MODULE DE GRANDES REGULATIONS ENDOCRINIENNES ET NEUROPHYSIOLOGIQUES ELEMENT 2 : ENDOCRINOLOGIE Responsable : Pr. M. BADR Introduction Le système endocrinien ( endo : à l’intérieur et krinein : sécréter) constitue un des deux grands systèmes de communication de l’organisme, l’autre étant le système nerveux. Son rôle est essentiel lors du développement, pour la réalisation de certaines grandes fonctions physiologique et de l’homéostasie (c’est à dire le maintien relativement constant du milieu intérieur). Le système endocrinien se compose d’organes sécréteurs « les glandes endocrines » qui synthétisent et libèrent des hormones dans l’organisme. les hormones sont des messagers chimiques véhiculés par le sang jusqu'à des cellules cibles (cellules sur lesquelles les hormones agissent). Chap. I : Hormones et leurs modes d’action 1) Les hormones (Tableau 1). Le système endocrinien fait intervenir plusieurs dizaines de messagers intercellulaires différents ou hormones, dont la sécrétion peut être déclenchée par des stimulations produites par des influx nerveux, des variations homéostatiques (concentration en ions, en nutriments...), des variations environnementales (stress) ou même d’autres hormones. Les messagers moléculaires endocriniens (hormones) peuvent se répartir en trois groupes en fonction de leurs natures biochimiques et de leurs mécanismes d’action : a) Les hormones peptidiques. Ce sont des petites protéines qui, après traduction de leurs gènes en ARNm, sont synthétisées par les ribosomes du réticulum endoplasmique granulaire et empaquetées par l’appareil de Golgi dans des vésicules sécrétoires. Ces vésicules permettent aux hormones de franchir la bicouche lipidique de la membrane plasmique par exocytose puisque les peptides hydrosolubles ne franchissent pas la bicouche de lipides hydrophobes. Une fois sécrétées dans le sang, les hormones peptidiques y circulent librement. Elles agissent sur les cellules cibles par l’intermédiaire de récepteurs protéiques traversant la membrane plasmique des cellules cibles . Les récepteurs sont spécifiques pour une hormone donnée mais une hormone peut avoir plusieurs types de récepteurs membranaires. b) Les hormones stéroïdes. Ce sont des lipides synthétisés dans le cytosol à partir du cholestérol, ils traversent sans difficulté la bicouche lipidique puisque les hormones stéroïdes sont lipophiles. A cause de cette nature lipophile (et donc hydrophobe), les stéroïdes doivent se complexer avec des protéines plasmatiques (protéines vectrices) afin d’être transportés par le flux sanguin. Le complexe stéroïde-protéine est inactif, seule l’hormone stéroïde libre a une action endocrine. La protéine vectrice ou « de transport » ne libère l’hormone stéroïde qu’au niveau des capillaires sanguins au contact des cellules cibles. Une fois libérée de la protéine de liaison, les stéroïdes franchissent la membrane plasmique et interagissent avec des récepteurs intracellulaires afin de modifier l’expression génique de la cellule cible. c) Les hormones Monoamines. Elles dérivent presque toutes d’un acide aminé la tyrosine, ce sont donc de petites molécules. Il s’agit entre autre de l’adrénaline, de la noradrénaline, de la dopamine et de la mélatonine (cette dernière est synthétisée à partir de l’acide aminé tryptophane qui est transformé en sérotonine avant de donner la mélatonine). Ces molécules constituent un sous-groupe d’hormones aminées, en vertu de leur mécanisme d’action sur les cellules cibles qui est comparable à celui des hormones peptidiques. En effet, ces hormones aminées circulent librement dans le sang et agissent sur les cellules cibles par l’intermédiaire de récepteurs spécifiques transmembranaires. Certaines d’entre elles (NA et DA) existent aussi dans le système nerveux où elles fonctionnent non pas en tant qu’hormone mais comme neurotransmetteurs. L’autre sous-groupe d’hormones Monoaminées dérivées de la tyrosine est constitué par les hormones thyroïdiennes. Les deux principales sont la triiodothyronine (T3) et la thyroxine (T4ou