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Co-transporteurs (transporteurs secondaires)
Modèle rocking-bundle : mécanisme

Sommaire

Dans le mécanisme de bascule (rocking-bundle), la la liaison du substrat et des ions dans un site central entre deux domaines structurellement distincts, provoque le mouvement de couplage entre les portes extérieures et intérieures (The Rocking Bundle: A Mechanism for Ion-Coupled Solute Flux by Symmetrical Transporters 2009).

attention

Plusieurs systèmes de déclenchement ont été proposés, mais il est encore difficile de déterminer si les observations montrent bien des portes réelles ou des artefacts cristallins.

  • Plusieurs états conformationnels ont été capturés dans les structures cristallines de LeuT et de dDAT.
  • Mécanisme simplifié de rocking-bundle de LeuT
    Mécanisme simplifié de rocking-bundle de LeuT
    (Figure : vetopsy.fr d'après Kazmier, et coll)
    Toutefois, chaque structure ne représente qu'un instantané dans le cycle de transport, et la transition d'un état à un autre ne peut pas être déduite d'une manière précise.

LeuT

Mécanisme du rocking-bundle

LeuT, sans liaison au substrat et aux ions, alterne entre les conformations ouvertes vers extérieur et vers l'intérieur.

Des études ont été réalisées pour Mhp1 (sodium-benzylhydantoin transport protein de Microbacterium liquefaciens dans Molecular Basis of Alternating Access Membrane Transport by the Sodium-Hydantoin Transporter, Mhp1 2010), vSGLT (Sodium-Galactose Transporter de Vibrio parahaemolyticus dans The mechanism of sodium and substrate release from the binding pocket of vSGLT 2010).

La description du mécanisme est basée sur l'article : A Mechanism for Intracellular Release of Na+ by Neurotransmitter: Sodium Symporters 2014.

1. La liaison de Na+ stabilise la conformation ouverte vers l'extérieur, ce qui est supposé déclencher la liaison du substrat (Ion/substrate-dependent conformational dynamics of a bacterial homolog of neurotransmitter:sodium symporters 2010).

2. TM1b, TM6a et TM7 du domaine central se déplacent pour assurer l'occlusion du site de liaison au substrat qui se traduit par une conformation occluse vers l'extérieur.

  • Le rapprochement entre les deux domaines, via EL4 (entre les segments TM 7 et TM8), ferme la porte extérieure.
  • Ces événements structuraux semblent précéder le mouvement de bascule du faisceau central qui conduit à une conformation occluse vers l'intérieur.

3. Une fermeture complémentaire associée à EL4 et TM5 a lieu pour provoquer le changement de conformation vers l'intérieur.

  • Dans cette conformation, TM5e s'est déplacé par rapport à TM5i, qui, lui, maintient son interaction avec le domaine N-terminal et avec TM1a par la coordination conjointe de Na+ sur le site Na2.
  • TM5 s'étend donc comme un " ressort " à l'interface de la membrane cytoplasmique, le déroulement étant facilité par les points de déformation GlyX9Pro conservés.
  • Le déroulement du TM5 fournit un accès du solvant intracellulaire au site Na2, le site Na2 acceptant une molécule d'eau en tant que sixième ligand.

4. La translocation du substrat est couplé à la libération du sodium de Na2.

  • Na2 libéré, éventuellement stimulé par la flexibilité structurelle de TM5 et un potentiel membranaire négatif, TM1a se libère de TM6 et TM5i se réassocie avec TM5e dans la reformation de l'hélice TM5.
  • Ces modifications provoquent l'ouverture de la porte et la libération du substrat et de Na1 dans l'environnement intracellulaire.
Mécanisme de ressort de TM5
Mécanisme de " ressort " de TM5
(Figure : vetopsy.fr avec l'aimable autorisation de M. Quick)

Le transporteur uracile UraA et les transporteurs apparentés de la famille SLC26/SulP (Structure of a prokaryotic fumarate transporter reveals the architecture of the SLC26 family 2015) présentent une structure et un mécanisme identique.

Variations

1. Des variations du système décrit ci-dessus peuvent être observés dans d'autres transporteurs à repliement LeuT qui se déplacent plus ou moins ou dont le déclenchement varie quelque peu, comme le symporteur hydantoïne-sodium Mhp1 (Molecular mechanism of ligand recognition by membrane transport protein, Mhp1 2014) ou le symport bétaïne-sodium BetP trimérique (Alternating-access mechanism in conformationally asymmetric trimers of the betaine transporter BetP 2012).

2. Les transporteurs à repliement LeuT varient aussi suivant :

MAT

Plusieurs systèmes de déclenchement ont été proposés, mais il est encore difficile de déterminer si les observations montrent bien des portes réelles ou des artefacts cristallins.(The Substrate-Driven Transition to an Inward-Facing Conformation in the Functional Mechanism of the Dopamine Transporter 2011 et Conformational changes in dopamine transporter intracellular regions upon cocaine binding and dopamine translocation 2014).

