crée à travers la membrane sert de réservoir d'énergie libre pour la synthèse d'ATP.

En d'autres termes :

Au fur et à mesure que les électrons traversent les quatre complexes de la chaîne de transport d'électrons, des protons passent de la matrice à l'espace intermembranaire et générent un gradient de concentration.

Ce gradient de concentration de protons constitue un "réservoir d'énergie libre de Gibbs".

 

En effet, quand ces protons repassent la membrane interne en traversant une protéine membranaire intrinsèque, l'ATP synthase, cette énergie libre est libérée et utilisée par l'enzyme pour synthétiser de l'ATP.

Par rapport à l'espace intermembranaire la matrice devient :

  • plus alcaline (différence de pH puisque pH = - log ([H+])
  • plus négative (diminution de charges + puisque diminution du nombre de protons)

3. Le complexe V ou ATP synthase

Le complexe V, appelé ATP synthase F0F1, se sert du gradient de concentration de protons comme source d'énergie pour synthétiser l'ATP :

Le sigle "F" désigne un facteur de couplage, selon la nomenclature des enzymes : en effet, l'ATP synthase couple la phosphorylation de l'ADP en ATP à l'oxydation de substrats par la mitochondrie.

Les ATP synthases sont des protéines oligomériques de masse molaire supérieure à 450 kDa et de structure très complexe : les types différents de chaînes polypeptidiques qui les composent sont au nombre de 8 chez E. coli, 8 ou 9 dans le chloroplaste, 10 ou plus dans la mitochondrie et au moins 13 pour celle du coeur de boeuf.

F1 est l'élément qui catalyse l'hydrolyse de l'ATP : on l'appelle usuellement l'ATPase F1 ou ATP hydrolase :

  • le composant F1 de l'ATP synthase de E. coli a une stoechiométrie α3β3γδε (chaque lettre indiquant un type différent de sous-unité)
  • ce composant F1 déborde dans le cytosol et celui de la mitochondrie déborde dans la matrice

F0 constitue un "tunnel" à protons sur toute l'épaisseur de la membrane interne de la mitochondrie :

  • il a été baptisé ainsi du fait de sa sensibilité à l'oligomycine, antibiotique qui en se fixant à F0 empêche la synthèse d'ATP
  • le composant F0 de l'ATP synthase de E. coli a une stoechiométrie a1b2c10-12
  • la structure et la composition oligomérique du composant F0 de la mitochondrie est plus complexe que celui de Escherichia coli

4. Les autres types d'ATPases

Il existe plusieurs autres types d'ATPases qui n'ont pas pour fonction la synthèse d'ATP. Ce sont des ATPases ionophores ou encore appelées pompes ioniques quand l'énergie qu'elle libère en hydrolysant l'ATP est utilisée pour le transport d'ions :

  • ATPases de type "P" : ce sont des transporteurs de cations avec formation d'un intermédiaire phosphorylé à haut potentiel énergétique. Ce sont soit des monomères d'environ 100 kDa ou des oligomères. Elles transportent le calcium, les protons ou échangent le sodium et le potassium à travers la membrane plasmique des eucaryotes.
  • ATPases de type "V" : ce sont des pompes à protons que l'on trouve dans les vacuoles, les lysosomes, l'appareil de Golgi .... il n'y a pas de phosphorylation intermédiaire de l'enzyme. Elles sont constituées de deux types de chaînes polypeptidiques (A : 78 - 89 kDa et B : 60 - 65 kda) selon une organisation qui ressemble à celle des ATPases de type "F".
D'autres types d'ATPases existent :
  • de type "M" : transporteur de drogues
  • de type "H" : activité ATPase des protéines de choc thermique
  • de type "C" : impliquées dans les phénomènes de contraction (myosine)

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5. Expression de la force proton motrice Δp

En quels termes se traduit cette énergie libre ?

1. La composante chimique dépend de la différence de pH (ΔpH)
entre les deux compartiments :

ΔG'chimique =   2,303 . n . RT . (pHint - pHext) =   2,303 . n . RT . ΔpH

2. La composante électrique est proportionnelle au potentiel de membrane (ΔΨ)
différence de potentiel entre les deux face de la membrane interne:

ΔG'électrique =   n . F . ΔΨ

Par convention, le signe de Ψ est positif quand un ion est transporté du compartiment négatif (la matrice) vers le compartiment positif (l'espace intermembranaire).
La variation d'énergie libre GLOBALE est donc :

ΔG'globale =   (n . F . ΔΨ)   +   (2,303 . n . RT . ΔpH)

En divisant les deux termes de l'égalité par n . F, on obtient une équation
exprimée en volts:

     ΔG'globale                               2,303 . RT . ΔpH
----------------------     =   ΔΨ   +   --------------------------
n . F                                              F     

Si on définit :  

              2,303 . RT
Z     =     -----------------
           F

On obtient l'expression de la force proton motrice Δp (exprimée en volts) :

Δp = ΔΨ + Z . ΔpH

A 37°C, la valeur de chaque terme est :

  • dans les conditions physiologiques : Δp = ± 0,20 à 0,25 V. La valeur positive indique le passage de protons de l'espace intermembranaire vers la matrice
  • ΔpH= (pHespace intermembranaire- pHmatrice) = - 1,4 unités pH
  • ΔΨ = (Ψespace intermembranaire- Ψmatrice) = 0,14 V 
  • ΔG'globale= + 21,8 kJ.mol-1 par proton expulsé

Remarque : certaines sources indiquent les valeurs : ΔpH = - 1 unité pH et ΔΨ = 0,15 V ou 0,16 V.

