Comment est synthétisé l'ATP (1/5) ?

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La synthèse d'ATP dans le chloroplaste s'effectue au niveau du complexe ATP synthase (ATPase de type F ou ATPase F1Fo) associée à la membrane du thylakoïde. L'énergie nécessaire à la synthèse de l'ATP est fournie par l'énergie libérée par transfert d'électrons photosynthétiques. Cette synthèse d'ATP dans le chloroplaste à la lumière est appellée photophosphorylation.

Le principe du couplage entre le transfert d'électrons et la synthèse d'ATP repose sur la théorie chimio osmotique émise en 1961 par P. Mitchell. Dans le cadre de cette théorie :

• l'ATP synthase est une enzyme potentiellement réversible qui fonctionne comme une pompe à protons transmembranaire (remarque importante : in vivo elle fonctionne dans le sens de la synthèse),
• la chaîne de transfert d'électrons fonctionne également comme une pompe à protons transmembranaire (pompe dite redox) qui génère une différence de potentiel électrochimique de protons (gradient de protons ou force proton motrice, voir plus loin) de part et d'autre de la membrane du thylacoïde. Cette membrane présente, par ailleurs, une faible conductance naturelle aux protons.
• la synthèse de l'ATP résulte du couplage entre ces deux pompes à protons (redox et ATP synthase). Le gradient transmembranaire de protons joue donc le rôle d'intermédiaire énergétique obligatoire entre le tranfert des électrons et l'ATP synthase.

La vérification de cette théorie nécessite donc de démontrer expériementalement que :

• l'ATP peut être synthétisé à l'obscurité par un gradient de protons artificiel que l'on impose à la membrane du thylakoïde ;
• la chaîne de transfert des électrons délocalise des protons lorsque le thylakoïde est éclairé ;
• la synthèse de l'ATP à la lumière est inhibée par des agents chimiques qui augmentent la conductance membranaire aux protons du thylakoïde (agents dits protonophores qui agissent comme découplants de la photophosphorylation).

Les expériences suivantes vérifient ces principes de base.

1 - L’ATP peut être synthétisé par un gradient de protons artificiel

Expérience "du bain acide" de Jagendorf et Uribe (1966).

Expérience "du bain acide" de Jagendorf et Uribe

A partir d'une suspension de chloroplastes, les chloroplastes sont cassés (par choc osmotique par exemple) et les thylakoïdes sont isolés par centrifugation (le stroma a été éliminé). L'ensemble de l'expérience est effectuée à l'obscurité.

1 - cette suspension est placée dans un milieu acide tamponné à pH 4,
2 - après quelques minutes, le pH des thylacoïdes s'est équilibré avec celui du milieu,
3 - on transfère alors les thylacoïdes dans un milieu basique tamponné à pH 8 en présence d'ADP et de phosphate inorganique (Pi) (+ Mg2+).

Résultat : un dosage d'ATP dans le mileu de suspension montre qu'il y a eu synthèse d'ATP.

Explication : Cette expérience est effectuée à l'obscurité. Il n'y a donc pas de transfert d'électrons, d'oxydation de l'eau ni aucune participation des photosystèmes.

C'est uniquement la différence de pH (et donc la différence de concentration en H+) entre l'intérieur et l'extérieur des thylacoïdes qui a permis la synthèse d'ATP. C'est donc l’efflux de protons (depuis le lumen vers le milieu ) à travers l’ATP synthase qui provoque la synthèse d’ATP.

Gradient de pH et synthèse d'ATP.
Le gradient de pH (concentration en H+ entre l'intérieur et l'extérieur du thylacoïde provoque un efflux de protons au niveau de l'ATP synthase et permet la synthèse d'ATP.

->  Chaîne de transfert d'électrons=pompe à protons

->  Expression du gradient de protons

->  Transport de protons à travers la membrane du thylacoïde

->  Rendement des photophosphorylations acyclique et cyclique