Biochimie Master 1 PDF

Dr. SLAMA RCC Master 1 : Biochimie A. Les ligands Un ligand est une molécule qui se lie de manière réversible à une macromolécule ciblée, protéine ou acide nucléique, jouant en général un rôle fonctionnel : catalyse, modulation...

Dr. SLAMA RCC Master 1 : Biochimie A. Les ligands Un ligand est une molécule qui se lie de manière réversible à une macromolécule ciblée, protéine ou acide nucléique, jouant en général un rôle fonctionnel : catalyse, modulation d'une activité enzymatique, transmission d'un signal. La liaison se réalise grâce aux forces entre molécules, telles que les liaisons ioniques et les liaisons d'hydrogène. Une liaison de haute affinité suppose qu'une concentration relativement basse d'un ligand suffit pour activer un site de liaison et déclencher la réponse physiologique. 1.1. Principaux types de ligands 1. Les molécules informatives hydrosolubles Elles ne peuvent pas traverser la bicouche lipidique de la membrane plasmique, Elles agissent grâce à des récepteurs spécifiques situés sur la membrane plasmique de la cellule cible (Figure 5). Leur durée de vie très courte (ms, s pour les neurotransmetteurs ou quelques min pour les hormones). Elles induisent par conséquent des réponses rapides et de courte durée. Figure 5. Signalisation par des molécules hydrosolubles. Ces réponses correspondent à une régulation ou une activation de protéines préexistantes dans la cellule cible (enzymes, canaux ioniques, facteurs de régulation de la transcription). Ces molécules sont : Les facteurs de croissance: ce sont des protéines ou des polypeptides qui jouent un rôle dans la prolifération et la survie des cellules. Désignés le plus souvent par GF : Growth Factor. Dr. SLAMA RCC Master 1 : Biochimie Les neurotransmetteurs: ce sont le plus souvent des dérivés d’acides aminés (noradrénaline, sérotonine, GABA…etc) ou des polypeptides qui jouent un rôle dans l’excitation ou l’inhibition des neurones au niveau des synapses. Les hormones: ce sont des molécules : Peptidiques (2-100 acides aminés). Ex: vasopressine, ocytocine, insuline…etc. Protéiques (> 100 acides aminés). Ex: hormone de croissance (GH) ; Glycoprotéiques. Ex: LH, FSH. Les cytokines : Ce sont des protéines ou des polypeptides qui jouent un rôle dans la réponse immunitaire et l’inflammation. Ex: interleukines (IL). 2. Les molécules informatives liposolubles Elles franchissent la membrane plasmique par diffusion simple. Elles activent ensuite un récepteur intracellulaire qui se fixe sur des régions cibles de l’ADN et régulent la transcription des gènes. Elles induisent des réponses plus tardives et de plus longue durée. Elles n’agissent pas sur des protéines préexistantes (Figure 6). Figure 6 : Signalisation par des molécules liposolubles. Ces molécules sont transportées dans le sang (cas des hormones liposolubles) grâce à des transporteurs protéiques spécifiques avant d’être libérées au contact de la membrane plasmique des cellules cibles. Ce sont : Les hormones thyroïdiennes (Triiodothyronine « T3 » et thyroxine « T4 »), dérivées d’un acide aminé: la tyrosine ; Les hormones stéroïdes, dérivées du cholestérol. Ex: cortisol, oestradiol, testostérone, progestérone…etc ; Les prostaglandines, dérivées de l’acide arachidonique. Dr. SLAMA RCC Master 1 : Biochimie 3. Les radicaux libres gazeux Ils diffusent librement à travers la membrane plasmique. Ils agissent directement sur des enzymes cytosoliques sans intervention d’un récepteur membranaire ou intracellulaire. Ex: NO agit sur une guanylate cyclase cytosolique. Ils sont toxiques à forte concentration. Les mieux connus sont CO (monoxyde de carbone) et NO (monoxyde d’azote). B. Les récepteurs 1. Généralités Un récepteur peut être défini comme une structure moléculaire de nature polypeptidique qui interagit spécifiquement avec un messager, hormone, médiateur, cytokine, ou à un contact intercellulaire spécifique. Cette association est la première étape du transfert de l'information du milieu extracellulaire vers le milieu intracellulaire. Une molécule signal agit uniquement sur des cellules-cibles car elles seules possèdent des récepteurs qui lui sont spécifiques. Les récepteurs sont de nature protéique, ils sont génétiquement déterminés pour reconnaître et lier de façon stéréospécifique une molécule signal du milieu extracellulaire. Chaque récepteur ne reconnaît en général qu'une seule molécule-signal avec laquelle il a une affinité élevée. On peut considérer que le rôle du récepteur est triple (figure 7) : 1°) Reconnaissance et fixation du messager : La molécule-signal agit comme un ligand qui se lie à un site du récepteur (site de liaison du ligand). 