La théorie chimiosmotique implique que la membrane interne est imperméable aux protons , sinon le gradient se dissiperait au fur et à mesure et effectivement elle est imperméable aux protons.

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6. Le mécanisme de la synthèse de l'ATP par l'ATP synthase

a. Synthèse de l'ATP

L'ATP synthase est un cylindre composé de sous-unités α et β altérnées :

  • elle contient 3 sites catalytiques portés par les sous-unités β à l'interface avec les sous-unités α
  • elle contient 3 sites non catalytiques qui prédominent sur les sous-unités α et débordent sur les sous-unités β
  • une sous-unité γ est située au centre de ce cylindre
  • quand cette sous-unité γ tourne, elle induit des changements de conformation des sous-unités β

C'est Paul Boyer (Prix Nobel 1997) qui a proposé un modèle pour le mécanisme enzymatique de la synthèse de l'ATP (schéma ci-dessous).

Ce modèle a été confirmé par l'étude de la structure de l'ATP synthase par John Walker (Prix Nobel 1997).

Dans ce schéma, les états conformationnels adoptés par les sous-unités β sont appelés :
  • βO pour "ouvert" (en anglais : "open")
  • βL pour "relâché"("loose")
  • βT pour "à haute affinité" ("tight")

etat conformationnel sous unite ATP synthase Respiration phosphorylation oxydative mitochondrie mitochondria vegetaux theorie chimio osmotique force proton motrice biochimej

Le mécanisme est le suivant :

  • une molécule d'ATP déjà synthétisée est fixée à βT
  • βL fixe une molécule d'ADP et de Pi
  • le couplage entre la sous-unité γ et la sous-unité c de F0 permet à l'énergie apportée par la dissipation du gradient de concentration de protons de faire tourner la sous-unités γ
  • la sous-unité γ ayant tourné, βT change de conformation en βO et l'ATP déjà synthétisé est relargué
  • dans le même temps, βL change de conformation en βT et βO change de conformation en βL
  • le Pi réagit avec l'ADP pour former l'ATP au niveau de la sous-unité passée dans la conformation βT
  • le système est de nouveau dans la configuration générale de départ.

Voir une animation de ce mécanisme appelé moteur moléculaire. 

b. Relarguage de l'ATP synthétisée au niveau de la sous-unité dans la conformation βT :

Cette molécule d'ATP se trouve dans un puits thermodynamique ce qui signifie que son énergie de fixation est tellement importante qu'elle ne peut-être relarguée tant que la sous-unité est dans la conformation βT.

La rotation de la sous-unité γ change la conformation des sous-unités β .

Ainsi le site à haute affinité pour l'ATP (Ks < 1 µM) devient un site à faible affinité (sous-unité dans la conformation βO) et l'ATP est relargué.

7. Transport de l'ATP formé au cours de la respiration

Voir un cours sur les transports cellulaires.

L'ATP produit dans la mitochondrie doit retourner vers le cytosol pour y être utilisé pour les divers travaux cellulaires. Inversement, l'ADP et le phosphate inorganique (Pi) issus de l'hydrolyse de l'ATP dans le cytosol, doivent entrer dans la mitochondrie pour la synthèse d'ATP.

Deux protéines de transport localisées dans la membrane interne assurent ce cycle.

1. l'adénine nucléotide translocase (transporteur ADP/ATP) est un antiport qui catalyse l'échange d'ADP pour l'ATP.

Le nombre de charges négatives portées par ces 2 molécules est respectivement de 3 et 4. La force nécessaire pour cet échange [ADP3-] / [ATP4-] émane du potentiel de membrane généré au cours de la respiration (1 charge négative par molécule d'ATP).

2. le phosphate inorganique entre dans la matrice mitochondriale avec le proton (H+) via un symport neutre électriquement.

La force nécessaire pour l'entrée du phosphate inorganique émane du gradient de pH (1 H+ par molécule d'ATP).

Transport ATP Respiration phosphorylation oxydative mitochondrie mitochondria vegetaux ATP synthase theorie chimio osmotique force proton motrice biochimej

En conclusion, si l'on considère les 3 H+ nécessaires au fonctionnement de l'ATP synthase, ce sont 4 H+ qui entrent dans dans la matrice mitochondriale par molécule d'ATP synthétisée.

 

8. Liens Internet et références bibliographiques
"Plant Physiology Online"

Aller au site

Liste de sites consacrés à l'ATP synthase. Notamment une animation fascinante sur la synthèse de l'ATP : "Animated movie of H+ pumping and ATP synthesis".

Sites

 

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