tétraiodothyronine), leurs caractéristiques principales sont : (i) elles contiennent des atomes d’iode, (ii) elles sont liées à des protéines plasmatiques pendant leur transport sanguin (ce qui les inactives transitoirement) et (iii) elles agissent sur des récepteurs intracellulaires et modifient l’expression des gènes comme le font les stéroïdes. TABLEAU 1. Classification des hormones selon leur nature biochimique et leur origine 2. Mode d’action cellulaire des hormones. Une hormone n’agit pas globalement, elle agit spécifiquement dans le corps. Seules les cellules cibles de l’hormone y sont sensibles car elles seules possèdent des récepteurs spécifiques de l’hormone. En d’autres termes, c’est la présence du récepteur hormonal qui confère à la cellule cible sa sensibilité vis à vis de l’hormone. Les récepteurs sont présents soit dans la membrane plasmique pour hormones peptidiques, l’adrénaline, la dopamine, la noradrénaline et la mélatonine, soit dans la cellule pour les stéroïdes et les hormones thyroïdiennes. 1) Action via les récepteurs transmembranaires (Fig. 1). Les récepteurs sont des protéines qui participent au passage de l’information véhiculée par l’hormone vers le cytoplasme, sans que celle-ci ne pénètre à l’intérieur de la cellule cible. La fixation de l’hormone sur la face externe du récepteur active ce dernier, à la suite de la reconnaissance spécifique entre l’hormone et son site de liaison sur le récepteur. Cette reconnaissance est un contact physique basé sur un principe de complémentarité de forme, similaire à un système de clef et de serrure. L’interaction hormone/récepteur peut conduire à des réponses immédiates ou très légèrement différées : Les réponses immédiates résultent de l’ouverture de canaux ioniques inclus dans la structure des récepteurs membranaires que l’on qualifie de récepteurs canaux ou récepteurs ionotropiques. Une fois ouverts, les canaux ioniques donnent naissance à des courants ioniques transmembranaires qui modifient les propriétés électrophysiologiques des cellules cibles. Ce type de réponse cellulaire apparaît en quelques millièmes de seconde, mais n’est pas majoritaire dans le système endocrinien. Les réponses différées apparaissent lorsque le récepteur n’est que le premier maillon d’une chaîne de molécules appelée système de transduction qui réalise le transfert de l’information hormonale dans le milieu intracellulaire. Dans ce cas, le récepteur appartient à la classe des récepteurs métabotropiques. Le système de transduction se compose typiquement de trois éléments : le récepteur, d’un système protéique de couplage, et d’une ou plusieurs protéines effectrices. Le système de couplage est un processus moléculaire complexe qui associe le récepteur à la (aux) protéine(s) effectrice(s). Le système de couplage est localisé sur la face interne de la membrane plasmique et transmet à l’effecteur de l’information reçue par le récepteur. Les protéines effectrices sont des enzymes qui, une fois stimulées, catalysent la synthèse de vecteurs intracellulaires porteurs de l’information amenée à la cellule cible par l’hormone. Ces vecteurs sont appelés seconds messagers par analogie avec l’hormone qui est le premier messager. Parmi les principaux seconds messagers : l’ion calcium, l’AMPc, le diacylglycérol et l’inositol triphosphate (IP3). Dans la plupart des cas, les seconds messagers vont provoquer de manière plus ou moins directe la phosphorylation de protéines qui existent déjà dans la cellule. La phosphorylation est la fixation d’atomes de phosphore sur les protéines. Cette réaction biochimique est catalysée par des enzymes particulières, les kinases, qui sont activées plus ou moins directement par les seconds messagers. La phosphorylation des protéines a pour conséquence de transformer leurs activités biologiques et c’est ainsi que les hormones agissent sur leurs cellules cibles. L’ensemble des effets cellulaires produisent l’impact physiologique d’une hormone donnée. L’effet endocrinien se développe rapidement en quelques secondes