ATP synthase : explorez le fonctionnement de son rotor

D’où vient l’ATP d’une cellule ?

Comment fonctionne l’ATP synthase ? Les protons qui retraversent une membrane font tourner un anneau inséré dans cette membrane, comme une roue à eau. La tige qui tourne comprime l’un après l’autre les trois sites catalytiques de la tête et joint l’ADP et le phosphate en ATP. Fonctionnant à l’envers, la même enzyme scinde l’ATP et pompe des protons, ce qui explique qu’on l’appelle aussi une ATPase.

Les muscles, les nerfs et les enzymes qui copient l’ADN fonctionnent tous avec le même combustible, l’adénosine triphosphate. Retirez-lui son troisième phosphate et l’énergie libérée fait le travail ; rattachez-le et la molécule est de nouveau prête. Les quantités sont considérables. Selon le comité Nobel, un adulte au repos renouvelle chaque jour environ la moitié de sa masse corporelle en ATP, et lors d’un effort intense le chiffre peut approcher une tonne. Une cellule n’en garde qu’une petite réserve, si bien que l’ATP doit être reconstitué aussi vite qu’il est dépensé.

L’essentiel de cette reconstitution est assuré par une seule enzyme, l’ATP synthase. Elle se trouve dans la membrane interne des mitochondries, dans les membranes des bactéries et dans les thylakoïdes des chloroplastes. C’est aussi l’une des rares protéines qui travaillent en tournant. Cet exposé en construit une version simplifiée à l’échelle moléculaire, puis la suit dans cinq autres lieux : un pli de membrane mitochondriale avec la chaîne respiratoire, une membrane de chloroplaste en pleine lumière, une bactérie qui nage, un lysosome où une pompe apparentée fonctionne à l’ATP, et la lame de verre de l’expérience de 1997 qui a montré pour la première fois le rotor en train de tourner. La barre en bas de la scène permet de passer d’une des six scènes à l’autre.

Un barrage fait de membrane

L’énergie ne vient pas directement des aliments. La respiration fait passer les électrons des aliments le long d’une chaîne de protéines membranaires, et cette chaîne utilise leur énergie pour pomper des protons hors de la matrice (l’intérieur de la mitochondrie) vers l’espace étroit situé entre ses deux membranes. Les protons s’accumulent d’un côté. Il en résulte une différence de concentration et de charge électrique de part et d’autre de la membrane, que l’on appelle ensemble la force proton-motrice.

Peter Mitchell a proposé cette idée chimiosmotique en 1961 et a reçu pour elle le prix Nobel de chimie en 1978. Elle signifie qu’une cellule stocke l’énergie comme le fait un barrage : sous la forme d’une différence de niveau qui cherche à s’égaliser. L’ATP synthase est la turbine du barrage. Les protons ne peuvent revenir dans la matrice qu’en passant par elle, et en la traversant ils font tourner son rotor.

Dans le modèle, les protons sont les billes rouges. Les deux curseurs « Potentiel de membrane » et « Différence de pH » règlent la force de leur poussée. Déplacez l’un ou l’autre et l’amas de billes sous la membrane s’épaissit ou s’éclaircit, et le rotor accélère, ralentit, s’arrête ou tourne dans l’autre sens.

Additionner la force proton-motrice

Un proton situé à l’extérieur de la matrice est poussé vers l’intérieur pour deux raisons. La matrice est chargée négativement par rapport à l’extérieur, et elle contient moins de protons, donc son pH est plus élevé. Mitchell a écrit la poussée totale sous la forme d’un seul nombre, la force proton-motrice Δp, en millivolts :

Δp = Δψ − 59 × ΔpH

Ici, Δψ est le potentiel électrique de la matrice moins celui de l’extérieur, et ΔpH est le pH de la matrice moins celui de l’extérieur. Dans une mitochondrie en activité, Δψ est négatif et ΔpH positif, si bien que les deux termes rendent Δp plus négatif, et plus il est négatif, plus les protons sont poussés vers l’intérieur. Le facteur 59 convertit une unité de pH en millivolts : c’est ln 10 × RT/F, qui vaut 59,16 mV à 25 °C et 61,5 mV à la température du corps, 37 °C. Le modèle utilise 59.

Avec les curseurs à leurs valeurs de départ, Δψ vaut −150 mV et ΔpH 0,80, donc Δp = −150 − 59 × 0,80 = −197 mV. La lecture écrit cette somme en toutes lettres à chaque déplacement d’un curseur. Brand et Nicholls donnent 150 à 180 mV comme ordres de grandeur typiques du potentiel de membrane des mitochondries dans les cellules ; dans les mitochondries, l’essentiel de la poussée est électrique. Dans les chloroplastes, c’est l’inverse, et en pleine lumière la plus grande partie est stockée sous la forme d’une différence de pH de part et d’autre de la membrane du thylakoïde.

Ce qui compte pour l’enzyme, c’est l’énergie qu’apporte chaque proton. Une mole de protons qui traverse 197 mV libère F × Δp = 96 485 × 0,197 ≈ 19 kJ. Le reste de l’exposé revient sans cesse à ce nombre.

