Le mécanisme de réplication est basé sur le fait que l'ADN est constitué d'une double hélice et que chaque brin est complémentaire de l'autre.
La transmission de l’information génétique se fait au moment de la mitose, mais la réplication proprement dite se fait avant.
Dans le cycle cellulaire des eucaryotes, on peut distinguer les trois phases: G1, S, et G2.
La réplication de l'ADN nucléaire a lieu lors de la phase S. Cet événement est repérable en soumettant la population de cellules (en tissus, ou en culture) à un marquage court avec de la 3H thymidine et en suivant, par autoradiographie, le devenir de ces cellules.
1) Découverte de l'ADN en tant que matériel génétique
* Expérience de Griffith (1912) puis d’Avery (1944) avec Pneumococcus
Griffith a utilisé deux souches de pneumocoques: la première souche est sauvage, ce sont des pneumocoques vivants et virulent c'est à dire qui tuent la souris. Ces pneumocoques peuvent être inactivés en les tuant par la chaleur, dans ce cas l'injection ne tue pas par la souris. La deuxième souche de pneumococces sont des mutants qui ont perdu une paroi de polysaccharides et de ce fait sont détruits par la souris, cette souche est a virulente. Si on mélange la souche inactivée par la chaleur (qui ne tue pas) à la souche avirulente (qui ne tue pas non plus) on observe la mortalité de la souris Conclusion de l'expérience: il existe un principe transformant dans la souche inactivée par la chaleur qui transforme la souche avirulente en souche virulente. Ce principe transformant provient de la souche mutante. * Avery a recherché le principe transformant. Il a séparé les différents composants de la souche inactivée et fait l'expérience précédente avec les composants de la bactérie. Il en est arrivé à la conclusion que le principe transformant est de l'ADN. Définition : la transformation d'une bactérie corespond à l'introduction d'un fragment d'ADN qui lui confère une nouvelle propriétée L'entrée d'ADN dans une cellule eucaryoteest appelé transfection simplement parce que les premier essais qui ont été effectués utilisait des virus recombinants, transfection vient d'infection. Le terme de transformation d'une cellule eucaryote était déjà utilisé, c’est la conversion de la cellule en un état de croissance non restreint en culture, ce qui ressemble ou est identique à un état tumoral. * Expérience de Hershey et Chase (1952) avec le phage T2 (un phage est un virus de bactérie). Ils ont infecté des bactéries avec des phages comportant de l'ADN marqué au 32P et des protéines marquées aus 35S. En séparant les bactéries du milieu, on s'appercoit que les bactéries sont marquées au 32P et que le 35S reste dans le milieu. L'ADN rentre dans les bactéries et non les protéines. Lorsque les phages se développent et lysent les cellules, l'ADN marqué est relargué dans le milieu. Conclusion : l'ADN assure la descendance. L'ADN est donc responsable de l'information génétique.
* En 1940 Linus Pauling et Max Delbrüch proposent que la duplication des gènes implique la synthèse de molécules complémentaires Cette hypothèse a été testée par Meselson et Stahl (1958) Ils ont utilisé la technique de centrifugation isopycnique pour séparer des molécules en fonction de leurs densité, pour séparer des molécules denses, des molécules moins denses. En cultivant E. coli en présence de 15N (isotope lourd de l'azote), la totalité de l'ADN incorpore du 15N qui est plus dense que celui avec 14N. En conséquence,l'ADN est lui même plus dense. En centrifugation isopycnique sur gradient de chlorure de césium, l’ADN migre jusqu'à sa densité. On observe une bande, si on charge un mélange de deux ADN, provenant de bactéries cultivées en présence de 15N et de 14N, on obtient deux bandes. Si on transfère les bactéries ayant poussé sur 15N sur un milieu 14N, on obtient à la première génération de l'ADN qui migre à une position intermédiaire. A la deuxième génération on obtient deux bandes correspondant à la bande légère et à la bande intermédiaire. L'information génétique est donc contenue dans l'ADN et la réplication est semi-conservative. Il restait alors à montrer comment une molécule peut se répliquer. Pour ce faire il fallait avoir une idée de la structure de l'ADN. * En 1930 des physicochimistes suedois démontrent que l'ADN est un polymère de 20 Å d'épaisseur. * En 1951 Edwing Chargaff remarque que la composition en bases de l'ADN varie selon les espèces. De plus il remarque que A = T et G=C (règle de Chargaff). * En 1950 le physicien Maurice Wilkins obtient un cliché aux rayons X identique à celui d'un cristal : l'ADN a donc une structure régulière * Rosalind Franklin obtient par la suite un cliché en croix caractéristique d'une structure en forme d'hélice. Mais le diamêtre de l'hélice (20Å était trop grand pour une seule chaine). * En 1953 Francis Crick et James Watson construisent un modèle sur les données de Rosalind Franklin: Ils en concluent que l'ADN est double brin:c'est une hélice, ce qui est en accord avec les résultats de Maurice Wilkins et Rosalind Franklin, la régle de chargaff est respectée, il y a possibilité de synthèse à partir d'une molécule complémentaire ce qui est en accord avec l'hypothèse de Pauling et Delbrüch. conclusion : l'ADN est le support de l'hérédité. Explication de l'expérience de transformation de Griffith et Avery 3) Initiation de la réplication Chez les bactéries comme chez les mammifères, les fourches de réplication vont par paires et avancent le plus souvent en direction opposée pour former ce que l’on appelle l'oeil de réplication. Le démarrage de la réplication se situe au niveau d'une séquence appelé: origine de réplication. Parmi les éléments importants dans la réplication, on peut considérer les éléments en cis, ceux qui sont au niveau ou à proximité du site d’initiation et les éléments en trans qui viennent d’ailleurs dans le génome. Chez E. coli, les éléments en cis sont représentés par une séquence de 250 bp qui est appelée origine de réplication du chromosome ou ori C. Les éléments en trans sont des protéines qui se lient à cette séquence. La première est la Dna A, 10-12 Dna A reconnaîssent une séquence sur l’origine de réplication (Dna A box) et cette liaison ouvre partiellement les deux brins. Deux autres protéines Dna B et Dna C, peuvent alors se lier sur l’origine, continuer à ouvrire les deux brins et permettre à une primase d’initier la réplication en synthétisant un petit ARN qui servira d’amorce à une DNA polymérase. La réplication d’un plasmide utilise les éléments en trans produits par le chromosome. Comment délimiter l’origine de réplication sur un plasmide ? on effectue des délétions progressives in vitro, puis on transforme des bactéries. Si le plasmide se réplique c’est qu’on a toujours une origine de réplication fonctionnelle, s'il ne se propage plus, on a éliminé une séquence importante dans la réplication. On défini ainsi la séquence minimum pour que le plasmide se maintienne dans la bactérie. Il faut associer un marqueur au plasmide pour différentier les bactéries transformées des non transformées. On utilise un gène de résistance aux antibiotiques, si après transformation, les colonies bactériennes se développent sur un milieu avec antibiotique, le gène de résistance est transcrit et traduit, donc le plasmide s’est répliqué. Comme les origines de réplication sont reconnue par des protéines d'initiation. Il y a donc une certaine spécificité, par