Pharmacologie médicale: vue d'ensemble

•  Récepteurs nucléaires :

Un certain nombre de ligands (médicaments) ont des effets nucléaires et modifient la synthèse d’ARN messager et donc des protéines correspondantes. Les ligands concernés sont dans leur majorité des hormones stéroïdes, la testostérone, l'estradiol, la progestérone, les glucocorticoïdes, l'aldostérone, les hormones thyroïdiennes, les rétinoïdes et la vitamine D. Ces molécules hydrophobes sont capables de franchir les membranes et de se lier à des récepteurs intracellulaires qui sont nucléaires ou cytoplasmiques dans certains cas.

Fig. 1 : représentation simplifiée des récepteurs nucléaires

Ce système de transduction permet de fixer le messager sur un récepteur associé à l'ADN dont il module l'activité transcriptionnelle.

Ces récepteurs nucléaires sont normalement liés à une "protéine du choc thermique" ou protéine chaperonne (heat shock protein, HSP 90) qui les inactivent. La formation du complexe récepteur-hormone libère l'HSP 90 et permet à deux récepteurs de s'associer en dimère avec leurs ligands. Ce complexe va alors se lier à l'ADN en reconnaissant des séquences nucléotidiques spécifiques du promoteur (HRE : Hormone Responsive Element) aboutissant à l'activation ou la répression de la transcription d'ADN en ARN messager. Il s’en suit une modification de la synthèse protéique.

Dans le cas des hormones thyroïdiennes, la thyroxine (T4) est métabolisée par la 5'-désiodase en trio-iodothyronine (T3) qui passe alors dans le noyau pour se fixer sur son récepteur. Celui-ci, contrairement aux récepteurs des stéroïdes, ne met pas en jeu l'HSP 90 et est synthétisé directement sous une forme présentant une haute affinité pour l'ADN.

• Cibles moléculaires non localisées sur les cellules :

Un certain nombre de médicaments ne se lient pas à des récepteurs, des enzymes ou des canaux ioniques et leur mécanisme d’action se résume le plus souvent en termes d’interactions physiques et/ou chimiques :
- certains médicaments, utilisés pour traiter les troubles gastro-intestinaux, adsorbent des substances dans l’intestin. Ils peuvent modifier la consistance et le temps de transit du contenu intestinal ;
- les surfactants modifient les propriétés physiques des systèmes visés (ex : surfactant pulmonaire utilisé dans la maladie des membranes hyalines) ;
- la cholestyramine est une résine basique échangeuse d’ions qui est non résorbée et qui fixe les acides biliaires ;
- le mannitol peut être administré afin d’augmenter l’osmolarité des différents fluides corporels et provoquer ainsi des modifications de la distribution de l’eau. Il peut être utilisé en cas d’œdème cérébral ou pour traiter le glaucome à angle fermé.

• Autres cibles des médicaments :

Bactéries, virus, champignons et parasites constituent des cibles non humaines pour les médicaments. Dans leur majorité, les médicaments employés agissent sur des cibles qui sont propres à ces organismes mais dont les principes de fonctionnement s’apparentent à ceux des médicaments agissant sur les cellules humaines.

• Systèmes de transport :

Le transport des ions et des petites molécules à travers les membranes cellulaires nécessite généralement une protéine de transport. Les vecteurs qui ne nécessitent pas d'énergie pour leur fonctionnement sont des transporteurs (qui déplacent un ion ou une molécule dans une seule direction), des symporteurs (qui déplacent deux ou plusieurs ions ou molécules), ou des antiporteurs (qui échangent un ou plusieurs ions ou molécules contre un ou plusieurs ions ou molécules). Les vecteurs nécessitant de l'énergie pour leur fonctionnement sont appelés "pompes" et sont des enzymes spécifiques.

