Faculté de médecine de Constantine Département de Médecine Les cibles moléculaires des médicaments et mécanismes d ‘élaboration de la réponse pharmacologique Dr. DOUAOUI GHARBI Maitre assistante en pharmacologie

Définitions : Définitions de la pharmacodynamie: La pharmacodynamie est l’étude des effets biochimiques et physiologiques des principes actifs et de leurs mécanisme d’action. Un médicament possède : - Un effet principal, utilisé en thérapeutique - Des effets secondaires (latéraux), qui sont gênants ou nuisibles. Le but est de connaitre la nature des sites de liaisons du médicaments dans l’organisme et les mécanismes par les quels l’association du médicament avec un site mène à une réponse pharmacologique Effet pharmacologique Conséquence immédiate de l’interaction entre un ligand et son récepteur. Cette action est délimitée au niveau de la cellule et est constituée de cascades biochimiques plus ou moins complexes incluant la transduction du signal et la signalisation intracellulaire. Action thérapeutique : action biologique bénéfique du médicament sur la santé de l’individu malade. Il est question d’action pharmacologique pour des substances exogènes appliquées à un individu sain, un organe, un tissu ou une cellule (études réalisées par des physiologistes, des vétérinaires chez les animaux et des médecins chez l’homme).

Médicament à action non spécifique Médicament à action spécifique Les cibles des médicaments à action spécifiques se sont des protéines cellulaires ou le génome(ADN;ARN) N’ont pas d’action sur les cellules Ex: Les antiacides neutralisent les ions H+ au niveau stomacal L’huile de paraffine par son effet lubrifiant facilite le transit du contenu intestinal Action des médicaments Proteines-cibles jouant le rôle de récepteurs Les structures sur lesquelles les médicaments agissent sont appelées « cibles ». Protéines- cibles assurant le passage transmembranaire d’un ion (molécules de transport et les canaux ioniques) Action spécifique des médicaments: Les substances n’agissent pas si elles ne sont pas fixées L’effet du médicament est initié en général par sa liaison à une macromolécule de l’organisme ou cible moléculaire qui peut être une cibles des médiateurs endogène (ou leurs récepteurs spécifiques) Proteines–cibles à rôle enzymatique

Les protéines cibles jouant le rôle de récepteurs des médiateurs

A) Proteines-cibles jouant le rôle de récepteurs Macromolécules qui permettent la liaison spécifique d’un médiateur endogène ; ou médiateurs venant de l’extérieur et assure la transmission du signal vers l’intérieur de la cellule. Ligands = médiateurs: Cette fixation est spécifique du médicament et de son effet. Elle dépend étroitement de sa structure et de ses propriétés chimiques. On appelle « récepteur pharmacologique », une structure chimique fonctionnelle sur laquelle la fixation spécifique d'une molécule médicamenteuse provoque un stimulus qui est à l'origine de l'effet pharmacodynamique. La notion de récepteur est généralisable à toute substance pharmacologique, physiologique ou xénobiotique qui se fixe sur une structure fonctionnelle de l’organisme. Ces substances sont des « ligands » dont les médicaments sont un cas particulier.

4-Caractéristiques de la liaison ligand-récepteur Ligand-récepteur = modèle clef-serrure Interaction dynamique: Modification spatiale de conformation Activation du récepteur Interaction Effet physiologique

Interaction ligand-récepteur Critères de l’interaction Ligand-récepteur : L’affinité Réversibilité Spécificité Sélectivité La liaison entre l’agoniste et le récepteur est due à des forces de faible intensité. Elle est labileet réversible. Elle a lieu au niveau d’une partie particulière de la macromolécule (récepteur), le « site actif ». Les configurations (structures, fonctions chimiques, charges électriques) de l’agoniste et du site actif se correspondent, ce qui assure la spécificité de la fixation (figure 2.1.-2). En se fixant sur le récepteur, le ligand provoque une modification de celui-ci appelée « stimulus Entre le stimulus, dû à la fixation du médicament sur son récepteur et l’effet pharmacodynamique que l’on constate, la liaison est faite par un processus appelé « couplage » ou transduction. 3 : stimulus - La fixation du principe actif sur le site actif (1) entraîne une modification conformationnelle du récepteur (2) qui rend celui-ci capable d’initier un processus biochimique, le couplage (3).

