Transport membranaire
Transports sans mouvements membranaires
Transporteurs actifs : pompes (transporteurs primaires)
Pompes à protons

On trouve plusieurs pompes à protons qui n'ont pas la même composition polypeptidique et qui utilisent différentes sources d'énergie.

Les pompes (ou transporteurs primaires) sont des protéines transmembranaires qui couplent le passage d'une molécule à une réaction enzymatique exergonique.

Vue d'ensemble des pompes à protons

La réaction est la suivante :

$\ce{H+_$un\,côté\,membranaire$ + énergie}$ $\leftrightharpoons$ $\ce{H+_$autre\,côté\,membranaire$}$

1. Le transport du proton (H⁺) chargé positivement est électrogène, i.e. il génère un champ électrique à travers la membrane, également appelé potentiel membranaire.

Toutefois, le transport de protons ne devient électrogène que s'il n'est pas neutralisé électriquement par le transport :

• soit d'une charge négative correspondante dans le même sens,
• soit d'une charge positive correspondante en sens inverse.

La pompe proton/potassium de la muqueuse gastrique qui catalyse un échange équilibré de protons et d'ions potassium n'est pas électrogène ( cf. plus bas).

2. Les protons s'accumulent d'un côté de la membrane et créent un gradient électrochimique à travers cette membrane qui correspond à la force proton-motrice (driving force) formée par :

• la différence de concentration en protons entre les deux faces de la membrane, ΔpH, i.e. gradient de concentration en ions H⁺, i.e. différence entre pH_P, le pH algébrique le plus élevé, et pH_N, le pH le plus bas,

Par diffusion, i.e. toutes les particules ont tendance à diffuser d’une concentration plus élevée à une concentration plus faible.

• la différence de potentiel entre les deux faces, Δψ en volt.

3. Ce gradient électrochimique représente une réserve d'énergie potentielle, i.e. la force motrice des protons (PMF ou Δp) qui est utilisée pour piloter une multitude de processus biologiques, comme :

• la synthèse d'ATP ( chaîne respiratoire et ATP synthase)
• l'absorption de nutriments,
• la création de potentiels d'action.

Pompes à protons entraînées par un transfert d'électrons

Ces pompes à protons utilisent un transfert d'électrons pour le pompage des protons comme dans la chaîne respiratoire.

1. Dans la membrane mitochondriale interne (IMM), le transfert des protons, de la matrice vers l'espace intermembranaire (IMS), est réalisé par :

• le complexe I (NADH déshydrogénase ou NADH:ubiquinone oxidoréductase),

$\ce{NADH + ubiquinone (Q) + 4H+_$matrice$}$
$\leftrightharpoons$ $\ce{NAD+ + ubiquinol (QH_2) + 4H+_$IMS$}$

• le complexe III (coenzyme Q-cytochrome c réductase),

$\ce{QH_2 + 2 cytochromes c _1 (oxydés\,à Fe^3+) + 2H+_$matrice$}$
$\longrightarrow$ $\ce{Q + 2 cytochromes c_1 (réduits\,à Fe^2+) + 4H+_$IMS$}$

• le complexe IV (cytochrome c oxydase (CcO)

$\ce{4 cytochromes c (réduits\,à Fe^2+) + 8H+_$matrice$ + O2}$
$\longrightarrow$ $\ce{4 cytochromes c (oxydés\,à Fe^3+) + 4H+_$IMS$+ 2H2O}$

2. Lors de la photosynthèse, la membrane thylakoïde des chloroplastes des plantes, des cyanobactéries et des algues vertes utilise le complexe cytochrome b₆f (plastoquinol-plastocyanine réductase), i.e. EC 7.1.1.16, enzyme apparentée au complexe III, pour réaliser ce transfert.

$\ce{2 plastocyanines (oxydées) + plastoquinol (PQH2) + 2H+_$stroma$}$
$\longrightarrow$ $\ce{2 plastocyanines (réduites) + plastoquinone (PQ) + 4H+_$lumen$}$

Pompes à protons entraînées par l'ATP

Ces pompes à protons utilisent l'énergie de l'hydrolyse de l'ATP pour transporter des protons à travers les membranes intracellulaires et plasmatiques des cellules eucaryotes afin de produire un gradient de protons.

ATPases de type P

Les ATPases de type P, aussi appelées E₁E₂-ATPases, forment un groupe très important de pompes ioniques et lipidiques hautement conservées depuis les bactéries.