2°) Transduction du message : L'interaction ligand-récepteur entraîne un changement de conformation du récepteur au niveau du site exécutif. 3°) Sollicitation du système effecteur : Le récepteur possède également au niveau de son site exécutif, une spécificité pour l’effecteur ou pour son relais. Ceci permet le déclenchement d’une série d'événements intracellulaires qui aboutissent à un changement d'activité cellulaire et/ou dans le programme de transcription de gènes dans les cellules cibles. Dr. SLAMA RCC Master 1 : Biochimie Figure 7 : Schéma d'un récepteur montrant ses principaux rôles. Il est à noter cependant, que : Différents types de cellules peuvent présenter différents types de récepteurs pour le même ligand, chacun induisant une réponse cellulaire différente. Ainsi par exemple, les cellules du muscle cardiaque ont des récepteurs muscariniques à l’acétylcholine alors que les cellules du muscle squelettique possèdent des récepteurs nicotiniques. Les deux types cellulaires répondent différemment au même ligand (Figure 8). Le même récepteur peut exister sur des cellules différentes, et la liaison du même ligand sur le même récepteur dans ces cellules induit des réponses différentes. C’est le cas des cellules du muscle cardiaque et des cellules de la glande salivaire (Figure 8). Figure 8 : Exemple de ligand (Acétylcholine) ayant différents types de récepteurs et différentes cibles et réponses. Dr. SLAMA RCC Master 1 : Biochimie 2. Localisation des récepteurs Sur la base de leur localisation dans la cellule, on distingue deux grands types de récepteurs (figure 9) : les récepteurs membranaires et les récepteurs intracellulaires. Figure 9 : Localisation des récepteurs dans la cellule. Les récepteurs sont membranaires lorsque les molécules ne traversent pas, ou passent difficilement, la membrane plasmique (hormones et parahormones peptidiques, cytokines, catécholamines, eicosanoïdes, …). Ils sont intracellulaires pour les molécules plus lipophiles dont la perméabilité membranaire est plus élevée comme les hormones stéroïdes et thyroïdiennes. Selon leur type, les récepteurs libres (sans ligand) peuvent être localisés dans le cytoplasme ou dans le noyau. 3. Structures et fonction de quelque protéine membranaire Les porines Les porines sont des protéines membranaires composées de feuillet bêta formant une structure cylindrique, ou tonneau β. On les trouve à la surfaces des membranes plasmiques cellulaire et mitochondriale. Les porines formant des canaux permettent le passage d'ions et de petites molécules hydrophiles à travers la membrane des cellules dans les deux sens : de l'extérieur vers l'intérieur pour l'arrivée des nutriments, et de l'intérieur vers l'extérieur pour la détoxification du cytoplasme ou la sécrétion de protéines. Les porines sont plus ou moins sélectives et laissent passer seulement certaines classes de composés. Dr. SLAMA RCC Master 1 : Biochimie Figure 10 : Structure d’une porine membranaire Le récepteur nicotinique Les récepteurs nicotiniques sont des homo- ou hétéro-pentamères transmembranaires (constitués de 5 sous-unités). Chaque sous-unité est composée principalement de deux domaines: extracellulaire et membranaire. Le domaine extracellulaire forme le site de fixation des ligands et le domaine membranaire forme un tunnel, ou canal, permettant le passage à travers la membrane des ions sodium, potassium ou calcium. Ce sont donc des canaux cationiques relativement peu sélectifs. Les récepteurs nicotiniques contiennent tous les éléments nécessaires à la conversion d'un signal chimique (libération de l'acétylcholine dans la synapse) en message électrique (de dépolarisation de la membrane cellulaire). Les récepteurs nicotiniques jouent un rôle primordial dans la transmission neuromusculaire et motrice autonome. Ils sont impliqués également dans diverses fonctions au niveau du système nerveux central, en particulier dans le contrôle des