Fo, la partie membranaire

L’enzyme a deux moitiés aux noms historiques. Fo, de « facteur sensible à l’oligomycine », est la partie située dans la membrane. F1, « facteur 1 », est le bouton qui dépasse dans la matrice. Le groupe d’Efraim Racker a isolé l’enzyme complète à partir de mitochondries en 1960.

La partie mobile de Fo est l’anneau c, un anneau de petites protéines identiques. Chaque sous-unité c est une épingle à cheveux de deux hélices, et à mi-hauteur de l’hélice externe se trouve une chaîne latérale acide (un glutamate dans les mitochondries, représenté par une bille sombre). À côté de l’anneau se tient la sous-unité a, qui ne tourne pas. Elle offre à un proton deux demi-canaux : l’un s’ouvre sur l’espace extérieur, l’autre sur la matrice.

L’astuce tient à ce qu’une chaîne latérale chargée ne peut pas faire face à l’intérieur huileux de la membrane. Une sous-unité c ne peut s’éloigner de la sous-unité a qu’après qu’un proton s’est fixé sur son glutamate et l’a neutralisé. Un proton entre donc par le premier demi-canal, fait un tour d’anneau sur sa sous-unité c, puis ressort par le second demi-canal vers la matrice. Comme il y a plus de protons à l’extérieur qu’à l’intérieur, ils arrivent plus souvent d’un côté que de l’autre, et l’anneau tourne dans un seul sens. Pogoryelov et ses collègues ont montré, dans des structures cristallines d’un anneau c15, comment le site reste verrouillé tant qu’il fait face aux lipides et ne s’ouvre qu’au niveau de la sous-unité a. Dans le modèle, les billes de l’anneau sont des protons en train de faire leur tour.

F1, la partie qui fabrique l’ATP

F1 est un anneau de six sous-unités, trois α et trois β, qui alternent comme les quartiers d’une orange. Noji et ses collègues l’ont décrit comme un barillet d’environ 5 nm de rayon, ce qui explique que la tête du modèle soit dessinée sur 10 nm de large. La barre d’échelle au-dessus de la tête marque ces 10 nm.

Seules les sous-unités β fabriquent l’ATP. Au milieu court la tige centrale, construite surtout à partir de la sous-unité γ, dont la partie qui sert de rotor n’a qu’environ 1 nm de rayon. Son pied est fixé à l’anneau c, de sorte que la tige tourne avec l’anneau. De l’autre côté, une longue tige périphérique va de la sous-unité a jusqu’à un capuchon au sommet de F1 et maintient immobile la tête α3β3. Sans ce bras, la tête tournerait simplement avec l’axe et rien ne changerait à l’intérieur.

La sous-unité γ n’est pas symétrique. Un côté présente une bosse, et en tournant elle appuie tour à tour sur chaque sous-unité β et en modifie la forme. Activez « Ouvrir la tête » et la moitié de la tête tournée vers vous disparaît, ce qui permet de regarder la bosse passer.

Trois sites travaillent à tour de rôle

Au cours de plusieurs décennies d’expériences avec des isotopes, Paul Boyer a découvert quelque chose d’inhabituel chez cette enzyme. Joindre l’ADP et le phosphate à l’intérieur de l’enzyme demande peu d’énergie. L’énergie est dépensée pour lier l’ADP et le phosphate assez fermement et, surtout, pour laisser partir l’ATP achevé. Il a proposé que les trois sites β travaillent à tour de rôle et passent par trois états :

1. Ouvert (O) : le site est vide ou vient de libérer un ATP.
2. Lâche (L) : l’ADP et le phosphate se lient faiblement.
3. Serré (T) : le site se ferme, et l’ADP et le phosphate deviennent de l’ATP.

Chaque tour de 120° de la tige fait avancer chaque site d’un état. Le site serré s’ouvre et libère son ATP, le site lâche se ferme, et le site ouvert prend de l’ADP et du phosphate neufs. Boyer a appelé cela le mécanisme de changement de liaison, et il a proposé que la tige tourne. Activez « Colorer β selon l’état » et les trois sous-unités β deviennent pâles pour l’état ouvert, jaunes pour le lâche et rouges pour le serré ; la lecture écrit les mêmes états sous forme de lettres. Dans l’étape de la Visite vue de dessus, vous pouvez suivre l’ADP (billes blanches et orange) et un phosphate distinct qui deviennent un seul ATP avant de s’envoler.

John Walker a abordé la même enzyme par la structure. Avec Jan Pieter Abrahams et Andrew Leslie, il a résolu en 1994 la structure cristalline de F1 de cœur de bœuf à 2,8 Å. Les trois sous-unités β avaient bien trois formes différentes, avec des nucléotides différents liés, et la sous-unité γ asymétrique se trouvait au centre. La structure correspondait au mécanisme de Boyer. Boyer et Walker ont partagé la moitié du prix Nobel de chimie de 1997 ; l’autre moitié est allée à Jens Skou pour la pompe sodium-potassium, une autre enzyme de membrane qui fonctionne à l’ATP. Le comité Nobel note qu’au repos, cette pompe à elle seule utilise environ un tiers de tout l’ATP produit.

