1-Introduction : l'organisation cellulaire2- Principes de transduction du signal3- Les seconds messagers4- Principaux récepteurs aux signaux extracellulaires5-Les voies de signalisation

- Les récepteurs couplés aux protéines G et leurs voies de signalisation- Les récepteurs tyrosine kinase- Les récepteurs des cytokines et apparentés

6-Les effecteurs des voies de signalisation- Régulation par les substrats: notions de contrôle de flux, d'étape limitante dans une chaîne métabolique, de compartimentalisation cellulaire,- Régulation hormonale des flux métaboliques

1-Introduction : l'organisation cellulaire2- Principes de transduction du signal3- Les seconds messagers4- Principaux récepteurs aux signaux extracellulaires5-Les voies de signalisation

- Les récepteurs couplés aux protéines G et leurs voies de signalisation- Les récepteurs tyrosine kinase- Les récepteurs des cytokines et apparentés

6-Les effecteurs des voies de signalisation- Régulation par les substrats: notions de contrôle de flux, d'étape limitante dans une chaîne métabolique, de compartimentalisation cellulaire,- Régulation hormonale des flux métaboliques

Programme

Communication et métabolisme cellulairesCommunication et métabolisme cellulaires

La transduction du signal est le passage de l'information de l'extérieurvers l'intérieur de la cellule et sa traduction en message biologique.

DéfinitionDéfinition

TransductionTransduction

On parle de transduction car la nature du stimulus reçu par le récepteurà la surface cellulaire est totalement différente du signal induit àl’intérieur de la cellule.

La forme active d’un récepteur stimule en général une activité quiengendre un signal cytosolique d’une amplitude supérieure à celle dusignal extracellulaire (le ligand).

Une molécule produite en réponse à la transduction d’un signalextracellulaire est appelée second messager(le ligand = 1er messager).

Principes de transduction du signalPrincipes de transduction du signal

Un récepteur membranaire est une protéine membranaire ayant double capacité :

Les récepteurs protéiques de surfaceLes récepteurs protéiques de surface

Induire des modifications à la surface ou àl'intérieur de la cellule.

Modification des fonctions de la cellule enréponse au signal reçu.

Reconnaître spécifiquement une moléculede signalisation (hormones, facteurs decroissance, interleukines…)

Déclenchement d’une cascade de réactionsbiochimiques de transduction de signauxfaisant souvent appel à des protéines.

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Principes de transduction du signalPrincipes de transduction du signal

Dans la recherche de relations entre la molécule soluble et son récepteur, on introduisit le terme de “ligand”.

Le ligand est défini comme une molécule se fixant sur son récepteur de façon spécifique et saturable. Le terme ligand s'applique à un large éventail de molécules endogènes allant du simple acide aminé à des protéines macromoléculaires.

Il désigne également des substances naturelles (endogène) et synthétiques (exogènes) qui interagissent avec le même récepteur.

• Lorsque ses substances miment l'action du ligand endogène, elles sont appelées « agonistes ».

• Lorsqu'elles n'ont aucun effet (et gênent uniquement la fixation du ligand endogène) on les appelle « antagonistes ».

Le ligand

Le terme “ligand” fut d'abord proposé par des chimistes pour décrire un groupe donneur d'électrons qui forment des complexes de coordination avec des ions métalliques (Ca2+, Mg2+, Fe2+, Zn2+, Mn2+…) au niveau des sites à l'intérieur de macromolécules (NADH, cytochrome c, phosphatases, etc.)

Le ligand

Modèle « clef-serrure »Complémentarité de forme (Emile Fischer, 1890)

Modèle pour la liaison d'un ligandselon le mécanisme de «la clef etde la serrure».

Les protéines sont supposées avoirdes sites de liaison préformés etcomplémentaires de la forme duligand.

Cette reconnaissance résulte d'unetrès forte complémentarité desstructures

Modèle complémentarités de forme et chimique

Modèle d’ajustement induit (Daniel Koshland, 1958)

D’après le mécanisme de l'ajustementinduit, une protéine ne présente pasde tels sites de liaisoncomplémentaire en l'absence deligand. Le ligand induit unchangement conformationnel du sitede liaison qui se traduit par desinteractions complémentaires d’oùl’importance de la flexibilité de laprotéine.

