Une icône de l'identification, l'ATP Synthase fait plus que tourner

L'icône biochimique des machines rotatives, l'ATP synthase, reste dans l'actualité avec de nouvelles découvertes. Maintenant que la microscopie cryoélectronique est largement utilisée, les biophysiciens étudient la fonction des sous-unités individuelles du moteur et déterminent ce qu'elles font. Le fait que les machines moléculaires présentent plus d'élégance fonctionnelle à mesure qu'on y regarde de plus près indique que la conception intelligente est la meilleure explication.

Les animaux et les plantes contiennent tous deux ces moteurs rotatifs vitaux qui fournissent leurs besoins énergétiques en ATP. Chez les animaux, on les trouve dans les mitochondries. Dans les plantes et autres organismes photosynthétiques, on les trouve dans les chloroplastes. La photosynthèse, étant dépendante de la lumière, a un problème : quand il fait noir, leurs moteurs rotatifs peuvent commencer à tourner en sens inverse, risquant « une réaction d'hydrolyse inutile de l'ATP ».

Travaillant avec l'algue verte Chlamydomonas reinhardtii (photo ci-dessus) comme "organisme modèle", une équipe de huit scientifiques japonais a examiné de plus près la sous-unité γ dans l'ATP synthase du chloroplaste (il s'agit de la partie "arbre à cames" du moteur qui entraîne la synthèse de l'ATP dans le domaine F1). Ils ont découvert que deux domaines spécifiques de la sous-unité γ agissent comme un frein automatique dans l'obscurité. Ils ont écrit dans PNAS en janvier,

Parmi les complexes FoF1-ATP synthase de tous les organismes, le chloroplaste FoF1 (CFoCF1) est ununiqueenzyme avecun mécanisme de régulation redox ; Cependant, le mécanisme sous-jacent de la régulation redox de la réaction de synthèse de l'adénosine triphosphate (ATP) dans CFoCF1 n'a pas été entièrement élucidé. En tirant parti de la puissante génétique de Chlamydomonas reinhardtii comme organisme modèle pour la photosynthèse, nous avons mené une analyse biochimique complète de la molécule CFoCF1. Ici, nous identifions les déterminants structuraux de la cinétique de la réponse redox intracellulaire et démontrons que lala régulation redox de la synthèse d'ATP est réalisée par l'interaction coopérative de deux domaines de sous-unité γ de CFoCF1 qui sont propres aux organismes photosynthétiques. [Je souligne.]

La figure 6 de l'article (reproduite par Phys.org) montre comment les deux domaines agissent comme un bouchon :

La conformation serrée affaiblit l'interaction entre la boucle redox et l'épingle à cheveux β. Par conséquent, l'épingle à cheveux β reste coincée dans la cavité entre les sous-unités α et β,comme un bouchon, et inhibe la rotation de la tige centrale (anneau γεc). Sous une forme réduite, la boucle redoxretrouve sa souplesse pour interagir avec l'épingle à cheveux β. La boucle redox interagitpour extraire l'épingle β de la cavité et ainsi accélérer la tige centrale, à la manière d'un régulateur coopératif.

Une autre équipe japonaise, celle-ci de l'Université de Tokyo, s'est penchée de plus près sur le "dwell catalytique" dans le domaine F1 du moteur ATP synthase où l'ADP est converti en ATP avec l'ajout d'un phosphate. Le domaine F1 comporte 3 paires de sous-unités α, β disposées comme les pétales d'une fleur, chaque paire dans une phase d'activité différente : insertion d'ingrédients, catalyse et éjection d'ATP. La sous-unité γ, comme un arbre à cames, active tour à tour chaque paire α, β lors d'une rotation complète de 360°. En divisant par trois, chaque couple α, β ressent la force de l'arbre à cames pendant la phase de catalyse (ADP + P donnant ATP) à 120° à chaque tour complet du vilebrequin. À d'autres moments, la paire reçoit les ingrédients ou éjecte l'ATP fini. En marche arrière, le moteur F1 devient un couperet ATP, hydrolysant l'ATP pour produire de l'ADP et du P, éjectant des protons dans le processus. Dans l'hydrolyse, l'ATP devient alors le carburant pour faire tourner le moteur en sens inverse.

En fonctionnement normal, le moteur catalyse l'ATP. Les biophysiciens soupçonnent depuis longtemps que l'arbre à cames (la sous-unité γ) exerce une pression sur l'ADP et le P entrants pour les assembler. Si 0° représente le moment où l'ATP est catalysé, des études antérieures ont trouvé une courte pause à 80° et une pause plus longue aux 40° de rotation suivants, représentant le "schéma de couplage chimiomécanique", comme l'appelle leur article.

Dans la réaction inverse, cependant, l'angle de clivage de l'ATP n'était pas clarifié. L'équipe a fabriqué une ATP synthase hybride qui fonctionnait extrêmement lentement afin de pouvoir observer "le plus petit moteur de molécule biologique rotative au monde" fonctionnant à l'envers. Leur hybride leur a permis de mesurer l'angle auquel se produit le clivage de l'ATP.

