304 B IOLOGIE CELLULAIRE
la membrane devient négative et sa face extérieure
devient positive. On a en fait un double gradient
de charges et de protons, dit gradient électrochimique, qui exerce ce qu’on appelle une force proton-motrice. On estime que le gradient de pH
correspond à 1u nité de pH et que le potentiel de
membrane est égal à 160 mV. Il est évident que la
tendance «naturelle» des protons accumulés, liée
aux phénomènes de diffusion simple et aux phénomènes électriques, est de rentrer à nouveau dans
la matrice, avant même qu’ils aient eu le temps de
s’échapper par les pores de la membrane externe.
La membrane interne étant imperméable aux
ions, le seul moyen pour les protons de réintégrer
la matrice est d’emprunter les canaux constitués
par les complexes transmembranaires appelés ATP
synthétases. Ceux-ci sont constitués d’une tête
sphérique : la particule F1, baignant dans la
matrice, elle-même accrochée par une tige, ou un
canal transmembranaire : la particule F0. La masse
moléculaire de cet énorme assemblage est de
500 kDa ; il est constitué de neuf chaînes polypeptidiques différentes (dont deux sont codées par le
génome mitochondrial, chez les Animaux). Ces
complexes représentent à eux seuls 15 % de la
masse des protéines de la membrane interne (voir
figure 10.10). Les mécanismes couplant le passage
des protons à travers le complexe ATP synthétase
à la phosphorylation de l’ADP ne peuvent être
développés ici ; on se contentera de dire que la tête
F1 fonctionne à la manière d’une turbine mue par
le flux de protons. L’ATPsynthétase ne fonctionne
comme canal à protons qu’en présence d’ADP, qui
exerce donc un contrôle strict sur toute la chaîne
de transport des électrons (saturation du gradient
de protons en l’absence d’ADP).
Les ATP synthétases sont des sytèmes réversibles,
en ce sens que l’on a montré qu’elles peuvent
expulser activement des protons à travers la membrane, dans la direction opposée à celle vue précédemment, et contre un gradient de concentration.
Dans ces conditions, le processus consomme de
l’énergie au lieu d’en fournir ; celle-ci est fournie
par une hydrolyse de l’ATP, ayant lieu au sein de
la tête F1. On peut en outre annoncer que dans les
chloroplastes (au niveau des sacs thylakoïdiens),
ainsi que chez les Bactéries (au niveau de la membrane plasmique), des systèmes analogues à celuici fonctionnent de la même façon, soit pour
synthétiser de l’ATP, chez les premiers, soit afin
de créer des gradients de protons utilisables pour
d’autres fonctions (que nous verrons plus loin) par
Démonstration du rôle des ATP synthétases
E NCARTT ECHNIQUE
Le rôle de ces complexes dans Ia synthèse de
l’ATP a été démontré, dès les années 60, de la
façon suivante : il est possible d’obtenir (par dissociation aux ultrasons de mitochondries purifiées) des vésicules correspondant à des
lambeaux de la membrane interne refermés sur
eux-mêmes. Ces vésicules ont toutes la même
polarité et les têtes des ATP synthétases sont
tournées vers l’extérieur, comme le montre la
microscopie électronique. In vitro, ces structures
assurent le transport des électrons du NADH à
I’oxygène, tout en couplant cette oxydation à la
synthèse d’ATP (phosphorylation oxydative). Au
moyen de détergents appropriés, on peut décrocher les têtes F1 et les solubiliser ; les vésicules
ainsi dénudées assurent encore l’oxydation de
NADH, mais pas la synthèse d’ATP. Par ailleurs,
les têtes F1 récupérées seules ont la capacité
d’hydrolyser l’ATP (activité ATP asique) mais
pas de le synthétiser. Si l’on rassemble à nouveau
les deux composants (F0 +F 1), des vésicules
complètes se reconstituent et retrouvent toutes
leurs propriétés !
La preuve du rôle du gradient de protons dans la
phosphorylation fut apportée par l’expérience
suivante : si l’on charge en protons (grâce à un
protocole qu’on ne détaillera pas ici) le contenu
des vésicules submitochondriales, et qu’on les
transfère ensuite dans un milieu dont le pH est
supérieur au pH interne (déficit relatif en H
+
) on
obtient instantanément, sans intervention de processus d’oxydation (car on ne fournit ni NADH
ni O 2 ), une phosphorylation fugace de ADP +P i
en ATP. C’est en se basant sur de telles expériences que P. M ITCHELL, dès 1961, a proposé son
hypothèse, nommée théorie chimiosmotique,
pour rendre compte de la phosphorylation oxydative. Cette hypothèse, dans laquelle sont associés des phénomènes chimiques et des
phénomènes osmotiques (transport ionique), prévoyait un mécanisme de synthèse de l’ATP complètement différent de celui qui avait été décrit
pour la gIycolyse (phosphorylation au niveau du
substrat) et nécessitant une structure close, limitée par une membrane imperméable aux protons,
afin qu’un gradient puisse être créé et exploité.
la membrane devient négative et sa face extérieure
devient positive. On a en fait un double gradient
de charges et de protons, dit gradient électrochimique, qui exerce ce qu’on appelle une force proton-motrice. On estime que le gradient de pH
correspond à 1u nité de pH et que le potentiel de
membrane est égal à 160 mV. Il est évident que la
tendance «naturelle» des protons accumulés, liée
aux phénomènes de diffusion simple et aux phénomènes électriques, est de rentrer à nouveau dans
la matrice, avant même qu’ils aient eu le temps de
s’échapper par les pores de la membrane externe.
