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Co-transporteurs (transporteurs secondaires)
Modèle du rocker-switch asymétrique (interrupteur à bascule)

Sommaire
définition

Le mécanisme la plus simple d'interrupteur à bascule correspond à des mouvements rigides de deux faisceaux, liés de manière symétrique autour d'un site de liaison de substrat situé au centre.

  • Dans les transporteurs primitifs, comme dans les SemiSWEET, les faisceaux d'hélice constituant chaque pièce du mécanisme ne bougent pas en tant que corps rigide strict, mais peuvent légèrement se plier.
  • Comme le résidu proline de la boucle PQ (PQ-loop) est hautement conservé dans les SWEET et les transporteurs de la famille PQ-loop, ce mouvement pourrait être conservé chez tous les ces transporteurs.

Ces mécanismes sont alors asymétriques.

Mécanisme asymétrique simple archaïque

EmrE

Structure et antiport de EmrE
Structure et antiport de EmrE
(Figure : vetopsy.fr d'après Morrison et coll)

Le petit transporteur de résistance multiple aux médicaments (SMR, Small Multidrug Resistance) EmrE (d'E. Coli) échange deux protons (2H+) contre une molécule de médicament en utilisant un mécanisme antiport constitué d'un site unique (X-ray structure of EmrE supports dual topology model 2007).

1. EmrE se compose de quatre segments transmembranaires (TM1 à TM4) qui s'insèrent dans la membrane aussi bien avec leur extrémités N- et C-terminales à l'intérieur qu'à l'extérieur (topologies Nin-Cin et Nout-Cout).

2. Contrairement aux SemiSWEET, EmrE est moins spécifique et peut transporter des molécules de cations organiques asymétriques (Asymmetric protonation of EmrE 2015 et Protonation-dependent conformational dynamics of the multidrug transporter EmrE 2016).

bien

Ce modèle d'interrupteur à bascule antiparallèle aurait ainsi la possibilité de positionner des polypeptides asymétriques plus facilement autour du site de liaison au substrat

Pnuc

Structure et évolution des Pnuc
Structure et évolution des Pnuc
(Figure : vetopsy.fr d'après Jaehme et Slotboom)

Le transporteur de vitamine B3 bactérien PnuC, qui catalyse l'absorption cellulaire du nicotinamide riboside (NR), précurseur de NAD+, est formé d'homotrimères (Crystal structure of the vitamin B3 transporter PnuC, a full-length SWEET homolog 2014).

Les Pnuc, comme les SemiSWEET, font partie de la superfamille TOG (Transporter-Opsin-G protein-coupled receptor Superfamily 2013).

1. Chaque protomère est constitué de domaines transmembranaires, numérotée de -1 à 7, car le premier segment est absent de nombreux membres des PnuC et de tous les membres de la famille SWEET.

2. L'organisation du domaine parallèle est probablement le résultat de la duplication de gènes et des événements de fusion (The Transporter-Opsin-G protein-coupled receptor (TOG) Superfamily 2013).

conclusion

Les SemiSWEET et les protéines SMR semblent être le résultat de deux processus évolutifs différents :

  • insertion antiparallèle des répétitions,
  • duplication des gènes et fusion.

Ces structures se retrouvent dans les transporteurs plus récents de grande taille (Topologically Random Insertion of EmrE Supports a Pathway for Evolution of Inverted Repeats in Ion-coupled Transporters 2010 et Structural Symmetry in Membrane Proteins 2014).

Mécanisme asymétrique simple récent

bien

Les transporteurs MFS (Major Facilitator Superfamily) forment la plus grande superfamille des transporteurs secondaires.

Symporteur proton/oligopeptide : PepT<sub>So</sub>
Symporteur proton/oligopeptide : PepTSo
(Figure : vetopsy.fr d'après Folwer et coll)

Ce groupe de transporteurs, retrouvés dans tous les règnes, comprend plus de 10.000 membres dont les modèles cristallographiques sont ceux de (Functional architecture of MFS D-glucose transporters. 2014 et Understanding transport by the major facilitator superfamily (MFS): structures pave the way 2016) :

  • XylE, perméase D-xylose d'Escherichia coli,
  • GlcP de Staphylococcus epidermidus, homologues des transporteurs de D-glucose humains, les GLUT (SLC2).

Structure

Leurs structures comportent en général 12 domaines transmembranaires qui comprend (Crystal structure of a bacterial homologue of glucose transporters GLUT1–4 2012) :

Ces faisceaux de six segments TM forment :

Certains homologues semblent avoir 13, 14, 15 ou 16 TM, certaines perméases MFS sont fusionnées à d'autres domaines fonctionnels ou sont entièrement dupliquées pour donner des protéines 24TM avec des fonctions doubles (The major facilitator superfamily (MFS) revisited 2012).

Conformations

Comparaisons GLUT3/XylE
Comparaisons GLUT3/XylE
(Figure : vetopsy.fr d'après Deng et Coll et Wisedchaisri, et coll)

Les TM1 et TM4 dans le faisceau N-terminal et les TM7 et TM10 dans le faisceau C-terminal, premier segment de chacune des répétitions de 3 TM, sont situés au centre du transporteur et forment :

  • la grande partie du site de liaison au substrat,
  • les régions d'occlusion.

