Bioénergétique : composés " riches en énergie "
Composés à liaison phosphate
ATP : phosphorylation oxydative
ATP synthase : structure de F₁

L’ATP synthase est constituée de deux régions principales :

• F₁, partie catalytique dans la matrice mitochondriale, responsable de la synthèse de l'ATP à partir de l'ADP et de Pi,
• F_O, partie incorporée dans la membrane mitochondriale interne (IMM), domaine contenant un moteur qui génère une rotation.

F₁ et F_O sont liées par :

• une tige centrale qui transmet l'énergie de rotation du moteur de F_O au domaine F₁,
• une tige périphérique.

Structure de la région F1 de l'ATP synthase

La région F₁ de l'ATP synthase, qui se trouve dans la matrice mitochondriale et qui est responsable de la synthèse/hydrolyse de l'ATP, est composée par un ensemble de 5 sous-unités, i.e. α, β, γ, δ et ε, de stoechiométrie (α)₃, (β)₃, (γ)₁, (δ)₁ et (ε)₁.

Sites de liaison des nucléotides : sous-unités α et β

Les sous-unités α et β sont alternées et forment un hexamère globulaire d'environ 100 Å de diamètre, i.e. (αβ)₃, avec 6 sites de liaison.

1. Les sous-unités α et β, presque identiques structurellement, sont constituées par plusieurs domaines.

a. L'extrémité N-terminale est composée par un tonneau β (β-barrel) à 6 brins (a-f).

• Les domaines du tonneau chapeautent (αβ)₃ par un feuillet à 24 brins.
• Aux extrémités N-terminales, 18 à 24 résidus au niveau des sous-unités α et 4 à 8 au niveau des sous-unités β sont désordonnés.

b. Une unité centrale contient le site de liaison au nucléotide, séparé du domaine précédent, mais légèrement interdigité avec le suivant.

• Le domaine de liaison aux nucléotides contient un feuillet β à neuf brins associé à neuf hélices α associées.
• Les sites de liaison aux nucléotides se trouvent aux interfaces entre les sous-unités α et β.

c. L'extrémité C terminale comprend un faisceau de 7 hélices pour α et 6 hélices pour β.

2. Les trois unités α sont catalytiquement inactives.

a. Par rapport aux sous-unités β, il n'y a pas d'équivalent spatial de Glu188, qui est remplacé par Gln208, la chaîne latérale pointant à l'opposé du phosphate terminal.

• La liaison de l'adénine dans la sous-unité α implique plusieurs liaisons hydrogène, tandis que dans la sous-unité β, l'adénine est en contact avec une interface hydrophobe.
• Avec la présence de Tyr368 à la position 2 de l'anneau adénine dans la sous-unité α, cela peut expliquer la spécificité des sites nucléotidiques de la sous-unité α pour les nucléotides d'adénine, et la capacité des sites nucléotidiques de la sous-unité β à accueillir l'ATP6.

b. Les nucléotides présents dans les sous-unités α varient selon les auteurs.

• α_E est vide, i.e. empty en anglais,
• α_DP contient un MgADP,
• α_TP contient un MgATP.

Remarque : dans structure of the human ATP synthase (2023), les nucléotides seraient tous des MgATP.

3. Les trois unités β catalysent la synthèse de l'ATP, mais sont différentes.

• β_E, à conformation ouverte, est vide.
• β_TP, à conformation serrée (tight), contient un MgATP
• β_DP, à conformation lâche (loose), contient un MgADP et un Pi.

Remarque : l'ion Mg⁺⁺ est nécessaire à la fixation du nucléotide car il neutralise les charges négatives des groupes phosphate, ce qui stabilise la molécule et lui permet de se lier efficacement au site de fixation du nucléotide.

• Sans Mg⁺⁺, la liaison est instable ou absente car les sites de liaison ne reconnaissent pas le nucléotide seul.
• En outre, il est nécessaire à l’attaque nucléophile de l’ADP sur Pi pour former l’ATP dans les sous-unités β.

Tige centrale

La tige centrale est formée par les sous-unités γ, δ, et ε qui tournent à l'intérieur de la région F1.

Sous-unité γ

La sous-unité γ, coudée, comprend deux parties.

1. Elle est composée par une structure hélicoïdale (Structure at 2.8 A resolution of F1-ATPase from bovine heart mitochondria 1994).

• 

  Une hélice N-terminale 1-45 forme un coiled-coil antiparallèle gauche avec l'hélice C-terminale.
• Une longue hélice C-terminale 212-272 émergerait de 15 Å au-dessus de (αβ)₃.

Sa structure hélicoïdale forme l'axe central autour duquel sont disposés (αβ)₃.