Ces molécules vectrices peuvent ainsi être activées ou inactivées par les médicaments. Il existe de nombreux exemples de tels vecteurs, comprenant ceux qui sont notamment responsables du transport du glucose et des acides aminés à l’intérieur des cellules, le transport des ions et des nombreuses molécules organiques par le tubule rénal, le transport des ions sodium et des ions calcium en dehors des cellules. Ces systèmes de transport sont la cibles de médicaments qui les bloquent. Par exemple, les digitaliques inhibent la Na+/K+ ATPase du cardiomyocyte, modifiant ainsi l'équilibre ionique et l'activité des autres systèmes de transport de la cellule. Il en résulte une augmentation du contenu sodique du cytosol et secondairement un accroissement de la quantité de calcium disponible pour la contraction.

fig. 1 : Interaction des digitaliques avec l’homéostasie calcique

•  Systèmes de recapture :

Au cours de la neurotransmission, plusieurs systèmes participent simultanément à la régulation de la transmission synaptique. Ainsi il existe un processus de recapture du neurotransmetteur libéré dans la fente synaptique qui est localisé au niveau présynaptique.

fig. 2 : représentation schématique du système de recapture présynaptique

Ces transporteurs permettant la recapture des neuromédiateurs sont membres d'une famille importante ayant des motifs de structure communs, notamment un domaine transmembranaire constitué de 12 hélices. Dans le cas des catécholamines, ce transporteur ou "captage-1" se caractérise par une affinité élevée pour la noradrénaline et sensiblement plus faible pour l'adrénaline. Des systèmes similaires ont été identifiés pour la dopamine, la sérotonine et tout une variété d'acides aminés.

Ces systèmes de recapture sont la cible de médicaments spécifiques comme la cocaïne, la fluoxétine (sérotonine), l'imipramine (noradrénaline) ou la venlafaxine (noradrénaline, sérotonine) (tableau). Ainsi, certains antidépresseurs centraux présentent-ils une forte affinité pour le récepteur et/ou les systèmes de transport de certains neurotransmetteurs. C’est ainsi qu'ils s'opposent à la recapture de la noradrénaline et/ou de la sérotonine, potentialisant ainsi l’action de ces neurotransmetteurs.

•  Inhibiteurs des systèmes de transport et de recapture.

L’ensemble de l’organisme contient une grande variété d’enzymes qui sont des cibles potentielles pour des médicaments qui vont, directement ou indirectement, augmenter ou inhiber l’activité de l’enzyme. Ces cibles de nature enzymatique forment un vaste ensemble non cohérent d’un point de vue structurel et fonctionnel.

• Récepteurs-enzymes :

Les récepteurs-enzymes associent sur une même protéine de la membrane plasmique les fonctions réceptrice (liaison du médiateur) et effectrice (activité enzymatique à l’origine de la transduction intracellulaire du message) : il s’agit de récepteurs catalytiques. Ainsi le récepteur possède lui-même une activité enzymatique et la fixation du messager module cette activité qui peut-être de plusieurs types :

1. tyrosine-kinase : 
La stimulation de ces récepteurs provoque la phosphorylation des résidus tyrosyls appartenant au récepteur lui-même (autophosphorylation) ou à diverses protéines intracellulaires. C’est le cas des récepteurs de l'insuline et des facteurs de croissance.

fig. 1 : Illustration du récepteur-enzyme : le récepteur à l ’insuline

Les récepteurs de l'insuline possèdent deux sous-unités α extracellulaires qui sont reliées entre-elles par des ponts disulfures. C’est à ce niveau que se situent les sites de fixation de l’insuline. Ce récepteur possède également dans sa partie transmembranaire deux sous-unités β dont les extrémités N-terminales assurent la liaison avec les chaînes a à l’extérieure de la cellule. La séquence C-terminale des sous-unités β est intracellulaire et porte le site enzymatique qui exprime une activité tyrosine-kinase. Lorsque l’insuline se lie au site de fixation extracellulaire, l’activité tyrosine kinase se déclenche et la phosphorylation de protéines intracellulaires est à l’origine d’une modification des fonctions cellulaires ;

2. tyrosine phosphatase : 
Ces enzyme sont responsables de la déphosphorylation des résidus tyrosine ; elles modulent donc négativement l'activité des récepteurs à activité tyrosine kinase et donc la réponse aux ligands tels que l'insuline. Une des plus importantes est la  tyrosine phosphatase 1B (PTP1B);

3. récepteurs à activité guanylate cyclase : 
La stimulation des récepteurs stimule son activité guanylate cyclase catalysant la transformation du GTP en GMP cyclique capable d’activer des protéines-kinases spécifiques (PKG). C’est le cas du récepteur du facteur natriurétique atrial (ANF).