Où le rotor s’arrête

Pourquoi le rotor tourne-t-il dans le sens avant ? Comptons l’énergie. Un tour complet fait traverser la membrane à n protons, n étant le nombre de sous-unités c, et produit trois ATP. Chaque ATP reçoit donc l’énergie de n/3 protons :

énergie reçue par ATP = (n/3) × F × Δp

Fabriquer un ATP à l’intérieur d’une cellule a lui aussi un coût bien défini, le potentiel de phosphorylation, noté ΔGp. Il dépend des quantités d’ATP, d’ADP et de phosphate présentes ; le modèle part de 45 kJ/mol, et le curseur « Coût d’un ATP » le modifie. Si l’énergie reçue dépasse le coût, le rotor tourne dans le sens avant et fabrique de l’ATP. Si elle est inférieure, l’ATP l’emporte et pousse le rotor en arrière. Quand les deux sont égaux, le rotor reste immobile :

Δp à l’arrêt = 3 × ΔGp / (n × F)

Pour l’anneau du bœuf, n = 8, et à 50 kJ/mol cela donne 3 × 50 000 / (8 × 96 485) = 0,194 V, soit 194 mV. À 45 kJ/mol, on obtient 175 mV. Le graphique de la lecture trace la vitesse du rotor du modèle en fonction de Δp pour l’anneau et le coût que vous avez choisis, avec une ligne en tirets au point d’arrêt et un point là où se trouvent vos curseurs. Le tableau sous les commandes fait le même calcul pour chaque taille d’anneau de c8 à c15.

Deux choses en découlent. Un grand anneau cale à un gradient plus faible : c15 n’a besoin que de 93 mV pour équilibrer les mêmes 45 kJ/mol, car il apporte 15 protons par tour au lieu de 8. Et l’enzyme est réversible. Rien en elle ne décide du sens de rotation ; c’est l’équilibre des deux énergies qui le décide. La règle de vitesse du modèle (une courbe lisse passant par le point d’arrêt) est inventée pour l’image, mais la position du point d’arrêt est calculée.

Fonctionner à l’envers

Abaissez le gradient sous le point d’arrêt, ou augmentez le coût d’un ATP, et la lecture indique « Consommation d’ATP, pompage ». L’ATP se lie alors dans la tête, est scindé, et la tige tourne dans l’autre sens par pas de 120°. L’anneau c transporte des protons de la matrice vers l’extérieur, à travers la membrane. Le compteur d’ATP consommé augmente.

Dans une mitochondrie saine, cela arrive rarement, parce que la chaîne respiratoire maintient le gradient à un niveau élevé. Quand il s’effondre, par exemple lorsque l’oxygène vient à manquer, l’ATP synthase pourrait vider en quelques minutes l’ATP de la cellule en fonctionnant à l’envers. Les mitochondries possèdent un frein pour cela : une petite protéine appelée IF1. Cabezón et ses collègues ont montré en 2003 qu’elle se coince à une interface α-β de F1 et touche γ. Dans le modèle, choisissez IF1 comme inhibiteur et faites baisser le gradient : le rotor s’arrête au lieu de tourner à l’envers, et l’hélice brille tant qu’elle le retient.

Les bactéries tirent parti du mode inverse. Sans oxygène, E. coli fabrique de l’ATP par fermentation, puis laisse l’ATP synthase fonctionner à l’envers pour entretenir un gradient de protons, dont elle a besoin pour ses flagelles et pour faire entrer les nutriments à travers la membrane. La scène Bactérie le montre quand vous coupez « Oxygène ». Certains parents de l’enzyme ont été conçus dès l’origine pour ce travail inverse ; ils apparaissent dans la scène V-ATPase.

Médicaments et poisons qui l’arrêtent

Comme tant de choses dépendent d’une seule enzyme, plusieurs molécules naturelles et artificielles la prennent pour cible. La commande « Inhibiteur » en présente cinq.

