Action des cannabinoïdes

Quelle est l’action des cannabinoïdes?

Le potentiel d’action

Afin de comprendre l’action des cannabinoïdes, il est nécessaire de faire un rappel sur le potentiel d’action.

La membrane plasmique des cellules nerveuses est polarisée. Cette polarisation est liée  à la présence de charges électriques qui sont fournies par des molécules chargées. Dans le cas des neurones, il s’agit des ions Na+,  K+ et Ca2+. Les ions se déplacent en passant par des protéines canaux.

C’est le déplacement des ions (dans le sens du gradient chimique) à travers les canaux qui va générer des courants électriques et polariser la membrane plasmique.

Le potentiel  de la membrane est variable. En effet il y a des canaux ioniques qui vont, à un moment donné, s’ouvrir ou se fermer entrainant l’accélération ou le ralentissement de la libération des ions générant des variations du potentiel de la membrane.

  • Notion de potentiel de repos

Sur la membrane plasmique de l’axone on trouve des canaux ioniques passifs qui permettent le passage constant des ions Na+, K+ et Ca2+. Le flux de K(vers l’extérieur du neurone) est plus important que le flux entrant passif de Na+ (vers l’intérieur du neurone).  Ceci s’explique car les canaux potassiques sont plus efficaces et plus nombreux que les autres canaux. Il y a donc initialement plus de cations qui sortent que de cations qui entrent ce qui génère le potentiel de membrane. Quand le potentiel de membrane arrive à une valeur de -70mV : la sortie des ions de K+ est inhibé et la cellule trouve un équilibre entre Na+ entrant et K+ sortant. L’ouverture ou la fermeture de canaux K+, Na+, ou Cl- va perturber le flux et génèrer un potentiel de repos à une autre valeur d’équilibre.

L’ATPase Na+ est une protéine transmembranaire qui joue le rôle de pompe: elle  va en permanence éjecter de la cellule les ions  Na+ et incorporer les ions K+. Comme le nom  (ATPase) l’indique le mouvement de la pompe nécessite l’hydrolyse de l’ATP.

  • Notion de potentiel d’action 

Le potentiel membranaire des neurones varie : quels sont les rôles des modifications du potentiel membranaire ?

Les neurones subissent des changements de potentiel par la genèse du courant ionique. Ces changements vont servir de signaux. Les signaux servent pour la transmission de l’information d’un neurone à l’autre.

Le potentiel d’action est une brusque modification du potentiel de repos. C’est un phénomène électrique qui naît suite à l’ouverture massive de canaux de Na+ dependent voltage.

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Schéma d’un potentiel d’action qui a lieu dans un neurone

Le potentiel d’action se déroule en quatre étapes qui sont :

  • Stimulus (1)

L’arrivée d’un stimulus au niveau de la membrane de la cellule. Par exemple, dans le cas d’une synapse électrique : la stimulation (électrique) peut être un potentiel d’action en provenance d’un autre neurone.

  • Dépolarisation (2)

Le stimulus engendre l’ouverture des canaux sodique (1) : les ions Na+ entrent dans la cellule ce qui est à l’origine d’une faible dépolarisation de la membrane du neurone. À partir d’un certain seuil de dépolarisation, les canaux sodium (qui sont voltage dependant) s’ouvrent. Leur ouverture provoque une forte dépolarisation de la membrane (2).

La face externe de la membrane devient alors électronégative, et la face interne devient électropositive.

  • Repolarisation (3)

Les canaux sodium et calcium se ferment, donc ces ions ne rentrent plus dans la cellule. Les canaux potassiques s’ouvrent : les ions K+  sortent pour compenser l’entrée de Na + et Ca2+  .

La face externe de la membrane redevient alors électropositive, et la face interne redevient électronégative : la membrane est à nouveau polarisée.

  • L’hyperpolarisation (4)

Les canaux potassiques restent ouverts. Les ions K+ continuent à sortir de la cellule.

La face externe de la membrane devient alors hyperpositive, et la face interne devient hypernégative.

  • Le retour au potentiel de repos (5)

La pompe sodium potassium permet de restaurer la teneur en ions et ça car elle expulse 3Na+ contre 2K+, ce qui contribue au potentiel de membrane.

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Représentation de la pompe Na+,K+/ATPase

La variation de potentiel est donc transitoire car le potentiel revient ensuite au potentiel de repos.