Classification des récepteurs membranaires Récepteurs nucléaires

Récepteurs membranaires Récepteurs couplés à la pr- G Récepteurs enzymes Récepteurs canaux

Etude des familles des récepteurs

Les récepteurs membranaires

I-Les récepteurs couplés à la pr- G RCPG

I) Récepteurs membranaires: 1) Récepteurs transmembranaires couplés à la proteine G Récepteur : Glycoprotéine organisés en 7 traversés (hélices). Les 7 hélices Etroitement accolées et définissent un puit étroit et profond où va se fixer le ligand L’extrémité intracellulaire fixe la proteine G

Récepteurs transmembranaires couplés à la proteine G Les récepteurs histaminiques H1 et H2 Les récepteurs muscariniques de l’acétylcholine Les récepteurs α et ß adrénergiques Les récepteurs de la dopamine les récepteur de la sérotonine les récepteurs de la morphine Les récepteur B de l‘acide γ aminobutyrique GABA

1) Récepteurs transmembranaires couplés à la proteine G À la face interne de la membrane plasmique 3 sous unités α; ß ; γ Les protéines G se distinguent entre elles par la sous-unité α Chaque type de α interagit avec un groupe de récepteur et active un effecteur donné. ß ; γ sont identiques à toutes les protéines G La sous unité α posséde: Site de liaison au récepteur Site de liaison à l’effecteur Site de liaison au GDP et GTP Structure d’encrage à la membrane selon le type de α ; on distingue plusieurs type de proteine G:

1) Récepteurs transmembranaires couplés à la proteine G Type de sous –unité α Proteine G αs Pro Gs αi αi1 Pro Gi αi2 αi3 αt αt1 Pro Gt αt2 αq Pro Gq αo Pro Go

S/unité α ++ Pr- G: Gs (stimulante) S/u αS (dans la + part des tissus) ou αolf (neuro-épithélium olfactif) Gi (inhibitrice) S/u αi1, αi2, αi3 Gt (transducine) C en batonnets de la rétine et en cônes phototransduction G0 (Other) SNC Gq Répartition large s/u

Cycle fonctionnel des récepteurs couplés à la protéine G

Cycle fonctionnel des récepteurs couplés à la pro G Au repos, le site catalytique de la sous unité alpha du trimére α; ß ; γ est occupé par une molécule de GDP. La liaison d’un agoniste au récepteur induit l’activation des proteine G concrétiser par une diminution de l’affinité de la sous unité pour GDP et augmentation de son affinité pour GTP Il se produit un échange entre le GDP préalablement fixé et le GTP cytosolique. La fixation du GTP induit la dissociation de alpha de ß ; γ et qui va interagir avec un effecteur; enzyme ou canaux ioniques pour générer des messagers intracellulaires. Cependant, le GTP est rapidement hydrolyser en GDP et alpha se trouve occupé par le GDP donc alpha va perdre son affinité pour l’effecteur et récupère son affinité pour ß ; γ et se ré –associe avec eux pour reformer le trimère à nouveau disponible pour un nouveau cycle d’activation.

1) Récepteurs transmembranaires couplés à la proteine G Type de sous –unité α Effecteur Pro Gs αs Adenylate-cyclase Pro Gi αi αi1 Adenyl-cyclase αi2 Canaux potassique Phospholipase C Phospholipase A2 αi3 Pro Gt αt Phosphodiestérase GMPc Pro Gq αq Pro Go αo Canaux calcique

1) Récepteurs transmembranaires couplés à la proteine G Récepteur membranaire/ pro G Adénylcyclase Phospholipase A2 et C Canaux ca2+ et K+ Effecteur Second messager IP3/DAG A . arachidonique AMPc Proteine kinase C Effecteur interne Proteine kinase A

1) Récepteurs transmembranaires couplés à la proteine G Adénylcyclase Proteine G Type de sous –unité α Effecteur Second messagers Pro Gs αs Adenylate-cyclase AMPc Pro Gi αi1 Adenyl-cyclase