•  Action directe des médicaments sur les enzymes :

De nombreux médicaments agissent directement sur des enzymes, sans passer par un système de récepteurs pour en moduler l’activité.

fig.2 : relations directes entre les médicaments et les enzymes

>>> Modulation de l’activité enzymatique par des médicaments

L’inhibition peut s’obtenir par un mécanisme compétitif (néostigmine et acétylcholinestérase) ou non compétitif. Enfin, l’activité inhibitrice peut se développer grâce à l’utilisation de faux substrats.

• Promédicaments :

Enfin il ne faut oublier le cas des pro-médicaments : il s’agit de molécules inactives par elles-mêmes et qui doivent être biotransformées afin que le médicament puisse être actif. C’est le cas par exemple du clopidogrel.

Les canaux ioniques sont des protéines membranaires qui permettent le passage sélectif de la membrane cellulaire par des ions (Na⁺, Ca²⁺, K⁺, Cl^-, …) suivant les gradients électrochimiques. Ils jouent un rôle essentiel dans l’excitabilité cellulaire, le déclenchement et la propagation du potentiel d’action. Ils interviennent dans les couplages excitation-contraction et excitation-sécrétion. La sélectivité des canaux ioniques repose sur l’adéquation de la taille et de la charge électrique des ions avec la structure et la séquence des acides aminés des canaux.

On distingue 3 grandes familles de canaux ioniques directement activés par les médicaments:

1- Le récepteur protéine-canal :

Canaux ioniques dont l’ouverture est déclenchée par la liaison d’un ligand

Figure 1 : récepteur protéine canal

Les canaux ioniques ouverts par un ligand sont des récepteurs pour les neurotransmetteurs rapides comme l’acétylcholine, le GABA, le glutamate, la sérotonine, l’adénosine, etc….. 
Ils sont nommés en fonction de leur ligand naturel.

Sur ces protéines, les médicaments peuvent être agonistes (reproduisant l’effet du ligand naturel) ou antagonistes (empêchant l’effet du ligand naturel). Les médicaments peuvent moduler l’activité des canaux en se fixant sur des sites allostériques différents des sites de liaison en changeant la conformation du récepteur-canal (par ex. le récepteur GABA A et benzodiazépines).

2- Canaux voltage-dépendants ou «voltage-operated channels» (VOC) :

Ce sont des canaux ioniques dont l’ouverture est activée par le potentiel de membrane

Ces canaux -voltage dépendant sont caractérisés
- par la sélectivité des ions (Ca²⁺ , Na⁺, K⁺, Cl^-, …)
- par leur conductance (élevée à faible, exprimée en pSi)
- par leur domaine d’activation (dépolarisation importante à faible) 
- par leur cinétique d’inactivation (lent, rapide ou transitoire)

Les canaux calciques de type L (ou lents) sont la cible des «anticalciques» ou «antagonistes calciques» :Vérapamil, Diltiazem et Dihydropyridines. Ces médicaments bloquent l’entrée de Ca²⁺-du milieu extracellulaire vers le milieu intracellulaire via les canaux Ca²⁺ -VOC.

Les canaux sodiques sont la cible des anesthésiques locaux qui empêchent le passage du courant sodique et la dépolarisation de la membrane cellulaire, bloquant ainsi la genèse ou la conduction de l’influx nerveux.

3- Canaux ioniques dont l’ouverture est déclenchée par une variation de la concentration intracellulaire de messager intracellulaire.

