Modèle de fonctionnement dynamique de la pompe

Pour pénétrer dans la cellule, le substrat doit d'abord être intégré au feuillet externe de la membrane plasmique puis être transféré au feuillet interne de cette même membrane avant d’être relargué dans le cytosol. Le modèle de fonctionnement de la pompe ABCB1 le plus utilisé est celui de la flippase. Dans ce modèle, le substrat est pris en charge par le

Figure 23 : Le modèle de fonctionnement du transporteur ABCB1

A. Le fonctionnement du transporteur ABCB1 est modélisé. Le substrat en rouge traverse la membrane plasmique par diffusion. En présence d’un transporteur ABC le substrat est pris en charge et est relargué dans le milieu extérieur suivant le modèle de la flippase. Les molécules d'ATP sont en jaune et la poche du substrat en bleu. Ce schéma est tiré de Aller et al. 2009.

B. Le premier modèle de fonctionnement de la pompe stipule que l’hydrolyse d’une première molécule d’ATP permet le passage du substrat du site de forte affinité au site de faible affinité et que le retour à la conformation initiale nécessite d’hydrolyse d’une deuxième ATP.

C. Le deuxième modèle propose que la liaison du substrat provoque à elle seule la dimérisation et le changement de conformation du site de forte affinité au site de faible affinité et la libération du substrat. L’hydrolyse d’une ou deux molécules d’ATP serait ensuite nécessaire pour retourner à la conformation initiale.

A. B. ATP ATP Liaison au substrat Dimérisation des domaines NBDs Passage à la conformation de faible affinité ADP +Pi ATP Retour à la conformation de forte affinité ADP +Pi hydrolyse hydrolyse Liaison à l’ATP ATP ATP Dimérisation des domaines NBDs Occlusion Æ passage à la conformation de faible affinité Liaison à l’ATP Hydrolyse de 1 ou 2 ATP Retour à la conformation de forte affinité ADP +Pi ADP +Pi Liaison au substrat C.

-48-

transporteur alors qu'il est dans le feuillet interne de la membrane plasmique et qu'il n'a pas encore été libéré dans le cytosol (ou une étape de ré-absorption dans ce feuillet est nécessaire). Le transporteur exporte alors la molécule substrat soit directement dans le milieu extérieur soit au niveau du feuillet externe de la membrane plasmique (figure 23 A.) (Aller et al. 2009 et pour revue Hennessy and Spiers 2007). L'export du substrat par le transporteur nécessite plusieurs étapes (pour revues, Ambudkar et al. 2006 ; Callaghan et al. 2006 ; Hennessy and Spiers 2007 ; Seeger and van Veen 2009) :

- la fixation du substrat - la fixation de l'ATP

- la dimérisation des domaines NBDs

- le changement de la conformation de forte affinité à la conformation de faible affinité des TMDs permettant le relarguage du substrat

- le retour à la conformation initiale

Dans la conformation initiale, le transporteur présente au substrat un site dit de forte affinité et les domaines NBD ne sont pas sous forme de dimères. Le substrat est intégré au site de forte affinité du côté du cytosol proche du feuillet interne de la membrane plasmique via un passage formé par les domaines TMD2 et 11 d'un côté et/ou les domaines TMD5 et 8 de l'autre côté. La liaison du substrat permet ensuite un rapprochement du Walker A du premier domaine NBD avec le motif C du deuxième motif NBD et favorise ainsi la formation des dimères de NBDs. La présence du substrat permet également d'accélérer la liaison à l'ATP et il a été suggéré que le substrat entraîne une diminution de l'énergie d'activation de l'hydrolyse de ce dernier. Les molécules d’ATP interagissent en plusieurs points avec la poche formée par l’association des deux domaines NBDs. L’hydrolyse du γ-phosphate de l’ATP conduit à la formation d’une molécule d’ADP et d’un phosphate inorganique permettant la libération d’énergie. La communauté scientifique semble s'accorder sur le fait que l'export de substrat est concomitant à une dépense énergétique via l'hydrolyse d’une à deux molécules d'ATP. L'intervention de l'hydrolyse dans le processus d'export n'est pas encore très clair et deux modèles s'affrontent à ce sujet.

Le premier modèle, le plus empirique et communément admis, stipule que le changement de conformation du site de forte affinité en site de faible affinité entraînant le relarguage du substrat est possible grâce à l'énergie libérée par l'hydrolyse d'une molécule d'ATP (pour revue Ambudkar et al. 2003). Le deuxième modèle qui semble plus corrélé aux données expérimentales, propose que le changement de conformation est la conséquence de la

-49-

dimérisation des domaines NBD et/ou à la liaison de l'ATP. En effet il a été observé que la seule présence de l'ATP entraîne un changement conformationnel important qui serait suffisant pour le passage du substrat du site de forte affinité au site de faible affinité (pour revue Seeger and van Veen 2009). Une théorie proche mais alternative de ce modèle envisage que la liaison à l'ATP implique la formation d'une structure non réversible appelé occlusion dans laquelle un seul des deux sites fixe une molécule d'ATP. La liaison d'un ATP aurait pour conséquence le rapprochement des deux NBDs au niveau du site où se trouve l'ATP tandis qu'au niveau du deuxième site vide les deux domaines NBDs s'éloignent. Ce serait cette structure en occlusion qui conduirait au passage du substrat du site de forte affinité au site de faible affinité (pour revue Sauna and Ambudkar 2007). Les deux modèles sont présentés dans la figure 23 B. et C.

Le passage du substrat du site de forte affinité au site de faible affinité s'accompagne de la diminution d'un facteur 10 de l'affinité du transporteur pour le substrat. Le substrat aurait alors une affinité assez faible pour être relargué de façon passive hors des domaines TMDs. Les différents modèles semblent s'accorder pour dire que l'hydrolyse d'un ATP est nécessaire pour que la pompe puisse retourner dans sa configuration initiale avant de recommencer un nouveau cycle d'export. Les domaines trans-membranaires reviendraient ainsi au site de forte affinité. Le dimère de NBDs, instable lorsqu'il est occupé par une molécule d'ADP, se dessasemblerait en liberant l'ADP.

2