Pharmacologie et Canaux Ioniques

Introduction à la pharmacologie

• La pharmacologie étudie les interactions entre les substances et les systèmes biologiques
• Objectifs : applications thérapeutiques et compréhension de la physiologie normale ou pathologique
• Domaines de la pharmacologie: pharmacovigilance, interactions médicamenteuses, pharmacocinétique, pharmacodynamie

Pharmacocinétique

• Étudie l'effet de l'organisme sur le médicament
• Analyse l'évolution des concentrations du médicament et de ses métabolites dans le temps
• Détermine le devenir du médicament

Pharmacodynamie

• Étudie l'effet du médicament sur l'organisme
• Analyse l'intensité et la durée de l'action du médicament
• Détermine l'effet pharmacologique

Pharmacovigilance

• Étudie les effets indésirables des médicaments
• Surveillance des effets attendus vs effets indésirables
• Évalue le ratio bénéfices/risques

Interactions médicamenteuses

• Modification de l'activité des médicaments
• Effets d’ordre pharmacocinétique ou pharmacodynamique

Communication cellulaire

• Permet la coordination des activités cellulaires, le contrôle de la croissance et de la division, la régulation du développement et de l'organisation des cellules
• Chaque cellule dans un organisme multicellulaire utilise ses capacités pour communiquer avec les autres
• Mécanismes complexes pour contrôler les moments d'émission des signaux et leur interprétation par les cellules réceptrices

Types de communication cellulaire

• Par contact en direct via les jonctions communicantes
• Les jonctions communicantes permettent l'échange de petites molécules entre les cellules en contact direct
• Par signalisation à distance via les molécules de signalisation
• Molécules de signalisation diffusant à travers la membrane plasmique de la cellule émettrice

Jonctions communicantes

• Formées par deux connexons accolés, chacun comprenant 6 connexines
• Permettent le passage de petites molécules hydrophiles
• Possèdent un site de reconnaissance et de fixation spécifique pour le ligand
• Domaine transmembranaire hydrophobe, domaine intracellulaire impliqué dans la transmission du signal

Récepteurs membranaires

• Récepteurs canaux ioniques : permettent le passage sélectif d'ions
• Récepteurs enzymes : tyrosine kinase ou phosphatase, guanylate cyclase
• Récepteurs liés aux protéines G : 7 domaines transmembranaires

Récepteurs intracellulaires

• Récepteurs nucléaires

Ligands

• Molécules capables de se fixer à un récepteur ou une autre cible
• Exemples : agonistes, antagonistes

Agonistes

• Se fixent au récepteur et l'activent
• Déclenchent des voies de signalisation
• Ont un effet biologique
• Peuvent être endogènes ou synthétiques

Agonistes entiers

• Produisent une amplitude d'effet biologique équivalente à l'agoniste endogène

Agonistes partiels

• Produisent une amplitude d'effet biologique inférieure à l'agoniste endogène

Récepteurs nicotiniques AchR (nAchR)

• Activation → augmentation Na+ → dépolarisation → potentiel d'action sarcolemnal → canaux Cav1.1 stimulés → RY1 stimulés → augmentation Ca+ → troponine C activées → contraction des muscles squelettiques
• Activation → augmentation Na+ et Ca+ → dépolarisation → potentiel d'action axonal → ouverture des canaux Cav2.2 → augmentation Ca+ → exocytose des neurotransmetteurs

Indications thérapeutiques pour nAchR

• Sevrage tabagique
• Chirurgie : les curares agissent comme antagonistes des récepteurs nicotiniques neuromusculaires pour relâcher les muscles squelettiques pendant les interventions chirurgicales

Récepteurs ionotropiques glutamatergiques excitateurs

• Glutamate (Glu) : 1er neurotransmetteur excitateur
• Se lie à deux familles de récepteurs : ionotropiques et métabotropiques
• Largement distribués dans le système nerveux central

Récepteurs AMPA, NMDA et Kainate

• Récepteurs ionotropiques uniquement post-synaptiques
• 4 sous-unités
• 3 domaines transmembranaires

Indications thérapeutiques pour les récepteurs AMPA et kaïnates

• Epilepsie : le Topiramate agit comme antagoniste pour réduire l'hyper-excitabilité neuronale

Récepteurs canaux ioniques inhibiteurs

• La glycine peut moduler positivement les récepteurs ionotropiques glutamergiques excitateurs
• La glycine est aussi un ligand dans les récepteurs ioniques dits inhibiteurs

Récepteurs GABA A

• GABA : acide γ-amino butyrique, principal neurotransmetteur inhibiteur du système nerveux central
• Deux familles de récepteurs : GABA-A (récepteurs canaux anioniques) et GABA-B (RCPG)
• Un ligand peut avoir plusieurs récepteurs
• Récepteur ionotropique associé à un canal Cl-
• Structure hétéropentamérique
• Chaque sous-unité comprend 4 hélices TM
• Canal chlore bordé par les secondes hélices des 5 sous-unités
• 19 sous-unités clonées : α1 à α6, β1 à β4, γ1 à γ3, ε, π, ρ1 à ρ3, θ
• 3 groupes principaux : GABA-A1 à GABA-A6, GABA-A0, GABA-A0ρ (GABA-A rho = GABA-C)
• 5 sous-unités
• 4 domaines transmembranaires

