L'ATP synthase est une machine moléculaire complexe intégrée dans la membrane interne des mitochondries des cellules eucaryotes et dans la membrane plasmique des cellules bactériennes. Il joue un rôle central dans l’étape finale de la phosphorylation oxydative, le processus par lequel les cellules génèrent la majorité de leur ATP. Le mécanisme détaillé par lequel l’ATP synthase produit de l’ATP est le suivant :

1. Gradient de protons : L'ATP synthase est pilotée par un gradient de protons, également connu sous le nom de gradient électrochimique, à travers la membrane mitochondriale interne ou la membrane plasmique des bactéries. Ce gradient est établi par la chaîne de transport d'électrons, qui pompe les protons à travers la membrane en utilisant l'énergie dérivée du flux d'électrons lors de la respiration cellulaire.

2. Changements conformationnels : L'ATP synthase se compose de plusieurs sous-unités protéiques, dont une unité centrale rotative appelée F₀ et un casque périphérique appelé F₁. L’unité F₀ est intégrée dans la membrane et contient un canal qui permet aux protons de circuler. Lorsque les protons traversent ce canal, ils provoquent une rotation de la structure.

3. Liaison de l'ADP et du phosphate inorganique (Pi) : Le casque F₁ de l'ATP synthase contient trois sites catalytiques où l'ADP et le phosphate inorganique (Pi) se lient. Ces sites de liaison subissent des changements conformationnels entraînés par la rotation de l'unité F₀.

4. Les changements conformationnels stimulent la synthèse de l'ATP : Lorsque la sous-unité F₀ tourne, les changements conformationnels dans le casque F₁ provoquent le rapprochement des molécules ADP et Pi dans la bonne orientation pour la synthèse de l'ATP. L'enzyme catalyse la formation d'une liaison covalente entre l'ADP et Pi, entraînant la synthèse d'ATP.

5. Libération de l'ATP : Les molécules d'ATP nouvellement synthétisées sont libérées des sites catalytiques sur la tête F₁. Ces ATP se diffusent ensuite dans l’environnement cellulaire environnant, où ils peuvent être utilisés comme source d’énergie pour divers processus cellulaires.

En résumé, l'ATP synthase utilise l'énergie stockée dans le gradient de protons établi par la chaîne de transport d'électrons pour provoquer des changements conformationnels qui facilitent la synthèse de l'ATP à partir de l'ADP et du Pi. Le mécanisme de rotation de l'ATP synthase, associé à la liaison et à la libération de substrats, permet une production efficace et continue d'ATP, fournissant ainsi la monnaie énergétique cellulaire pour de nombreux processus biologiques.