Introduction à la physiologie animale

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Récepteurs de surface cellulaire

Les récepteurs de surface cellulaire, également appelés récepteurs transmembranaires, sont des protéines de surface cellulaire, ancrées dans la membrane (intégrales), qui se lient à des molécules ligand externes. Ce type de récepteur traverse la membrane plasmique et effectue une transduction du signal, dans laquelle un signal extracellulaire est converti en un signal intercellulaire. Les ligands qui interagissent avec les récepteurs de surface n’ont pas besoin de pénétrer dans la cellule qu’ils affectent. Les récepteurs de surface cellulaire sont également appelés protéines ou marqueurs spécifiques des cellules car ils sont spécifiques de chaque type de cellule.

Parce que les protéines réceptrices de surface cellulaire sont fondamentales pour le fonctionnement normal des cellules, il n’est pas surprenant qu’un dysfonctionnement de l’une de ces protéines puisse avoir de graves conséquences. Il a été démontré que des erreurs dans les structures protéiques de certaines molécules réceptrices jouent un rôle dans l’hypertension (pression artérielle élevée), l’asthme, les maladies cardiaques et le cancer.

Chaque récepteur de surface cellulaire possède trois composants principaux : un domaine de liaison au ligand externe, une région hydrophobe qui traverse la membrane et un domaine intracellulaire à l’intérieur de la cellule. Le domaine de liaison au ligand est également appelé domaine extracellulaire. La taille et l’étendue de chacun de ces domaines varient considérablement, en fonction du type de récepteur. Les récepteurs de surface sont impliqués dans la plupart des signaux émis par les organismes multicellulaires. Il existe trois catégories générales de récepteurs de surface cellulaire : les récepteurs liés aux canaux ioniques, les récepteurs liés aux protéines G et les récepteurs liés aux enzymes.

Les récepteurs liés aux canaux ioniques se lient à un ligand et ouvrent un canal à travers la membrane qui permet le passage d’ions spécifiques. Pour former un canal, ce type de récepteur de surface cellulaire possède une région étendue de la membrane. Afin d’interagir avec les queues d’acides gras des phospholipides qui forment le centre de la membrane plasmique, de nombreux acides aminés de la région membranaire sont de nature hydrophobe. À l’inverse, les acides aminés qui tapissent l’intérieur du canal sont hydrophiles pour permettre le passage de l’eau ou des ions. Lorsqu’un ligand se lie à la région extracellulaire du canal, il se produit un changement de conformation dans la structure des protéines qui permet le passage d’ions tels que le sodium, le calcium, le magnésium et l’hydrogène (Figure 9.5)

Cette illustration montre un canal ionique à porte qui est fermé en l'absence de molécule de signalisation. Lorsqu'une molécule de signalisation se lie, un pore au milieu du canal s'ouvre, permettant aux ions de pénétrer dans la cellule.
Figure 9.5. Un canal ionique à porte fermé. Les canaux ioniques à porte forment un pore à travers la membrane plasmique qui s’ouvre lorsque la molécule de signalisation se lie. Le pore ouvert permet alors aux ions d’entrer ou de sortir de la cellule.

Les récepteurs liés aux protéines G se lient à un ligand et activent une protéine membranaire appelée protéine G. La protéine G activée interagit ensuite avec un canal ionique ou une enzyme dans la membrane (figure 9.6). Tous les récepteurs liés à la protéine G possèdent sept domaines transmembranaires, mais chaque récepteur possède un domaine extracellulaire spécifique et un site de liaison à la protéine G.

La signalisation cellulaire utilisant les récepteurs liés à la protéine G se produit comme une série cyclique d’événements. Avant que le ligand ne se lie, la protéine G inactive peut se lier à un site nouvellement révélé sur le récepteur spécifique à sa liaison. Une fois que la protéine G se lie au récepteur, le changement de forme qui en résulte active la protéine G, qui libère le PIB et capte le GTP. Les sous-unités de la protéine G se divisent alors en une sous-unité α et une sous-unité βγ. L’un ou l’autre de ces fragments de protéine G, ou les deux, peuvent ainsi activer d’autres protéines. Après un certain temps, le GTP sur la sous-unité α active de la protéine G est hydrolysé en GDP et la sous-unité βγ est désactivée. Les sous-unités se réassocient pour former la protéine G inactive et le cycle recommence.