Ce sont des canaux potassiques ATP-dépendants (K_ATP) ou canaux potassiques Ca²⁺- dépendants(K_Ca). L’ouverture des canaux potassiques provoque une hyperpolarisation membranaire (lorsqu’on est au potentiel de repos) ou une repolarisation membranaire (lorsqu’on est en phase de dépolarisation).

L’ouverture de canaux K_ATP est provoqué par une augmentation de la concentration intracellulaire en ATP, ce qui induit une dépolarisation membranaire.

Les canaux K_ATP sont la cible des médicaments, avec des sulfonylurées hypoglycémiants comme antagonistes (glibenclamide, tolbutamide), impliquant dans la sécrétion d’insuline des cellules β du pancréas et le nicorandil comme agoniste ou «ouvreur des canaux potassiques», impliquant dans la relaxation de muscle lisse vasculaire.

>>> Structure :

Les récepteurs couplés à une protéine G sont composés d’une chaîne d’acides aminés qui traverse plusieurs fois la membrane sous forme d’une hélice a.

fig. 1 : représentation simplifiée d’un récepteur à 7 domaines transmembranaire

En plusieurs emplacements de son domaine extracellulaire, la molécule peut être glycosylée. Les sept segments transmembranaires sont organisés en un cercle qui contient en son centre une cavité et un site de liaison pour le ligand ou le médicament. L’association du ligand ou d’un analogue pharmacologique possédant une activité agoniste, induit un changement de conformation du récepteur qui lui permet d’entrer en contact avec une protéine G (protéine liant les nucléotides guanyliques) qui va à son tour moduler l’activité d’une enzyme ou d’un canal ionique.

fig. 2 : schéma général du fonctionnement des récepteurs

>>> Couplage aux protéines G :

Les protéines G sont situées sur la face interne de la membrane plasmique et sont formées de trois sous-unités (α, β, γ). Il existe différentes protéines G qui se différencient essentiellement par la structure de la sous-unité α.  Après activation du récepteur par le médicament, la protéine G s'active à son tour. La sous-unité α libère du GDP à partir du GTP, elle se dissocie alors des deux sous-unités β et γ, puis active à son tour l'effecteur (canal, enzyme). La sous-unité α va alors hydrolyser lentement le GTP en GDP. Le complexe α-GDP ne possédant aucune affinité pour la protéine effectrice, la sous-unité α va de nouveau s’associer avec les sous-unités β et γ.

fig. 3 : schéma du fonctionnement des protéines G

Il faut souligner que les protéines G ne sont pas associées à un récepteur unique mais qu’elles peuvent diffuser au sein de la membrane et s'associer à differentes cibles. Enfin, il existe une relation entre les types de récepteurs et le type de protéine G avec laquelle ils interagissent. Les sous-unités a des différentes protéines G se distinguent les unes des autres par leur affinité pour différentes protéines effectrices et donc se différentient selon l’effet intracellulaire engendré (Tableau I).

•  Différents types de protéine G

•  Systèmes mis en jeu par les récepteurs couplés à une protéine G

Les récepteurs muscariniques de l’acétylcholine, ceux de la noradrénaline, l’adrénaline, la dopamine, la morphine, les prostaglandines, l'angiotensine II , ou les leucotriènes font partie, entre autres, des récepteurs couplés aux protéines G. Les effecteurs des protéines G peuvent être des canaux ioniques directement activés par les protéines G, sans l’intermédiaire de seconds messagers, ou des enzymes qui vont permettre la synthèse de seconds messagers. Parmi ces derniers, il faut citer l’AMPc résultant de l'activation de l’adénylate cyclase par la protéine Gs (la protéine Gi inhibant l'adénylate cyclase) ainsi que l’IP₃ (inositol triphosphate) et le DAG (diacylglycérol) résultant de l'activation de la phophoslipase C par une protéine Gq. 

L’activité biologique de la majorité des médicaments résulte de leur interaction avec des macromolécules. Ainsi, l’interaction du médicament avec sa cible moléculaire va déclencher une cascade d’évènements qui aboutira à un effet pharmacologique qui, in fine, pourra être favorable et utilisable en thérapeutique, soit au contraire sera toxique. Il est évident que la distribution tissulaire des cibles d’un médicament conditionne l’action générale de ce dernier, tant d’un point de vue bénéfique que toxique. De cette notion découle également celle de sélectivité d’action au niveau des différents organes.