exemple, une origine de réplication de bactérie n'est pas reconnue par la protéine d'initiation d'eucaryote. Donc si on introduit un plasmide bactérien dans une cellule eucaryote, il ne se réplique pas et se perd lors des division cellulaires Chez les eucaryotes, il doit exister des séquences spécifiques pour les origines de réplication. Elles ne sont connues que chez la levure (Saccharomyces cerevisiae) chez qui il existe des équivalent des plasmides bactériens. Les origines de réplication sont appelées: séquences ARS (Autonomous Replication Sequence) . Elles font 100 bp et sont composées de copies de 11 nucléotides: (A ou T)TTTAT(A ou G)TTT(A ou R) Pour les mettre en évidence on suit le même principe que pour les origines de réplication des plasmides. On utilise une levure mutante par exemple incapable de synthétiser l'uracile. Cette levure ne peut pas pousser sur un milieu dépourvu en uracile. On transforme ces levures à l'aide d'un plasmide contenant le gène manquant (URA3) chez le mutant et un morceau d'ADN de la levure. Si la levure pousse on récupère le plasmide dans E. coli et on regarde ce qu'il y a dans le morceau d'ADN de levure, dans l'insertion. C'est un exemple de clonage par complémentation. Les unités de réplication Ils existe une seule unité de réplication chez les bactéries et plusieurs unités de réplication chez les eucaryotes. Chez les eucaryotes, s'il n'y avait qu'une seule origine de réplication par chromosome, huit heures, la durée de la phase S, serait un temps trop court. En effet, la DNA polymérase eucaryote polymérise 50 nucléotides à la seconde. 1 Chr = 150 x 106 bp (en moyenne) / 50 = 3 x 106 s = 800 heures Il y a donc au moins une centaine origines de réplication, espacées de 30000 à 300000 pb. Pour qu’il y ait synthèse d’ADN, comme la réplication est semi conservative, il faut tout d’abord séparer les deux brins. Mais la double hélice est extrêmement stable, il faut la chauffer à une température d’environ 90°C pour séparer les brins ce qui n’est pas possible sans altérer les autres composant de la cellule. Lorsqu’on rencontre un tel problème, il y a une protéine. C’est l'ADN hélicase qui se fixe sur l a protéine d'initiation. Les ADN hélicases ont besoin d’énergie pour séparer les deux brins. Elles trouvent cette énergie en métabolisant de l’ATP, ce sont donc des ATPases. Elles se déplacent le long de la chaîne d'ADN monocaténaire et déroulent la double hélice. L’ADN se retrouve sous forme simple brin. Si sur le même brin, il y a des structures autocomplémentaires, capables de s’apparier (de s’hybrider), l’ADN va former des structures doubles brins, des structures en tige et boucle (hairpin loop). Pour éviter ce problème, il y a des protéines qui stabilisent l’ADN simple brin qui sont appelées les SSB protéines pour single-strand DNA-binding (SSB) proteins ou protéines de déstabilisation de l'hélice. Les SSB protéines ne recouvrent pas les bases donc n'empêchent pas le passage des DNApolymérases. La synthèse d'ADN est due à une ADN polymérase, mais cette dernière a besoin d’une amorce. Ce n'est pas le cas des ARN polymérase. Dans la transcription, l'ARN polymérase se fixe sur l'ADN sur un site qui dans ce cas est appelé promoteur, elle ne nécessite pas d'amorce. Un moyen de fabriquer une amorce est donc d’utiliser une RNA polymérase. De même dans la fourche de réplication, il existe une ARN primase qui catalyse de courtes amorces d'ARN (primer en anglais = amorce). Cette amorce est d’environ 10 nucléotides.A ce niveau, tout est prêt pour synthétiser l’ADN. Cette synthèse est due à une DNA polymérase qui catalyse le formation de liaisons entre le groupement OH en 3' du désoxyribose de l’amorce ou la chaîne en élongation et le phosphate a fixé sur le carbone 5' du dNTP. Il y a libération d'un pyrophosphate PPi qui est immédiatement hydrolysé (la polymérase ne peut donc pas désassembler et reformer dNTP). La polymérisation est donc unidirectionnelle (sens 5' vers 3'). La polymérase doit donner lieu à une réplication très fidèle (une erreur pour 109 copies de paires de base). Cette fidélité est assurer par le fait que la polymérisation nécessite une amorce. La polymérase ne peut pas assembler des dNTP si le dernier nucléotide à l’extrémité 3'-OH n’est pas apparié. En cas d’erreur, la polymérisation est bloquée, jusqu’à ce qu’une DNAse enlève le nucléotide non apparié. Ces DNAses qui digèrent l’ADN à partir de l’extrémité sont appelées des exonucléases. Cette activité exonucléase est portée par la polymérase, comme l’activité 3'5' exonucléase est plus faible que l’activité polymérase, la polymérisation l’emporte si il n’y a pas d’erreur. Par contre si la polymérisation est bloquée par une erreur, l’activité exonucléase l’emporte. C'est le premier mécanisme de correction pendant la réplication Cette action de correction explique le sens de la polymérisation de 5' vers 3'. L’énergie est donnée par les nucléotides triphosphates, dans l’autres sens de 3’ vers 5’, l’énergie serait donnée par le dernier nucléotide en 5’ de la chaîne en cours d’élongation. En cas d’erreur, l’excision du dernier nucléotide incorporé libérerait un 5’ monophosphate, et il n’y aurait plus d’énergie disponible pour continuer la polymérisation.. La polymérisation est très rapide (500 nucléotides/sec chez les bactéries - 50 nucl./s chez les mammifères). Les eucaryotes n'ont pas à répliquer que leur ADN mais aussi à synthétiser les protéines qui lui sont associées. Chez les eucaryotes, il y a aussi assemblage des protéines chromosomiques pour former la chromatine ce qui explique pourquoi la fourche progresse à 50 nucléotides par seconde. Les ADN polymérases, le primosome (primase et hélicase) et les SSB protéines forment une seule grande unité qui se déplace le long de l'ADN, permettant la synthèse de l'ADN sur les deux branches de la fourche d'une façon coordonnée et efficace. 4) L'élongation On appelle fourche de réplication l'endroit où les deux brins parentaux se séparent. Du fait que la polymérisatrion s'effectue dans le sens 5'>3', elle est asymétrique. On distingue la chaîne précoce ou brin principal de la chaîne tardive ou brin secondaire. Dans la chaîne précoce, le brin 5' vers 3' est polymérisé de façon continue, il n’y a pas de de problème, par contre la polymérisation de la chaine tardive est discontinue, il y a formation de fragments d'Okasaki (nom du biochimiste). La polymérisation de la chaîne tardive requiert plusieurs enzymes : - une DNA polymérase (différente de la DNA polymérase agissant sur le brin précoce) - une RNAse H ou une activité exonucléase Les brins d'ARN provenant de la primase sont enlevés soit par une activité 5'3' exonucléase de la polymérase soit par une RNAse (dans ce cas il s'agit d'une RNAse H) qui est capable de dégrader l'ARN lorsqu'il est hybridé à de l'ADN. - une ADN ligase pour liguer le fragment néosynthétisé et le fragment précédent. La topoïsomérase I Elle empêchent l'ADN de s'emmêler au cours de la réplication. Pour que la fourche avance, il faudrait ou bien dérouler la double hélice à la vitesse de la polymérase (500 nucléotides/sec chez les bactéries comme il y a 10 nucléotides par tour d’hélice, il faudrait faire 50 tours par seconde) mais ceci nécessiterait beaucoup trop d'énergie), ou bien faire une coupure transitoire d'un brin juste en aval de la fourche pour relacher de la tension. Dans ce cas, les 2 morceaux du brin, de part et d'autre de la coupure, pivotent