Transport de Na2 dans hSERT
Transport de Na2 dans hSERT
(Figure : vetopsy.fr d'après Koldsø, et coll)

Le changement de conformation de l'extérieur vers l'intérieur a été observé dans des simulations MD (Dynamique moléculaire) non planifiées de hSERT (Unbiased simulations reveal the inward-facing conformation of the human serotonin transporter and Na+ ion release 2011 et Ligand induced conformational changes of the human serotonin transporter revealed by molecular dynamics simulations 2013).

Mécanisme du rocking-bundle

Dans les trois MAT, le site Na2 contient un résidu d'aspartate essentiel dans l'ouverture de la porte intacellulaire.

  • Pour hSERT, la rotation de la chaîne latérale de D437 libère Na+ du site Na2 et le pousse dans la voie de libération intracellulaire située entre TM1, TM5, TM6 et TM8.
  • L'ion Na+ dans le site Na2 est à l'origine du transport du substrat, et la libération du sodium se produit avant la libération du substrat.

Le changement conformationnel entre les configurations ouvertes vers l'extérieur et celles vers l'intérieur peut être décrit comme un mouvement des hélices du faisceau par rapport à l'échafaudage, comme décrit pour LeuT.

La libération de DA dans le cytoplasme a été observée à travers deux voies différentes dans les simulations RAMD de rDAT (Insights from molecular dynamics: the binding site of cocaine in the dopamine transporter and permeation pathways of substrates in the leucine and dopamine transporters 2012) :

  • une voie le long de TM6b et de TM8 plus fréquente,
  • une voie alternative le long de TM1a et TM6b, identique à celle de la libération du Na+, décrite précédemment.
Site vestibulaire de DAT
Site vestibulaire de DAT
(Figure : vetopsy.fr d'après Shan et coll)

Il semble que des changements rotamériques dans F76 et F322 permettent au DA de se déplacer du site de liaison primaire vers le milieu intracellulaire.

  • La rotation de F332 provoque le mouvement de F69 qui éloigne TM1a de TM6, suivi de la rupture d'une liaison hydrogène entre Y335 et E428 permettant le mouvement continu de TM1a et l'extrémité N-terminale de TM6.
  • L'eau serait capable de se déplacer jusqu'au site de liaison primaire quand une molécule DA est localisée dans chacun des deux sites. lorsque que la dopamine occupe seulement le site primaire, l'eau accède uniquement à F332, qui est approximativement à mi-chemin du site de liaison primaire.

Site S2 nécessaire ou pas ?

Est-ce que le substrat se lie uniquement au site de liaison primaire de LeuT et MATs ou la liaison d'un second substrat dans le vestibule extracellulaire (loupesite vestibulaire) est nécessaire pour déclencher la libération du substrat du site de liaison primaire?

Cela a été proposé pour LeuT (The Mechanism of a Neurotransmitter:Sodium Symporter—Inward Release of Na+ and Substrate Is Triggered by Substrate in a Second Binding Site 2008) et hDAT (The Substrate-Driven Transition to an Inward-Facing Conformation in the Functional Mechanism of the Dopamine Transporter 2011) ?

Site vestibulaire de DAT
Site vestibulaire de DAT
(Figure : vetopsy.fr d'après Shan et coll)

La fonction du site vestibulaire dans les MAT et d'autres transporteurs à repliement LeuT fait donc encore l'objet de débats.

Toutefois, il semblerait que la liaison du substrat dans le site vestibulaire peut accélérer l'ouverture vers l'intérieur de hDAT.

  • La molécule DA occupant le site de liaison primaire augmente son interaction avec l'eau lorsque le site vestibulaire est également occupé en raison d'une rotation de S422 et M424 qui permet à l'eau de se déplacer vers le site Na2 du côté intracellulaire.
  • Avant que DA soit libéré dans le cytoplasme, une interaction de DA complètement solvatée avec E428 semble être la dernière interaction stabilisante entre DA et son récepteurs avant sa libération.

Analogies et différences entre les mécanismes rocker-switch et rocker bundle

Les transporteurs à interrupteur à bascule (rocker-switch) et ceux à bascule (rocker bundle) partagent des analogies indéniables.

  • 1. Ils sont constitués de deux domaines.
  • 2. Le site de liaison au substrat situé à l'interface se trouve à mi-chemin de la membrane.
  • 3. Les transitions entre les conformations orientées vers l'extérieur (outward-facing ou outward-open) et celles vers l'intérieur (inward-facing ou inward-open) sont la conséquences des mouvements des domaines transmembranaires les uns par rapport aux autres.
  • 4. La liaison du substrat est associée à des changements conformationnels locaux, impliquant des parties flexibles (non enroulées) des domaines hélicaux.

Par contre, on peut noter certaines différences.

  • 1. Les domaines sont symétriques dans les rocker-switch, distincts dans les rocker bundle.
  • 2. Les événements de déclenchement sont bien plus complexes dans les rocker-bundle que dans les rocker-switch (comparaison entre LeuT et GLUT).

Les rocker-switch sont plus simples et plus plastiques que les rocker-bundle qui sont eux plus spécifiques et plus diversifiés.

Mécanisme de l'ascenseur (elevator)

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