• L’oligomycine a donné son nom à Fo. Symersky et ses collègues l’ont résolue liée à l’anneau c10 de la levure en 2012 : elle se place à l’extérieur de l’anneau, entre deux sous-unités c, et recouvre le glutamate qui porte le proton, de sorte qu’aucun proton ne peut s’y fixer et que le rotor s’arrête. Les résidus qui forment sa poche sont les mêmes chez la levure et chez l’humain. Les laboratoires l’utilisent pour mesurer quelle part de la respiration sert à fabriquer de l’ATP et quelle part est perdue par fuite.
• Le DCCD (dicyclohexylcarbodiimide) réagit avec ce même carboxylate et le bloque de façon permanente. Pogoryelov et ses collègues ont utilisé des anneaux c15 modifiés par le DCCD pour montrer comment le site à protons s’ouvre et se ferme. Dans le modèle, les billes de glutamate deviennent vertes.
• La bédaquiline est un médicament contre la tuberculose. Andries et ses collègues l’ont trouvée en 2005 comme composé tuant Mycobacterium tuberculosis ; les mutants résistants modifiaient la partie de l’ATP synthase qui porte les protons. En 2015, Preiss et ses collègues l’ont résolue sur un anneau c9 de mycobactérie : elle recouvre les sites à ions, de sorte que l’anneau ne peut plus transporter de protons. Ils la décrivent comme le premier médicament en 40 ans approuvé contre la tuberculose multirésistante. Une étude de 2024 a montré qu’elle peut aussi se lier à l’enzyme humaine, à un endroit semblable de l’anneau c.
• Le DNP (2,4-dinitrophénol) ne touche pas l’enzyme. Il fait passer les protons à travers les lipides eux-mêmes, si bien que le gradient s’effondre et que les aliments sont brûlés sous forme de chaleur, sans fabriquer d’ATP. En 1933, il était vendu comme médicament pour maigrir ; il provoque une surchauffe dangereuse, et une revue de 2011 a dénombré 62 décès publiés. Dans le modèle, les protons traversent directement la membrane et le rotor cale. La graisse brune fait une version contrôlée de la même chose avec sa propre protéine, UCP1, pour garder les animaux au chaud.
• IF1, le frein propre à la cellule, n’arrête que le sens inverse, comme décrit plus haut.

Des anneaux de tailles différentes

La taille de l’anneau c fixe le prix d’un ATP. Avec n sous-unités, il faut n/3 protons par ATP. Watt et ses collègues ont trouvé en 2010 huit sous-unités c dans les mitochondries de cœur de bœuf, et ont fait remarquer que la séquence de la sous-unité c est identique chez presque tous les vertébrés, si bien que très probablement tous les vertébrés paient 2,7 protons par ATP. Les champignons, les bactéries et les chloroplastes utilisent des anneaux de 9 à 15. Le tableau sous les commandes répertorie 13 anneaux et les structures qui les montrent :

Pourquoi ne pas utiliser partout le plus petit anneau ? Un petit anneau fabrique l’ATP à bas prix, mais il exige un gradient élevé pour atteindre son point d’arrêt ; un grand anneau fonctionne avec une poussée plus faible, mais dépense davantage de protons. Bacillus pseudofirmus OF4 vit dans une eau alcaline, où les protons à l’extérieur de la cellule sont rares, et son anneau c13 partage chaque proton avec une molécule d’eau liée. Ilyobacter tartaricus va plus loin encore et transporte des ions sodium au lieu de protons. Vollmar et ses collègues ont trouvé que les sites à ions de l’anneau c14 de l’épinard sont distants de 10,6 à 10,8 Å, le même espacement que sur l’anneau c11 d’Ilyobacter, de sorte qu’un anneau comptant plus de sous-unités est tout simplement plus large.

Réglez « Taille de l’anneau c » dans la scène Enzyme et observez le point d’arrêt et le coût par ATP évoluer ensemble. Le curseur de l’anneau nomme l’organisme mesuré pour les tailles où il en existe un ; c12 n’a pas d’entrée dans le tableau.

Dans une mitochondrie

Ouvrez la scène Mitochondrie. La membrane interne d’une mitochondrie est repliée en crêtes ; la scène montre un pli en coupe, ouvert à l’avant. À l’extérieur du pli se trouve la matrice. À l’intérieur du pli se trouve un espace étroit qui rejoint l’espace entre les deux membranes, et c’est là que s’accumulent les protons pompés.

Quatre complexes sur le flanc du pli font passer les électrons des aliments à l’oxygène :

1. Le complexe I prend deux électrons au NADH et les passe à l’ubiquinone, un petit transporteur qui se déplace à l’intérieur de la membrane. C’est l’une des plus grosses enzymes de la cellule : Zhu, Vinothkumar et Hirst ont placé en 2016 ses 45 sous-unités dans l’enzyme du bœuf. Il pompe 4 protons pour deux électrons.
2. Le complexe II amène les électrons du succinate dans le même réservoir d’ubiquinone sans pomper aucun proton. Il fait aussi partie du cycle de l’acide citrique.
3. Le complexe III, le cytochrome bc1, passe les électrons de l’ubiquinol au cytochrome c et libère 4 protons du côté externe pour deux électrons.
4. Le complexe IV, la cytochrome c oxydase, les remet à l’oxygène, qui devient de l’eau, et pompe 2 protons de plus.

Ainsi, deux électrons venus du NADH déplacent 10 protons, alors que deux électrons venus du succinate n’en déplacent que 6. Watt et ses collègues se sont servis de ces nombres pour calculer le rendement. Fabriquer un ATP avec un anneau c8 demande 8/3 = 2,67 protons, et le faire sortir de la mitochondrie en coûte un de plus : le transporteur qui échange l’ATP contre l’ADP et celui qui fait entrer le phosphate utilisent ensemble l’équivalent d’un proton. Cela fait 3,67 protons par ATP livré. On obtient alors :

• NADH : 10 / 3,67 = 2,7 ATP par atome d’oxygène
• succinate : 6 / 3,67 = 1,6 ATP par atome d’oxygène

Ce sont les rapports P/O. La revue de mesures de Hinkle donne environ 2,5 et 1,5, un peu moins, parce que certains protons refluent à travers la membrane sans passer par l’enzyme. La lecture affiche le rapport calculé et celui qui est compté dans le modèle pendant qu’il tourne. Mettez « Combustible » sur succinate et les deux baissent.

