Pharmacologie – Toxicologie

On étudie ici les méthodes d’action et la toxicité des médicaments.

1. Eléments de Physiologie

•Compartiments liquidiens de l’organisme Composition

Pour une personne d’environ 70Kg => 50 à 70% d’eau = poids total

Les différents compartiments : LIC : Liquide IntraCellulaire (cad dans les cellules)Même composition pour à peu près toutes les cellules de l'organisme ; 25 à 30L d’eau (pour une personne de 70Kg).LEC : Liquide ExtraCellulaire = Liquide Interstitiel (cad entre les cellules ; ~10L) + plasma (cad liquide qui entoure les cellules du sang ; ~3-5L) + lymphe (~1.5L).Le LEC et dit le Milieu Intérieur (MI).MI apporte tous les nutriments, les éléments nécessaires qu’ont besoin les cellules : O2, glucose, Aa, Vitamines, lipides, Acides-gras,… le MI doit évacuer tous les déchets du métabolisme cellulaire : CO2, acides, H+, urée, … Ce MI doit permettre la communication entre les cellules grâce à des molécules chimiques (hormones par exemple). Le MI doit maintenir les constantes physico-chimiques de l’environnement cellulaire : pH, glycémie, TA,… Il existe d’autres liquides : les « transcellulaires », liquides cephallorachidiens, liquide intrapleurales

Composition du LIC et du MI : Na+ Cl- K+ Ca 2+ Mg 2+ HCO 3- Pi AA Glu Prot

MI(mM) 140 110 4 1 1,5 30 2 2 5,6 0,2LIC(mM) 15 10 150 1,5 12 10 40 8 1 4

Composition plasmatique : bcp plus importante en protéines (60mM). Tout le reste idem car il s’agit de molécules diffusables. Les protéines sont trop grosses pour quitter le système vasculaires.

Les échanges entre les divers compartiments Les différentes forces misent en jeu :

Pression Hydrostatique : Pression exercée par le sang sur la paroi vasculaire, elle est liée au débit cardiaque. Débit cardiaque = Fc ( nbr de battements ) x Volume d’éjection systolique.Quand la pression hydrostatique est importante = il y a sortie d’eau du système vasculaire.Pression Oncotique : Force de rétention d’eau exercée par les protéines plasmatiques.Pression Osmotique : Force exercée par les différentes concentrations cellulaires des divers solutés de part et d’autres d’un paroi.Phénomène de diffusion des solutés lorsque la paroi est perméable. La diffusion se fait selon le gradeint de concentration (du plus fort au plus petit).

Les échanges d’eau : Entre le sang et le liquide interstitiel : Séparation = paroi vasculaire. Les échanges se font au niveau des capillaires uniquement. Les échanges d’eau sont du à la pression oncotique et à la pression hydrostatique.

Entre le liquide interstitiel et le liquide intracellulaire: Les échanges d’eau sont sous la dépendance du phénomène d’Osmose ( =>diffusion d’eau du milieu le moins concentré vers le milieu le plus concentré en soluté). Il y a constamment échanges d’eau entre liquide le liquide interstitiel et le liquide intracellulaire.

Les échanges en solutés : Ils sont sous la dépendance de gradient électrochimique. On prend en compte les charges et le gradient de concentration. Les échanges en solutés dépendent aussi de la perméabilité de la membrane plasmique.Entre le liquide interstitiel et le liquide intracellulaire : Cf. schéma ci-dessous

Il existe d’autres types de transports membranaire pour les cellules Eucaryotes : Endocytose / Exocytose. Il se font par invagination de la membrane plasmique.

•Rappels de physiologie digestive Anatomie du système digestif

Tube Digestif = 9m de long, il ne fait pas partit du MI car ouvert à ses deux extrémités sur le M.Ext.Organes Annexes : Ont pour fonction d’assurer la digestion.Estomac : pancréas qui a une fonction exocrine d’enzymes et d’HCO3

- ; il reçoit le « bol alimentaire », fonction exocrine car sécrète HCl, enzymes digestifs comme la pepsine…Intestin grêle : fonction exocrine + fonction principale d’absorption.