ou quelques minutes. Fig. 1 : Action via les récepteurs transmembranaires 2) Action via des récepteurs intracellulaires (Fig. 2). Les hormones stéroïdes et thyroïdiennes traversent la membrane plasmique de leurs cellules cibles. Elles n’ont donc pas besoin de récepteurs transmembranaires. Une fois dans la cellule, les hormones continuent leur trajet puisqu’elles franchissent la membrane nucléaire et interagissent via des récepteurs protéiques avec le génome. Il existe quand même une différence entre les mécanismes d’action des deux catégories d‘hormones reconnues par des récepteurs intracellulaires : Dans le cas des stéroïdes, ces hormones liposolubles et hydrophobes se lient à des récepteurs intracellulaires (cytosoliques) et c’est le complexe hormone/récepteur qui migre ensuite dans le noyau (les récepteurs intracellulaires des stéroïdes jouent, dans le cytoplasme, le même rôle que les protéines plasmatiques qui lient les stéroïdes pour permettre leur transport sanguin). Par contre, les hormones thyroïdiennes atteignent librement le noyau et reconnaissent des récepteurs nucléaires présents en permanence sur la séquence d’ADN cible. Comme pour les récepteurs transmembranaires, la liaison d’une hormone stéroïde ou thyroïdienne sur son récepteur spécifique active celui-ci. Le récepteur activé agit alors sur une séquence d’ADN particulière, « l’élément de réponse » à l’hormone. Cet « élément de réponse » est localisé dans la région du « promoteur » d’un gène cible, qui est la partie du gène qui régule son expression. La fixation du complexe hormone/récepteur sur la région du promoteur modifie le taux de transcription de ce gène en ARN messager. Ainsi ces hormones ont des effets différents sur le génome, elles stimulent ou inhibent la synthèse de protéines spécifiques dans les cellules cibles et transforment leurs fonctionnements. Cet impact nécessite quelques heures pour se développer, mais l’effet est durable. Fig. 2 : Action via des récepteurs intracellulaires Chap. II: LE COMPLEXE HYPOTHALAMO-HYPOPHYSAIRE 1) L’Hypothalamus L’hypothalamus est Situé au centre de l'encéphale dans le plancher du troisième ventricule (cavité centrale emplie de liquide céphalorachidien), c’ est une petite structure nerveuse constituée de plusieurs noyaux gris recevant de multiples afférences d'origine sensorielle et émettant de nombreuses efférentes ascendantes et descendantes. L’hypothalamus participe ainsi à plusieurs fonctions centrales telles que le maintien de la température corporelle, le synchronisme de l'horloge biologique, les réactions émotionnelles, etc… Il intervient également dans de nombreuses régulations hormonales par l'intermédiaire de la glande hypophyse, située juste en dessous, et qui forme avec lui deux complexes neurosécrétoires. a) le système magnocellulaire ou hypothalamo-posthypophysaire qui associe directement les neurones hypothalamiques aux capillaires sanguins de la posthypophyse (ou neurohypophyse) Dans le système magnocellulaire, les neurones hypothalamiques élaborent des neurohormones qu'ils véhiculent par transport axonal jusqu'aux capillaires sanguins localisés dans le lobe postérieur de l'hypophyse. Les neurohormones sont ensuite stockées au niveau des arborisations terminales axoniques et libérées par exocytose lorsque des potentiels d'action envahissent la terminaison nerveuse. b) le système parvocellulaire ou hypothalamo-adénohypophysaire qui associe indirectement les neurones hypothalamiques aux cellules glandulaires de l'adénohypophyse (ou antéhypophyse). Dans le système parvocellulaire, les neurones hypothalamiques élaborent des substances chimiques ayant pour cible les cellules glandulaires du lobe antérieur de l'hypophyse : soit des releasing factors (RF) stimulant l'activité des cellules antéhypophysaires, soit des inhibiting factors (IF) inhibant l'activité de ces mêmes cellules. Les facteurs sont synthétisés dans l'aire hypophysiotrope de l'hypothalamus (principalement le noyau arqué), libérés dans un système vasculaire interne à la glande : le système porte hypothalamo-hypophysaire. Ces facteurs hypothalamiques sont transportés par le sang porte jusqu’à l’adénohypophyse où agissent sur les cellules glandulaires de l'adénohypophyse en favorisant (RF) ou en inhibant (IF) la production de stimulines qui sont elles-mêmes des hormones dont le rôle est de réguler le fonctionnement des glandes endocrines. Les Hormones ou Facteurs hypothalamiques (Tableau 2) Les hormones sécrétées par l'hypothalamus ont toutes, ou presque, une influence sur la production des hormones hypophysaires : • la dopamine inhibe la production de prolactine ; • l'hormone thyréotrope (TRH) stimule la production de thyréostimuline (TSH) . • la somatocrinine (GH-RH) permet la libération de l'hormone de croissance somatotrophine (STH) . • la somatostatine (GH-RIH) inhibe la sécrétion de la STH ; • la gonadolibérine (ou GnRH) est responsable de la synthèse et de la sécrétion de la FSH et de la LH (hormones gonadotropes) • la corticolibérine (CRH) favorise la production de l’hormone corticotrope (ACTH) • L'ocytocine impliquée dans la stimulation des contractions utérines et la lactation . • La vasopressine ou ADH ( Hormone Antidiurétique) elle stimule l’absorption de l’eau par les tubes urinaires. Effets physiologiques des hormones hypothalamiques Les effets physiologiques des hormones hypothalamiques sont résumés dans le tableau 2 suivant : Tableau 2. Les Hormones ou Facteurs hypothalamiques 2) L’hypophyse A/ Anatomie Appelée aussi glande pituitaire, elle se situe sous le cerveau antérieur, dans une cavité osseuse (selle turcique). Directement reliée à l’hypothalamus par l’infundibulum (qui croise les nerfs optiques dans la région du chiasma), elle est formée de 3 lobes : • le lobe antérieur ou Adénohypophyse, il représente environ 80% du poids de la glande, il est composé de cellules hormono-sécrétrices. La vascularisation de l'hypophyse est caractérisée par un réseau porte, permettant à une veine issu d'un groupe de capillaires de se ramifier de nouveau pour redonner des capillaires, permettant ainsi une redistribution locale des neuromédiateurs ou facteurs hypothalamiques . • le lobe postérieur, ou posthypophyse, ou neurohypophyse, qui tient en réserve et sécrète les neurohormones synthétisées par les neurones hypothalamiques qui se terminent à ce niveau. . le lobe intermédiaire, est très rudimentaire et n’est représenté que par quelques cellules B/ Les hormones de l’adénohypophyse (Tableau 3) . Les hormones adénohypophysaires sont des stimulines qui agissent sur le fonctionnement hormonal d'autres glandes endocrines, ou agissent sur des tissus cibles non endocriniennes: • La Thyréotrophine ou TSH (Thyroïd Stimulating Hormone), libérée sous l'influence de la TRH hypothalamique, elle stimule le développement et la sécrétion des hormones thyroïdiennes. • La Corticotrophine ou ACTH (Adrenal CorticoTropic Hormone) provoque, sous l'action du CRF (Corticotrophin Releasing Factor) hypothalamique, la libération des hormones corticosurrénaliennes. Le CRF, lui-même neurotransmetteur central, suit un rythme diurne, maximal le matin au lever, et dépend de l'état général, le stress, la fièvre ou l'hypoglycémie provoquant le sécrétion de CRF et donc de l'ACTH. • Les Gonadotrophines ou FSH (Follicle Stimulating Hormone) et LH (Luteinizing Hormone) qui régissent le fonctionnement des gonades (ovaires et testicules). La FSH stimule la production des gamètes alors que la LH provoque la sécrétion des hormones. La FSH, en synergie avec la LH, entraîne la maturation du follicule ovarien, la LH seule déclenchant l'ovulation et stimule la sécrétion de la progestérone et des œstrogènes. Chez l'homme, la LH favorise la sécrétion de testostérone. Les taux de FSH et de LH augmentent à la puberté, sous l'influence de la LH-RH hypothalamique. Les taux de testostérone ou d'œstrogènes et de progestérone sont retro-inhibiteurs sur la FSH et la LH. • La Somatotrophine ou GH (Growth Hormone) ou hormone de croissance. Elle provoque la croissance et la division des cellules