Les ATP synthases de cette scène sont disposées par paires sur la crête du pli. Davies et ses collègues ont découvert par cryotomographie électronique de mitochondries de levure que les paires forment des V avec un angle de 86° entre eux et s’alignent en rangées le long des crêtes. Les souches de levure incapables de former les paires n’ont pas de crêtes normales, seulement des crêtes en forme de ballon, ou aucune. Le modèle atomique de la région Fo en paire, établi par Guo, Bueler et Rubinstein, montre comment la paire courbe la membrane. Dans le modèle, les paires sont quatre V le long de la crête, et chaque copie fait tourner son propre rotor.

La scène fait fonctionner un petit circuit de protons. La chaîne pompe plus vite quand le gradient est bas et ralentit quand il monte (contrôle respiratoire) ; l’ATP synthase et une petite fuite laissent revenir les protons. Essayez aussi ici les inhibiteurs. L’oligomycine arrête l’ATP synthase, le gradient monte et la respiration s’arrête presque. Le DNP ouvre une fuite, le gradient baisse, la respiration s’emballe et le combustible se transforme en chaleur ; la lecture montre alors l’enzyme qui tourne à l’envers en consommant de l’ATP, ce que font les mitochondries découplées, à moins qu’IF1 ne les arrête. Coupez « Oxygène » et toute la chaîne s’arrête.

Dans un chloroplaste

La scène Chloroplaste montre un fragment de membrane de thylakoïde. Le stroma est en haut, le lumen (l’intérieur du thylakoïde) en bas. Ici, l’énergie vient de la lumière et non des aliments, mais l’enzyme est du même type, et sa tête fait face au stroma.

1. Le photosystème II absorbe la lumière et arrache des électrons à l’eau. La structure à 1,9 Å d’Umena et de ses collègues montre l’amas Mn₄CaO₅ où cela se passe : deux molécules d’eau donnent un O₂, quatre électrons et quatre protons, libérés dans le lumen.
2. La plastoquinone transporte les électrons à travers la membrane jusqu’au cytochrome b6f, qui fait passer d’autres protons dans le lumen.
3. La plastocyanine, une petite protéine à cuivre située dans le lumen, les porte jusqu’au photosystème I, qui utilise un second photon pour les hisser jusqu’à la ferrédoxine et au NADP⁺. Le NADPH se forme dans le stroma.

Kramer et Evans comptent 12 protons dans le lumen et 2 NADPH pour chaque O₂ dans ce flux linéaire. L’enzyme du chloroplaste a un anneau c14, il lui faut donc 14/3 = 4,67 protons par ATP, et 12 protons produisent 12 × 3 / 14 = 2,57 ATP. Cela fait 1,29 ATP par NADPH, alors que le cycle de Calvin utilise 3 ATP pour 2 NADPH, soit 1,5 par NADPH. Le déficit est comblé par d’autres voies, comme le flux cyclique d’électrons autour du photosystème I, qui pompent des protons sans fabriquer de NADPH. La lecture affiche les deux rapports et les recalcule si vous changez l’anneau.

Le lumen devient acide. Dans des feuilles vivantes d’Arabidopsis, Takizawa et ses collègues l’ont estimé à environ pH 7,5 en lumière faible et à environ pH 5,7 en lumière forte avec peu de CO₂. Le graphique de la lecture suit le pH du lumen quand la lumière change. Dans le modèle, le stroma est fixé à pH 8 et 70 % du gradient est stocké sous forme de ΔpH ; ce sont deux choix du modèle.

Ramenez la lumière à zéro. Après un court instant, la lecture indique que le commutateur γ a verrouillé l’enzyme. La structure de l’enzyme complète du chloroplaste, 26 sous-unités, publiée par Hahn et ses collègues en 2018, montre dans γ une épingle β qui agit comme un commutateur redox et bloque la rotation dans l’obscurité.

L’enzyme du chloroplaste a aussi joué le premier rôle dans une expérience classique. En 1966, André Jagendorf et Ernest Uribe ont trempé des thylakoïdes d’épinard dans un acide, les ont transférés dans un tampon alcalin contenant de l’ADP et du phosphate, et ont obtenu de l’ATP dans l’obscurité. Une différence de pH suffisait à elle seule, comme l’exigeait l’idée de Mitchell.

Une bactérie et ses flagelles

Les bactéries n’ont pas de mitochondries. Leur chaîne respiratoire se trouve dans la membrane de la cellule elle-même et pompe les protons vers le périplasme, l’espace mince entre les membranes interne et externe. La scène Bactérie montre une cellule d’E. coli d’environ 2 µm de long à l’arrière droit et, au premier plan, un fragment de sa membrane interne dessiné environ 50 fois plus grand que la cellule.