La membrane interne étant imperméable aux
ions, le seul moyen pour les protons de réintégrer
la matrice est d’emprunter les canaux constitués
par les complexes transmembranaires appelés ATP
synthétases. Ceux-ci sont constitués d’une tête
sphérique : la particule F1, baignant dans la
matrice, elle-même accrochée par une tige, ou un
canal transmembranaire : la particule F0. La masse
moléculaire de cet énorme assemblage est de
500 kDa ; il est constitué de neuf chaînes polypeptidiques différentes (dont deux sont codées par le
génome mitochondrial, chez les Animaux). Ces
complexes représentent à eux seuls 15 % de la
masse des protéines de la membrane interne (voir
figure 10.10). Les mécanismes couplant le passage
des protons à travers le complexe ATP synthétase
à la phosphorylation de l’ADP ne peuvent être
développés ici ; on se contentera de dire que la tête
F1 fonctionne à la manière d’une turbine mue par
le flux de protons. L’ATPsynthétase ne fonctionne
comme canal à protons qu’en présence d’ADP, qui
exerce donc un contrôle strict sur toute la chaîne
de transport des électrons (saturation du gradient
de protons en l’absence d’ADP).
Les ATP synthétases sont des sytèmes réversibles,
en ce sens que l’on a montré qu’elles peuvent
expulser activement des protons à travers la membrane, dans la direction opposée à celle vue précédemment, et contre un gradient de concentration.
Dans ces conditions, le processus consomme de
l’énergie au lieu d’en fournir ; celle-ci est fournie
par une hydrolyse de l’ATP, ayant lieu au sein de
la tête F1. On peut en outre annoncer que dans les
chloroplastes (au niveau des sacs thylakoïdiens),
ainsi que chez les Bactéries (au niveau de la membrane plasmique), des systèmes analogues à celuici fonctionnent de la même façon, soit pour
synthétiser de l’ATP, chez les premiers, soit afin
de créer des gradients de protons utilisables pour
d’autres fonctions (que nous verrons plus loin) par
Démonstration du rôle des ATP synthétases
E NCARTT ECHNIQUE
Le rôle de ces complexes dans Ia synthèse de
l’ATP a été démontré, dès les années 60, de la
façon suivante : il est possible d’obtenir (par dissociation aux ultrasons de mitochondries purifiées) des vésicules correspondant à des
lambeaux de la membrane interne refermés sur
eux-mêmes. Ces vésicules ont toutes la même
polarité et les têtes des ATP synthétases sont
tournées vers l’extérieur, comme le montre la
microscopie électronique. In vitro, ces structures
assurent le transport des électrons du NADH à
I’oxygène, tout en couplant cette oxydation à la
synthèse d’ATP (phosphorylation oxydative). Au
moyen de détergents appropriés, on peut décrocher les têtes F1 et les solubiliser ; les vésicules
ainsi dénudées assurent encore l’oxydation de
NADH, mais pas la synthèse d’ATP. Par ailleurs,
les têtes F1 récupérées seules ont la capacité
d’hydrolyser l’ATP (activité ATP asique) mais
pas de le synthétiser. Si l’on rassemble à nouveau
les deux composants (F0 +F 1), des vésicules
complètes se reconstituent et retrouvent toutes
leurs propriétés !
La preuve du rôle du gradient de protons dans la
phosphorylation fut apportée par l’expérience
suivante : si l’on charge en protons (grâce à un
protocole qu’on ne détaillera pas ici) le contenu
des vésicules submitochondriales, et qu’on les
transfère ensuite dans un milieu dont le pH est
supérieur au pH interne (déficit relatif en H
+
) on
obtient instantanément, sans intervention de processus d’oxydation (car on ne fournit ni NADH
ni O 2 ), une phosphorylation fugace de ADP +P i
en ATP. C’est en se basant sur de telles expériences que P. M ITCHELL, dès 1961, a proposé son
hypothèse, nommée théorie chimiosmotique,
pour rendre compte de la phosphorylation oxydative. Cette hypothèse, dans laquelle sont associés des phénomènes chimiques et des
phénomènes osmotiques (transport ionique), prévoyait un mécanisme de synthèse de l’ATP complètement différent de celui qui avait été décrit
pour la gIycolyse (phosphorylation au niveau du
substrat) et nécessitant une structure close, limitée par une membrane imperméable aux protons,
afin qu’un gradient puisse être créé et exploité.