La synapse neuro-musculaire : communication entre deux cellules

sig
nal
ner
veu
x
(on
de
de
dép
ola
ris
La synapse neuro-musculaire : communication
entre deux cellules excitables différenciées
atio
n
motoneurone
membrane présynaptique (neurone)
= p
ote
ntie
l d'
fente synaptique
membrane postsynaptique (cellule musculaire),
très différenciée, avec de nombreuses
invaginations qui augmentent la surface,
donc la possibilité de fixation de
neuromédiateur, et donc de dépolarisation.
act
ion
cellule
musculaire
striée
(ext)
(int)
N
N
N
nombreux noyaux : la cellule
musculaire striée est un
syncytium.
Seuls les noyaux au
voisinage de la synapse
transcrivent les gènes du
récepteur à Ach.
La cellule présynaptique émet un
neuromédiateur, l'acétycholine.
Ce neuromédiateur traverses la fente
synaptique (= espace synaptique),
et agit sur des récepteurs de la
membrane post-synaptique, en
augmentant la perméabilité au
sodium.
N
N
N
N
Synapse neuro-musculaire
acétylcholine qui se
fixe sur le
récepteur
entrée de Na+ grâce à
l'ouverture du récepteur
(canal chimio-dépendant)
==> dépolarisation de la
membrane
rapsyne maintenant les
récepteurs à Ach à
leur bonne place, en
liaison avec le
cytosquelette
Le récepteur à acétylcholine a été purifié vers 1975 grâce à
l'emploi de matériel biologique spécialisé. Les muscles
normaux ont peu de synapses, donc peu de récepteurs.
Organe électrique de Torpille (Chondrichtyen
marin voisin de la Raie, pouvant produire des
décharges électriques de 500 V et 0,5 A.
L'organe électrique provient par évolution
d'un muscle, spécialisé dans la génération de
courant électrique. Le courant vient de
l'entrée massive de Na+ dans des cellules
(nombreuses cellules en parallèle et en
série). Il y a donc de nombreux récepteurs à
acétylcholine.
α-bungarotoxine : neurotoxine de serpent voisin
du Cobra. Elle inhibe spécifiquement, avec
une liaison très forte, le récepteur à Ach, ce
qui provoque la paralysie de la proie. On
utilise des toxines marquées (ce qui permet
un repérage microscopique) et des toxines
fixées sur un support solide, ce qui permet
une séparation par chromatographie
d'affinité.
Méthode :
- broyage de l'organe électrique
- solubilisation des membranes par un
détergent
- chromatographie d'affinité, sur une colonne
où est fixée de la toxine de serpent : les
molécules de récepteur restent fixées à la
colonne, alors que les autres constituants
cellulaires ne sont pas retenus
- élution du récepteur et analyse biochimiques,
colonne de
chromatographie :
phase fixe
sur laquelle
on a fixé des
ligands spécifiques
des molécules
recherchées.
Purification du récepteur à
l'acétylcholine par
chromatographie
d'affinité, grâce à l'αbungarotoxine
1) on verse sur la colonne
un extrait cellulaire
contenant une
multitude d'autres
constituants cellulaires
mélangés aux
molécules recherchées
=>capture spécifique
des molécules
recherchées : les
autres constituants
traversent la colonne et
sortent, alors que les
molécules recherchées
sont retenues par les
ligands spécifiques de
la colonne ayant une
affinité spécifique pour
elles
2) élution des molécules
recherchées : en
versant un autre
liquide, les molécules
se décrochent, et sont
récupérées.
2 protomères
α, portant
chacun un
site
récepteur
à Ach
(ext)
O
CH3 C
O
acétyl
α β γ
(int)
choline
acétylcholine = ester de l'acide acétique et de
la choline (amino-alcool)
M = 290 kDa
canal
ionique
Le récepteur a une structure pentamère : 2 α, β,
γ, δ (ici, le δ a été enlevé)
Les divers protomères sont semblables : 4 hélices
transmembranaires. L'une des hélice borde le canal, et est
riche en AA chargés négativement (GLU-ASP).
Chaque protomère α porte un site de fixation à Ach, ce qui fait
deux sites pour l'ensemble de la molécule.