librement l'un par rapport à l'autre. Ensuite une soudure doit avoir lieu avant la dissociation des deux brins dans la fourche de réplication. C'est le travail de la topoisomérase I qui fait unecoupure moncaténaire. Dans le site actif de cette enzyme, il y a une tyrosine qui se lie de façon covalente avec un phosphate de l'ADN et de ce fait romps la liaison phosphodiester. Elle retient l'énergie de cette liaison de sorte que la réaction réversible de soudure ne demande pas d'énergie. Réplication et transcription Qu'arrive t-il lorsque la polymérase rencontre un ARN polymérase engagée dans la transcription d'un gène ? Une fourche de réplication avance environ 10 fois plus vite que la RNA polymérase. Si elles vont dans le même sens soit la DNA polymérase attend soit elle déplace la RNA polymérase arrêtant la transcription du même coup. Si elles vont dans des sens opposés le conflit est plus sérieux et il semble qu'il n'ait pas été bien résolu au moins chez E. coli. Le génome des bactéries est répliqué à partir d'une seule origine et la réplication est bidirectionnelle. Presque tout les transcrits sont dans le sens de la fourche de réplication, toute les exceptions comprennent des transcrits rares et courts. 5) Fin de la réplication Il existe des endroits dans les génomes ou la réplication est ralentie, Ces ralentissement ont pour but de gérer les conflits entre la réplication et la transcription. D’autre part ces endroits sont souvent des sites préférentiels de recombinaison. Chez les bactéries, pour le chromosome comme pour les plasmides, la réplication s'arrête à un endroit situé à l'opposé de l'origine. Deux régions ont été identifiées sur le chromosome d’E. coli, terD, terA et terC, terB situé à environ 100 bp de chaque coté du point de rencontre. Elles marchent chacune dans un seul sens. Cet arrangement constitue une sorte de piège, si un fourche est retardée, elle est bloquée par ces séquences de terminaison. De nombreux génomes sont linéaires et en particulier le génome des cellules eucaryotes. Comment la réplication se termine au bout du chromosome, comment s'initie la réplication sur le brin tardif pour se faire jusqu'au bout ? Le brin tardif a besoin d'une amorce fabriquée par l'ARN primase. Cette amorce a elle même besoin d'une matrice. Au bout du chromosome il y aurait à chaque génération une perte de quelques nucléotides Quatre solutions différentes ont été adoptées pour résoudre ce problème. 1- Convertir l'ADN linéaire en une molécule circulaire. C'est le cas du phage l 2 - Au lieu d'être bien défini, l'extrémité du génome est variable, composées d'unité répétées d’une dizaine de bases, ajoutées par une télomérase qui rajoute des courtes séquences en 3'. C'est le cas adopté par les chromosomes eucaryotes. La réplication ne s’effectue pas jusqu’au bout mais ces répétitions n’ont pas d’importance, ne sont pas codantes, et sont rajoutées par la suite par la télomérase. 3- L'ADN peut former une structure inhabituelle, une boucle (hairpin) au bout reliant les derniers nucléotides si bien qu'il n'y a en fait pas de bout. C'est le cas par exemple du génome mitochondrial des paramécies (qui est linéaire) 4 - Une protéine est liée à l'extrémité du génome et rend possible l'initiation au dernier nucléotide. Ce cas a été trouvé chez le phage f29 ou l'adenovirus. Il y a aussi un problème avec les génomes circulaires, il faut séparer les deux ADN qui se retrouvent enlacés comme des anneaux. La topoïsomérase II fait une coupure bicaténaire . 6) Les corrections et la réparation de l'ADN Comment l'information génétique se transmet elle fidèlement? Comment y a til les quelques erreurs qui permettent l'évolution? Correction des épreuves. En plus de la première correction due à l’activité exonucléasique 3’5’de l’ADN polymérase, il existe une deuxième correction dite la correction sur épreuve. En effet, il reste des erreurs qui sont corrigées après la polymérisation Le système de correction des épreuves reconnaît une protubérance sur les brins d'ADN et est due à des endonucléases. La correction ne doit pas être faite sur le brin matrice, mais uniquement sur le brin en cours de polymérisation. Chez E. coli, il y a méthylation de tous les résidus A des séquences GATC. Cette méthylation n'a pas lieu immédiatement de sorte que le brin qui vient d'être synthétisé et qui doit être corrigé, est reconnu parce qu'il n'est pas méthylé. Il peut y avoir aussi des modifications de l'ADN après la réplication. le taux de ces modifications peut être augmenté par des agents qui sont alors appelés mutagènes. En effet si elles ne sont pas réparées ces modifications entraînent des mutations. 7) Une réplication particulière : le rolling circle Ce mode de réplication existe par exemple chez le phage l et le phage M13 La réplication d'un seul brin est utilisée pour générer des copies de certaines molécules circulaires. Un nick ouvre un brin ce qui produit une extrémité 3'OH. La polymérisation commence à cette extrémité 3' et le nouveau brin déplace le brin parental. Cette réplication est appelée "rolling circle" parce que la polymérisation peut se dérouler indéfiniment en tournant autour du brin matrice. La forme linéaire peut être soit maintenue sous forme simple brin (cas de M13) soit convertie en double brin par la synthèse du brin complémentaire (comme dans le phage l par exemple) exemple du phage M13 C'est un bactériophage de 6.4 kb, ADN simple brin, qui contient une dizaine de gènes. Il infecte seulement les bactéries qui expriment le pilus sexuel codé par le facteur F, il pénètre par le pilus, la capside est retirée et l'ADN est transféré dans le corps principal de la bactérie. Ce brin d'ADN (appelé brin +) est alors converti en double brin circulaire appelé RF DNA (forme replicative). Cette conversion est due à des enzymes bactériens, une RNA polymérase initie la réplication qui est effectuée par une DNA polymérase. La transcription des gènes viraux peut alors avoir lieu. La protéine produit du gène II introduit un nick à un site spécifique du brin +, plus il y a de formes réplicative, plus il y a de protéine produit du gène II, si bien qu'à partir d'une certaine quantité de plasmide, ils sont tous ouverts. Une DNA polymérase ajoute des nucléotides en 3' en déplaçant le brin + originel. Une fois qu'un tour a été fait, le produit du gène II coupe au même endroit, libérant un brin linéaire qui est alors recircularisé. Au début de l'infection ce brin est de nouveau transformé en forme réplicative mais lorsqu'il y a beaucoup de forme réplicative, le produit du gène V (SSB single strand binding protein) s'accumule. Il y a production presque uniquement de forme simple brin. La balance entre les deux formes, double brin et simple brin dépend donc de la concentration en ADN double brin du phage, qui par transcription produit la protéine II responsable du nick à l'origine de la réplication en rolling circle et produit les SSB protéines qui stabilisent le simple brin empêchant la synthèse du brin complémentaire. Le DNA n'est pas encapsidé dans une structure préformée comme les autres bactériophages. Ils sont simplement couverts des protéines de la capside lorsqu'il sort de la bactérie. Ceci implique qu'il n'y a pas de limitation dans la taille de l'ADN simple brin. Il n'y a pas de lyse de la bactérie si bien qu'elle continue à pousser (plus doucement) en produisant des phages qui atteigne le nombre de 1012 par ml de