•  Différentes catégories de cibles :

Les principales cibles de l’action d’un médicament sur les cellules de mammifères peuvent globalement être divisées en :

Principaux modes d'action des médicaments:

1. Les récepteurs : 
Ce sont des macromolécules dont la fonction est de lier un ligand (ici le médicament) et de convertir cette interaction en un effet, c’est-à-dire en une modification du fonctionnement cellulaire. Pour cela, ces récepteurs peuvent être couplés avec des enzymes ou des canaux ioniques. Un des principaux type est représenté par les récepteurs couplés à une protéine G ;

2. Canal ionique : 
Ces cibles sont représentées par un canal ionique (cationique ou anionique). La liaison du médicament sur un site de reconnaissance du canal modifie sa conformation et donc sa conductance. Ainsi un canal peut être activé ou inhibé et on parle à ce moment de "récepteur-canal" ;

3. Les enzymes : 
Un certain nombre de médicaments agissent directement sur des enzymes. Il s’agit le plus souvent d’inhiber (parfois d'activer) leur activité catalytique ou alors de détourner leur activité pour diminuer le rôle de la protéine normalement synthétisée. Il existe également une catégorie de récepteurs-enzymes associant dans la même structure un site de fixation et de reconnaissance du ligand et une activité enzymatique (récepteurs à activité tyrosine kinase: insuline, facteurs de croissance, etc.) ;

4. Les transporteurs de molécules : 
Le transport des ions et des petites molécules organiques à travers les membranes cellulaires nécessite généralement une protéine de transport. Selon les cas, ce transport sera passif ou au contraire actif et nécessitant de l'ATP (ex. Na/K ATP^ase, cible des digitaliques). Un certain nombre de médicaments ont pour cible ces transporteurs (par exemple ceux qui interférent avec les système de recapture de la sérotonine et de la noradrénaline). L’action stimulatrice ou inhibitrice dépend du système concerné ;

5. Les récepteurs régulant la transcription de l’ADN :

Outre les récepteurs capables de réguler indirectement la transcription génique, il existe une catégorie de cibles des médicaments qui permet une modulation directe de la transcription protéique. Il s’agit principalement des récepteurs aux stéroïdes et aux hormones thyroïdiennes.

•  Cinétique des effets engendrés :

Du point de vue cinétique, la vitesse à laquelle les effets engendrés par l’interaction médicament-cible dépend étroitement de la nature même de cette cible. 
En effet, la mise en jeu de canaux ioniques permet d’obtenir une réponse tissulaire dans la miliseconde qui suit l’interaction du médicament avec le canal ionique. 
En revanche, il faudra quelques secondes pour voir se développer une action liée à la stimulation d’un récepteur, quelques minutes pour des récepteurs-enzymes et enfin quelques heures lorsqu’une interaction avec le noyau aboutit à la modification transcriptionnelle de protéines.

• Transduction du message :

La fonction de ces cibles est d’assurer la transmission du signal véhiculé par le médicament vers l’intérieur des cellules. Ainsi selon leur nature, les cibles des médicaments peuvent être reliées à une variété de composants cellulaires (enzymes, canaux ioniques…) ou effecteurs, permettant d’assurer le relais du message véhiculé initialement par le médicament : c’est la transduction du message.
Ces systèmes de transduction du signal initial sont multiples et permettent ultérieurement de distinguer différentes sous-catégories de récepteurs.
Dans ce processus, certaines molécules sont libérées ou synthétisées de novo et à leur tour, ces dernières vont permettre de transmettre le signal à d’autres éléments cellulaires, amplifiant ainsi le message initial : ce sont les seconds messagers.
Enfin, il faut garder à l’esprit que la cible d’un médicament n’est pas unique et que bien souvent, celui-ci possède plusieurs cibles dans l’organisme.