1. La pompe à protons la plus simple est l'H⁺-ATPase de la membrane plasmique des plantes, des champignons, des protistes et de nombreux procaryotes.

Remarque : chez les eucaryotes, la V-ATPase est souvent appelée H⁺-ATPase.

2. Chez l'homme, l'ATPase H⁺/K⁺ (EC 7.2.2.19) localisée dans la membrane apicale des cellules pariétales de l’estomac est principalement responsable de l’acidification du contenu gastrique par la production d'acide chlorhydrique (Cryo-EM structure of gastric H+,K+-ATPase with a single occupied cation-binding site 2012).

ATPases de type F

1. Les ATPases de type F, aussi appelées F₁F_O-ATPases, sont les principales productrices d'ATP et se trouvent :

• dans les membranes plasmiques bactériennes,
• dans les membranes mitochondriales internes (IMM) où elles sont souvent appelées complexe V de la chaîne respiratoire,
• dans les membranes thylakoïdes chloroplastiques.

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).

2. Chez les bactéries, les F-ATPases sont réversibles, i.e. peuvent aussi bien hydrolyser que synthétiser l'ATP ( synthèse ou hydrolyse de l'ATP ?).

Certaines bactéries utilisent des ions sodium (Na⁺) à la place des protons.

3. Chez les eucaryotes, dans les mitochondries et les chloroplastes, elles peuvent s'inverser, mais uniquement, et encore, dans des conditions exceptionnelles, i.e. ischémie, hypoxie ou apoptose ( ATP synthase et protéines IF1).

Ces organites utilisent la protéine IF₁ (inhibitory factor 1) dimérique pour bloquer l'hydrolyse de l'ATP, excepté certains parasites.

ATPases de type V

1. Les V-ATPases, appelées aussi V₁V₀-ATPases, V pour vacuolaire, pompent des protons à travers :

• 

  les membranes du système endomembranaire, comme les lysosomes, les endosomes, l'appareil de Golgi, les vésicules synaptiques…
• les membranes plasmiques de cellules spécialisées, comme les ostéoclastes ou les cellules intercalaires du tube collecteur rénal.

On peut les considérer comme des ATPases de type F inversées.

Remarque : chez les eucaryotes, la V-ATPase est souvent appelée H⁺-ATPase.

2. Elles catalysent l'hydrolyse de l'ATP pour transporter les protons et acidifient un large éventail d'organites intracellulaires, i.e. abaissent le pH dans les organites, comme l'exemple le plus significatif, la pompe à protons du lysosome, organite dont le pH est compris entre 4,5 à 5,5.

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

Remarque : dans les cellules intercalaires du tube collecteur, la V-ATPase pompe activement les protons hors de la cellule, selon les besoins en régulation du pH (Collecting Duct Intercalated Cell Function and Regulation 2015) :

• dans l’urine, i.e. type α sécrétrice d'acide, localisée dans la membrane apicale,
• ou dans le sang, i.e. type β sécrétrice de base, plutôt située à la membrane basolatérale.

Autres pompes à protons pour mémoire

1. La famille des H⁺/Na⁺-translocating pyrophosphatases (H⁺/Na⁺-PPases) est un groupe d'enzymes membranaires qui utilisent l'hydrolyse du pyrophosphate inorganique (PPi) pour pomper des protons (H⁺) ou des ions sodium (Na⁺) à travers les membranes cellulaires.

$\ce{PPi}$ $\longrightarrow$ $\ce{2Pi}$

Ces enzymes sont retrouvées chez les plantes dans les vacuoles, mais aussi chez les protistes, certaines archées et bactéries et quelques eucaryotes unicellulaires, qui contiennent aussi des V-ATPases (Pyrophosphate-Fueled Na+ and H+ Transport in Prokaryotes 2013).

• Elles sont moins coûteuses énergétiquement que les V-ATPases en utilisant PPi, un déchet métabolique.
• Elles sont très utiles dans les cellules où l’ATP est rare.

2. La bactériorhodopsine est une pompe à protons entraînée par la lumière utilisée par les archées, notamment chez les Haloarchaea (Single molecule kinetics of bacteriorhodopsin by HS-AFM 2021).

• Elle génère une différence de pH entre la zone extracellulaire et l'intérieur de la cellule.
• Ce gradient de protons permettant à son tour de produire de l'ATP.

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