Ces segments de TM subissent des changements conformationnels asymétriques lors de la liaison du substrat car elles possèdent une région non hélicoïdale.

Les TM7 et TM10 du faisceau TM C-terminal, liés par une pseudo-symétrie inversée, jouent un rôle critique.

1. Dans GLUT3 (transporteur SLC2A3), uniport spécifique du transport du glucose dans les neurones, l'occlusion asymétrique vers l'extérieur est due à une flexion vers l'intérieur de la demi-hélice TM7b, située sur le faisceau C-terminal.

  • TM7b stabilise cette configuration par une asparagine conservée (Asn286) qui se déplace vers l'intérieur pour coordonner le sucre lié (Molecular basis of ligand recognition and transport by glucose transporters 2015).
  • Les résidus de tyrosine volumineux voisins Tyr290 et Tyr291 sont responsables de l'occlusion induite par le substrat, bien qu'ils n'aient aucune interaction directe avec le sucre.

Tyr298 de la structure occluse vers l'extérieur de XylE est placée à un endroit équivalent (Crystal structure of a bacterial homologue of glucose transporters GLUT1–4 2012).

Conformations de XylE
Conformations de XylE
(Figure : vetopsy.fr d'après Wisedchaisri et coll)

2. Par contre, dans les transporteurs à occlusion asymétrique vers l'intérieur comme GLUT5 (transporteur SLC2A5), c'est la demi-hélice TM10b qui entre en jeu (Structural basis for substrate transport in the GLUT-homology family of monosaccharide transporters 2012 et et Proton-coupled sugar transport in the prototypical major facilitator superfamily protein XylE 2014 et Structure and mechanism of the mammalian fructose transporter GLUT5 2015)

Un réarrangement local de TM10 et de TM11 adjacent est souvent requis pour la libération du substrat (Structural basis for dynamic mechanism of nitrate/nitrite antiport by NarK 2015).

Toutefois, dans d'autres transporteurs comme les LacY (lactose permease ou symport lactose/proton d'Escherichia coli), ce sont les TM1 et TM4 du faisceau TM N-terminal qui semblent être les plus impliqués (Structure of sugar-bound LacY 2014 et et Structure of LacY with an α-substituted galactoside: Connecting the binding site to the protonation site 2015)

En raison de leur rôle central dans la fixation du substrat et des sites d'occlusion, les TM1, 4, 7 et 10 sont aussi considérées comme des des hélices de déclenchement (Flexible Gates Generate Occluded Intermediates in the Transport Cycle of LacY 2014).

Mécanisme alternatif

L'occlusion du site de liaison local d'un côté de la membrane est une condition préalable structurelle à la transition bascule-interrupteur qui ouvre l'accès au côté opposé (The SLC2 (GLUT) Family of Membrane Transporters 2014).

Le rôle central du substrat dans le mécanisme rocker-switch semble lié à la rupture et la reformation des ponts salins qui retiennent ensemble les faisceaux N et C-terminaux.

PepT<sub>So</sub> : ponts salins et mécanisme
PepTSo : ponts salins et mécanisme
(Figure : vetopsy.fr d'après Folwer et coll)

Dans les transporteurs GLUT, les ponts salins sont plus éloignés de la cavité centrale reliant les extrémités cytoplasmiques des TM3, TM4 et TM5 dans le faisceau transmembranaire N-terminal à celles des TM9, TM10 et TM11 dans le faisceau TM C-terminal (Molecular basis of ligand recognition and transport by glucose transporters 2015).

Ces résidus chargés, signature des transporteurs de sucre, sont retrouvés de la bactérie à l'homme. Les résidus chargés sont reliés par un axe de symétrie pseudo-double qui traverse le centre du transporteur et est perpendiculaire au plan de la membrane.

Les différents ponts salins peuvent être absolument nécessaires ou facultatifs selon les auteurs. Par exemple dans l'étude sur PepTSo, sept ponts salins ont été identifiés don les plus importants seraient (Gating Topology of the Proton-Coupled Oligopeptide Symporters 2015) :

  • D136-K439 (H4-H11) et K84-D79 (H3-H2), conservés dans la famille, qui stabiliseraient les conformations orientées vers l'extérieur,
  • R52-D328 (H2-H7), non conservés dans la famille SLC15, se formerait dans les conformations occluses et orientées vers l'intérieur.

La porte extramembranaire est formée par H1, H2, H7 et H8 et la porte cytoplasmique par H4, H5, H10 et H11 et semble être retrouvée dans toutes les 34 structures connues de MFS.

Les deux premières hélices de chacune des quatre unités répétées forment la moitié d'une des deux portes.

bien

Ces structures renforcent le concept du mécanisme des transporteurs actifs lié à des répétitions inversées d'unités.

Mécanisme à bascule (rocking-bundle)

Bibliographie
  • Marieb E. N. - Anatomie et physiologie humaines - De Boeck Université, Saint-Laurent, 1054 p., 1993
  • Maillet M. - Biologie cellulaire - Abrégés de Masson, 512 p, 2002
  • Lodish et coll - Biologie moléculaire de la cellule - De Boeck Supérieur, Saint-Laurent, 1207 p., 2014