culture. Le phage l C'est un virus à ADN double brin, linéaire de 50 kb avec à ses deux extrémités 12 nucléotides simple brin complémentaires (extrémité cohésives ou cos). Il se fixe sur le récepteur lamB qui permet l'absorption de maltose par la bactérie, seul l'ADN rentre dans la bactérie. A l'entrée dans la bactérie, les extrémités cohésives s'hybrident et l'ADN est ligé par une ligase d' E. coli. Là, il y a deux possibilités soit un cycle lysogénique avec intégration de l'ADN du phage dans le génome soit un cycle lytique.. Il y a tout d'abord réplication bidirectionnelle (forme q) ce qui augmente la quantité de DNA dans la bactérie puis la réplication devient unidirectionnelle (rolling circle) produisant un ADN linéaire ou les phages se suivent. L'ADN linéaire est empaqueté dans la tête du phage et est coupé au niveau des extrémités cos. Ensuite la queue du phage est assemblée. injection dans la bactérie circularisation Ce mode de réplication est utilisé pour les ADN circulaire comme par exemple les phages. Mais il est aussi utilisé dans les génomes eucaryotes comme par exemple pour amplifier l'ADN ribosomique de l'ovocyte du xénope, les gènes codant pour l'ARN ribosomique sont organisés en répétitions. Une unité est convertie en rolling circle, le brin néoformé est converti en double brin et les deux extrémités sont jointes pour générer un grand cercle d'ADN amplifié. 8) Régulation de la réplication. Exemple de la régulation du nombre de copies de plasmides Cette régulation est liée au phénomène d'incompatibilité. Certains plasmides sont incapables de coexister dans une bactérie, on dit qu'ils appartiennent au même groupe de compatibilité. Le contrôle du nombre de copies est due à la synthèse d'un répresseur qui mesure la concentration d'origine de réplication. Le système d'incompatibilité le mieux connu est celui du plasmide ColE1, qui est maintenu au niveau de 20 copies par cellules chez E. Coli. La réplication démarre avec la transcription d'un ARN qui démarre à 555 bp en amont de l'origine de réplication et la transcription continue à travers l'origine de réplication. Une RNAse coupe le transcript à l'origine libérant une extrémité 3' libre hybridée à l'ADN. Cette extrémité 3' est utilisée par l'ADN polymérase comme amorce. Le système de régulation implique une hybridation ARN/ARN. L'ARN est une molécule de 108 bases codée par le brin complémentaire de l'ARN servant d'amorce. L'hybridation de cet ARN avec l'ARN amorce inhibe la coupure par la RNAse H vraissemblablement en changeant la structure secondaire de l'ARN amorce. Comme le petit ARN agit sur tout les plasmides, il régule la quantité de plasmide présent dans la bactérie. On considère ici que le grand ARN est un régulateur positif et le petit un régulateur négatif comme dans le cas de l'atténuation de la transcription. De plus le système de régulation implique une protéine. L'hybridation des deux ARN est influencée par une protéine, la protéine Rom. Cette protéine favorise l'hybridation des deux ARN et donc régule négativement la réplication .
lundi 15 mars 2010
samedi 13 mars 2010
L’HEMOSTASE
Objectifs
Être capable de :
• Définir l’hémostase
• Expliquer les mécanismes de l’hémostase primaire
• Expliquer les mécanismes de l’hémostase secondaire
• Définir et expliquer la fibrinolyse
• Expliquer le rôle des inhibiteurs physiologiques de la coagulation
• Donner des exemples en terme d’hypercoagulabilité et d’hypocoagulabilité
• Donner les normes des examens qui permettent l’exploration primaire et l’exploration secondaire =coagulation
Introduction
Le sang est composé d’un liquide = plasma et d’éléments figurés du sang = globules rouges, globules blancs, plaquettes. C’est au niveau du plasma (facteur de coagulation) et des plaquettes que se trouvent les mécanismes qui sont capables de transformer une masse liquide (sang) en une masse solide : ce phénomène s’appelle la coagulation. Elle va s’associer à des modifications vasculaires. L’ensemble est désigné sous le nom de hémostase = arrêt de l’hémorragie.
I – Définition de l’hémostase
C’est l’ensemble des phénomènes qui aboutissent à l’arrêt d’une hémorragie (lésions d’un petit ou gros caillot)
II – Mécanisme de l’hémostase
L’hémostase se déroule en plusieurs temps (3) qui s’imbriquent entre eux.
La réaction de l’organisme est différente selon la lésion :
• Vaisseaux capillaires → rapide (temps primaire)
• Vaisseaux gros calibre → temps primaires et secondaire voire tertiaire
Formation d’un caillot par mécanismes de défense.
A – Hémostase primaires
Elle correspond à l’ensemble de mécanismes qui va aboutir à la formation du clou plaquettaire.
1 – Temps vasculaire = temps pariétal
Il y a blessure d’un vaisseau → mécanismes. La paroi du vaisseau et des plaquettes va se modifier. La lésion
se situe au niveau des capillaires ou des vénules = rétraction ou des artères = vasoconstriction des
vaisseaux (se serrent) → le flux sanguin diminue = il ralentit la circulation.
2 – Temps plaquettaire
Les vaisseaux sont visés = blessures : les plaquettes adhèrent au collagène du tissu conjonctif de ce vaisseau = adhésion plaquettaire. Elles s’agrègent entre elles pour former un amas qui va obstruer cette brèche = clou plaquettaire = thrombus blanc : agrégation plaquettaire au niveau du tissus conjonctif. Cette agrégation est due à la libération de l’ADP (Adésine DiPhosphate) qui vient des cellules lésées. L’amas de plaquettes libère la sérotonine et à un rôle de vasoconstriction. C’est l’étape avant la coagulation.
B – Hémostase secondaire
Le temps plasmatique = temps de coagulation constitue la coagulation proprement dite et fait intervenir de nombreux facteurs de coagulation allant de 1 à 12. Ces facteurs sont des protéines. Cette coagulation aboutit à la formation d’un thrombus rouge = caillots de fibrine enserrant dans ses mailles les globules
rouges = hématies = érythrocytes qui viennent renforcer le clou plaquettaire. La coagulation est due à la transformation de la fibrine (protéine) qui s’est trouvé transformé par le fibrinogène qui lui s’est trouvé transformé par un élément supérieur = thrombine (enzyme) activée par la prothrombine (foie) activée par
la thromboplastine (dans le foie) : c’est une réaction en chaîne. C’est la cascade de la coagulation.
Ce phénomène est lié à 3 processus étroitement liés :
• La thromboplastinoformation
La transformation de la prothrombine en thrombine fait intervenir un ensemble complexe d’activateurs. Elle résulte de 2 systèmes que l’on appelle le système de thromboplastine différent mais tous les 2 sont nécessaires. Il existe 2 voies d’activation : endogène (vaisseaux) et exogène (tissus)
La thromboplastine intrasèque ou intravasculaire ou voie endogène est déclenchée par l’attrition vasculaire = lésion vasculaire. Elle fait intervenir le facteur contact = facteur XII puis une succession de processus enzymatique jusqu’à l’activation du facteur X. En parallèle, la thromboplastinoformation extrinsèque ou voie exogène ou tissulaire fait intervenir des sucs tissulaires qui sont extraits (cerveau, placentas) et sont libérés au niveau de la blessure et vont
accélérer la coagulation pour que les sucs tissulaires soit actifs. Ils doivent réagir à un facteur normal du plasma = facteur VII : c’est la proconvertine. Ce facteur VII active le facteur X = facteur Stuart (et en même temps la voie endogène est activée) et va s’associer à un autre facteur :
le facteur V = proaccélérine.