Effecteurs et second messagers: 1) Système Adénylcyclase /AMP cyclique: Second messager Pro Gαi1 Certaines protéines G agissent sur une enzyme, l’adénylcyclase. Les unes la stimulent (Gs), les autres l’inhibent (Gi). L’adénylcyclase a pour effet la formation, à partir de l’ATP, d’une substance appelée « second messager », l’AMP-cyclique. Selon les cas, la stimulation du récepteur entraîne donc l’accroissement ou à la diminution de la formation du second messager. L’AMP-cyclique est capable d’activer des protéines kinases, ce qui aboutit, selon l’équipement cellulaire, à la division ou la différentiation de la cellule, à des transports ioniques, à la modification de l’excitabilité neuronale ou de la contractibilité musculaire ou du métabolisme, etc. L’échelle des temps est celle des minutes. L'AMP-cyclique est inactivée par transformation en AMP non cyclique grâce à des enzymes, les phosphodiestérases dont il existe plusieurs isoformes. Proteine kinase

Les cibles et les effets de l’AMPc Quelques effets liés à l’activation de l’AMPc: Augmentation de la lipolyse (augmentation de la lipase) Réduction de la synthèse de glycogène ( inactivation de la glycogène synthétase) Contraction des fibres cardiaques et des fibres musculaires lisses

αi2; αi3; αq Phospholipase A2 et C Système phospholipase C /inositol phosphate Diacyl glycérol αi2; αi3; αq Second messager Certaines protéines G activent ou inhibent des enzymes qui agissent sur des phospholipides membranaires : - lorsque l’enzyme est la phospholipase C, le second messager est l’inositol tri-phosphate (IP3). Celui-ci entraîne la libération de calcium intracellulaire qui est responsable, selon les cas, de la contraction du muscle lisse ou du myocarde, de sécrétions exocrines ou hormonales. La protéine G est activatrice (Gq) ou inhibitrice (Gi) - dans d’autres cas, le second messager est le diacétylglycérol (DAG) qui active des protéines kinases, responsables selon les cas, d’activation ou d’inhibition de libération d’hormones ou de neuromédiateurs, de contraction ou de relâchement de muscles lisses ou de substances jouant un rôle dans l’inflammation - lorsque l’enzyme est la phospholipase A2, le second messager est le GMC ; une « cascade » de réactions, aboutissant à la formation d’hormones locales, les eicosanoïdes = Acide arachidonique

Inositol triphosphate IP3 Phospholipase A2 et C La phospholipase C ( effecteur):catalyse la dégradation du phosphatidyl inositol diphosphate (PIP2) membranaire en inositol triphosphate IP3 cytosolique et diacyl glycérol DAG membranaire (2seconds messagers) Inositol triphosphate IP3 Agit sur un récepteur spécifique = canal calcique entrainant la sortie du Ca intracellulaire Diacyl glycérol DAG Le DAG et l’acide arachidonique active une proteine kinase C (PKC) liée à la membrane

αi2αi3αo 3) Canaux ioniques Dans ce cas, la protéine G agit directement, sur un canal ionique, sans l’intermédiaire d’un second messager. αi2αi3αo

2) Récepteurs membranaires assurant l’activité enzymatique La liaison du médicament modifie les propriétes de la cible moléculaire. Il en résulte une réaction ou réponse de la cellule. Cette réponse peut être plus particuliérement contractiles (muscle) , sécrétoire. Molécule qui reçoit l’information du récepteur et la transmet à d’autre structure de la cellule entraînant un effet pharmacodynamique ou une réponse sont de nature variée : enzymes; canaux ioniques l’ action du médicament sur sa cible conduit souvent à la modulation d’ un constituant cellulaire qui intervient dans le fonctionnement normal de la cellule: un second messager Mobilisation des second messagers conduit à 2 phénomènes: Phosphorylation des protéines cibles Activation des calciproteines Transduction : mécanisme de genèse d’un second messager intracellulaire à partir d’un ligand extracellulaire. Action délimitée au niveau de la membrane cytoplasmique. exemples: certains neuromédiateurs et hormones produisent comme second messagers intracellulaires (AMPc, IP3, Ca2+ …).