Activation du GABA-A

• Activation = entrée Cl- = hyperpolarisation de la cellule → Diminution potentiel d'action

Indications thérapeutiques pour GABA-A

• Psychiatrie : anxiété, les benzodiazépines
• Neurologie : traitement des crises d'épilepsie
• Anesthésie : chloroforme, éther, sévoflurane, propofol

Récepteurs couplés aux protéines G (RCPG)

• Structure à 7 domaines transmembranaires (7TM)
• Cibles d'environ 30% des médicaments
• 1ers clonages en 1986
• Estimation du nombre entre 780 et 860 RCPGs
• Identification des récepteurs orphelins - développement de la pharmacologie inverse
• Un médiateur peut stimuler plusieurs récepteurs (RCPG ou non)

Composants des RCPG

• Récepteur
• Protéine G
• Effecteur

Activation des RCPG

• Divers agonistes : agents sensoriels, protéines, neuromédiateurs, médiateurs lipidiques, neuropeptides

Structure des RCPG

• Rc de nature polypeptidique - glycoprotéine transmembranaire 280-1200 aa
• Extrémité N-ter : EC, sites de glycosylation, fixation du messager
• Partie transmembranaire : 7 hélices TM (20-22 résidus aa)
• Extrémité C-ter : IC, sites de phosphorylation (Ser, Thr), en contact avec protéine G (transfert et amplification du signal)
• Boucles EC de petites tailles et IC de taille variable

Activation du récepteur

• Site de liaison du médiateur dans le puits de 20 A°.
• Poche hydrophobe délimitée par les hélices 3,4,5 et 6 contenant les sites d'interaction avec les ligands

Activation du récepteur - interaction protéine G trimérique

• Protéine G trimérique (alpha, bêta, gamma)
• Alpha : spécificité, site de liaison GDP/GTP, activité GTPasique
• Bêta, gamma : indissociables
• Sélectivité du couplage dépend de la structure du récepteur

Cycle fonctionnel des protéines G

• Au repos : trimère αβγ avec liaison GDP-α
• Liaison agoniste sur RCPG - activation de la protéine G
• Echange GDP→GTP
• Occupation α par GTP - dissociation de α et βγ
• Forme libre α peut interagir avec des effecteurs ou 2nd messager
• Activité GTPasique de α hydrolyse GTP en GDP - reformation du trimère αβγ

Effecteur second messager

• Activation des voies de signalisation en fonction du sous-type de protéine G
• 20 sous-unités α, 5 β et 13 γ
• Sous type basé sur les différentes sous-unités α

Exemples de RCPG

• Adrénaline : tous des RCPG (alpha1, alpha2, beta1, beta2) → stimulation fonction cardiaque
• Acétylcholine : Rc muscarinique (M1, M2, M3, M4, M5)
• Dopamine : tous des RCPG (D1, D2, D3, D4, D5) → stimulation du contrôle moteur

Récepteurs enzymes

• Protéine trans-membranaire avec fonction réceptrice (liaison du médiateur) et fonction effectrice (activité enzymatique)
• Activité guanylate cyclase, tyrosine kinase, tyrosine phosphatase

Récepteurs tyrosines kinases

• 27 familles de protéines kinases (2000 kinases)
• ≈ 2% des gènes dans génomes eucaryotes
• 90 protéines tyrosine kinase (dans génome humain)
• 32 cytoplasmiques, 58 récepteurs membranaires
• 20 familles dont 7 principales : PDGFR, FGFR, HGFR, NGFR, INSR

Récepteurs tyrosines kinases - cascade d'activation

• Le récepteur phosphoryle l'ATP pour activer les voies de signalisation

Récepteurs tyrosines kinases - récepteur au facteur de croissance de l'endothélium vasculaire (VEGF)

• VEGF : impliqué dans l'angiogenèse
• Dans les cancers, activation de la voie VEGF → angiogenèse +++ pour néovascularisation des cellules tumorales
• Traitement avec Ac monoclonal humanisé anti-VEGF : Bevacizumab -- Avastin

Récepteurs tyrosines phosphatases

• Inverses des tyrosine kinases
• Phosphatases déphosphorylent les protéines

Récepteurs guanylates cyclases

• Catalysent la production de GMPc, qui agit comme second messager intracellulaire
• Cibles du GMPc = protéines kinase G
• Dégradation rapide du GMPc en GMP par phosphodiéstérase

Récepteurs guanylates cyclases cytosolique

• Activation par les intermédiaires de synthèse des eicosanoïdes et les dérivés contenant le monoxyde d'azote (NO)
• Effets du NO : relaxation des fibres lisses vasculaires, bronchodilatation, relâchement des fibres de l'estomac, érection