Ligand

Protéine

Complexeprotéine-ligand

Modèle d’allostérie

Principe :

Activation ou inhibition du site actif de la protéine parfixation d’un effecteur sur un site allostérique.La liaison de l’effecteur à la protéine induit deschangements conformationnels qui lui confèrent unehaute affinité de liaison au ligand.

Enzymeactivée

Les RCPG forment la plus grande famille de récepteurs membranaires dela surface cellulaire. Ils régulent directement l’activité d’une autreprotéine liée à la membrane plasmique : Enzyme ou canal ionique.

Ligand

EnzymeProtéine G Protéine G

activée

Ligand

Activation : par formation des dimères après fixation du ligand.

La majorité de ces récepteurs sont des protéine-kinases ou sont associésà des protéine-kinases et les ligands qui s’y fixent provoquent laphosphorylation de groupes spécifiques de protéines dans la cellule cible.

• Comme enzyme• Ou associés aux enzymes qu’ils activent.

Les récepteurs couplés aux enzymes

Fonctionnent :

Les protéines de la voie de transduction des signauxfonctionnent en modifiant la conformation de la protéine quiles suit dans la série en l’activant ou en l’inhibant.

On parle de cascade de signalisation.

Moyens utilisés pour contrôler les changementsrapides et réversibles de l’activité cellulaire. Uneautre caractéristique marquante des voies detransmission cellulaire est l’utilisation de protéinesliant le GTP.

Moyens utilisés pour contrôler les changementsrapides et réversibles de l’activité cellulaire. Uneautre caractéristique marquante des voies detransmission cellulaire est l’utilisation de protéinesliant le GTP.

Rappel!Rappel!

Phosphorylation et déphosphorylation

GEF : Guanine nucleotide Exchange FactorGAP : GTPase-Activating Protein

Phosphorylation et déphosphorylationPhosphorylation et déphosphorylation

GAP

Stratégies de signalisationStratégies de signalisation

Différents scénarios sont possibles enaval des complexes récepteurs designalisation. Un cas «simple» concernedes facteurs de transcription tel queSTAT (Signal Transducers and Activators ofTranscription) directement modifiés enposition membranaire, puis transportésvers le noyau où ils changentl'expression de gènes.

Dans d'autres cas une longue cascaded'événements s'ensuit, avec ou sansproduction de messagers secondaires,avant que l'enzyme cible ou le noyausoient atteints. De plus, bien que pourdes raisons de simplicité les voies designalisation sont décrites comme descascades linéaires, elles constituent enréalité dans la cellule, des réseaux entrois dimensions.

3 raisons peuvent justifier la complexité de telles cascades.

Elles permettraient une rapide amplification

Elles pourraient aussi représenter des sites additionnels derégulation avant que le signal n'arrive sur l'enzyme elle-même(ou entre dans le noyau). Si les cascades étaient strictementlinéaires, la compétition pour l'hégémonie ne pourrait se fairequ'au niveau de l'enzyme cible (ou du noyau) ce qui limiteraitconsidérablement les possibilités d'action.

Enfin, les études de modélisation ont montré, que les cascades àquatre composants transmettent plus rapidement le signal àl'intérieur de la cellule. Ce qui laisse penser que les cellules ontadopté des cascades de trois ou quatre composants uniquementpour réagir rapidement à certains stimuli.

Stratégies de signalisation (suite)Stratégies de signalisation (suite)

Intégration du signalIntégration du signal

= des protéines de signalisation formant un véritable réseau pour rôles:

- Relayer le signal,- Transporter le signal, - Servir d’adaptateur,

d’amplificateur ou de transducteur en convertissant le signal reçu en une autre forme,

- Permettre le regroupement de plusieurs protéines en créant un véritable échafaudage,

- ...

Assemblage de complexe de signalisation à l’aide de prot. d’échafaudage

Assemblage de complexe de signalisation après activation du récepteur

• Recrutement de protéines partenaires d’une même voie de signalisation• Amplification du signal• Évite le cross-talk entre deux voies