de l'organisme, notamment l’ os et les muscles squelettiques. C'est une hormone anabolisante, stimulant la synthèse des protéines et la régulation de la glycémie (lipolyse et production d'énergie à partir des acides gras libres). Son taux maximal journalier est atteint pendant le sommeil. La Somatocrinine (GH-RH) et la Somatostatine (GH-IH), sont des hormones hypothalamiques antagonistes, qui stimulent et inhibent respectivement la sécrétion de la GH. • La Prolactine (PRL) , elle contrôle la la lactation sous la dépendance du PRF (libération) et du PIF (inhibition). Le PIF est prédominant chez l'homme et hors des périodes de lactation chez la femme. En fin de grossesse chez la femme, la sécrétion de la prolactine est maximale, et renforcée après la naissance par la succion. Tableau 3. C/ Les hormones de l’adénohypophyse Les hormones de la neurohypophyse (Tableau 4) • L’Hormone Anti-Diurétique (ADH) Elle agit sur la perméabilité des tubules rénaux pour augmenter la réabsorption de d'eau et donc inhibe la formation de l'urine, et aboutir à une urine plus concentrée. • L'Ocytocine est un stimulant des contractions utérines (et un peu des fibres musculaires lisses vasculaires). Le nombre de récepteurs à l'ocytocine augmente en fin de grossesse, rendant la stimulation de plus en plus efficace. L'ocytocine provoque aussi la sécrétion et l'éjection du lait sous l'action de la prolactine. Tableau 4. QUELQUES Les hormones de la neurohypophyse PLANCHES POUR RESUMER LA PRODUCTION HORMONALE DU SYSTÈME HYPOTHALAMOHYPOPHYSAIRE Planche 1 Planche 2 Planche 3 Chap. III : LES GLANDES ENDOCRINES 1. La glande thyroïde A) Anatomie La thyroïde est située dans la partie antérieure du cou, au tiers moyen. Elle est formée de 2 lobes latéraux réunis par une bande de tissu : l'isthme. La thyroïde est constituée de cellules folliculaires (thyreocytes) réparties sur des travées délimitant des follicules (cavités remplies d'un gel colloïdal riche en thyroglobulines). Le tissu conjonctif de soutien contient des cellules parafolliculaires (cellules C) qui synthétisent la Calcitonine. B) Biosynthèse des hormones thyroïdiennes Elles sont synthétisées à partir de la Thyroglobuline , par les cellules folliculaires thyroïdiennes selon plusieurs étapes sous la dépendance d'une hormone hypophysaire : TSH, elle même sous la dépendance d'une hormone hypothalamique : TRH a) Synthèse et stockage des hormones par les cellules folliculaires 1. Captation d'iode minéral (iodures) à partir du sang par pompe à iodures stimulée par la TSH 2. Transformation de l'iode minéral en iode organique grâce à une peroxydase élaborée par les cellules thyroïdiennes 3. Iodation des molécules de thyroglobuline, elle se produit dans le colloïde de follicules des cellules thyroïdiennes par une action enzymatique pour donner formation de mono-iodo-tyrosine (MIT), di-iodotyrosine (DIT), tri-iodothyronine (T3) et tetra-iodo-thyronine (T4) (thyroglobuline iodée) b) Libération de Tri-iodothyronine (T3) et Tetra-iodothyronine (Thyroxine ou T4) Plusieurs étapes : • Endocytose de la thyroglobuline iodée • Fusion avec lysosomes des thyreocytes • Dissociation de T3 et T4 et de la molécule de thyroglobuline iodée au niveau de la cellule puis libération de T3 et de T4 dans les capillaires • Désiodation des iodotyrosines par une enzyme et réutilisation des molécules d'iode libres par la cellule. C) Régulation de la sécrétion des hormones thyroïdiennes La biosynthèse et la sécrétion des hormones thyroïdiennes T4 et T3 sont sous le contrôle hormonal de la TRH hypothalamique et la TSH hypophysaire depuis la captation de l’iode par les cellules jusqu’à la libération de T4 et T3 dans le sang. TRH et TSH augmentent toutes les fonctions des thyreocytes en captant une plus grande quantité d’iode et en provoquant une augmentation de synthèse de thyroglobuline et une libération accrue d’hormones thyroïdiennes. L’Augmentation des concentrations de T3 et T4 dans le sang entraine par effet de rétrocontrôle négatif l’inhibition de la sécrétion de TRH et