Deux machines de ce fragment utilisent le même gradient. L’une est l’ATP synthase. Le groupe de Fillingame a montré en 2001 qu’E. coli préfère un anneau c10, et la structure par cryo-EM de Sobti et de ses collègues montre les dix sous-unités et une sous-unité ε qui peut s’étendre pour bloquer l’enzyme. L’autre est le moteur flagellaire. Howard Berg le décrit comme large d’environ 45 nm et construit à partir d’environ 20 types de pièces ; ici, il est dessiné à la même échelle que l’ATP synthase, plus de quatre fois plus large. Les protons qui traversent un anneau d’unités de stator autour de son bord font tourner le rotor, et Meister, Lowe et Berg ont montré que le flux de protons est proportionnel à la vitesse du moteur.

Contrairement à l’ATP synthase, ce moteur s’inverse sur commande. Quand une protéine appelée CheY porte un phosphate, elle se lie à l’anneau C au bas du moteur et le fait passer du sens antihoraire au sens horaire. Chez E. coli, la rotation antihoraire permet aux filaments de s’enrouler en faisceau et la cellule nage ; la rotation horaire défait le faisceau, et la cellule culbute et repart dans une nouvelle direction. Activez « Flagelles en sens horaire » : les billes roses de CheY se lient, les filaments s’écartent et la cellule culbute.

Coupez « Oxygène ». La respiration s’arrête, le gradient tombe sous le point d’arrêt de l’anneau c10, et l’ATP synthase se met à fonctionner à l’envers avec l’ATP de la fermentation, pompant des protons vers l’extérieur pour que le moteur continue de tourner. Le gradient se stabilise un peu plus bas et la cellule continue de nager, plus lentement.

Des pompes conçues pour le sens inverse

Certains parents de l’ATP synthase dépensent de l’ATP comme travail normal. Les ATPases vacuolaires, ou de type V, pompent des protons dans des compartiments de la cellule pour les acidifier. Les lysosomes, les sacs digestifs de la cellule, sont maintenus entre pH 4,5 et 5, là où leurs enzymes travaillent. La revue de Mindell explique que la pompe ne peut pas y arriver seule : à mesure que les protons entrent, de la charge s’accumule, si bien qu’un autre ion doit aussi se déplacer. Un échangeur chlorure/proton, ClC-7, fait partie de la réponse, et la scène le montre à côté des pompes.

La scène V-ATPase montre deux pompes sur un fragment de membrane de lysosome, avec le lysosome entier en petit à l’arrière ; sa couleur suit le pH intérieur. Les pièces semblent familières : une tête de trois sous-unités A et trois B (les équivalents de β et α), un rotor central et un anneau dans la membrane. Les différences sont visibles elles aussi. La cryo-EM de l’enzyme de levure par Zhao, Benlekbir et Rubinstein montre trois tiges périphériques au lieu d’une et un anneau construit à partir de plus d’un type de protéolipide ; Mazhab-Jafari et ses collègues les ont identifiés plus tard comme c8, c′ et c″. Murata et ses collègues ont résolu le rotor à dix sous-unités d’une pompe à sodium apparentée d’Enterococcus hirae.

La V-ATPase a aussi un commutateur que l’enzyme de type F n’a pas : ses deux moitiés peuvent se séparer. Quand on prive la levure de glucose, la tête V1 lâche l’anneau Vo et le pompage s’arrête. Mazhab-Jafari et ses collègues ont mis à profit exactement cela pour obtenir l’anneau Vo libre et construire son modèle atomique. Activez « Jeûne : V1 se détache » : les têtes se soulèvent et le lumen revient lentement vers la neutralité.

Voir la rotation

La rotation est restée une déduction jusqu’en 1997. Hiroyuki Noji, Ryohei Yasuda, Masasuke Yoshida et Kazuhiko Kinosita ont fixé F1 à une surface de verre par ses sous-unités β, à l’envers, ont attaché un filament d’actine fluorescent à la sous-unité γ et ont ajouté de l’ATP. Au microscope, le filament a tourné pendant plus de 100 tours, toujours dans le sens antihoraire vu du côté de la membrane. F1 seule ne fabrique pas d’ATP ; si on lui donne de l’ATP, elle le dégrade et fait tourner la tige dans le sens opposé à celui de la synthèse.

La scène Test de rotation reconstruit cette expérience. La vue principale est ce que voyait le microscope : le verre, et un filament vert qui tourne autour d’une extrémité. La petite image à côté montre F1 elle-même, dessinée environ 50 fois plus grande, avec γ qui tourne dans la tête fixe.

Le filament n’est pas entraîné à une vitesse imposée. Le moteur pousse avec un couple d’environ 40 pN·nm, et l’eau freine le filament. Pour une tige qui tourne autour d’une extrémité, la traînée croît avec le cube de sa longueur :

traînée = (4π/3) η L³ / (ln(L / 2r) − 0,447)

où η est la viscosité de l’eau et r le rayon du filament. Un filament de 1 µm donne environ 6,3 tours par seconde, un filament de 2 µm moins d’un tour par seconde. Modifiez « Longueur d’actine » et la lecture le recalcule ; l’intitulé « traînée de la sonde » signifie que c’est le filament, et non l’enzyme, qui fixe la vitesse.