Les différents types de canaux

Pour comprendre la suite, il est indispensable de présenter les canaux calciques et potassiques. Un canal ionique est une protéine transmembranaire qui permet le passage à grande vitesse d’un ou plusieurs ions. Il existe de nombreux types de canaux ioniques.

  • les canaux voltage dépendants : leur ouverture dépend de la modification de la polarité de la membrane (c’est le cas des canaux sodium mis en jeu dans les potentiels d’action).
  • les canaux chimio-dépendants : leur ouverture est liée à la présence de ligand, ils participent à la construction de la synapse chimique.
  • le canal potassique réctifiant-entrant (KIR) : le mouvement des ions potassiques à travers ce canal ne peut se faire que depuis l’extérieur vers l’intérieur de la cellule.

Les canaux Ca2+ voltage-gated sont répartis en 3 grandes familles :

  • 4 membres dans la famille CaV1 (CaV1.1 à C1V1.4, ainsi que tous des canaux de type L)
  • 3 membres dans la famille CaV2 (CaV2.1 : canal de type P/Q ;  CaV2.2 : canal de type N et CaV2.3 : canal de type R)
  • 3 membres dans la famille CaV3 (de CaV3.1 à CaV3.3, tous de des canaux de type T)

Les canaux Ca2+ voltage-gated transforment le signal électrique des cellules excitées en signal biochimique (en contrôlant l’influx du second messager Ca2+). Ces canaux jouent des rôles fondamentaux dans de nombreuses  fonctions cellulaires, dont  la libération des neurotransmetteurs (grâce à CaV2.1 et CaV2.2).

Composition d’un canal calcique de type CaV2:

La sous-unité α1 est composée de 4 motifs homologues (les domaines I à IV). Chacun de ces domaines est composé de 6 segments transmembranaires α-helicaux (numérotés de S1 à S6) et d’une « P-loop » (boucle P entre S5 et S6).

Les segments S5-S6 et les P-loop forment le pore du canal, tandis que les segments S1 à S4 forment le domaine sensible au voltage. Les extrêmités N- et C-terminales, ainsi que les boucles dans le cytoplasme (qui relient les domaines I à IV) sont importantes pour l’interaction avec les autres protéines, dont les protéines SNARES et les protéines Gβγ hétérodimères par exemple.

Canal CaV2

 

 

On peut maintenant voir l’action des cannabinoïdes :

On rappelle que seul le récepteur CB1 est exprimé dans les neurones, il est donc responsable des effets psychotropes ressentis suite à la prise de cannabis. C’est pourquoi nous allons parler du mode d’action de CB1.

En effet, une fois le récepteur activé par la fixation d’un ligand, il catalyse l’échange de GDP en GTP sur la sous-unité Gα (i ou o), ce qui cause un changement conformationnel : cela provoque la dissociation de la sous-unité Gα et du complexe Gβγ.

Ces sous-unités activent des effecteurs intracellulaires : il y a inhibition de l’enzyme adénylate cyclase, activation de la voie des MAP-kinases et une modulation de la perméabilité de certains canaux ioniques. Les canaux ioniques concernés sont deux types de canaux : potassiques et calciques. On rappelle que ces canaux sont indispensables à la polarisation des membranes, donc à la conservation et la transmission des potentiels d’action lors d’une synapse.

Les récepteurs CB1 jouent un rôle dans la modulation de la libération de divers neuromédiateurs. Ainsi, par exemple, à leur stimulation est associée : une inhibition de la libération de GABA (Acide Gamma Amino Butyrique) ; une inhibition de la libération d’acétylcholine et de glutamate.

 

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Schéma des trois voies d’action suite à la fixation d’un ligand sur CB1

Conséquences de la fixation du ligand sur CB1 :

1ère voie d’action :