mouvements volontaires, la mémoire et l'attention, le sommeil et la veille, la douleur et l'anxiété. Il est principalement présent dans le système nerveux autonome. Dr. SLAMA RCC Master 1 : Biochimie Figure 11 : Structure du récepteur nicotinique Les récepteurs couplés aux protéines G Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) sont une famille de récepteurs transmembranaires de sept hélices hydrophobes transmembranaires, connectées par trois boucles extracellulaires et trois boucles intracellulaires. Le domaine N-terminal orienté du côté extracellulaire est opposé au domaine C-terminal intracytoplasmique. Les récepteurs couplés aux protéines G jouent un rôle dans la communication cellulaire et ils sont constituent une classe de protéines d'importance thérapeutique majeure où plus de la moitié des agents pharmacologiques agissent sur ces récepteurs. Parmi les récepteurs couplés aux protéines G :  le récepteur de l'acétylcholine, la dopamine, la sérotonine, l'histamine ou la mélatonine.  les récepteurs de la FSH, de la LH et de la TSH.  les récepteurs des prostaglandines et leucotriènes.  les récepteurs de l'apeline. Figure 12 : Structure du récepteur couplé aux protéines G Dr. SLAMA RCC Master 1 : Biochimie L’ATP synthase L'ATP synthase est un complexe protéique enzymatique qui se trouve dans les crêtes mitochondriales. Elle est constituée de deux parties principales: l’une polaire et enchâssée dans la membrane apolaire et l’autre globulaire et au contact de la matrice mitochondriale. Les ATP synthase peuvent s'associer en dimères voire en oligomères, provoquant une légère déformation de la membrane interne. Ce phénomène serait responsable de la formation et/ou du maintien des crêtes. Le rôle de cette protéine membranaire est de synthétiser l'adénosine triphosphate (ATP) à partir du gradient électrochimique de protons entretenu par la chaîne respiratoire et d'adénosine diphosphate (ADP), ainsi que de phosphate inorganique (Pi), selon la réaction suivante : ADP + Pi → ATP. Figure 13 : Structure du récepteur de L’ATP synthase Les ATP synthases peuvent être considérées comme de véritables turbines (ou moteurs) moléculaires. Elles sont indispensables à la vie des organismes car l'ATP produit constitue la « monnaie énergétique » des cellules. Le lactose perméase Le lactose perméase est une protéine membranaire constituée de douze hélices transmembranaires et présente une symétrie d'ordre 2 entre les six hélices N- terminales et les six hélices C-terminales. Il s'agit d'un symport β-galactoside/proton qui utilise le gradient de concentration en ions H+ pour absorber des β-galactosides tels que le lactose. Le β-galactoside pénètre depuis le périplasme dans une poche aqueuse au centre de la protéine. Sa liaison à cette cavité déclenche un important changement conformationnel qui referme la poche du côté extracellulaire mais l'ouvre vers le cytoplasme. Dr. SLAMA RCC Master 1 : Biochimie Figure 14 : Structure du récepteur du lactose perméase La P-glycoprotéine La glycoprotéine P est un transporteur transmembranaire de la membrane plasmique se retrouve principalement au niveau des cellules du tubule contourné proximal du rein, des cellules de l’intestin, des trophoblastes du placenta et de l’endothélium de la barrière hémato-encéphalique et hémato-testiculaire. Elle appartient à la superfamille des transporteurs ABC; ABC signifiant ATP Binding Cassette. Cette famille possède un ou plusieurs domaines de liaison de l’adénosine triphosphate (ATP). La glycoprotéine P est constituée d’un seul monomère, formé de 12 domaines transmembranaires et de deux sites de liaisons nucléotidiques. Ces derniers sont situés entre les domaines transmembranaires 6 et 7 et après le domaine transmembranaire 12. Les parties amino et carboxyterminale de la protéine se situent dans le cytoplasme. Ces domaines interagissent ensemble pour former dans la membrane plasmique un pore, possédant sur sa face cytoplasmique les deux domaines de liaison à l’ATP. Les substrats de la glycoprotéine P sont nombreux, mais ils sont caractérisés par leur nature hydrophobe. La glycoprotéine P est une pompe ATPase capable d’expulser, grâce à l’énergie fournie par l’ATP, des substrats spécifiques. Ces substrats sont soit des molécules endogènes de la cellule comme des hormones