L’ATP synthase des chloroplastes (comme celle des mitochondries et des bactéries) est une ATPase de type F, encore appelée F1Fo ATPsynthase. Cette enzyme de masse moléculaire élevée (entre 550 à 650 kDa) est constituée de deux domaines protéiques : un domaine membranaire (Fo) et un domaine extramembranaire (F1). Lorsque le gradient de protons est favorable, l’enzyme couple la synthèse de l’ATP (à partir de l’ADP et du Pi) au flux spontané de protons qui s’effectue à travers Fo vers la face de la membrane où se situe F1. Il est à noter que s’il n’y a pas de gradient de protons (ni potentiel de membrane ni gradient de pH) pour diriger la réaction de synthèse, la constante d’équilibre de la réaction favorise la réaction inverse d’hydrolyse (activité ATPase).

1 - Structure de l’ATPsynthase
Le domaine F1, hydrophile, (qui fait saillie dans le stroma) comprend 5 polypeptides (sous-unités α, β, δ, ϒ, ε,). La stoechiométrie des sous-unités est 3α, 3β, 1δ, 1ϒ, 1ε.

Structure de l'ATP synthase. A gauche, vue de profil (une unité β a été enlevée pour visualiser l'unité centrale ϒ). A droite, vue en coupe.

- Les sous-unités α et β sont homologues entre elles. Une vue apicale par rapport à la membrane montre une organisation en anneau (hexamère) dans lequel les sous-unités α et β sont en alternance.

- La structure cristalline du F1 établie par le groupe de J. Walker montre que la sous-unité ϒ forme une tige à l’intérieur de l’anneau constitué par les sous-unités α et β. A la base de la sous-unité ϒ (du côté Fo), on trouve la sous-unité δ et ε associées.

- Les 3 sites catalytiques de liaison des nucléotides sont situés aux interfaces α β avec une prédominance pour la sous-unités β.

- Chaque sous-unité α contient un site de fixation de l’ATP, mais ce site est inactif dans la catalyse (régulation).

- Les nucléotides adényliques se fixent aux sous-unités α et β avec le Mg²⁺ (cation indispensable).

- La sous-unité δ participe à la liaison de l'anneau des sous-unités α et β au domaine membranaire de l'enzyme.

Le domaine Fo est un complexe protéique intégré à la membrane. La stoechiométrie des sous-unités est 1a, bb', 10c.
Il est proposé que :
- les sous-unités c (très hydrophobes), sont formées de 2 hélices α transmembranaires. L’une de ces hélices renferme un groupement protonable, situé en position médiane, et qui réagit avec le DCCD (dicyclocarbodiimide), inhibiteur de l'ATP synthase. Les sous-unités c forment une "couronne" au sein de la membrane.

- la sous-unité a forme 2 demi canaux à protons permettant le passage des protons entre les deux faces de la membrane à l’intérieur de la bicouche. Le passage d’un demi canal à l’autre s’effectuant via les sous-unités c (cf.couplage énergétique de l’ATPsynthase).

- les 2 sous-unités bb' incluent une partie transmembranaire et un domaine très polaire, qui s’étend à l’extérieur de la membrane et établissent une liaison avec la partie F1 de l’enzyme via la sous unité δ.
La figure représente un modèle simplifié d’agencement des sous-unités de l’enzyme résultante des travaux de J. Walker.

Schématisation de l'ATP synthase en coupe transversale.

2 - Couplage énergétique de l’ATPsynthase.

Mécanisme de changement de liaisons (Modèle de P. Boyer)

Dans ce mécanisme, les trois sites catalytiques dans F1 changent de conformation de manière séquentielle, chacun des sites passant successivement par trois états caractérisés par des constantes d’affinité différentes pour les nucléotides. Chaque site présente respectivement :
- une conformation " relâchée " dans laquelle le site catalytique a une faible affinité (L pour "loose" dans les ouvrages anglo-saxons),
- une conformation " fermée ", dans laquelle le site catalytique a une forte affinité (T pour "tight"),
- une conformation " ouverte " (O pour "open").

Fonctionnement de l'ATP synthase. Dans ces diagrammes seules les sous-unités β sont représentées. Chaque sous-unité β est susceptible de passer par trois états successifs : 1 (ouvert) - entrée de ADP + Pi 2 (ressérré) - charge de ADP + Pi 3 (fermé) - formation d'ATP Retour à l'état 1 et libération de l'ATP formé. Dans ce schéma l'état 1 a été représenté 2 fois, au début pour l'entrée de ADP + Pi, et à la fin pour la libération de l'ATP.

Il est proposé que la forme irrégulière de la " tige ", constituée par la sous-unité ϒ solidaire des sous unités c au Fo, provoque en tournant le changement séquentiel de conformation des sous-unités β. En conséquence à chaque instant, les 3 sous-unités catalytiques sont dans un état différent, comme indiqué sur la figure.

Chaque module du stator (α et β) maintenu en place par b passe successivement par les trois états en fonction de la rotation du rotor (ϒ).

Au cours du cycle catalytique, une molécule d’ATP est liée à un premier site (conformation fermée), tandis qu’une molécule d’ADP et de Pi sont liées sur un second site (configuration lâche) et que le troisième site est vide (conformation ouverte). La rotation d’un tiers de tour (120 °) de la tige ϒ, s’accompagne de la libération d’une molécule d’ATP.

Couplage entre le transport de protons et la synthèse d'ATP

Modèle schématique du fonctionnement de l'ATPsynthase. Les différentes sous unités constituant le rotor sont représentées en jaune et les différentes unités constituant le stator, en rouge et bleu. Une sous unité β du stator a été rendue légèrement transparente pour permettre de voir la tige ϒ.

L’enzyme fonctionne comme un moteur moléculaire dans lequel le stator est constitué par les sous-unités α et β du F1, les sous unités b, b' et δ et la sous-unité a de Fo. Le rotor est constitué de l’anneau des 10 sous-unités c et de " la tige " interne du F1 (sous-unité ϒ, δ, ε).

La sous-unité a sert à l'entrée des protons qui sont ensuite relayés par la couronne formée par les sous-unités c. La protonation d'une sous-unité c via le demi canal à protons situé du côté du lumen, s'accompagne, de la déprotonation de la sous unité c qui la précède, ce qui fait sortir un proton vers le stroma via le demi canal situé du côté stroma. Le jeu de l'agitation thermique et des interactions électrostatiques entre les sous unités a et c provoque la rotation de la couronne et de la tige ϒ,. Cette rotation est à l'origine de déformations cycliques des sous unités catalytiques, et des changements de conformations et d'affinité qui conduisent à la synthèse de l'ATP.

Ce mécanisme de rotation de la " tige ϒ," par rapport à l’anneau formé par les sous-unités α et β a été démontré par H. Noji, R. Yasuda, M. Yoshida et K. Kinoshita. Le rotor effectue environ 130 révolutions par seconde, chaque rotation complète s’accompagne de la synthèse de trois molécules d’ATP.

14 - Comment se forme l'ATP ?

SOMMAIRE

16 - Quel est le premier corps formé?