Co-transporteurs (transporteurs secondaires)
Mécanismes de transport : vue d'ensemble

Les transporteurs actifs appartiennent à deux catégories.

• 1. Les pompes (ou transporteurs primaires) utilisent l'énergie de l'hydrolyse de l'ATP (adénosine triphosphate) pour faire traverser la membrane plasmique à la molécule.

• 

  2. Les co-transporteurs (ou transporteurs secondaires) sont des protéines transmembranaires qui couplent le passage de la molécule avec celui d'un ion (généralement H⁺ et Na⁺).

Le transport est dit actif, contrairement au transport dit passif qui utilise un mécanisme de diffusion facilitée qui fait intervenir deux autre types de récepteurs membranaires :

• 1. les canaux ioniques qui, comme leur nom l'indique, forment des canaux qui laissent traverser les ions sans apport d'énergie ;
• 2. les transporteurs passifs dits uniports ou uniporteurs.

Vue d'ensemble du mécanisme

Un mécanisme simple pour faire passer la membrane à des ions et/ou à des molécules est d'exposer alternativement un site de liaison au substrat de chaque côté de la membrane.

• C'est Oleg Jardetzky qui, en 1966, émit cette hypothèse théorique dans l'article Simple Allosteric Model for Membrane Pumps.
• Son modèle d'accès alternatif a été depuis largement affiné par les avancées sur les structures des transporteurs et on reconnaît, à l'heure actuelle trois modèles de transport.

Ce processus implique :

1. deux portes, une extramembranaire et l'autre intramembranaire qui ne peuvent pas être ouvertes en même temps ;

2. une conformation ouverte vers l'extérieur (outward-facing ou outward-open) ;

3. une conformation ouverte vers l'intérieur (inward-facing ou inward-open) ;

4. un changement conformationnel du transporteur qui passe par une étape où les deux portes sont fermées (conformation occluse), excepté peut-être pour le mécanisme le plus simple des rocker-switch.

Ce mécanisme peut expliquer le transport :

• d'un seul soluté (uniport),
• de deux solutés ou plus dans la même direction (symport) : le changement conformationnel vers l'extérieur et vers l'intérieur ne peut pas se produire lorsqu'un seul substrat est lié,
• deux solutés dans des directions opposées (antiport ou échangeur) : le changement conformationnel vers l'extérieur et vers l'intérieur ne peut se produire que lorsque l'un des substrats est lié.

Déductions

Couplage du substrat et des ions

1. Dans les symports, le couplage peut être réalisé pendant la liaison, pendant la translocation la translocation de substrat ou pendant les deux.

• La liaison du substrat et des ions doit être coopérative, i.e. aucun des deux ne se lie efficacement seul.
• Même si cette liaison se produit indépendamment, la liaison des deux est nécessaire pour le changement conformationnel du co-transporteur.

2. Dans les antiports, le couplage des ions est nécessaire pour la libération du substrat, pour le retour du transporteur à sa conformation de départ, ou pour les deux.

Accessibilité alternative 
  aux sites de liaison

• soit dans l'espace extramembranaire (OF, outward-facing ou outward-open),
• soit dans l'espace intramembranaire (IF, inward-facing ou inward-open).

Cette accessibilité alternée ne peut être obtenue que par le couplage allostérique des portes extracellulaire et intracellulaire du transporteur, i.e. les transitions structurelles globales sont nécessaires à la translocation du substrat et des ions.

• 

  Par contre, les échangeurs chlorure-proton (ClC) semblaient échapper à la règle : le passage est associé uniquement aux mouvements locaux de chaînes latérales dans un ensemble protéique rigide (Structure of a eukaryotic CLC transporter defines an intermediate state in the transport cycle 2010).
• Toutefois, des transitions structurelles globales semblent intervenir dans le mécanisme ClC (Conformational changes required for H+/Cl– exchange mediated by a CLC transporter 2014 et Revealing an outward-facing open conformational state in a CLC Cl–/H+ exchange transporter 2016).

Par contre, quelquefois, la différence est mince entre transporteurs et canaux.

• Par exemple, chez un double mutant d'Escherichia coli, des mutations ou la liaison de petites molécules peuvent transformer certains transporteurs en canaux, i.e. les portes extracellulaire et intracellulaire restent ouvertes (Uncoupling and Turnover in a Cl−/H+ Exchange Transporter 2007 et Ion permeation through a Cl−-selective channel designed from a CLC Cl−/H+ exchanger 2008).
• Certaines familles de transporteurs, comme la famille ClC, contiennent à la fois des transporteurs et des canaux (CLC channels and transporters: Proteins with borderline personalities 2010).

Différents mécanismes
de transports alternatifs

Plusieurs mécanismes de transport alternatifs ont été décrits et la plupart des transporteurs peuvent être décrits comme fonctionnant selon 3 modèles.

1. Dans deux modèles,

• le site de liaison au substrat est situé à l'interface de deux domaines, approximativement à mi-chemin de la membrane ;
• la barrière entre les deux domaines s'écarte du côté intracytoplasmique pour se reformer du côté extracellulaire, i.e. la barrière est mobile.

Le substrat, qui se lie entre les deux domaines, induit un changement conformationnel du transporteur autour de ce site de liaison.

• 

  Dans le modèle de rocker-switch (" commutateur ou interrupteur à bascule "), le plus simple, les deux domaines sont similaires structurellement et basculent comme un interrupteur : c'est le cas des SemiSWEET, des EmrE et des PnucC, mais surtout de la plus grande superfamille des transporteurs secondaires, les transporteurs MFS (Major Facilitator Superfamily).
• Dans le modèle de rocking-bundle (" faisceau à bascule "), les deux domaines diffèrent sensiblement, l'un étant plus flexible que l'autre et se déforme pour la translocation du substrat : c'est le cas des transporteurs à repliement LeuT, qui comprennent les récepteurs NSS (Neurotransmitter Sodium Symporter), dont font partie les transporteurs de monoamine (MAT).

2. Le modèle elevator (" ascenseur ou élévateur" ) a été décrit plus récemment.

• Le site de liaison au substrat se trouve en grande partie ou en totalité dans un seul domaine relativement rigide.
• Ce domaine de transport se déplace à la verticale (mais aussi, avec une légère rotation) contre le domaine d'échafaudage qui reste ancré, presque immobile, dans la membrane.
• La barrière reste ainsi dans une position fixe, contrairement aux autres modèles.

Après sa découverte dans le symporteur de sodium-aspartate GltPh, homologue des transporteurs de glutamate, puis dans les échangeurs de sodium-proton, bien d'autres ont été décrits (autres transporteurs).

Certains y rajoutent un autre mécanisme, celui du toppling, i.e " renversement " (Structural insight in the toppling mechanism of an energy-coupling factor transporter 2016) pour les ATPases ECF (Energy-Coupling Factor).

Mécanisme rocker-switch