• La thrombinoformation
Le facteur X et le facteur V sont combinés et activés + calcium. Ils vont aller activer la prothrombinase (protéine) qui se transforme en prothrombine qui elle se transforme en thrombine.
• La fibrinoformation
La fibrine instable devient stable par le facteur VII et se transforme en fibrinase et se transforme en fibrinogène (facteur I) par la thrombine.
Rétraction du caillot. C’est la dissolution du caillot au bout de 72 h : elle est due à l’action enzymatique plasmatique, la plasmine = la fibrinolysine.
III – Les inhibiteurs physiologiques de la coagulation
Ils sont stables dans le plasma et se renouvellent très rapidement selon le facteur. La synthèse des facteurs se situe au niveau du foie. Une fois les facteurs de coagulation activés, ils sont très vite détruits au niveau du foie et aussi dans la circulation par des inhibiteurs, le principal étant l’antithrombine III sécrétée dans le tissu conjonctif. L’héparine des tissus conjonctifs + antithrombine III = coagulation.
IV – Déséquilibres possibles
A – Hypercoagulabilité = sang trop épais
Elle prédispose à des pathologies comme des thromboses avec des migrations d’emboles. Elle est traitée
par une thérapeutique = anticoagulation par contre à la fibrinolyse on utilise des fibrinolytiques.
B – Hypocoagulabilité = sang trop fluide
Elle prédispose aux hémorragies (ex : hémophilie = absence de facteur VIII et / ou de facteur IX)
C – La fibrinolyse = dissolution = cicatrisation en cours
V – L’étude biologique de la coagulation
A – Exploration primaire
Examen : temps de saignement = temps de formation du clou plaquettaire
Norme : 2 à 4 min
Examen : numération des plaquettes. Fonctionnelles ou pas ? Quel taux ?
Norme : 150 000 à 400 00 / mm3 ou 150 à 400 G / L
B – Exploration secondaire
Examen : TCA = Temps de Céphaline Activée. Il explore la voie endogène qui va aboutir à l’activation du
facteur X.
Norme : 30 à 40 s
Examen : taux de prothrombine qui explore la voie exogène
Norme : 80 à 100 % de plaquettes
Examen : prise de sang : activité anti-XA – activation de l’antithrombine III
Norme : TP patient / TP témoin (80 à 100 %) = 1 (taux de prothrombine)
Liste des différents facteurs :
• Facteur I : fibrinogène
• Facteur II : prothrombine
• Facteur V : proaccélérine
• Facteur VII : proconvertine
• Facteur VIII : anti-hémophilique A
• Facteur IX : anti-hémophilique B
• Facteur X : Stuart
• Facteur XI : PTA = Plasma Thromboplastine Antécédent
• Facteur XIII : facteur stabilisant la fibrine
L’insuline, hormone de la nutrition
INTRODUCTION
Le rôle capital joué par le pancréas dans l’homéostasie glucidique a été élucidé en 1899 par Von Mering et Minkowsky mais ce n’est qu’en 1922 que l’insuline fut employée en thérapie humaine afin de remédier à la mortalité induite par le diabète de type 1. La connaissance de la fonctionnalité des cellules productrices d’insuline a progressé grâce aux techniques de dosages radio-immunologiques et d’isolement des îlots de Langerhans. La localisation de ces cellules de type B est typique. Dans un îlot, les cellules ,B sont distribuées au centre et représentent 70 à 75 % du total cellulaire (il existe des différences interspécifiques: chez le cheval, au contraire, elles sont situées en périphéries). L’ultrastructure révèle dans le cytoplasme des granulations orienté vers le pôle d’un capillaire, elles sont dites b: ces granulations comportent un large halo et un coeur cristallin dont l’aspect est du au parallélisme des molécules qu’il contient. Ces granules constituent la réserve insulinique de l'ilôt. La molécule d'insuline se compose de deux chaînes polypeptidiques unies par des pont disulfures. Cette conformation résulte des modalités de sa synthèse. L'insuline est sécrétée ors des cellules B en même temps que le peptide - c, une molécule au rôle mal connu. Le gène de l'insuline s'exprime dans les cellules B des îlots de Langerhans du pancréas.
BIOSYNTHESE DE L’INSULINE
La biosynthèse de l'insuline s'amorce dans le noyau des cellules B, à partir de l'information contenue dans le code génétique, située sur le chromosome 11, et son parcours intracellulaire se poursuit dans le réticulum endoplasmique rugueux après la transcription en ARN du gène codant pour une grosse molécule précurseur: la pré-pro-insuline qui a une durée de vie courte. L'ARNm traduit et exporté dans le cytoplasme transfère aux ribosomes situés à la surface des citernes formant le réseau complexe du réticulum, les informations nécessaires pour assembler les acides aminés constituant la pré-pro-insuline. Le segment "pré" coupé par des enzymes, synthétisés par d'autres ribosomes, est responsable de la migration de la chaîne protéique en cours d'assemblage vers l'intérieur des cavités du réticulum endoplasmique rugueux. La molécule de pré-pro-insuline est alors transformée en pro-insuline (86 acides aminés, poids moléculaire » 9000) contenant les chaînes d'acides aminés qui donneront l'insuline (51 acides aminés, poids moléculaire » 6000), plus un segment, le peptide de connexion ou peptide-c (31 acides aminés, poids moléculaire » 3000) reliant la fin de la chaîne A au début de la chaîne B. Dans le reticulum, les molécules de pro-insuline s’associent en hexamères, ceci nécessitant la présence de zinc. La structure de la pro insuline est représentée sur le schéma
La proinsuline, vraisemblablement liée à des récepteurs, ainsi que des enzymes de coupure, sont transférées à l'intérieur de petites vésicules vers la citerne cis de l'appareil de Golgi, c'est-à-dire le pôle le plus proche. La partie extrême de cette citerne bourgeonne. Elle constitue des vésicules qui vont migrer selon un mode de transport régulé et rejoindre la citerne trans, située au pôle le plus éloigné, pour fusionner avec elle. Les extrémités dilatées sont caractérisées par la présence, à la surface externe de leur membrane, d'une couche de fins filaments composés d'une protéine appelée clathrine que l'on trouve souvent associée aux membranes cellulaires lorsque celles-ci entrent en mouvement, notamment lors de la formation de vésicules membranaires. Ces extrémités se détachent pour produire les vésicules sécrétoires "épineuses" (ou "recouvertes"), riches en proinsuline. Le contenu est relativement peu dense et occupe tout l'espace limité par la membrane. A l'intérieur de ces vésicules, la proinsuline subit l'attaque des enzymes qui commencent à couper le peptide-c pour former l'insuline. "Ces enzymes de conversion" ont une activité trypsinique et carboxypeptidasique B. Ce processus s'accompagne d'une acidification du contenu vésiculaire et du détachement du revêtement de clathrine. Le deuxième type de vésicules sécrétoires apparaît. Elles sont donc dépourvues de clathrine, plus nombreuses et dispersées dans tout le cytoplasme. Leur contenu très dense est séparé de la membrane par un halo clair. On les appelle vésicules sécrétoires lisses (ou "non recouvertes"). Elles contiennent essentiellement l'insuline et le peptide-c en quantité équivalente et un peu de proinsuline résiduelle non coupée. Le contenu hormonal des vésicules n'est libéré de la cellule B que lorsque celle-ci est stimulée par un signal approprié, en l'occurrence une augmentation de la concentration en glucose sanguin. Cependant, toute l'insuline synthétisée n'est pas sécrétée, constituant un pool de base. Certaines vésicules lisses, lors de la migration vers la membrane cellulaire, rencontrent des lysosomes, organites de dégradation cytoplasmique, qui détruisent l'insuline. Les cellules B ne libèrent l'insuline dans le sang qu'après avoir franchi la barrière formée par les membranes imperméables: la membrane limitant la vésicule sécrétoire s'approche de la membrane cellulaire, entre en contact, puis fusionne avec elle. Par ce mécanisme dit d'exocytose, l'insuline quitte la cellule, passe dans les capillaires sanguins et se distribue par la circulation pour agir sur les divers organes cibles. La sécrétion d’insuline s’établit selon deux modes: continu pour maintenir un taux basal d’insuline circulante et stimulé en réponse à un signal tel que l’absorption d’aliments. Ce deuxième mode est biphasique: Tout d’abord une phase précoce liée à la libération de l’insuline stockée puis une phase tardive, post prandiale, correspondant à la libération de l’insuline nouvellement synthétisée.