La digestion des nutriments Il s’agit d’une digestion Chimico/Ensymatique. Cf .doc associé

Le devenir des nutriments Absorption Intestinale :

Nutriments = Oses, AA, micelles, lipides, Agras, monoglycérides, dipeptides, tripeptides, … Il faut que ces éléments pénètrent dans la muqueuse intestinale => grâce à l’entérocyte.

Cellule spécifique dans l’absorption des nutriments.

Système Porte-Hépatique : Système vasculaire qui relie l’intestin au foie sans passer par le circulation générale.

Prise en charge des nutriments par le sang : La majorité des nutriments hydrosolubles sont transportés librement dans le sang. Cas particulier : les lipides qui sont hydrophobes. Ils sont transformés en lipoprotéines (HDL – LDL). RMQ : il existe aussi des transporteurs de molécules comme par exemple l’Albumine.

•Rappels de physiologie rénale Généralités

Reins = organe qui assurent une fonction de filtration du plasma (assuré par les glomérules) ; assure aussi une fonction de réabsorption (d’eau et d’ions) t enfin une fonction de exocrine (sécrétion de certains déchets du métabolisme cellulaire ex : urée, H+ , HCO3-, …) Enfin il y a aussi une sécrétion d’hormones (« organe endocrine »). Le rein est un des organes les mieux irrigués dans l’organisme.

Aspect Histologique : Structure anatomique du rein :- partie externe = cortex (granuleux)- partie intermédiaire = zone médullaire (aspect strié)- à la base = le bassinet =>urtère => vessie

Unités fonctionnelle : Le Néphron

La filtration du plasma est assurée par le glomérule d’où beaucoup d’artérioles qui apportent le sang à filtrer. L’aspect granuleux du cortex est due aux glomérules qui s’y trouvent. L’aspect strié de la zone médullaire est due aux « anses de Heulé » qui s’y trouvent. Dans le tube contourné distal il y a réabsorption vers le Milieu Intérieur. Urine = résultat de la filtration, la réabsorption et la sécrétion.

Filtration rénale Elle se fait au niveau des glomérules du Néphron. On parle « d’ultrafiltration glomérulaire ». Elle se fait au niveau d’une barrière = cellules endothéliales, lame basale.

Tout ce qui a un poids < poids SAH tel que les protéines, petites molécules, ions, H2O peuvent traverser cette barrière. Toutes les molécules qui ont un poids > poids SAH ne peuvent pas quitter le plasma.On retrouve environ 180 L d’ultrafiltration par jour pour les deux reins. Cela représente 20% du sang qui a été filtré par les glomérules ( environ 900L de sang passe dans les glomérules par jours).

Réabsorption L’eau est essentiellement réabsorbée au niveau des reins. Mais également des ions et d’autres petites molécules.Dabs les tubes contournés proximaux : très forte réabsorption des Na+, Cl-, H2O, …Mécanisme à l’origine des cette réabsorption = le transport membranaire. L’introduction des ions Na+ dans la cellule est anormale. Il y a alors régulation via les pompes K/Na. Il s’agit d’ATPase (transport actif car il y a consommation d’ATP). Ce phénomène de réabsorption se fait dans le tube contourné proximal. Mais aussi au niveau de l’anse de Heulé et du canal collecteur , ici, sous influence des hormones qui régulent cette réabsorption. Ce sont les besoins de l’organisme qui régulent les hormones.L’aldostérone régule la réabsorption des Na+. L’ADH (Hormone AntiDiurétique) régule la réabsorption d’H2O.

Sécrétion Elle s’effectue au niveau du tube contourné proximal et du canal collecteur (flèches vertes sur le schéma). De petite molécules peuvent être sécrétées à ce niveau : bases organiques, acides. Le rein régule le pH sanguin par sécrétion d’H+.

2. Eléments de Toxicologie

•Définition de la Toxicité Toute substance qui est nocive pour un organisme vivant.

•Différents types de Toxicité Toxicité aiguë

Toute substance administrée en une seule fois qui est immédiatement nocive.