Applications thérapeutiques pour les récepteurs guanylates cyclases

• Précurseurs NO : traitement de l'angine de poitrine
• Inhibiteurs de PDE : traitement de l'impuissance masculine

Récepteurs intracellulaires

• Récepteurs cytoplasmiques ou nucléaires
• Super famille de protéines se liant au promoteur de gènes pour augmenter ou réprimer leur transcription (facteurs de transcription)
• 48 membres chez l'homme, environ 50% récepteurs orphelins
• Participent au contrôle de différentes processus cellulaires et régulent une variété de fonctions biologiques (métabolisme, croissance, développement, reproduction)

Structure des récepteurs intracellulaires

• Domaine A/B : hypervariable, continent domaine d'activation de la transcription AF-1 (fixation de co-activateurs), sites de phosphorylation
• Domaine C : le plus conservé, permet la liaison à l'ADN via motifs en doigts de zinc
• Domaine D : région charnière peu conservée, permet la flexibilité de la protéine
• Domaine E : liaison au ligand +AF-2 (co-activateurs), interaction avec protéines hsp, dimérisation
• Domaine F : pas toujours présent (pas du tout conservé), rôle non connu

Interaction avec l'ADN

• Les éléments de réponse aux hormones (HRE) sont situés dans la région promotrice des gènes ou dans les séquences enhancer

Classification des récepteurs intracellulaires

• Classe I : récepteurs des stéroïdes (minéralocorticoïdes, glucocorticoïdes, œstrogènes, androgènes et progestérone)
• Classe II : hétérodimères RXR, comprend les récepteurs du peroxisome proliferator receptor (PPAR), de l'acide rétoinoïque, de l'hormone thyroïdienne T3, de la vitamine D
• Classe III : récepteurs orphelins dimériques
• Classe IV : récepteurs orphelins monomériques

Interaction avec l'ADN

• Reconnaissance de différentes séquences consensus de 6pb en fonction des récepteurs

Activation de la transcription

• Modification de la vitesse de formation du complexe de pré-initiation de la transcription
• Deux modes d'action : interaction récepteur/ADN (sur HRE) ou inhibition ou synergie avec d'autres facteurs de transcription

Indication thérapeutique

• Utilisation d'agonistes et d'antagonistes de longue date (glucocorticoïdes de synthèse, contraceptifs hormonaux)
• Cancers hormono-dépendants : traitement anti-androgènes (cancer de la prostate) ou anti-œstrogènes (cancer du sein, ovaire, endomètres)
• Objectif thérapeutique : bloquer l'activation et le fonctionnement des récepteurs = hormonothérapie

Canaux calciques

• Le canal calcique est composé de quatre sous-unités : α1, α2δ, β et γ.
• La sous-unité α1 est responsable de la formation du pore et de la cinétique d'activation du canal.
• Les sous-unités α2δ, β et γ modulent l'expression membranaire de la sous-unité α1.
• Le canal calcique est classifié selon les sous-unités α1, les propriétés électrophysiologiques et la sensibilité aux médicaments.
• Les canaux calciques de type L, P/Q, N et R sont sensibles à des toxines et aux dihydropyridines.
• Les canaux calciques de type T ont un seuil d'activation bas.

Échanges ioniques au niveau des cellules cardiaques

• Le système de transport membranaire des cellules cardiaques est complexe et implique différents types de transporteurs.
• La pompe Na+/K+ ATPase expulse le sodium et importe le potassium dans la cellule contribuant au potentiel de repos.
• L'échangeur Na+/Ca2+ expulse le calcium du cytosol en échange du sodium.
• La pompe Ca2+ ATPase expulse le calcium du cytosol en le stockant dans le réticulum sarcoplasmique.
• Tous ces transporteurs contribuent à la régulation du calcium intracellulaire qui est essentiel pour la contraction du muscle cardiaque.

Propriétés pharmacologiques des digitaliques

• Les digitaliques sont des médicaments qui inhibent la pompe Na+/K+ ATPase des cellules cardiaques.
• Les digitaliques ont des effets directs sur le cœur en augmentant la contractibilité (effet inotrope positif) et en diminuant la distensibilité (effet tonotrope négatif).
• Les digitaliques ont des effets indirects sur le cœur en diminuant la fréquence cardiaque (effet chronotrope négatif), la vitesse de conduction (effet dromotrope négatif) et en augmentant l'excitabilité (effet bathmotrope positif).
• Les digitaliques ont un faible intervalle thérapeutique et un dosage erroné peut entraîner des effets secondaires.
• Les digitaliques ont un effet natriurétique et diurétique sur les cellules rénales.

Indications thérapeutiques des digitaliques

• Les digitaliques sont indiqués pour le traitement des troubles du rythme supra-ventriculaire.
• Ils sont également utilisés pour traiter la fibrillation auriculaire et le flutter auriculaire.