II. Récepteurs membranaires assurant l’activité enzymatique Ces récepteurs comportent une extrémité extracellulaire fixant le ligand Et une extrémité intra cytoplasmique douée d’activité enzymatique

Les récepteurs tyrosyl Kinase

A-Les récepteurs de l’insuline

2 s/u α extraC reliées / des ponts dissulfures à 2 chaînes β trans MB. Récep = dimère comportant 1 site de liaison pr l’insuline sur chaque chaîne α Partie intracellulaire des chaînes β comporte 1 domaine tyrosyl kinase et 7 résidus tyrosyls susceptibles d’autophosphorylation L’insuline Récp Dimérisation interaction entre les s/u α et β Rapprochement des domaines cytoplasmiques phosphorylation réciproque des s/u β sur des résidus tyrosyls au contact du cytoplasme.

2) Récepteurs membranaires assurant l’activité enzymatique Les récepteurs à activité Tyrosine-kinase : Ligands: les facteurs de croissance; l’insuline. Autophosphorylation du récepteur lui même (phosphorylation des résidus tyrosyl) et phosphorylation des protéines cytosolique

III-Les récepteurs canaux

3) Récepteurs membranaires assurant la fonction du canal ionique Ils sont activés par liaison des médiateurs. Ils comportent tous une proteine transmembranaire composé de sous-unités délimitant un canal ionique central Les ligands sont généralement des hormones; neuromédiateurs et des facteurs de croissances. Les canaux sont spécifiques des ions Na+, Ca 2+; K+ ; Cl _ Ils n’agissent pas par l’intermédiaire de second messager Les récepteurs canaux à activité cationique ( excitateur) Les récepteurs canaux à activité anionique (inhibiteurs)

3) Récepteurs membranaires assurant la fonction du canal ionique Les récepteurs canaux à activité cationique ( excitateur) Récepteur nicotinique de l’acétyl choline (ACH): Ils sont composés de 5 sous unités délimitant un canal ionique. Le domaine extracellulaire contient des sites de fixation de l’ACH (2 molécules). la fixation de L’ACH entraine l’ouverture du canal et l’entrée du Na+ dépolarisation propagation de l’influx nerveux excitation. Ils sont à action excitatrice en provoquant un potentiel d’action excitateur Ex: Récepteur nicotinique de l’acétyl choline Récepteur 5 HT 1 de la sérotonine Récepteur des acides aminés excitateur (aspartate et le glutamate)

3) Récepteurs membranaires assurant la fonction du canal ionique Les récepteurs canaux à activité anionique (inhibiteur) Ils sont perméables aux ion Cl _ Leur stimulation provoque une hyperpolarisation potentiel inhibiteur Ex: Récepteur A du GABA (Récepteur GABA-A) : Ce sont des hétéro pentamères délimitant un canal Cl _ Ce récepteur fixe 2 molécules du GABA à la fois La fixation du ligand entraine l’ouverture du canal l’entrée du Cl _ hyperpolarisation diminution du potentiel d’action

Les récepteurs nucléaires

II) Récepteurs nucléaires Ligands: Sont souvent de nature lipidiques Hormones stéroïdes: Hormones thyroïdiennes; vitamine D et A; Prostaglandine et prostacycline. Récepteurs: Protéines à localisation cytosolique (récepteur du cortisol) ou nucléaire Ils se lient à des régions promotrices des gènes pour augmenter ou réprimer leur transcription en ARNm Modification de la synthèse de protéines

Les protéines cibles assurant le passage transmembranaire des ions ou des médiateurs

Les canaux ioniques Les pompes ioniques

1) Les canaux ioniques dépourvus du rôle de récepteur Canaux Na+ Les canaux ioniques sont des protéines transmembranaires qui permettent le passage sélectif des ions. les canaux ioniques sont généralement cations sélectifs (Na+; Ca 2+ ;K+) ou anions sélectif (Cl_). On distingue: Voltage dépendant Voltage dépendant Canaux cationique Canaux K+ Activés par l’ion Ca2+ Il y a beaucoup d’autres types de canaux ioniques qui sont des cibles des médicaments bien qu’ils ne soient pas généralement classifiés comme des récepteurs puisqu’ils ne sont pas les cibles immédiates des neuromédiateurs. Le passage séléctif des ions s’éffectue lorsque la structure moléculaire du canal qui définit son état fonctionnel ( qui peut être au repos, activé ou inactivé) le permet Le passage d’un état de repos à un état activé sous l’influence d’une dépolarisation est rapide. Voltage dépendant Canaux Ca2+