  • Il y a fixation d’un ligand sur CB1 (ou CB2) couplé aux protéines G. [1]
  • La fixation de ce ligand sur CB1 entraîne la libération des sous-unités Gαi et Gβγ  (qui proviennent de protéines G de type Gi). [2]
  • Il y a alors inhibition, sur la face interne de la membrane cellulaire, d’une activité enzymatique : l’adénylate cyclase. Cette inhibition est causée par la sous-unité Gαi. [3]
  • A l’origine, l’adénylate cyclase catalyse la réaction de formation de l’adénosine monophosphate cylclique (AMPc). Lors de la fixation d’un ligand, l’activité enzymatique de l’adénylate cyclase est inhibée, donc on observe une baisse de la quantité d’AMPc. [4]
  • Cet AMPc est l’activateur de la protéine kinase A (PKA) qui est capable de phosphoryler, et ainsi moduler l’activité, de nombreux substrats protéiques. Lors de la fixation d’un ligand cannabinoïde, on observe alors une baisse de l’activité de la PKA. D’ordinaire, la PKA phosphoryle les canaux potassiques  transmembranaires voltage-dépendants (notés Ka sur nos schémas), ce qui réduit l’activité de ces canaux. Ainsi, l’inhibition de la PKA conduit à la déphosphorylation du canal de K+ voltage-dépendant qui retrouve une activité importante (les ions K+ peuvent de nouveau circuler à travers ce canal). [5]

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Schéma explicatif de la 1ère voie d’action des cannabinoïdes

Légende :

1: cannabinoïde

2: récepeteur cannabinoïde

3: protéine G

4: canal potassique

5: membrane plasmique

  • La sous-unité Gβγ est aussi capable de phosphoryler la phospholipase C (dont les types B3, H1 et H2) sont exprimées dans le cerveau. La phospholipase C (PLC) hydrolyse le phospholipide membranaire PIP2 (phosphatidylinositol-biphosphate) en IP3 (Inositol Triphosphate) et en DAG (Diacylglycérol). Cela conduit alors à l’activation de la protéine kinase C (PKC). La PKC joue un rôle sur la régulation des canaux calciques CaV2. En effet, elle est capable de phosphoryler certains résidus. Par exemple, si elle phosphoryle la sérine 425, il y aura une inhibition de la conductance du canal CaV2. À l’inverse, la phosphorylation des résidus ser1757, ser2108 et ser2132 augmentera la conductivité du canal (ce qui n’est pas le cas ici).

 

2ème voie d’action :

  • La libération des sous-unités Gβγ des protéines Gi et Go (suite à la fixation d’un ligand sur le récepteur CB1) entraîne également l’ouverture d’un deuxième type de canaux potassiques : il s’agit des canaux potassiques rectifiants entrants (KIR). On observe aussi une diminution de la conductance des canaux calciques gated-voltage.
  • Ce n’est encore qu’une supposition, mais l’inhibition des canaux CaV2 (qui provoque une réduction de la conductance de ces canaux) serait réalisée par la liaison des sous-unité Gβγ  (des protéines Gi ou Go) sur la sous-unité α1 du canal. (Cette proposition d’explication est une analogie de l’action de l’adénosine sur les membranes présynaptiques. Pour plus d’information sur ce sujet, voir l’article Adenosine modulates transmission at the hippocampal mossy fibre synapse via direct inhibition of presynaptic calcium channels ; A.Gundlfinger, J.Bischofberger, F.W.Johenning, M.Torvinen, D.Schmitz and J.Breustedt1; 2007)
  • La modification de l’action de ces canaux potassiques (rectifiants entrants) et de ces canaux calciques (CaV2) engendre alors l’hyperpolarisation des terminaisons présynaptiques.  Notons que cette hyperpolarisation ne semble pas avoir de conséquences.
  • Suite à la réduction de la conductance des canaux calciques, la libération de neurotransmetteurs inhibiteurs et excitateurs (tels que le glutamate, le GABA, l’acétylcholine, la noradrénaline, la dopamine..) emmagasinés diminue fortement. En effet, suite à l’inhibition des canaux de type CaV2, les ions Ca2+ pénètrent plus difficilement dans le neurone. Il y a donc moins d’ions Ca2+ dans le neurone. Or, ces ions calcium sont indispensables à l’exocytose des neurotransmetteurs: ils permettent la fusion des vésicules (qui contiennent les neurotransmetteurs) avec la membrane (ce qui provoque l’exocytose).  [6]

Les effets sur la transmission synaptique entraînent une mise sous silence de la synapse :

-l’inhibition des canaux calciques au niveau pré-synaptique entraîne une diminution importante de la libération de neurotransmetteurs (puisqu’il y a moins d’ions Ca2+ dans le neurone présynaptique). Les quelques neurotransmetteurs libérés n’arrivent pas toujours à déclencher un potentiel d’action sur la membrane post-synaptique. Par conséquent, le nombre de potentiels d’action du nerf post-synaptique baisse et on dit que la « transmission » des potentiels d’action est inhibée.