Cette illustration montre la voie d'activation d'une protéine G hétérotrimérique, qui possède trois sous-unités : alpha beta, et gamma, toutes associées à l'intérieur de la membrane plasmique. Lorsqu'une molécule de signalisation se lie à un récepteur couplé à une protéine G dans la membrane plasmique, une molécule de PIB associée à la sous-unité alpha est échangée contre du GTP. La sous-unité alpha se dissocie des sous-unités bêta et gamma et déclenche une réponse cellulaire. L'hydrolyse du GTP en GDP met fin au signal.
Figure 9.6. Les protéines G hétérotrimériques possèdent trois sous-unités : α, β et γ. Lorsqu’une molécule de signalisation se lie à un récepteur couplé aux protéines G dans la membrane plasmique, une molécule de GDP associée à la sous-unité α est échangée contre du GTP. Les sous-unités β et γ se dissocient de la sous-unité α, et une réponse cellulaire est déclenchée soit par la sous-unité α, soit par la paire βγ dissociée. L’hydrolyse du GTP en GDP met fin au signal.

Les récepteurs liés aux protéines G ont été largement étudiés et on a beaucoup appris sur leurs rôles dans le maintien de la santé. Les bactéries pathogènes pour l’homme peuvent libérer des poisons qui interrompent la fonction spécifique des récepteurs liés aux protéines G, ce qui entraîne des maladies telles que la coqueluche, le botulisme et le choléra. Dans le cas du choléra (figure 9.7), par exemple, la bactérie Vibrio cholerae, transmise par l’eau, produit une toxine, le choléragène, qui se lie aux cellules de l’intestin grêle. La toxine pénètre ensuite dans ces cellules intestinales, où elle modifie une protéine G qui contrôle l’ouverture d’un canal chlorure et fait en sorte qu’il reste continuellement actif, ce qui entraîne d’importantes pertes de fluides de l’organisme et une déshydratation potentiellement mortelle en conséquence.

Cette affiche de 1866 met en garde la population contre une épidémie de choléra et donne des conseils pour prévenir la maladie.
Figure 9.7. Transmis principalement par l’eau potable contaminée, le choléra est une cause majeure de décès dans les pays en développement et dans les régions où les catastrophes naturelles interrompent la disponibilité de l’eau potable. La bactérie du choléra, Vibrio cholerae, crée une toxine qui modifie les voies de signalisation cellulaire médiées par les protéines G dans les intestins. L’assainissement moderne élimine la menace d’épidémies de choléra, comme celle qui a balayé la ville de New York en 1866. Cette affiche de l’époque montre qu’à l’époque, on ne comprenait pas le mode de transmission de la maladie. (crédit : New York City Sanitary Commission)

Les récepteurs liés à une enzyme sont des récepteurs de surface cellulaire avec des domaines intracellulaires qui sont associés à une enzyme. Dans certains cas, le domaine intracellulaire du récepteur lui-même est une enzyme. D’autres récepteurs liés à une enzyme possèdent un petit domaine intracellulaire qui interagit directement avec une enzyme. Les récepteurs liés à une enzyme possèdent normalement de grands domaines extracellulaires et intracellulaires, mais la région membranaire est constituée d’une seule région alpha-hélicoïdale du brin peptidique. Lorsqu’un ligand se lie au domaine extracellulaire, un signal est transféré à travers la membrane, activant l’enzyme. L’activation de l’enzyme déclenche une chaîne d’événements à l’intérieur de la cellule qui conduit finalement à une réponse. Un exemple de ce type de récepteur lié à une enzyme est le récepteur de la tyrosine kinase (figure 9.8). Une kinase est une enzyme qui transfère les groupes phosphates de l’ATP à une autre protéine. Le récepteur de la tyrosine kinase transfère les groupes phosphates aux molécules de tyrosine (résidus de tyrosine). Tout d’abord, les molécules de signalisation se lient au domaine extracellulaire de deux récepteurs à tyrosine kinase voisins. Les deux récepteurs voisins se lient alors ensemble, ou se dimérisent. Des phosphates sont ensuite ajoutés aux résidus de tyrosine du domaine intracellulaire des récepteurs (phosphorylation). Les résidus phosphorylés peuvent alors transmettre le signal au messager suivant dans le cytoplasme.

Cette illustration montre deux monomères de récepteurs tyrosine kinase enchâssés dans la membrane plasmique. Lors de la liaison d'une molécule de signalisation au domaine extracellulaire, les récepteurs se dimérisent. Les résidus tyrosine de la surface intracellulaire sont alors phosphorylés, déclenchant une réponse cellulaire.
Figure 9.8. Un récepteur tyrosine kinase est un récepteur lié à une enzyme, avec une seule région transmembranaire, et des domaines extracellulaires et intracellulaires. La liaison d’une molécule de signalisation au domaine extracellulaire entraîne la dimérisation du récepteur. Les résidus de tyrosine du domaine intracellulaire sont alors autophosphorylés, ce qui déclenche une réponse cellulaire en aval. Le signal est terminé par une phosphatase qui élimine les phosphates des résidus phosphotyrosine.

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