Toxicité à dose répétée Toxicité subaigu / subchronique :

Substance administrée de façon répétée quotidiennement / périodiquement pendant une durée qui ne dépasse pas 90 jours.

Toxicité chronique : Substance administrée de façon répétée quotidiennement / périodiquement pendant une durée qui dépasse 90 jours.

•Méthodes d’études et d’évaluation de la nocivité de la substance Méthodologie

Chois du système : On peut évaluer la toxicité d’une substance à partir d’un extrait cellulaire (ex : on recherche la mort cellulaire)., à partir de tissus ou d’organes, puis au niveau de l’animal. On utilise le plus souvent des rongeurs, mais également des chiens peuvent être utilisé ou encore des primates.

Types de Toxicité: On peut évaluer la toxicité subaigu d’une substance ou la toxicité chronique ou subchronique.-> On définit un choix expérimental.

Effets mesurés : Cancérogenèse : observation de l’apparition de cellules cancéreuses = tumeurs ; ou observation d’une diminution du délai de tumeurs spontanées. Ces études sont réalisées sur des animaux (M / F) au cours du temps. On fait des extrapolations pour l’Homme.Génétique : (= mutagénèse) certaines substance transforment le patrimoine génétique. Ces substances sont potentiellement cancérigènes. Etudes faites au niveau des cellules voire au niveau de l’ADN.Tératogène : aptitude à provoquer des malformation de l’embryon.Mortalité : aptitude à provoquer la mort chez des animaux d’un même lot.

•Les paramètres de la Toxicité Dose efficace 50 : DE50

C’est la dose mesurée expérimentalement quand on trace la courbe effet/dose.

Dose létale 50 : DL50 DL50 = Quantité de produit qui provoque la mort chez 50% des animaux traités.

Dose sans effet Elle est déterminée à partir des études de toxicité chronique, calculs statistiques -> on détermine la dose sans effets toxiques (au-delà la molécule deviens toxique). La dose s’exprime en mg de produit toxique par kilos de poids du patients et par jour (mg/kg/j).

Dose Journalière Admissible (DJA) C’est la dose de substance susceptible d’être absorbée en un jour par kilo de poids corporel pour un organisme sans entraîner d’effet(s) toxique(s) [DJE = DSE animal]Or chez l’Homme, la DJA se calcul à partir des calculs fait sur les animaux (le plus sensible est pris en compte) que l’on divise par 100.HOMME => DJA = DSE(animal) / 100

3. Action des molécules toxiques et du médicament

Ceci concerne toutes molécules toxiques de l’alimentation, aussi les substances naturelles, les substances libérées par des contaminants microbiens, substances vénéneuses mais également les médicaments.

•Voies de pénétration de ces molécules dans l’organisme Voie cutanée = il y a beaucoup d’obstacles.Voie respiratoire = extrêmement efficace notamment pour des gaz toxiques, donc redoutables car molécules rapidement dans le sang.Voie digestive = notamment problème de toxicité chronique (plomb dans les boisson par exemple).

•Pénétration = Absorption = Résorption Cette phase se fait le plus souvent par diffusion passive. Les molécules passent par une membrane lipophile donc plus la molécules est toxique et liposoluble, mieux elle passe la barrière transmembranaire. Cela concerne aussi les petites molécules polaires non chargées.Cette phase de pénétration est en relation avec la phase d’exposition. Cette dernière détermine la concentration de molécule toxique qui va pénétrer.

•Distribution dans l’organisme Phase de distribution des molécules du sang dans les tissus. Cette phase dépend de ce qui est fixé par la molécule plasmatique, seules les molécules libres vont être distribuées ; les autres, fixées ne vont pas être diffusées.Cette phase dépend aussi des barrières transmembranaires qui n’est pas forcément homogène suivant les tissus. Cette phase dépend aussi de l’irrigation sanguine ; certains organes sont plus irrigués que d’autres (foie, cœur, reins, cerveau, poumons).