Des travaux ultérieurs ont employé des marqueurs plus petits. Yasuda et ses collègues ont trouvé en 1998 qu’à faible concentration d’ATP le filament avance par pas discrets de 120°, un par ATP, et que le travail fourni à chaque pas reste à peu près le même sur une large gamme de charges, proche de l’énergie libre de l’hydrolyse d’un ATP. Avec une bille d’or de 40 nm, assez légère pour ne pas ralentir le moteur, ils ont divisé en 2001 chaque pas en sous-pas d’environ 90° et 30°, et ont mesuré environ 130 tours par seconde quand l’ATP était abondant. Sakaki et ses collègues ont trouvé le même couple d’environ 40 pN·nm à 2 mM, 60 nM et 2 nM d’ATP, et une vitesse de liaison de 2 × 10⁷ par molaire et par seconde.

Le modèle utilise ces nombres. Chaque ATP se lie après une attente aléatoire dont la moyenne est 1 / (kon × [ATP]) ; ensuite la sonde pivote de 120° aussi vite que le couple peut l’entraîner. Abaissez la concentration d’ATP vers 0,2 µM et les attentes deviennent plus longues que les pivotements : le filament saute désormais, et le graphique dessine un escalier. Choisissez la bille d’or et les pas deviennent nets, parce que la bille ne ralentit guère le moteur ; la lecture indique alors que la liaison de l’ATP fixe la vitesse, et la vitesse de défilement est ralentie pour que vous puissiez la suivre.

La dernière étape a inversé l’expérience. Itoh et ses collègues ont attaché une bille magnétique à γ et l’ont fait tourner en sens inverse avec des électroaimants en 2004. De l’ATP est apparu dans la solution. Rondelez et ses collègues ont enfermé des molécules uniques de F1 dans des chambres de quelques femtolitres et ont constaté que jusqu’à 77 % des tours forcés produisaient de l’ATP dès que la petite sous-unité ε était présente. Choisissez « Bille magnétique » et activez « Aimants en sens inverse » : les bobines s’allument tour à tour, la bille tourne dans le sens horaire et chaque 120° ajoute un ATP au compteur.

Vérifier les nombres

Chaque sous-unité c porte un proton par tour, et chaque tour produit trois ATP. Le nombre de protons par ATP est donc le nombre de sous-unités c divisé par 3 : 8 ÷ 3 = 2,67 pour l’anneau du bœuf, 10 ÷ 3 = 3,33 pour la levure et E. coli, 14 ÷ 3 = 4,67 pour l’épinard et 15 ÷ 3 = 5,00 pour Spirulina platensis.

Watt et ses collègues donnent pour la vitesse du rotor dans les mitochondries environ 100 tours par seconde. À 3 ATP par tour, cela fait environ 300 ATP par seconde pour une seule enzyme, et avec 8 sous-unités c environ 800 protons par seconde qui la traversent. Le modèle tourne environ 100 fois plus lentement, à 1,2 tour par seconde au maximum, afin que vous puissiez suivre les billes.

L’équipe de Noji a mesuré un couple d’environ 40 pN·nm. Un pas de 120° vaut 2π/3 radian, donc le travail fourni en un pas est d’environ 40 × 2,09 ≈ 84 pN·nm, soit 8,4 × 10⁻²⁰ J. Un ATP à 50 kJ/mol porte 50 000 / (6,022 × 10²³) ≈ 8,3 × 10⁻²⁰ J, soit 83 pN·nm. Les deux nombres sont presque identiques : le moteur transforme presque toute l’énergie chimique en travail, comme l’ont rapporté Yasuda et ses collègues. La lecture du Test de rotation montre les deux, et l’énergie de l’ATP suit le curseur « Coût d’un ATP ».

Le point d’arrêt est le même calcul retourné. À 50 kJ/mol, un anneau c8 demande (8/3) × 96 485 × Δp = 50 000 J, ce qui donne Δp = 0,194 V. Un anneau c14 s’équilibre à 0,111 V, et un anneau c10 à 0,155 V.

Une journée d’ATP

Combien d’ATP une personne produit-elle en une journée ? Le Labo, sous les commandes, contient une petite calculatrice. Elle part de l’oxygène. Un MET, le métabolisme de repos utilisé dans les tests d’effort, vaut 3,5 mL d’oxygène par kilogramme de masse corporelle et par minute, si bien qu’un adulte de 70 kg au repos absorbe environ 245 mL par minute. Sur une journée, cela fait 245 × 1440 = 352 800 mL, soit 352,8 L, ce qui, à 22,414 L par mole (volume de gaz à 0 °C et à 1 atmosphère, comme on exprime la consommation d’oxygène), représente environ 15,7 mol d’O₂, soit 31,5 mol d’atomes d’oxygène.