En conséquence, le nouvel hybride F1 a montré deux angles de pause séparés de 200°. Ils sont imputables àdeux étapes de réaction ralenties dans le β muté, fournissant ainsi la preuve directe que le clivage de l'ATP se produit à 200° plutôt qu'à 80° après la liaison de l'ATP à 0°. Ce scénario résout le problème de longue date non clarifié dans le schéma de couplage chimiomécanique et donne un aperçu de lamécanisme d'entraînement en rotation unidirectionnelle.

Voir le "résumé graphique" dans l'article qui illustre ce "dwell extrêmement long" qu'ils ont mesuré. La découverte révèle que dans les deux sens, l'ATP synthase est finement réglée pour son travail. Le sens inverse (hydrolyse) n'est pas comme un moteur qui perd du carburant. Ses parties agissent avec précision pour cliver l'ATP d'une manière spécifique.

Il y a un cousin à l'ATP synthase. C'est une pompe à protons appelée V-ATPase (adénosine triphosphatase de type vacuolaire), et ses parties catalytiques sont étiquetées V1Vo au lieu de F1Fo. Comme son homologue, la V-ATPase fonctionne avec une action rotative mais dépense de l'ATP pour pomper des protons dans des organites. Son travail consiste à acidifier les vacuoles et autres organites ou compartiments intracellulaires qui ont besoin d'un pH plus bas pour fonctionner. La partie Vo pompe les protons (ions H+) dans la vacuole, augmentant son acidité. Un peu de réflexion montre qu'un tel moteur pourrait être dangereux. Voudriez-vous qu'un moteur générant de l'acide tourne mal ?

Des scientifiques d'un hôpital de Toronto, publiant dans PNAS, étaient curieux de comprendre comment ces pompes à acide sont construites sans endommager la cellule. Le complexe Vo est assemblé dans le réticulum endoplasmique (RE) puis transporté vers l'appareil de Golgi pour être combiné avec V1. Quel mécanisme de contrôle qualité maintient les domaines inactivés jusqu'à ce qu'ils soient entièrement assemblés et prêts à l'action ?

À l'aide de la cryo-microscopie électronique, l'équipe a imagé trois protéines (Vma12p, Vma22p et Vma21p) qui doivent travailler ensemble pour réaliser le contrôle de qualité permettant de manipuler en toute sécurité les pompes à acide lors de l'assemblage. "Les structures qui en résultent", ont-ils trouvé, "montrent commentune séquence d'interactions coordonnéeset les changements conformationnels garantissent queseulement correctement assembléVo quitte le RE et le pompage de protons dans le RE neutre est évité. » Déverser de l'acide dans le RE pourrait être mauvais ! « Sans surprise », remarquent-ils, « en raison de leur importance pour l'assemblage de Vo, des mutations dans les homologues humains de Vma12p, Vma22p et Vma21p ont été liées à la maladie. » Alors, comment ces trois protéines essentielles effectuent-elles un contrôle de qualité ? Voulez-vous vraiment savoir ?

Les structures décrites ci-dessus suggèrentla suite des événements qui se produisent lors de l'assemblage de Vo dans la membrane du RE et de la liaison ultérieure de V1 dans l'appareil de Golgi…. L'anneau c s'assemble autour de Voa1p, avec la liaison de la sous-unité d à l'anneau c8c′c″Voa1p masquant le motif de récupération ER de Voa1p. La structure Vo∆aef:Vma12-22p indique que le complexe Vma12-22p lie cet anneau entièrement assembléavant l'interaction avec les sous-unités a, e et f (Fig. 4A). Vma12-22paide à recruter et à sécuriser l'interactionde la sous-unité a avec l'anneau c par interaction de Vma12p avec les sous-unités a et d….

OK OK. Qu'il suffise de dire qu'un ensemble compliqué d'interactions a lieu pour garantir la sécurité de l'assemblage de V-ATPase ! Les biochimistes voudront peut-être travailler sur les détails. Heureusement, les auteurs ont fourni des schémas et des animations pour illustrer la dynamique de toutes ces pièces de travail. Notez leur dernière phrase : "Il est important de noter que les structures illustrent comment Vma21p et Vma12-22p jouent un rôle central à la fois dans l'assemblage de V-ATPase et dans le contrôle qualité."

Contrôle de la qualité : c'est un concept d'ingénierie qui imprègne ces trois études. Sans contrôle de qualité, ces moteurs rotatifs nanoscopiques, dont dépend toute vie, ne dureraient jamais - en fait, n'émergeraient jamais en premier lieu. Le contrôle de la qualité appartient au vocabulaire de travail de la conception et de l'ingénierie intelligentes. Il ne se trouve pas dans le dictionnaire de Darwin.