• Son côté convexe pousse l'anneau, motif hélice-tour-hélice à l'extrémité C-terminale de la sous-unité y, appelé charnière pour exposer et vider le site de liaison du nucléotide.
• La sous-unité γ permet à β de passer par des changements conformationnels, i.e. états fermés, à moitié ouverts et ouverts, qui permettent à l'ATP d'être lié et libéré une fois synthétisé.
• Le stockage transitoire d'énergie élastique au cours des paliers rotatifs de 120 degrés de l'enzyme serait dépendant de cette structure qui paraît rigide, mais qui semble possèder des points de flexion au-dessus et en-dessous.

2. La partie globulaire de la sous-unité γ, entre les deux hélices, fait saillie au-dessous de 30 Å, entre en interaction avec les sous-unités δ et ε, et fixe F₁ fermement à la figure du domaine F_O.

Sous-unité δ/ε

1. La sous-unité δ au niveau mitochondrial, qui correspond à la sous-unité ε au niveau des bactéries et des chloroplastes, renforce l'attachement de la sous-unité γ aux sous-unités c de F_O.

La sous-unité ε d'E. Coli est constituée par (Structure of the ATP synthase catalytic complex (F1) from Escherichia coli in an auto-inhibited conformation 2011) :

• un domaine en β-sandwich,
• une hélice α domaine qui contient des segments hélice1/boucle2/hélice2/crochet qui sont censés changer les conformations entre une forme étendue et une forme compactes.

2. Dans les mitochondries, on trouve en plus de δ, une sous-unité ε, terme mal choisi, qui renforce cette attache.

Tige périphérique (PS)

La tige périphérique (PS), i.e. peripheral stalk, est stationnaire et est constituée :

• au niveau de F₁ par la sous-unité OSCP (Oligomycin Sensitivity Conferral Protein) des mitochondries qui correspond à la sous-unité δ des bactéries et des chloroplastes,
• au niveau de F_O par les sous-unités F6, b, d et la région extramembranaire d'ATP8/A6L i.e. b et b' des bactéries et des chloroplastes.

Attention de ne pas confondre l'OSCP à sous-unité δ !

1. Dans les mitochondries des mammifères, OSCP est une protéine basique de 190 résidus composée de deux domaines qui attache la tige périphérique à F₁ (The structure of the membrane extrinsic region of bovine ATP synthase 2009 et The OSCP Subunit of ATP Synthase is a Dimer in Solution: Strategy to Induce the Monomeric Protein as a New Tool for Drug Discovery 2025).

a. Son domaine N-terminal globulaire de six hélices (H1-H6) coiffe le sommet du module catalytique F1.

• Il fournit le site de liaison, par les hélices H1 et H5, pour la région N-terminale d'une de trois sous-unités, qui s'étendent au-dessus du domaine (αβ)₃, en particulier α_E, sous-unité α vide.
• Dans l'article sur la structure de l'ATP synthase bovine, il est indiqué qu'elle s'attache sur les 3 sous-unité α ( figure S19).

b. Son domaine C-terminal est constitué d’une structure plus étendue composée de deux longues hélices (H7 et H8) séparées par des feuillets β parallèles et antiparallèles consécutives, i.e. β1-β2 et β3-β4 ( figure S20-22).

Il interagit avec les sous-unités b et F6 de la tige périphérique.

c. Les deux domaines sont séparés par une région charnière interdomaine courte, flexible et hautement conservée, formée par les résidus H112, R113, G114 et E115 (The unique histidine in OSCP subunit of F‐ATP synthase mediates inhibition of the permeability transition pore by acidic pH 2018)

• Cette flexibilité serait principalement due au résidu de glycine G114 situé dans la région de la charnière.

2. OSCP est attachée à une tige rigide de 150 Å de longueur formée par des portions parallèles de régions α-hélicoïdales ( figure S4 et 23) :

• de la sous-unité b, i.e. résidus 91 à 186 et 190 à 214, sous-unité formant une hélice α continue et incurvée d’environ 160 Å de long ( partie membranaire de la sous-unité b).
• de la sous-unité d, i.e. résidus 24 à 43, 53 à 59, 63 à 75, 84 à 122 et 132 à 138, sous-unité constituée de 5 hélices α-hélicoïdales.
• de la sous-unité F6, i.e. résidus 9 à 24 et 33 à 50, sous-unité constituée de 2 hélices α-hélicoïdales, renforcée par la région C-terminale de ATP8/A6L, i.e. résidus 30 à 66.

Remarque : chez les bactéries, le domaine N terminal de la sous-unité δ est similaire à celle d'OSCP.

Les deux sous-unités b bactériennes, i.e. 2 copies de la même sous-unité b ou 2 protéines apparentées, b et b', qui correspondent aux sous-unités I et II dans les chloroplastes, forment un domaine coiled-coil.

3. La tige rigide est connectée au domaine membranaire du stator, i.e. domaine a/ATP6, par une charnière de la sous-unité b, i.e. résidus de 73 à 90.

Structure de la région F_O de l'ATP synthase