ou des substances exogènes xénobiotiques. Ces dernières sont souvent des agents chimiothérapeutiques, des inhibiteurs de la protéase virale du VIH ainsi que de nombreux médicaments. Dr. SLAMA RCC Master 1 : Biochimie Figure 15 : Structure du récepteur du P-glycoprotéine Le transporteur mitochondrial des nucléotides adényliques Le transporteur mitochondrial des nucléotides adényliques, ou translocase ATP/ADP, ou encore translocateur de nucléotides à adénine est un transporteur membranaire permettant à l'ATP et à l'ADP de traverser la membrane mitochondriale interne. Il s'agit d'une protéine membranaire intégrale qui intervient dans la respiration cellulaire en permettant à l'ATP produit dans la matrice mitochondriale de gagner le cytoplasme, tandis que l'ADP prend le chemin inverse, afin de pouvoir être phosphorylé en ATP par l'ATP synthase dans la matrice mitochondriale à l'issue du processus de phosphorylation oxydative. Le transporteur mitochondrial des nucléotides adényliques contient six hélices α transmembranaires formant un tonneau à cavité conique accessible depuis l'extérieur, où se lie le substrat. L'ATP et l'ADP sont des molécules électriquement chargées qui ne peuvent normalement pas franchir la bicouche lipidique de la membrane mitochondriale interne, mais la translocase ATP/ADP fonctionne comme un antiport qui permet d'échanger une molécule d'ADP de l'espace intermembranaire mitochondrial contre une molécule d'ATP de la matrice mitochondriale. Dr. SLAMA RCC Master 1 : Biochimie Figure 16 : Structure du translocase ATP/ADP Transport vésiculaire et adressage des lipides membranaires Les vésicules de transport sont des structures sphériques formées d'une membrane biologique (bicouche lipidique) refermée sur elle-même. Ces vésicules peuvent contenir des molécules et de nombreuses protéines transmembranaires ou associées à la membrane qui assurent leur formation, leur maintien, leurs déplacements et leur adressage à travers la cellule. Citons par exemple la dynéine ou la kinésine qui permettent de déplacer des vésicules le long de faisceaux de microtubules, quelquefois sur de longues distances comme dans les axones des neurones. Figure 17 : Structure du transport vésiculaire C. Le réseau de molécules de signalisation intracellulaire Avant d'arriver à la molécule-cible finale, le signal reçu au niveau du récepteur est relayé à l'intérieur de la cellule par une combinaison de molécules de signalisation intracellulaire de nature protéique ou non. Dr. SLAMA RCC Master 1 : Biochimie 1. Les seconds messagers Généralement, on appelle "seconds messagers" des molécules non protéiques, de petite taille (faible poids moléculaire) qui sont produites en grand nombre en réponse à l'activation du récepteur par certaines molécules signal (premiers messagers). Les seconds messagers diffusent rapidement dans les différentes parties de la cellule-cible pour y propager le signal. Ils font passer le signal en se liant à des protéines de signalisation spécifiques ou directement à la protéine-cible, modifiant ainsi leur activité. Les seconds messagers les plus connus sont les nucléotides cycliques (AMPc et GMPc), le calcium (Ca++) et certains dérivés du phosphatidyl inositol biphosphate (PIP2) notamment le diacylglycérol (DAG) et l'inositol triphosphate (IP3). 2. Les molécules protéiques Les molécules protéiques de signalisation intracellulaire appartiennent à plusieurs catégories et interviennent selon le type de récepteurs et de la cellule-cible. Nous en citons ici les principales classes : Les protéines G qui agissent comme des commutateurs moléculaires dans les voies de signalisation (figure 18). En absence de signal, elles lient le GDP et sont inactives ("Off"). Le signal entraîne le remplacement du GDP par le GTP au niveau de la protéine G qui devient alors active ("On"). Les protéines G manifestent une activité GTPasique qui leur permet de retourner à l'état inactif en hydrolysant le GTP en GDP et phosphate inorganique (Pi). Figure 18 : Les protéines G agissent comme des commutateurs. Dr. SLAMA RCC Master 1 : Biochimie Les protéines qui jouent le rôle d'amplificateurs. Elles peuvent être des enzymes ou des canaux ioniques qui augmentent largement le signal qu'elles reçoivent, soit en produisant des taux élevés en seconds