•Biotransformation Dans la majorité des cas, ces molécules subissent une transformation enzymatique. Rarement il n’y a aucune transformation et élimination directe. Cette étape de fait dans le foie.Ces transformations se font essentiellement dans le REG / le système enzymatique dit mycrosomique (SEM). Ces transformations vont rendre les molécules toxiques plus hydrosolubles donc moins réabsorbables au niveau du néphron (donc plus évacuables par le reins). Cependant ces transformations peuvent aussi rendre les molécules encore plus toxique (par ex l’alcool). Ces réaction de détoxication sont divisées en deux groupes :

Phase 1 Il s’agit d’une réaction d’oxydo-réduction par hydrolyse qui sont réalisées par des Enzymes dite « monooxygénases ». Elles sont situées dans la membrane du REG au niveau du cytochrome P450. Ce sont des enzymes qui sont exprimées par induction avec le substrat.Ex : l’alcool (méthanol) se fixe sur la membrane des cellules notamment des neurones ce qui modifie la fluidité membranaire.

Alcool Acétaldéhyde + H2 (enzyme = alcool déshydrogénase)L’acétaldéhyde est plus toxique que l’alcool, il endommage les mitochondries des cellules du foie (=> cancer du foie, cirrhose, …). L’H2 modifie le métabolisme dans le sens de stockage de lipides.

Phase 2 Il s’agit de réaction de conjugaison, cad de réactions de fixation de molécules endogènes sur la molécule toxique. Très souvent cette phase entraîne l’inactivation totale de la molécule et donc une meilleure élimination de la molécule.Ex : Fixation de l’acide glucoronique sur la molécule toxique.Toxique-H + UDP-Acide glucoronique Toxique-Acide glucoronique + UDP (enzyme = udpglucuranyl transférase)Ces réactions sont saturables, cad pour une prise de molécule toxique trop importante, il peut y avoir des effets toxiques immédiats. Ces transformations dépendent de l’âge, du sexe, de la corpulence, du patient en général…

•Voies d’excrétions Voie pulmonaire = c’est une voie principalement utilisée pour les gaz toxiques et produits volatils.Voie biliaire + TD = une partie des molécules toxiques prises par voie orale sont toujours évacuées par les sucs digestifs mais aussi par les sels biliaires.Voie urinaire = permet de définir la « clairance » et le t1/2 vie.Autres voies = peau et notamment par la sueur. Notamment la morphine et les métaux lourds sont éliminés par les poils ; mais aussi les larmes, la salives, ….RMQ = il y a des lieux de stockage de ces molécules toxiques, notamment dans le squelette, dans les graisses également.

•Mode et site d’action Principe général du mode d’action des médicaments et des molécules

informativesMolécule informative = qui agit sur la cellule. Il y a donc des récepteurs sur la membrane, dans la cellule et dans le noyau.Il y a une réponse de la cellule, plus précisément une « cascade d’évènements intracellulaires ». C’est le même système pour les médicaments. Les messages informatifs peuvent être électriques, physique (contacts membranaires), chimiques (hormones), …

Les récepteurs sont des modifications de ‘activité cellulaires.

Les différents types de récepteurs aux signaux chimiques Principe Général :

Ils sont de nature biochimique. Ce sont des protéines dont on distingues plusieurs parties.- une partie pour la reconnaissance du signal- une partie pour la localisation précise d’un récepteur dans la cellule (doit être lipophile, qui s’intègre à la membrane)- une partie réservée à la transduction du signal (cad comment le signal va être transformer).

Présentation des différents types de récepteurs : Récepteurs à activité enzymatique : se sont des récepteurs qui, quand ils fixent une molécule, développent directement ou indirectement une activité enzymatique intracellulaire.Récepteurs intervenants dans la passage d’ions : ou de molécules (passage à travers la membrane).Récepteurs à activité nucléaires : agissent sur la transcription des gènes.

Récepteurs à activité enzymatiqueTransduction indirecte :

Ex : récepteur à activité tyrosine kinasePrincipe G : c’est le récepteur lui-même qui produit le signal.