DES EFFETS VARIES, PUISSANTS ET GENERAUX MODIFIANT LE METABOLISME
Les effets de l'insuline sont multiples car ils concernent à la fois le métabolisme (anabolisme) des trois familles de nutriments: glucides, lipides et protides essentiellement au niveau du foie, du tissu adipeux et du muscle. Au niveau glucidique, sa principale activité est de favoriser l'entrée du glucose dans les cellules des tissus insulinosensibles. Au niveau de ses cellules cibles, cette hormone facilite la pénétration du glucose dans le cytoplasme en augmentant la perméabilité de leur membrane au moyen d'un recrutement de récepteurs au glucose GLUT4. L'insuline stimule l'enrichissement de la membrane plasmique en transporteurs GLUT4. Pour cela, des vésicules contenant les transporteurs fusionnent avec la membrane. Une autre hormone d'origine intestinale, le GLP-1, est également capable d'augmenter le nombre de récepteurs GLUT4 (et GLUT 1) sur les adipocytes, du moins in vitro. De façon moins marquante, l’insuline inhibe aussi l’endocytose de GLUT4. Au niveau des cellules hépatiques, l’insuline stimule la glycogenèse c'est-à-dire le stockage du glucose sous forme de glycogène dont elle inhibe la dégradation par stimulation de l’activité glycogène synthase. L’insuline stimule l'utilisation du glucose par la glycolyse ou son oxydation par la voie des pentoses-phosphate et s'oppose à la fabrication de glucose à partir d'acides aminés gluco-formateurs (néoglucogénèse) et à la sortie du glucose du foie. Cette hormone inhibe la production du glucose en diminuant la glycogénolyse par inhibition de la glycogène phosphorylase. Dans les cellules musculaires, l’insuline favorise le transport membranaire et la conversion du glucose en glycogène par activation de la glucose 1 phosphate uridyl transférase, de la voie des pentoses et du cycle de Krebs. La stimulation de la sécrétion d’insuline est sous le contrôle principal des enzymes glucokinase (GK) et glucose 1,6 diphosphatase métabolisant les hexoses. La glucokinase joue un rôle prépondérant à ce niveau: des souris transgéniques exprimant plusieurs copies du gène de la GK ont une glycémie diminuée alors que les humains atteints de MODY-2 possédant moins de gènes fonctionnels sont hyperglycémiques. La production d’insuline chez les animaux transgéniques “multi-GK” est cependant réduite car il y a compensation hépato-pancréatique: alors que le foie peut utiliser plus facilement le glucose, la sécrétion d’insuline diminue, ce qui a pour effet de contrer la pénétration du glucose et de maintenir la glycémie à un taux certes inférieur de 20 à 30 % à celui des animaux normaux, mais qui reste acceptable. La glucokinase apparaît donc bien comme une enzyme clef de la régulation de l’activité des cellules B. Les oses non métabolisées par son entremise comme le galactose, le ribose ou le xylose sont sans effets sur la cellule B. Les acides aminés lysine et alanine constituent également deux puissants sécrétagogues insuliniques. Il faut ajouter à cette liste une stimulation nerveuse, vagale (que l’on peut bloquer par l’atropine) et par le glucagon son antagoniste. La présence de NO synthase et d’héme oxygénase dans les cellules endocrines insulaires laisse également entrevoir une action possible, paracrine ou neurocrine, du NO ou du CO comme modulateurs des sécrétions hormonales pancréatiques (en agissant peut être sur l’activité de la guanylyl cyclase). Au niveau lipidique, l’insuline exerce une action anti-lipolytique en diminuant la libération des acides gras libres et du glycérol du tissu adipeux. Ce tissu se révèle particulièrement sensible à l’action de cette hormone, qui y exerce ces effets avec des concentrations plasmatiques de 7 à 10 fois inférieures à celles nécessaires à ses autres actions. Dans les adipocytes, elle favorise la captation des triglycérides en augmentant l’activité de la lipoprotéine lipase et augmente la synthèse de ces derniers à partir du glucose ou de l’acétate. L’entrée des lipoprotéines sériques dans ces cellules est également stimulée par l’insuline. Cette hormone favorise, au niveau hépatique, la synthèse des acides gras libres et l’estérification des triglycérides. Enfin, elle agit comme régulateur de la concentration des corps cétoniques circulant en diminuant leur libération par le tissu adipeux et l’oxydation des acides gras libres et de l’acétyl CoA et en augmentant la consommation des corps cétoniques au niveau musculaire.Au niveau protidique, L’insuline est responsable de du maintien de la balance azotée. Elle exerce son action anabolique au niveau musculaire et hépatique selon deux voies: - stimulation de la synthèse protéique à partir d’acides aminés plasmatiques (effets dépendant de l’AMP cyclique) - inhibition du catabolisme protéique (diminution de la synthèse d’urée) et de la gluconéogénèse à partir d’acides aminés glucoformateurs. En plus de ces effets anaboliques, l’insuline joue un rôle de facteur de croissance: elle stimule la prolifération des cellules épithéliales de la bordure en brosse de l’intestin humain (jejunum et colon) au cours de l’embryogénèse. Pendant la croissance, l’insuline agit en stimulant la formation de somatomédines, polypeptides de faible poids moléculaires,médiateurs de l’effets de l’hormone de croissance. Certaines de ces somatomédines stimulent la prise de sulfate par le cartilage et possèdent de plus un effet insulinique sur le tissu adipeux et le muscle. Elles ont été nommées IGF 1 et 2 (Insulin Growth Factor). Elles ont été suspectées d’intervenir dans le déclenchement de certains cancers du colon. Influence de l’insuline sur différents tissus .
