Enzymes
Groupe des hydrolases (EC 3)
ATPases
Vue d'ensemble

1. L’ATP ou adénosine triphosphate est un composé " riche en énergie " qui fournit l'énergie nécessaire à de nombreux mécanismes.

2. L'hydrolyse de la liaison phosphoanhydride (ou pyrophosphate) terminale est un processus hautement exergonique, i.e. elle libère de l'énergie qui permet d'activer d'autres réactions chimiques qui ne pourraient avoir lieu sans cet apport d'énergie ( rôles de l'ATP).

Le transfert d'un groupe orthophosphorique et la libération d'ADP est la réaction la plus courante.

$\ce{R-OH + ATP}$ $\leftrightharpoons$ $\ce{R-O-P + ADP}$

Classification des ATPases selon leur emplacement

Les ATPases peuvent être classées en deux catégories.

1. Les ATPases cytoplasmiques utilisent l’ATP pour :

• changer la conformation des protéines comme pour leur répliement ou leur dégradation,
• effectuer un travail mécanique, i.e. mouvement par l'actomyosine, transport cellulaire cvomme la kinésine ou la dynéine dans le cytoplasme,

2. Les ATPases transmembranaires utilisent l’ATP pour transporter des ions à travers une membrane, contre leur gradient de concentration (transport actif).

Les types d'ATPases (EC 3.6.1.3) peuvent différer selon :

• leur fonction, i.e. synthèse et/ou hydrolyse de l'ATP,
• leur structure, i.e. les F-, V- et A-ATPases contiennent des moteurs rotatifs,
• le type d'ions ou de molécules qu'elles transportent.

Remarque : les ATPases transmembranaires peuvent :

• pomper activement des ions ou des molécules et peuvent être considérées comme des pompes, toutes les pompes ATP dépendantes sont donc des ATPases,
• utiliser un transfert de protons comme l'ATP synthase et forment un moteur rotatif et non une pompe.

Souvent, on parle de pompe ATPase, ce qui est correct dans la plupart des cas.

Classification selon leur type

ATPases à moteur rotatif

1. Les ATPases de Type-F, également appelée ATP synthases, sont localisées :

• dans les membranes plasmiques bactériennes,
• dans les membranes mitochondriales internes (en phosphorylation oxydative, où elle est connue sous le nom de complexe V),
• dans les membranes thylakoïdes chloroplastiques

Les F-ATPases, appelées aussi ou F₁F_O-ATPases, localisées dans les mitochondries, les chloroplastes et les membranes plasmiques bactériennes, sont les principales productrices d'ATP.

a. Elles utilisent en général le gradient de protons (H⁺), i.e. force motrice des protons (PMF ou Δp), généré par :

• la phosphorylation oxydative (mitochondries),
• la photosynthèse (chloroplastes).

b. Les F-ATPases sont réversibles, i.e. peuvent aussi bien hydrolyser que synthétiser l'ATP, sauf, semble-t-il, chez l'homme.

c. L'exemple type est l'ATP synthase, longuement étudiée dans plusieurs chapitres.

Remarques : les A-ATPases, appelées aussi A₁A₀-ATPases, se trouvent chez les archées et reprsentent une forme primitive des F-ATPases (ATP synthases from archaea: The beauty of a molecular motor 2014).

Chez les bactéries, certaines F-ATPases, qui ne présentent pas de sous-unité OSCP (delta) dans F₁, transfèrent du sodium (Na⁺) à la place des protons et sont quelquefois appelées N-ATPases (Molecular architecture of the N‐type ATPase rotor ring from Burkholderia pseudomallei 2017).

2. Les V-ATPases, appelées aussi V₁V₀-ATPases, V pour vacuolaire, se trouvent principalement dans la membrane du système endomembranire, comme les lysosomes, les endosomes, l'appareil de Golgi…

a. Elles catalysent l'hydrolyse de l'ATP pour transporter les protons et abaisser le pH dans les organites, comme la pompe à protons du lysosome.

c. L'exemple type est la V-ATPase étudiée dans un chapitre spécial.

ATPases de type P (P-ATPases)

Les ATPases de type P (P-ATPases) forment une famille de protéines membranaires qui utilisent l'énergie de l'hydrolyse de l'ATP pour transporter les ions et les lipides à travers les membranes biologiques.

1. Ces pompes, aussi appelées E₁E₂-ATPases, se trouvent chez les procaryotes, les archées et les eucaryotes.

Le type P signifie que ces ATPases passent par un intermédiare phosphorylé pendant le cycle catalytique ( mécanisme des P-ATPases).

2. Les ATPases de type P, qui comprennent plus de 20 familles différentes, forment cinq classes, P1 à P5, qui transportent :

• de nombreux cations, i.e. H⁺, Na⁺, K⁺, Ca⁺⁺, Mg⁺⁺…
• des phospholipides, uniquement par les P4-ATPases étudiées dans des chapitres spéciaux,
• des polyamines pour les P5-ATPases.

Transporteurs ABC

Les transporteurs ABC (ATP-Binding Cassette transporters) forment une superfamille, la plus nombreuse et la plus ancienne des pompes, dont les membres sont retrouvés dans tous les phylums existants des procaryotes aux humains.

1. Les membres de cette superfamille effectuent la translocation d'un large éventail de substrats chimiques, en particulier ( fonctions des transporteurs ABC) :

• les lipides, le cholestérol et les stéroïdes,
• les peptides,
• les ions,
• les médicaments.

2. En général, les transporteurs ABC comprennent :

• deux domaines transmembranaires (TMD),
• deux domaines de liaison aux nucléotides (NBD), i.e. domaines de liaison à l’ATP qui l'hydrolyse.

E-ATPases

Les E-ATPases, appelées aussi ecto-ATPases, sont des enzymes de la surface cellulaire externe qui hydrolysent l'ATP, mais aussi d'autres nucléotides triphosphates (NTPases).

1. Ces ATPases sont des membres de la superfamille GDA1_CD39.

Cette famille porte ce nom de deux protéines, GDA1, une GDPase de la levure, et CD39, un antigène d’activation des cellules lymphoïdes.

2. L'E-ATPase est impliquée dans la signalisation purinergique.

a. L'action de l'ATP extracellulaire dépend des récepteurs P2X.

b. Son hydrolyse conduit à :

• l'ADP qui active les récepteurs P2Y,
• l'adénosine qui active les récepteurs P1.

Protéines AAA et AAA+

1. La famille des protéines AAA et AAA+ (AAA-ATPases), abréviation de ATPases Associated with diverse cellular Activities, utilise l'hydrolyse de l'ATP par le domaine AAA ou AAA+ pour moduler les structures moléculaires pour, par exemple :

• replier ou plier les protéines et les acides nucléiques,
• dégrader les protéines,
• désassembler les complexes protéiques,
• transporter des organites intracellulaires comme la dynéine, i.e. la kinésine et la myosine ne font pas partie des protéines AAA..

2. Les protéines AAA ou AAA+ sont une famille de NTPases à boucle P en forme d'anneau.