- Fixation du ligand sur le récepteur- Changement de conformation du récepteur- Activation du récepteur : autoPhosphorilation => c’est à ce moment que le

récepteur acquiert son activité enzymatique.Ex récepteur à insuline.

Il y a donc des cibles à l’intérieur de la cellule : une protéine va être phosphorylée au niveau de la Tyrosine ici. Ici modification des voies métaboliques donc mise en réserve du glucose dans le foie et les muscles sous forme de glycogène.

Transduction indirecte : Principe G : la molécule informative se fixe sur un récepteur et il existe à partir de là, un intermédiaire entre le message et le récepteur intracellulaire.

Protéine G = représente une grande famille de protéines qui sont capables de lier des nucléotides guanyniques (GDP, GTP). Elles sont trimériques, cad 3 sous-unités ( alpha, bêta, gamma).

Gamma est rattachée à la membrane côté intracellulaire, les deux autres sous-unités lui sont reliées. C’est la sous-unité alpha qui fixe soit GTP (protéine G active) soit GDP (protéine G inactive).Interaction Récepteur / Protéine G : réception du ligand par le protéine G = activation de la protéine GCycle de la protéine G activée cf. poly.Les différentes voies du second messager :

-> AMPcyclique : fait intervenir l’adénylate cyclase qui est une enzyme qui transforme de l’ATP en AMPc. Fait aussi intervenir Gs (simulatrices ) capables d’activer l’adénylate cyclase, il existe donc aussi Gi (inhibitrice). L’AMPc est le second messager = messager intracellulaire. L’AMPc agit sur les protéines kinases, on parle de « protéines kinases AMPc dépendantes » = PKA.L’AMPc se fixe sur les protéines K et il y a alors activation de sPKA, cad Phosphorylation.C’est cette Phosphorylation qui va modifier l’activité globale de la cellule.Ex : Adrénaline se fixe sur différents récepteurs , notamment sur des récepteurs Beta des cellules hépatiques. Il y a alors inhibition de la glycogénolyse, et favorisation de la glycolyse => libération du glucose.

->Les lipides membranaires : ceci concerne les protéines G dites Gp (« p » pour « phospholipase c » - PLpc). Cette PLpc est également reliée à la membrane et cette PLpc va donc hydrolyser les lipides membranaires. Cette enzyme hydrolyse le PiP2 et IP3 + DAG (cf. doc associé). Ainsi ils sont les seconds messagers.L’IP3 agit sur les récepteurs canaux situés au niveau du REG qui vont faire ouvrir les canaux laissant passer des ions. Ces récepteurs canaux libèrent notamment du Calcium. Il est stocké en grande quantité dans le REG (cytoplasme : 10-7 mol/L ; REG :10-3 mol/L). Ce Ca2+ se fixe sur des protéines kinase « Cd Kinase » (Cd = Calmoduline) qui les actives => ce qui entraîne la phosphorylation et ce qui entraîne la réponse cellulaire.Le DAG se situe dans la membrane cellulaire, du côté cytoplasmique et à pour cible une protéine kinase.Le Ca2+ est très vite régénéré par le REG.

Récepteurs intervenants dans le passage d’ions (R. canaux = R. ionotropiques)Mécanisme Général : Récepteurs chimiodépendants dont l’ouverture d’un canal est régulé par la fixation d’un ligand. Il existe beaucoup de canaux différents ! Exemple de récepteurs à l’Ach (acétylcholine) : Il s’agit d’un neurotransmetteur qui se trouve entre la jonction neuromusculaire, cerveau, et cœur. Au niveau du cœur, l’Ach agit sur le récepteur dit muscarinique, récepteur du type protéine G (AMPc). Au niveau des autres muscles, c’est le récepteur nicotinique qui est le récepteur à l’Ach, du type canal Na+. L’entrée du Na+ dans la cellule entraîne une dépolarisation de la membrane ce qui entraîne la contraction musculaire.