DES EFFETS DISCRETS MAIS IMPORTANTS SONT MIS EN LUMIERE PAR L’ETAT DIABETIQUE
L’étude in vivo et in vitro des conséquences de l’état diabétique ou des troubles insuliniques qui lui sont associés (résistance à l’insuline, hyperinsulinémie transitoire, insulinopénie, toxicité du glucose par trop abondant) a mis récemment en lumière des effets nouveaux pour cette hormone pourtant connue de longue date: • Chez certains individus, l’insuline inhibe la lipolyse et l’agrégation plaquettaire • L’insulino résistance et l’hyperinsulinémie qui la caractérise sont à l’origine d’une intensification des conditions pro-thrombiques: agrégation plaquettaire facilitée, inhibition de la fibrinolyse et dyslipidémie créant des conditions favorables à une coagulation sanguine inappropriée. • L’hyperinsulinémie est également à l’origine d’une intensification des processus d’oxydation avec formation de radicaux très réactifs. • La thermogenèse est inhibée • L’insuline contribue a une élévation de la pression artérielle: au niveau rénal, elle est en effet à l’origine d’une rétention de sodium et d’acide urique, qui se retrouve d’ailleur dans le sang. • Les membranes cellulaires de tissus insulinosensibles ou non ont tendance a être hyperpolarisées par cette hormone. Il en résulte des perturbations des phénomènes de conduction électrique membranaire avec des conséquences au niveau sensitif (perturbation des barorécepteurs) et cardiaque (allongement de la période réfractaire). • Un effet vasodilatateur de l’insuline a parfois été rapporté, en liaison avec les pompes transmembranaires à sodium/potassium et le calcium intracellulaire. • L’insuline agit également au niveau du système nerveux central, traversant la barrière hémato-encéphalique, pour y déclencher des effets correspondant à une réaction de stress: stimulation du CRF entraînant l’activation du système de la proopiomélanocortine (système d’adaptation au stress), excitation sympathique, inhibition vagale. L’étendue de ces effets métaboliques démontre l’importance de l’insuline et son indispensable présence pour le maintient du fonctionnement de l’organisme. Cette hormone joue de plus chez les organismes inférieurs un rôle important dans les phénomènes de vieillissement ou de suspension du métabolisme: on a ainsi pu montrer que chez le nématode Caenorhabditis elegans la régulation de l’activité métabolique globale est sous la dépendance de molécules présentant une forte homologie avec l’insuline, ses facteurs de croissance et son récepteur. L’insuline est donc une molécule apparue et conservée depuis près de 800 millions d’années dans le monde animal, et cela confirme sa très grande importance pour le maintien de la vie.
BIOSYNTHESE DE L’INSULINE
La biosynthèse de l'insuline s'amorce dans le noyau des cellules B, à partir de l'information contenue dans le code génétique, située sur le chromosome 11, et son parcours intracellulaire se poursuit dans le réticulum endoplasmique rugueux après la transcription en ARN du gène codant pour une grosse molécule précurseur: la pré-pro-insuline qui a une durée de vie courte. L'ARNm traduit et exporté dans le cytoplasme transfère aux ribosomes situés à la surface des citernes formant le réseau complexe du réticulum, les informations nécessaires pour assembler les acides aminés constituant la pré-pro-insuline. Le segment "pré" coupé par des enzymes, synthétisés par d'autres ribosomes, est responsable de la migration de la chaîne protéique en cours d'assemblage vers l'intérieur des cavités du réticulum endoplasmique rugueux. La molécule de pré-pro-insuline est alors transformée en pro-insuline (86 acides aminés, poids moléculaire » 9000) contenant les chaînes d'acides aminés qui donneront l'insuline (51 acides aminés, poids moléculaire » 6000), plus un segment, le peptide de connexion ou peptide-c (31 acides aminés, poids moléculaire » 3000) reliant la fin de la chaîne A au début de la chaîne B. Dans le reticulum, les molécules de pro-insuline s’associent en hexamères, ceci nécessitant la présence de zinc. La structure de la pro insuline est représentée sur le schéma
La proinsuline, vraisemblablement liée à des récepteurs, ainsi que des enzymes de coupure, sont transférées à l'intérieur de petites vésicules vers la citerne cis de l'appareil de Golgi, c'est-à-dire le pôle le plus proche. La partie extrême de cette citerne bourgeonne. Elle constitue des vésicules qui vont migrer selon un mode de transport régulé et rejoindre la citerne trans, située au pôle le plus éloigné, pour fusionner avec elle. Les extrémités dilatées sont caractérisées par la présence, à la surface externe de leur membrane, d'une couche de fins filaments composés d'une protéine appelée clathrine que l'on trouve souvent associée aux membranes cellulaires lorsque celles-ci entrent en mouvement, notamment lors de la formation de vésicules membranaires. Ces extrémités se détachent pour produire les vésicules sécrétoires "épineuses" (ou "recouvertes"), riches en proinsuline. Le contenu est relativement peu dense et occupe tout l'espace limité par la membrane. A l'intérieur de ces vésicules, la proinsuline subit l'attaque des enzymes qui commencent à couper le peptide-c pour former l'insuline. "Ces enzymes de conversion" ont une activité trypsinique et carboxypeptidasique B. Ce processus s'accompagne d'une acidification du contenu vésiculaire et du détachement du revêtement de clathrine. Le deuxième type de vésicules sécrétoires apparaît. Elles sont donc dépourvues de clathrine, plus nombreuses et dispersées dans tout le cytoplasme. Leur contenu très dense est séparé de la membrane par un halo clair. On les appelle vésicules sécrétoires lisses (ou "non recouvertes"). Elles contiennent essentiellement l'insuline et le peptide-c en quantité équivalente et un peu de proinsuline résiduelle non coupée. Le contenu hormonal des vésicules n'est libéré de la cellule B que lorsque celle-ci est stimulée par un signal approprié, en l'occurrence une augmentation de la concentration en glucose sanguin. Cependant, toute l'insuline synthétisée n'est pas sécrétée, constituant un pool de base. Certaines vésicules lisses, lors de la migration vers la membrane cellulaire, rencontrent des lysosomes, organites de dégradation cytoplasmique, qui détruisent l'insuline. Les cellules B ne libèrent l'insuline dans le sang qu'après avoir franchi la barrière formée par les membranes imperméables: la membrane limitant la vésicule sécrétoire s'approche de la membrane cellulaire, entre en contact, puis fusionne avec elle. Par ce mécanisme dit d'exocytose, l'insuline quitte la cellule, passe dans les capillaires sanguins et se distribue par la circulation pour agir sur les divers organes cibles. La sécrétion d’insuline s’établit selon deux modes: continu pour maintenir un taux basal d’insuline circulante et stimulé en réponse à un signal tel que l’absorption d’aliments. Ce deuxième mode est biphasique: Tout d’abord une phase précoce liée à la libération de l’insuline stockée puis une phase tardive, post prandiale, correspondant à la libération de l’insuline nouvellement synthétisée.