Les médicaments peuvent être responsables: Mécanisme d’action des médicaments interagissant avec les canaux voltage dépendant Les médicaments se fixent sur un site de reconnaissance du canal ionique. Les médicaments peuvent être responsables: Une diminution de l’ouverture des canaux : D’une augmentation de l’ouverture des canaux par fixation sur le site de reconnaissance lorsque le canal est activé et maintenu dans cet état.

a) Les canaux sodiques Na+: Médicaments agissant sur las canaux Na+ 1) Les canaux ioniques dépourvus du rôle de récepteur a) Les canaux sodiques Na+: Ces canaux sont retrouvés au niveau des neurones, le cœur et les muscles striés. Ce sont des canaux dépendant du potentiel ou voltage dépendant. Ils sont responsable de la phase de dépolarisation du potentiel d’action des cellules excitatrices. Médicaments agissant sur las canaux Na+ Mode d’action Usage thérapeutique Cocaïne Procaine Inhibition des canaux Na+ Anesthésique local Quinidine Lidocaine phenytoine Anti arythmique cardiaque

b) Les canaux potassique K+: Les canaux potassique régulés via la concentration cytoplasmique du Ca ou ATP/ Les canaux potassique voltage-dépendant Ils interviennent dans la repolarisation membranaire ou la prolongation du potentiel d’action Ils sont activés par l’augmentation du Ca2+ cytosolique ou l’ATP.

Les médicaments agissant sur les canaux K+ Classe pharmacologique Molécule Mécanisme d’action Usage thérapeutique Anti arythmique Amidarone Inhibition des canaux K+ En cas d’arythmie hypoglycémiants Tolbutamide Glibenclamide Inhibition des canaux K+ entrainant la libération de l’insuline Diabète non insulino -dépendant

c) Les canaux calciques voltage-dépendant Rôle physiologique des canaux calciques: L’activation des canaux calcique déclenche: La sécrétion des neuromédiateurs au niveau des extrémités axonales Des phénomènes contractiles. Les médicaments agissant sur les canaux calciques Classification Molécule Usage thérapeutique Médicaments bloqueurs des canaux Ca2+ Dihydropiridine (Nifédipine; Nicardipine) Angine de poitrine Arythmie cardiaque Hypertension artérielle Arylalkylamine (Verapamil) Benzothiazépine (Diltiazem)

2) Les pompes ioniques Ce sont des systèmes actifs capables de transporter des ions de part et d’autres de la membrane cellulaire contre un gradient de concentration. Ce type de transport implique une source d’énergie. On distingue: Les systèmes dépendants d’une hydrolyse de l’ATP: Na+/K+ ATP ase K+/H+ ATP ase Ca2+ ATP ase Les systèmes dépendants d’un mouvement d’ion: Co-transport Na+/K+/Cl_ Co-transport Na+/K+

H+/ K+ ATPase de la cellule gastrique Les systèmes dépendants d’une hydrolyse de l’ATP H+/ K+ ATPase de la cellule gastrique C’est une proteine membranaire localisé au niveau des cellules pariétale des microvillosités de l’estomac. Elle transporte les ions H+ vers la lumière de l’estomac contre les ions K+. L’Oméprazole est un inhibiteur spécifique de cette pompe une diminution de l’acidité gastrique

C) Proteines–cibles à rôle enzymatique Utilisation thérapeutique Médicaments Utilisation thérapeutique Enzyme inhibée Type d’inhibition Acide acétyl salicylique/Indométacine Anti inflammatoire Cyclo oxygénase Irréversible Allopurinol Antigoutteux Xanthine oxydase réversible Captopril Anti hypertenseur Enzyme de conversion Méthotréxate Anti cancéreux Dihydrofolate réductase sélégiline antiparkinsonien mono amino oxydase B Réversible toloxatone Anti dépresseur mono amino oxydase A Réversibles