Divers ligands possibles pour le récepteur de l'Ach :
- acétylcholine
- nicotine (d'où le nom de récepteur nicotinique)
- α bungarotoxine (==> paralysie)
- curare (toxine végétale entraînant aussi une paralysie)
- la myasthénie grave est une maladie auto-immune, où
l'organisme fabrique des anticorps contre le récepteur à
Ach.
CH2 CH2
CH3
N+ CH
3
CH3
Le récepteur
nicotinique à
acétylcholine : un
canal ionique
chimiodépendant
anneau de 5
leucines
(hydrophobes)
==> étanchéité
-
-
résidus acides (-) =>
repoussent les
anions, et ne
laissent passer
que les cations
contrôle de la perméabilité du canal par les résidus
Fonctionnement normal du récepteur nicotinique à acétylcholine :
- à l'état normal, le canal est fermé
- s'il y a fixation de 2 Ach sur les 2 sites récepteurs, la conformation
change, et le canal s'ouvre, d'où une forte entrée de Na+ (plus d'un
million d'ions par seconde) : c'est un canal ionique
chimiodépendant.
- l'Ach reste statistiquement fixé au récepteur tant qu'il existe de l'Ach
dans la fente synaptique : il y a un équilibre Ach libre / Ach fixé.
- normalement, l'Ach présente dans la fente synaptique est rapidement
hydrolysée par l'acétylcholinestérase qui s'y trouve. Donc l'Ach n'est
plus fixée sur le récepteur, qui peut revenir à l'état fermé.
- même si l'Ach reste fixée sur le récepteur, le canal se referme
spontanément ("état désensibilisé" ).
Mise en évidence de la dualité d'action de l'acétylcholine :
- l'Ach stimule la fibre musculaire striée squelettique, mais inhibe la fibre cardiaque
- la nicotine est un agoniste de l'Ach (facilite son action) sur la fibre striée, mais n'a pas
d'effet sur la fibre cardiaque.
- Par contre, la muscarine est un agoniste de l'Ach pour les fibres cardiaques, et n'a pas
d'effet sur la fibre striée squelettique.
=> il existe (au moins) deux types de récepteurs.
cellules musculaires
cardiaques, cellules
lieux
musculaires lisses
agonistes
muscarine
atropine (en application sur
curare (flèches
l'oeil, cause la dilatation de
empoisonnées au curare ==> la pupille par relâchement
antagonistes paralysie de la proie)
des muscles
récepteur à protéines G (un
canal ionique
seul protomère, à 7 hélices
chimiodépendant (5
transmembranaires). Action
type
protomères). Action rapide
complexe et lente, en
moléculaire par ouverture directe de
particulier par ouverture
du récepteur canaux à Na+
indirecte de canaux à K+
cellules musculaires striées
squelettiques
nicotine
Deux types de récepteurs à
l'acétylcholine :
nicotinique et
muscarinique
Diversité des
neuromédiateurs
Dans l'ordre d'importance à connaître :
- acétylcholine, et ses deux types de récepteurs, nicotinique et muscarinique.
- noradrénaline et autres catécholamines (adrénaline, DOPA, dopamine...) :
agissent toujours par des protéines G hétérotrimériques, grâce à un
récepteur à 7 hélices transmembranaires.
La fixation du messager provoque un changement de conformation du
récepteur, donc de la protéine G, qui devient capable de fixer le GTP au
lieu du GDP sur son protomère α. Les protomères se séparent et vont
agir sur d'autres molécules...
CHOH CH2 NH3
HO
OH
noradrénaline = norépinéphrine
- GABA = acide gamma-amino-butyrique : synapses inhibitrices, qui
empêchent la dépolarisation.
NH
- divers acides aminés tels que l'acide glutamique...
(ext)
2
γ
β
α
protéine
G
(int)
COOH
Récepteur de noradrénaline, à 7 hélices transmembranaires. La partie N
terminale est à l'extérieur, comme d'habitude, et la partie N terminale
ainsi que la boucle précédente se lient à la protéine G.