messagers, soit en activant un grand nombre de protéines de signalisation intracellulaire en aval de la cascade. Les protéine-kinases (figure 19) : Ce sont des enzymes qui phosphorylent des molécules protéiques de la voie de signalisation au niveau de certains acides aminés, modulant ainsi leur activité. Il existe deux principales protéine-kinases de la signalisation intracellulaire : Les tyrosine-kinases qui phosphorylent certaines tyrosines (Tyr ou Y) et les serine/thréonine- kinases, plus nombreuses, qui phosphorylent certaines serines (Ser ou S) et/ou thréonines (Thr ou T). À noter que certaines protéine-kinases ont une double spécificité ; elles phosphorylent à la fois les résidus tyrosine et serine/thréonine. Les protéine-phosphatases (figure 19) : leur activité s'oppose à celle des protéine-kinases. Ce sont des enzymes qui déphosphorylent les protéines au niveau des acides aminés Tyr ou Ser/Thr. Figure 19 : Les protéine-kinases et protéine-phosphatases. Les protéines adaptatrices (figure 20A) : Elles n'ont pas d'activité catalytique. Elles consistent seulement en deux ou plusieurs domaines de liaison (voir ci-dessous). Leur rôle se limite à lier entre elles, d'autres protéines de signalisation. Les protéines « scaffold » ou d’agrégation temporaire (figure 20B) : Ce sont des protéines possédant plusieurs domaines leur permettant de lier plusieurs molécules intervenant dans une même voie de signalisation. Le rapprochement de ces molécules facilite la propagation du signal, tout en évitant sa déviation vers d’autres voies de signalisation inappropriées. Dr. SLAMA RCC Master 1 : Biochimie Certaines protéines scaffold peuvent avoir également une activité enzymatique qui intervient dans la propagation du signal. Figure 20 : Protéines adaptatrices (A) et protéines d’agrégation temporaire (B). D. Les molécules cibles À la fin de chaque voie de signalisation, le message arrive au niveau de protéines cibles dont la modulation va entraîner un changement dans le comportement de la cellule. En fonction du signal, ces molécules peuvent être des protéines régulatrices de gènes, des composants d'une voie métabolique, des canaux ioniques, des transporteurs, une partie du cytosquelette, …etc. Ceci peut se traduire par une ou plusieurs actions ou effets : synthèse protéique, modification d'une sécrétion, ouverture ou fermeture d'un canal, contraction ou relâchement d'une fibre musculaire, …etc. III. Types de modulation - interaction entre molécules de signalisation A. Types de modulation En général, les processus de transduction impliquent deux principaux types de changement au niveau du récepteur et/ou de la molécule de signalisation intracellulaire : soit des changements de leur conformation, soit leur phosphorylation par des kinases. Dans les deux cas, il y a changement de la forme et/ou de l’emplacement intracellulaire de la molécule de signalisation ; ce qui entraîne la modulation de son activité et/ou son rapprochement aux autres molécules de la voie de signalisation active. Dr. SLAMA RCC Master 1 : Biochimie B. Interaction entre molécules de signalisation L'interaction entre les différentes molécules impliquées dans la même voie de signalisation se fait d'abord grâce à la haute affinité entre elles, mais également grâce à la présence d'une variété de domaines de liaison au niveau de plusieurs protéines de signalisation. À ces domaines, se lient des motifs correspondants présents dans d'autres molécules (protéines ou lipides) de la cascade de signalisation (figure 21). Le domaine de liaison correspond à une sous-structure peptidique de 40 à 350 acides aminés qui peut se replier indépendamment du reste de la protéine en une structure tridimensionnelle compacte et stable. Plusieurs protéines de signalisation de structure et de fonction différentes, peuvent avoir un même domaine. Les motifs, qui apparaissent en réponse à un signal, peuvent correspondre généralement à une courte séquence peptidique, ou un acide aminé ou lipide phosphorylé, ou un autre domaine protéique. Ils servent comme des étiquettes d'adressage pour des protéines de signalisation. Figure 21 : Domaines de liaison dans une voie de signalisation hypothétique. Dr. SLAMA RCC Master 1 : Biochimie Tableau 1 : Principaux domaines de liaison et leurs motifs correspondants