Récepteurs intracellulaires pour les molécules liposolublesCela concerne toutes les hormones stéroïdiennes = dérivées du cholestérol, ainsi que les hormones tyroïdiennes.Principe de base – Mécanisme d’action : Elles sont transportées dans le sang, traversent librement la membrane cytoplasmique. Ces molécules se lient à des récepteurs intracellulaires qui sont soit dans le cytoplasme soit dans le noyau. Csq => modification de l’expression des gènes. L’activité cellulaire est immédiate pour les autres récepteurs, tandis que la modification du génome se fait sur moyen à long termes.Ce sont des protéines donc grandes homologies de strucuture. Dans les récepteurs on distingues trois grands domaines :- COOH ter = site de fixation du ligand, - NH2 ter = domaine responsable de la régulation de l’expression génomique,- Entre ces deux domaine sil y a un domaine dit intermédiaire responsable de la liaison avec l’ADN.

Dans cette conformation, HSP = inactif. Quand le ligand est fixé, l’HSP part ce qui modifie la conformation 3D.

La transcription des gènes est stimulée par le changement de conformation structurale.

Récepteurs aux neurotransmetteurs et applications physiologiquesNeurotransmetteurs = molécule chimique produite par les neurones qui doit être présente dans la terminaison pré-synaptique, libéré dans la synapse, dégradée rapidement et avec un effet sur la cellule post-synaptique.Présentation : cellule hautement différenciée et spécialisée.

La terminaison arborescente peut communiquer avec d’autre neurones, avec des cellules musculaires, avec des cellules endocrines. Il n’y a pas de contacts directs = fente (espace) synaptique. C’est ici que sont libérés les molécules qui transmettent les messages électriques sous forme chimique.

L’ouverture et la fermeture des canaux calcique voltages dépendants est régulée par les potentiels d’action (P.A.). Ils laissent essentiellement passer des ions Ca2+. Il y a un gradient chimique des Ca2+ où les ions rentrent dans la terminaison synaptique. Les neurotransmetteurs sont synthétisés dans le corps cellulaire, ils migrent dans l’axone grâce à des microtubules et donc se retrouvent dans la terminaison pré-synaptique.La rentrée de Ca2+ par l’arrivée des P.A. entraîne l’exocytose des vésicules des neurotransmetteurs dans la ente synaptique. Après ils vont donc se fixer sur les récepteurs transmembranaires de la cellule post-synaptique. Il y a transduction du signal et réponse cellulaire.Puis les neurotransmetteurs peuvent être recaptés par la terminaison pré-synaptique au moyen de pompes pour être réutilisées par la cellule. D’autre part ils peuvent être également dégradés par des enzymes situées dans la fente synaptique.Exemple de 2 enzymes :

Monoaminoxydase = enzyme qui dégrade les neurotransmetteurs, de la famille des monoamines comme la dopamine, adrélanine, …

Acétycholine estérase = coupe l’ester entre acétate et choline.Au sujet des récepteurs aux neurotransmetteurs de la cellule cible, il peut y avoir des récepteurs canaux.R.GABA.A = fait entrer les ions Cl- dans la membrane -> hyperpolarisation contrairement aux P.A. (P.A. = signal excitant donc là il s’agit d’un signal inhibant).R.Glutamate = fait entrer les Na+ (signal excitant). Il existe des antagonistes au R.GABA.A = Benzodiazepine (= tranquilisant), effet inhibiteur.Il existe des récepteurs métabotropiques qui sont utilisés dans le domaines cardiovasculaire. D’autre apr ton peut aussi agir sur la libération des neurotransmetteurs via les amphétamines par exemples. Ils sont d’excellents activateurs de la libération des neurotransmetteurs de la famille de l‘adrénaline. On peut éviter l’endocytose des neurotransmetteurs par la cellules présynaptique en augmentant la concentration en dopamine.Ex : la coaïne bloque ces pompes des les neurotransmetteurs restent dans la fente synaptique donc l’excitation augmente.Enfin on peut aussi agir sur les enzymes qui dégradent les neurotransemtteurs = inhibiteurs des monoxydases = IMAO. (=> Une grande partie des antidépresseurs prescrits en France).Autre cible possible, les enzyme de biosynthèse que l’on retrouve soit dans les corps cellulaire, soit dans les terminaisons présynaptiques.