Avec un rapport P/O de 2,5, cela fait 31,5 × 2,5 ≈ 79 mol d’ATP. L’ATP pèse 507,18 g par mole, donc 79 mol font environ 40 kg : un peu plus de la moitié de la masse corporelle, en accord avec le chiffre du comité Nobel, environ la moitié. Lors d’un effort intense, la consommation d’oxygène peut être multipliée plusieurs fois, et l’ATP de la journée avec elle. La calculatrice fonctionne aussi à l’envers : à P/O 2,5, une personne de 70 kg aurait besoin d’environ 430 mL d’oxygène par minute pour que l’ATP d’une journée pèse autant que son corps.

Combien d’enzymes cela demande-t-il ? 79 mol, c’est 4,7 × 10²⁵ molécules. Une enzyme qui en fabrique 300 par seconde en fabrique 2,6 × 10⁷ par jour, si bien que le corps a besoin d’environ 1,8 × 10¹⁸ enzymes qui tournent en permanence. Tout cela est du renouvellement : le corps ne contient qu’une petite quantité d’ATP à un instant donné et la refabrique sans cesse.

Quand l’enzyme échoue

La sous-unité a, la pièce fixe que traversent les protons, est fabriquée à partir d’un gène situé dans l’ADN propre des mitochondries, MT-ATP6. MedlinePlus Genetics, géré par la Bibliothèque nationale de médecine des États-Unis, énumère les maladies causées par des modifications de ce gène. Environ 10 % des personnes atteintes du syndrome de Leigh, une maladie cérébrale progressive qui commence le plus souvent dans la petite enfance, ont une modification de MT-ATP6 ; la plus courante est un changement d’une seule lettre noté T8993G. Les mêmes modifications peuvent causer une maladie plus légère appelée NARP (neuropathie, ataxie et rétinite pigmentaire). Chaque cellule possède de nombreuses mitochondries, et la gravité tend à suivre la proportion de celles qui portent la modification : typiquement 70 à 90 % dans le NARP et plus de 90 % dans le syndrome de Leigh.

La structure de l’enzyme humaine publiée en 2023 par Lai et ses collègues a cartographié les mutations pathogènes sur le complexe et a montré que la plupart se situent aux contacts entre sous-unités, où elles peuvent affaiblir toute la machine. Cet exposé n’est pas une référence médicale ; pour toute question de santé, consultez un médecin.

Ce que le modèle omet

• Les formes sont des blobs lisses placés là où se trouvent les sous-unités. Ce ne sont pas les surfaces mesurées de la protéine, tirées des entrées PDB citées dans le tableau.
• La règle de vitesse est inventée pour le modèle : une courbe lisse passant par le point d’arrêt calculé. Les enzymes réelles ont une relation plus compliquée entre force et vitesse, et le vrai rotor tourne environ 100 fois plus vite.
• En synthèse, le modèle tourne par petits pas, un par proton. En sens inverse, il montre les pas de 120° mesurés sur F1, mais pas les sous-pas de 90° et 30° ; ceux-ci n’apparaissent que dans le Test de rotation avec la bille d’or.
• Murphy et ses collègues ont trouvé que la tête de F1 tourne avec le rotor pendant les 30° environ qui suivent le début de chaque pas de 120°, sur une charnière souple. Le modèle garde la tête immobile.
• Les petites sous-unités au pied de la tige sont dessinées d’un seul tenant, et les copies d’ATP synthase des autres scènes partagent une même forme simplifiée.
• Les circuits de protons des scènes Mitochondrie, Chloroplaste et Bactérie, ainsi que la courbe de pH de la scène V-ATPase, ont des vitesses inventées. Leur stœchiométrie (10 et 6 protons, 12 protons par O₂, n/3 par ATP) provient des sources.

Une brève histoire

• 1929 : Karl Lohmann découvre l’ATP. Alexander Todd le synthétise en 1948.
• De 1939 à 1941 : Fritz Lipmann montre que l’ATP transporte l’énergie dans la cellule.
• 1957 : Jens Skou décrit la pompe sodium-potassium.
• 1960 : le groupe d’Efraim Racker isole l’enzyme à partir de mitochondries.
• 1961 : Peter Mitchell propose l’idée chimiosmotique ; prix Nobel en 1978.
• 1966 : Jagendorf et Uribe fabriquent de l’ATP dans l’obscurité avec un bain acide.
• 1974 : Racker et Stoeckenius fabriquent de l’ATP avec de la lumière dans des vésicules artificielles.
• 1994 : Abrahams, Leslie, Lutter et Walker résolvent la structure de F1.
• 1997 : Noji et ses collègues voient la tige tourner ; Boyer, Walker et Skou se partagent le prix Nobel de chimie.
• 2001 : Yasuda et ses collègues résolvent les sous-pas de 90° et 30°.
• 2004 : Itoh et ses collègues fabriquent de l’ATP en faisant tourner F1 avec des aimants.
• 2010 : Watt et ses collègues trouvent l’anneau c8 chez les mammifères.
• De 2015 à 2023 : la cryo-EM montre des enzymes complètes de bœuf, de levure, de bactéries, de chloroplastes et d’humain dans leurs états de rotation.