L'acétylcholine est synthétisée par des
enzymes de la cellule présynaptique
Ach dans des
vésicules
présynaptiques
cellule
nerveuse
L'acétylcholinestérase est synthétisée par le
péricaryon (= corps cellulaire) du neurone,
puis transportée par des vésicules jusqu'à la
terminaison synaptique, et exocytée dans la
fente synaptique.
C'est une enzyme très active : il faut moins de 2
ms pour inactiver l'Ach de la fente
synaptique.
Importance de l'acétylcholinestérase :
Ach capturé par
Des substances toxiques, en particulier des
l'acétylcholinestérase
gaz de combat, ont pour cible l'Achestérase
==> blocage de l'hydrolyse ==> perturbation
du message nerveux.
O
Inactivation du
neuromédiateur après son
action sur la cellule postsynaptique
Ach émis dans la
fente
synaptique
CH3
C
O
espace
synaptique
CH3
CH2
CH2
N+
CH3
CH3
O
cellule musculaire
Ach fixé sur le
récepteur =>
pénétration de
Na+
CH3
C
OH
CH3
OH CH2
Résultats de l'hydrolyse :
- acide acétique
- choline
CH2
N+
CH3
CH3
L'acétylcholine est détruite en étant hydrolysée, mais les autres neuromédiateurs sont plutôt
recyclés .
Par exemple, la noradrénaline est réabsorbée par la cellule nerveuse présynaptique. Ce
recyclage est inhibé par la cocaïne (la cocaïne a des effets "sympathico-mimétiques")
Expériences historiques de Sutherland vers 1950
Mise en évidence du récepteur
membranaire pour l'action du
glucagon sur les hépatocytes
Le foie est un effecteur important pour réguler la
glycémie : libération de glucose dans le sang par
glycogénolyse, stockage du glucose sous forme de
glycogène par glycogénogenèse.
glucagon
Le glucagon est une hormone hyperglycémiante libérée
(en bleu)
par le pancréas (ilôts de Langerhans). Cette
hormone agit sur le foie, en provoquant la
phosphorolyse du glycogène par l'enzyme
glycogène-phosphorylase (enzyme cytosolique) :
glycogène
phosphorylase
glycogènen + (P)i ---> glycogènen-1 + glucose 1(P)
(en rouge)
mesure de l'activité
phosphorylase
glucagon
(en bleu)
augmentation de l'activité
glycogènephosphorylase par
l'addition de glucagon :
c'est normal
pas
d'augmentation,
alors que
l'enzyme y est
phosphorylase
physiquement
broyat de
cellules de
foie
n
io
at
ug
rif
nt
ce
Situation des organes
ad
d
au ition
s u de
rn g
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ag lu
ph i c
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os on
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ad
di
tio
n
de
gl
uc
a
go
n
mesure de l'activité
mesure de l'activité
remélange
avec le culot
phosphorylase
augmentation de
l'activité
phosphorylase
Conclusion :
Il y a dans les membranes quelque
chose d'indispensable à l'action de
l'hormone (glucagon) sur la cellulecible (hépatocyte).
Le récepteur de l'hormone est sur la
membrane plasmique, et envoie un
second messager vers le cytosol,
où est l'enzyme qui va être activée.
carbone
5'
Adénine
CH2
O
O
cycle ribose
normal
O
CH
CH
P
O-
Formation et destruction de l'AMPc
CH
HC
carbone 3'
cycle formé par la liaison
phosphodiester (entre
structure de l'AMPc
5' et 3')
O
(int)
(P)
GT
P
GT
GDP
Adénine
(P)
O CH2 O
O
adénylate cyclase
(enzyme
membranaire)
phosphodiestérase
C'est l'AMPc qui va agir à l'intérieur de la
cellule, en activant ou en inactivant des
enzymes cellulaires (c'est un effecteur
allostérique de ces enzymes).
On dit que l'AMPc est un "second messager",
ou "messager intracellulaire", par
opposition à l'hormone glucagon, qui était
le "premier messager", ou "messager
intercellulaire".
P
ATP
O
(P)
β
γ
CH2
O
L'AMP cyclique est une molécule "tordue" : l'énergie pour
faire la liaison phosphodiester provient de l'hydrolyse
de l'ATP, et cette liaison phosphodiester peut se
couper spontanément.