Les effets de l'insuline sont multiples car ils concernent à la fois le métabolisme (anabolisme) des trois familles de nutriments: glucides, lipides et protides essentiellement au niveau du foie, du tissu adipeux et du muscle. Au niveau glucidique, sa principale activité est de favoriser l'entrée du glucose dans les cellules des tissus insulinosensibles. Au niveau de ses cellules cibles, cette hormone facilite la pénétration du glucose dans le cytoplasme en augmentant la perméabilité de leur membrane au moyen d'un recrutement de récepteurs au glucose GLUT4. L'insuline stimule l'enrichissement de la membrane plasmique en transporteurs GLUT4. Pour cela, des vésicules contenant les transporteurs fusionnent avec la membrane. Une autre hormone d'origine intestinale, le GLP-1, est également capable d'augmenter le nombre de récepteurs GLUT4 (et GLUT 1) sur les adipocytes, du moins in vitro. De façon moins marquante, l’insuline inhibe aussi l’endocytose de GLUT4. Au niveau des cellules hépatiques, l’insuline stimule la glycogenèse c'est-à-dire le stockage du glucose sous forme de glycogène dont elle inhibe la dégradation par stimulation de l’activité glycogène synthase. L’insuline stimule l'utilisation du glucose par la glycolyse ou son oxydation par la voie des pentoses-phosphate et s'oppose à la fabrication de glucose à partir d'acides aminés gluco-formateurs (néoglucogénèse) et à la sortie du glucose du foie. Cette hormone inhibe la production du glucose en diminuant la glycogénolyse par inhibition de la glycogène phosphorylase. Dans les cellules musculaires, l’insuline favorise le transport membranaire et la conversion du glucose en glycogène par activation de la glucose 1 phosphate uridyl transférase, de la voie des pentoses et du cycle de Krebs. La stimulation de la sécrétion d’insuline est sous le contrôle principal des enzymes glucokinase (GK) et glucose 1,6 diphosphatase métabolisant les hexoses. La glucokinase joue un rôle prépondérant à ce niveau: des souris transgéniques exprimant plusieurs copies du gène de la GK ont une glycémie diminuée alors que les humains atteints de MODY-2 possédant moins de gènes fonctionnels sont hyperglycémiques. La production d’insuline chez les animaux transgéniques “multi-GK” est cependant réduite car il y a compensation hépato-pancréatique: alors que le foie peut utiliser plus facilement le glucose, la sécrétion d’insuline diminue, ce qui a pour effet de contrer la pénétration du glucose et de maintenir la glycémie à un taux certes inférieur de 20 à 30 % à celui des animaux normaux, mais qui reste acceptable. La glucokinase apparaît donc bien comme une enzyme clef de la régulation de l’activité des cellules B. Les oses non métabolisées par son entremise comme le galactose, le ribose ou le xylose sont sans effets sur la cellule B. Les acides aminés lysine et alanine constituent également deux puissants sécrétagogues insuliniques. Il faut ajouter à cette liste une stimulation nerveuse, vagale (que l’on peut bloquer par l’atropine) et par le glucagon son antagoniste. La présence de NO synthase et d’héme oxygénase dans les cellules endocrines insulaires laisse également entrevoir une action possible, paracrine ou neurocrine, du NO ou du CO comme modulateurs des sécrétions hormonales pancréatiques (en agissant peut être sur l’activité de la guanylyl cyclase). Au niveau lipidique, l’insuline exerce une action anti-lipolytique en diminuant la libération des acides gras libres et du glycérol du tissu adipeux. Ce tissu se révèle particulièrement sensible à l’action de cette hormone, qui y exerce ces effets avec des concentrations plasmatiques de 7 à 10 fois inférieures à celles nécessaires à ses autres actions. Dans les adipocytes, elle favorise la captation des triglycérides en augmentant l’activité de la lipoprotéine lipase et augmente la synthèse de ces derniers à partir du glucose ou de l’acétate. L’entrée des lipoprotéines sériques dans ces cellules est également stimulée par l’insuline. Cette hormone favorise, au niveau hépatique, la synthèse des acides gras libres et l’estérification des triglycérides. Enfin, elle agit comme régulateur de la concentration des corps cétoniques circulant en diminuant leur libération par le tissu adipeux et l’oxydation des acides gras libres et de l’acétyl CoA et en augmentant la consommation des corps cétoniques au niveau musculaire.Au niveau protidique, L’insuline est responsable de du maintien de la balance azotée. Elle exerce son action anabolique au niveau musculaire et hépatique selon deux voies: - stimulation de la synthèse protéique à partir d’acides aminés plasmatiques (effets dépendant de l’AMP cyclique) - inhibition du catabolisme protéique (diminution de la synthèse d’urée) et de la gluconéogénèse à partir d’acides aminés glucoformateurs. En plus de ces effets anaboliques, l’insuline joue un rôle de facteur de croissance: elle stimule la prolifération des cellules épithéliales de la bordure en brosse de l’intestin humain (jejunum et colon) au cours de l’embryogénèse. Pendant la croissance, l’insuline agit en stimulant la formation de somatomédines, polypeptides de faible poids moléculaires,médiateurs de l’effets de l’hormone de croissance. Certaines de ces somatomédines stimulent la prise de sulfate par le cartilage et possèdent de plus un effet insulinique sur le tissu adipeux et le muscle. Elles ont été nommées IGF 1 et 2 (Insulin Growth Factor). Elles ont été suspectées d’intervenir dans le déclenchement de certains cancers du colon. Influence de l’insuline sur différents tissus .
Influence de l’insuline sur différents tissus
DES EFFETS DISCRETS MAIS IMPORTANTS SONT MIS EN LUMIERE PAR L’ETAT DIABETIQUE
L’étude in vivo et in vitro des conséquences de l’état diabétique ou des troubles insuliniques qui lui sont associés (résistance à l’insuline, hyperinsulinémie transitoire, insulinopénie, toxicité du glucose par trop abondant) a mis récemment en lumière des effets nouveaux pour cette hormone pourtant connue de longue date: • Chez certains individus, l’insuline inhibe la lipolyse et l’agrégation plaquettaire • L’insulino résistance et l’hyperinsulinémie qui la caractérise sont à l’origine d’une intensification des conditions pro-thrombiques: agrégation plaquettaire facilitée, inhibition de la fibrinolyse et dyslipidémie créant des conditions favorables à une coagulation sanguine inappropriée. • L’hyperinsulinémie est également à l’origine d’une intensification des processus d’oxydation avec formation de radicaux très réactifs. • La thermogenèse est inhibée • L’insuline contribue a une élévation de la pression artérielle: au niveau rénal, elle est en effet à l’origine d’une rétention de sodium et d’acide urique, qui se retrouve d’ailleur dans le sang. • Les membranes cellulaires de tissus insulinosensibles ou non ont tendance a être hyperpolarisées par cette hormone. Il en résulte des perturbations des phénomènes de conduction électrique membranaire avec des conséquences au niveau sensitif (perturbation des barorécepteurs) et cardiaque (allongement de la période réfractaire). • Un effet vasodilatateur de l’insuline a parfois été rapporté, en liaison avec les pompes transmembranaires à sodium/potassium et le calcium intracellulaire. • L’insuline agit également au niveau du système nerveux central, traversant la barrière hémato-encéphalique, pour y déclencher des effets correspondant à une réaction de stress: stimulation du CRF entraînant l’activation du système de la proopiomélanocortine (système d’adaptation au stress), excitation sympathique, inhibition vagale. L’étendue de ces effets métaboliques démontre l’importance de l’insuline et son indispensable présence pour le maintient du fonctionnement de l’organisme. Cette hormone joue de plus chez les organismes inférieurs un rôle important dans les phénomènes de vieillissement ou de suspension du métabolisme: on a ainsi pu montrer que chez le nématode Caenorhabditis elegans la régulation de l’activité métabolique globale est sous la dépendance de molécules présentant une forte homologie avec l’insuline, ses facteurs de croissance et son récepteur. L’insuline est donc une molécule apparue et conservée depuis près de 800 millions d’années dans le monde animal, et cela confirme sa très grande importance pour le maintien de la vie.
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