TSH D) Effets physiologiques des hormones thyroïdiennes a) Effets sur la croissance et le développement Les hormones thyroïdiennes sont indispensables à la croissance et au développement en particulier pour le système nerveux central et pour l'os. Sur le système nerveux central, leur rôle est primordial en particulier chez le fœtus et le nourrisson durant les premiers mois de vie. Ces hormones participent aux mécanismes de maturation et de mise en place des connexions neuronales. Une carence durant cette période s'accompagne d'un retard mental pouvant être très sévère. Chez l'adulte, les hormones thyroïdiennes participent également au fonctionnement du système nerveux central. Une carence d’hormones (hypothyroïdie) pouvant s'accompagner d'un ralentissement des réflexes et de somnolence. b) Effets sur le métabolisme des lipides et des protides Les hormones thyroïdiennes augmentent la synthèse protéique, la mobilisation des lipides, et sécrétion hépatique du cholestérol. c) Sur le métabolisme de base, Elles stimulent le catabolisme du glucose et augmentent l'apport d'O2 aux cellules, la thermogenèse, et la production de la sueur. d) sur le cœur, les muscles, le squelette, le système digestif, le système génital et la peau ; elles agissent en général pour optimisation de l'activité normale et de la croissance des organes, et stimulation des différentes fonctions sécrétrices (sucs digestifs, lactation, sébum...) E) La Calcitonine La calcitonine est une hormone peptidique de 32 acides aminés, secrétée par les cellules C (ou cellules parafolliculaires ) de la thyroïde. Son rôle est de réguler le métabolisme du phosphore et du calcium : elle diminue la fixation osseuse du calcium, et augmente l'élimination urinaire du calcium et du phosphore. L’action générale de la calcitonine est d'aider à diminuer le taux du calcium dans le sang en agissant sur plusieurs organes dans l’organisme. • • • Au niveau du système osseux, elle favorise la fixation du calcium dans l'os et empêche la destruction osseuse. Au niveau des reins, elle favorise l’élimination du calcium dans les urines. Au niveau du système gastro-intestinal, elle limite l’absorption du calcium et donc sa mise à disposition dans le sang. La biosynthèse et la sécrétion de La calcitonine par la thyroïde est stimulée lorsque le taux de calcium devient très élevé dans le sang. 2) Les glandes Parathyroïdes Les glandes parathyroïdes sont au nombre de quatre (4) situées sur la face postérieure des lobes latéraux du corps de la thyroïde. Elles sont vascularisées par une branche de l'artère thyroïdienne inférieure. Les parathyroïdes sont des glandes endocrines dépourvues de commande hypophysaire. Ce sont les variations du taux de calcium sanguin qui règlent leur sécrétion. Le tissu parathyroïdien est formé de deux types de cellules : • cellules principales : de petites tailles, peu colorées, sont les plus nombreuses et contiennent des grains de sécrétion qui sont la parathormone (PTH) • Cellules oxyphiles : les plus volumineuses, fortement colorées, les moins nombreuses quie possèdent aucun grain de sécrétion Les parathyroïdes sont des glandes endocrines qui élaborent l’hormone parathyroïdienne ou parathormone (PTH) , hormone nécessaire pour le métabolisme du calcium . La surproduction d'hormone parathyroïdienne (parathormone), ou au contraire, l'insuffisance de sa sécrétion peut entrainer des troubles graves de la calcémie. La parathormone a un rôle crucial dans le métabolisme du calcium et l'activation des provitamines D. La PTH agit en augmentant le taux de calcium dans le sang en stimulant la libération du calcium osseux par les ostéoclastes, l'absorption intestinale et la réabsorption par le rein du calcium. La PTH induit des effets antagonistes aux effets de La calcitonine sécrétée par les cellules parafolliculaires de la thyroïde qui elle diminue le taux de calcium sanguin. L’Hypocalcémie est le stimulus majeur de la sécrétion de la PTH (voir planches 1 et 2). PLANCHE 1 PLANCHE 2 3) Le Pancréas Endocrine : (voir la suite )