Le glucagon se fixe sur son récepteur, et
en change la conformation, ce qui
change la conformation de la protéine
G, dont la sous-unité α devient capable
de fixer le GTP au lieu du GDP.
glucagon
Le protomère α se détache, et va activer
l'adénylate-cyclase, qui transforme
l'ATP en AMPc,
(ext)
récepteur
au
glucagon
Adénine
(P)
O
OH
O
O
(P) O CH2
AMPc
Adénine
(très peu d'hormone)
Cascades d'effecteurs enzymatiques :
amplification et diversification du signal
---> un peu d'AMPc
protéine-kinase
inactive
phosphorylase-kinase
inactive
phosphorylase inactive
glycogène
protéine kinase active (un
peu)
phosphorylase-kinase (P)
active
(un peu plus)
phosphorylase (P) active
(beaucoup)
glucose(P)
(énormément)
Amplification du signal initial par la cascade d'activation enzymatique :
La petite quantité de glucagon fixée sur son récepteur permet la formation d'une
petite quantité d'AMPc. Cette AMPc active une protéine-kinase (en tant
qu'effecteur allostérique). La protéine-kinase activée phosphoryle l'enzyme
phosphorylase-kinase, ce qui en active une quantité plus importante. La
phosphorylase-kinase phosphoryle la glycogène-phosphorylase, ce qui en
active une quantité encore plus importante.
Et finalement, cette grande quantité de glycogène-phosphorylase libère une
grande quantité de glucose-phosphate, ce qui permet d'augmenter fortement
la glycémie.
Diversification du signal :
Cette même protéine-kinase phosphoryle la glycogène-synthétase, ce qui
l'inhibe.
Ainsi, d'une part la libération de glucose est favorisée, et d'autre part la
capture de glucose est inhibée.
Le glucagon est représentatif des hormones
hydrosolubles :
- Peptides et protéines (grosse majorité des hormones) :
insuline, glucagon, hormones hypophysaires, hormones
intestinales...
- Catécholamines de la médullo-surrénale : adrénaline.
Nécessité de récepteurs membranaires très spécifiques :
Les hormones peptidiques sont de grosses molécules, qui ne
peuvent pas traverser les membranes. Leur récepteur doit
donc être membranaire.
Elles doivent avoir une forte affinité pour le récepteur (Km très
faible) : dans le sang, [glucagon] = 100 ng/L, [protéines]= 70
g/L ==> il y a 1 g de glucagon pour 700 t d'autres protéines.
De nombreux récepteurs sont couplés à des protéines G
hétérotrimériques :
- Le récepteur est une protéine à 7 hélices transmembranaires
- Les protéines G sont très variées, et elles sont ancrées dans
la membrane par des acides gras.
- La fixation de l'hormone sur le récepteur change sa
conformation, et déclenche l'échange de GDP pour GTP
sur la sous-unité alpha, ce qui sépare les sous-unités, qui
vont aller agir sur diverses protéines.
Ces protéines G peuvent avoir diverses actions, en particulier
sur l'adénylate-cyclase ou sur la phospholipase C.
H
Une autre action des
protéines G : activation
de la phospholipase C
PIP2
récepteur
β
γ
GT
P
phospholipase C
diacylglycérol,
pouvant aussi avoir une action
de 2e messager
IP3, soluble,
agissant comme 2e messager
(P)
HO
C
C
(P)
C
HO C
C
IP3 = inositol
triphosphate
C
C
(P)
(P)
CH2
(P)
HO
HO
C
(P)
OH
OH
acide gras -O-CH
OH
CH2O-acide gras
PIP2 = Phosphatidyl-Inositol-diphosphate
(bisphosphate)
Phosphatidyl = diacylglycérol estérifié par un phosphate
Inositol bisphosphate = hexoalcool cyclique, dont 2 OH
sont estérifiés par des phosphates
Le phosphate estérifiant le diacylglycérol estérifie aussi un
troisième OH de l'inositol
CH2
Diacylglycérol
acide gras -O-CH
CH2O-acide gras
NH2
(ext)
partie externe se
fixant à
l'hormone
(int)
COOH
partie intracellulaire
avec activité
enzymatique ==>
phophorylation de
protéines
membranaires ou
cytosoliques
Structure générale d'un récepteur-enzyme : une seule
hélice transmembranaire
Normalement, les récepteurs-enzymes ne deviennent actifs
qu'après dimérisation.