-les effets sur les courants potassiques réduisent la durée du potentiel d’action

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Schéma du potentiel d’action dans le cas de prise de cannabis

Légende :

1: Les canaux K+ s’ouvrent, leur libération à l’extérieur de la cellule provoque une hyperpolarisation de la membrane. Le potentiel de repos est plus négatif que d’ordinaire

2: le temps de passer du potentiel de repos à la valeur seuil est plus long que la normale (car le potentiel de repos est plus négatif)

3: il y a ouverture des canaux Na+ qui est déclenchée plus tard

Comme le potentiel d’action (quand il y a des phytocannabinoïdes) se finit en même temps que le potentiel d’action normal, le potentiel d’action tardif (avec phytocannabinoïdes) dure moins longtemps qu’en temps normal. Il y a donc moins de neurotransmetteurs libérés.

3ème voie d’action :

  • les sous-unités Gα activent la voie des MAP-kinases (mitogen-activated protein kinases) qui est impliquée dans la régulation de l’expression des gènes et de la synthèse protéique. L’activation de cette voie déclenche une cascade de phénomènes aboutissant à l’activation de facteurs de transcription multiples (responsables de la synthèse protéique). La voie des MAP kinases constitue donc un champ de recherche extrêmement prometteur au niveau thérapeutique, car cette voie intervient dans le devenir de la cellule (comme les processus de différenciation morphologique et de survie neuronale). [7]

 

Exemple de la libération du neurotransmetteur GABA avec ou sans ligand cannabinoïde :

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Schéma d’une synapse sans cannabinoïde

Légende :

1: il n’y a pas de fixation d’un ligand au récepteur CB1

2: il y a une libération des neurotransmetteurs inhibiteurs et excitateurs emmagasinés (sur le schéma, il s’agit du neurotransmetteur GABA)

3: le neurotransmetteur GABA se fixe à son récepteur spécifique

4: le récepteur GABA change de conformation et permet l’entrée des ions Cl- dans le neurone dopaminergique

5: les ions Cl- permettent une inhibition de la libération de dopamine

6: peu de dopamine est libérée, donc peu de dopamine se fixe sur les récepteurs spécifiques. Il n’y a aucune sensation particulière de bien-être

Schéma 1

Schéma de l’action des cannabinoïdes lors d’une synapse

Légende :

1: les endocannabinoïdes sont fabriqués au niveau des terminaisons post-synaptiques par sécrétion contrôlée (ils se répandent ensuite de façon rétrograde)

2: les endocannabinoïdes ou les phytocannabinoïdes se fixent sur le récepteur CB1 (couplé aux protéines G). On remarque que si un phytocannabinoïde se fixe, il y a un dérèglement dans le fonctionnement de la synapse car la molécule de THC reste beaucoup plus longtemps fixée qu’un endocannabinoïde classique

3: la fixation d’un ligand entraîne la libération des sous-unités des protéines Gi et Go. Il y a alors inhibition de l’adénylate cyclase, puis une baisse de l’accumulation en AMPc, et enfin une baisse de l’activité de la protéine kinase A

4: on observe l’ouverture des canaux K+ rectifiants entrants et une baisse de la conductance des canaux calciques Ca2+ de type CaV2. On observe une hyperpolarisation des terminaisons pré-synaptiques

5: la libération des neurotransmetteurs inhibiteurs et excitateurs emmagasinés diminue fortement, puisque les canaux CaC2 sont inhibés (sur ce schéma, on a pris GABA comme exemple)

6: dans le cas du neurotransmetteur GABA : il n’y a plus (ou peu) de libération du neurotransmetteur GABA. Il n’y a donc pas de molécules de GABA qui se fixent sur le récepteur spécifique au GABA

7: les ions Cl- restent dans la fente synaptique (ils ne pénètrent pas dans le neurone post-synaptique)

8: la libération de dopamine n’est plus inhibiée (car il n’y a pas ou très peu d’ions Cl- dans le neurone dopaminergique)

9: la dopamine est libérée en très grande quantité et se fixe sur ses récepteurs. Cela provoque une cascade biochimique qui aboutit à un très grand sentiment de bien-être

 

Pour résumer les trois voies d’action nous vous proposons une schématisation récapitulative.

Schéma final.jpg

 

Schéma récapitulatif des différentes voies d’action des cannabinoïdes

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2 réflexions au sujet de « Action des cannabinoïdes »

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