Cette dimérisation (permise par la fixation du messager) provoque
l'autophosphorylation du récepteur, qui devient actif en tant que
protéine-kinase.
Le récepteur peut alors phosphoryler des protéines-cibles.
Il est finalement inactivé par endocytose par de vésicules
recouvertes de clathrine
exception : le récepteur de l'insuline, qui est déjà dimérisé.
Certains récepteurs
membranaires sonts des
enzymes
I
Hormones liposolubles =
stéroïdes + hormones
thyroïdiennes (+ rétinoïdes)
O
I
HO
I
I
COOH
CH
CH2
NH2
Hormone thyroïdienne T4 = tétra-iodo-thyronine
L'hormone thyroïdienne T3 est identique, avec
simplement un iode du cycle de droite en moins.
L'iode n'est pas ionisé, donc la molécule est plutôt
hydrophobe.
Les rétinoïdes sont des dérivés de la vitamine A
(carotène).
Les hormones stéroïdes sont des dérivés du
cholestérol : noyau stérol, avec divers
substituants de type alcool (-OH) ou cétone
(=O), d'où leur nom en "...stérone" ou "-iol".
Parce qu'elles sont hydrophobes, les
hormones liposolubles doivent
voyager dans le sang fixées sur des
protéines transporteuses plus ou
moins spécifiques. Par exemple, dans
le sang, 99% des hormones
thyroïdiennes sont liées à des
protéines, mais c'est le 1% libre qui
peut agir sur les cellules-cibles.
HO
Noyau stérol = noyau phénanthrène
(structure de base des stéroïdes)
Expérience
- injection de progestérone radioactive à un Cobaye femelle, puis
autoradiographie des cellules de l'utérus.
- la radioactivité se trouve dans les noyaux de l'endomètre.
- c'est donc que l'hormone va agir à l'intérieur des noyaux. Le récepteur
est à l'intérieur de la cellule.
Les hormones liposolubles
agissent sur les noyaux
cellulaires
récepteur
récepteur activé
TATA
R
site de liaison
à
l'hormone
autres protéines, en particulier HSP
(protéines de choc thermique, =
chaperonines qui maintiennent
la forme)
récepteur initialement inactif, dans le cytosol : il ne peut pas se lier à
l'ADN ( grosse protéine, environ 1000 résidus)
B
NH2 A
A et B : action
sur les
facteurs de
transcription
C
D
D : passage
C : fixation à
dans le
l'ADN (ERH),
noyau
par des
structures en
doigt à zinc
Structure de la molécule de récepteur
R
R
récepteur dimérisé
activé
Zn2+
protéines
régulatrice
s
détachées
gène à transcrire
Le récepteur activé va agir sur la chromatine, en stimulant ou en inhibant
la transcription des gènes. Il se fixe sur la région ERH des gènescibles (Elément de Régulation Hormonale : région du promoteur, en
amont du gène).
Les dimères de récepteur se fixent sur des régions de l'ADN avec des
répétitions inversées.
La fixation du récepteur activé provoque un changement de conformation
de l'ADN, ce qui permet la fixation de l'ARN-polymérase et la
transcription du gène.
E COO
H
E : site de
liaison à
l'hormone
==>
dimérisation
Zn2+
"doigt à zinc" : replis de protéine,
avec des CYS liés à des ions
Zn2+ : reconnaissance de l'ADN
Importance de la structure du récepteur :
Le gène du récepteur à la testostérone est sur le
chromosome X. Par mutation, il peut exister un
récepteur anormal, ne reconnaissant pas la
testostérone. Les individus mâles mutés (XY) ont
une morphologie féminine, avec des testicules
sécrétant la testostérone, mais restés dans
l'abdomen : pas de caractères sexuels
secondaires masculins.