3. Les mécanismes d’entrée des métaux dans les cellules ; Application aux RN
3.3. Les mécanismes connus d’entrée des RN
Il a souvent été observé in vitro que, faute de spécificité absolue, les transporteurs transfèrent aussi des éléments toxiques dont les propriétés physico-chimiques sont voisines de celles des substrats naturels. Ainsi, l'ATPase Na+/K+ et certains canaux K+ facilitent l'entrée de Rb et de Cs dans les
cellules. De même, Sr peut être facilement accumulé par l'ATPase-Ca2+ dans les compartiments de
confinement subcellulaire. Par ailleurs, certains co-transporteurs sont responsables de la capture de métaux divalents (Fe2+, Cu2+, Zn2+, etc.) y compris Cd2+ (non essentiel).
Des stratégies d'invalidation22 et des méthodes d'imagerie cellulaire ou fonctionnelle in vivo sont
actuellement combinées pour identifier les transporteurs et élucider les mécanismes responsables du déclenchement des réactions toxiques in vivo lors de contaminations. Enfin, il ne faut pas sous- estimer l'éventualité de séquestration des toxiques, physiologiques ou non, dans chaque compartiment par tout un ensemble de protéines solubles.
3.3.1. Un exemple concret : les similitudes Ln3+/Ca2+
Le fait que les ions Ln3+ puissent remplacer les ions Ca2+ dans des processus biochimiques, a été
confirmé par de nombreux auteurs. Cependant, c'est à R. J. P. Williams que l'on doit les bases théoriques les plus probantes attestant que les similitudes entre le calcium et les lanthanides ne se limitent pas à leur rayon ionique mais qu'ils ont des modes de coordination très voisins comme le montre le Tableau 8 (Williams, 1979).
De par leurs tailles, leurs géométries de coordination et leurs affinités pour certains atomes, ces ions sont très similaires. Ce sont ces propriétés qui permettent aux ions Ln3+ de remplacer les ions
Ca2+ de façon si spécifique. La nature a en effet conçu les sites de liaison de Ca2+ de façon à en
exclure ses ions compétiteurs, en particulier les ions Mg2+.
Tableau 8 : Comparaison de quelques propriétés des ions Ca2+ et Ln3+ (Williams, 1979)
Propriété Ca2+ Ln3+
Nombre de coordination 6 - 12 6 - 12
Géométrie de coordination Très flexible Très flexible Atome donneur O>>N>>S O>>N>>S Rayon ionique (Å) Entre 1,00 et 1,18
(CN 6 – 9)
Entre 0,86 et 1,22 (CN 6 – 9)
Type de liaison Ionique Ionique
Nombre d’hydratation 6 8 ou 9
Champ cristallin Aucun Négligeable
Ces similitudes peuvent en particulier être illustrées par la comparaison des constantes de formation mesurées avec divers ligands, avec Eu3+ d’une part et Ca2+ d’autre part. La Figure 10
compare les valeurs des constantes de formation de divers complexes de stoechiométrie (1:1) avec des ligands ayant un intérêt biologique selon la représentation utilisée par Ansoborlo (parmi lesquels : les ions carbonate, citrate, l’acétate, des AA et des complexants comme le DTPA ou l’EDTA, etc.) (Ansoborlo et al., 2006). Les données thermodynamiques utilisées sont issues des bases de la NEA (Guillaumont et al., 2003), de la Chemical Thermodynamic Data Base Nagra/PSI (Hummel et al., 2002) et de l’IUPAC (Powell, 2004).
(a) 0 5 10 15 20 25 30 0 10 20 30 log10K1 (Ca 2+ ) lo g 10 K 1 (E u 3+ ) R²=0,90 (b) 0 5 10 15 20 25 30 0 10 20 30 log10K1 (Am 3+ ) lo g10 K1 (E u 3+ ) R²=0,96
Figure 10 : Représentation des analogies Eu3+/Ca2+ (a) et Eu3+/Am3+(b)
La bissectrice rouge représente l’analogie « idéale », comme c’est le cas entre Eu et Am Figure 10 (b), comme nous l’avons déjà évoqué précédemment. Les données du Ca Figure 10 (a) montrent toutefois une corrélation convenable avec Eu (le coefficient de corrélation des données n’est pas négligeable, il vaut 0,90).
Du fait de ces similitudes, il est intéressant de préciser le rôle et les voies d'entrée du Ca dans les cellules.
3.3.2. Le calcium en milieu biologique
3.3.2.1. Rôle
Ca joue un rôle de messager intracellulaire ubiquitaire. Les ions Ca2+ peuvent traverser la
membrane (et ainsi transmettre l'information) à la suite de deux phénomènes :
- l’apparition d’un potentiel d’action (dans les cellules nerveuses) dépolarise la membrane plasmique ce qui provoque un influx de Ca2+ dans la cellule par les canaux Ca2+,
- le second phénomène, ubiquitaire celui-là, nécessite la liaison d'une molécule informative extracellulaire aux récepteurs membranaires. Comme les événements qui se produisent à la surface cellulaire sont couplés à l’ouverture des canaux Ca2+ du réticulum endoplasmique, il y a alors
libération de Ca2+.
Les RN, dont les propriétés chimiques sont les plus proches de celles du Ca, peuvent donc bénéficier des nombreuses voies de transport réservées au Ca. Ce sera en particulier le cas des Ln qui servent de sonde fluorescente aux biologistes pour localiser et décrire les sites protéiques de chélation du Ca.
3.3.2.2. Régulation
La concentration en Ca libre cytosolique23 est extrêmement faible (< 10-7 M), alors qu’elle est
élevée dans le liquide extracellulaire (~10-3 M) et dans le réticulum endoplasmique. Il existe donc
un fort gradient qui tend à faire pénétrer Ca2+ dans le cytosol à travers la membrane plasmique et
la membrane du réticulum endoplasmique. Lorsqu’un signal ouvre de façon transitoire les canaux Ca2+ de l’une de ces membranes, les ions Ca2+ affluent dans le cytosol, augmentant très fortement
la concentration locale de Ca2+ ce qui active les protéines intracellulaires sensibles au Ca2+.
Afin que ce mécanisme de transmission opère, il faut que la concentration cytosolique de Ca2+
dans les cellules reste faible, ceci est réalisé de plusieurs façons (Figure 11).
23 Le cytosol est la partie la moins dense du cytoplasme, en pratique, il désigne la partie "liquide", sans les organites cellulaires, du
Figure 11 : Les voies de pompage du Ca2+ cytosolique vers l'extérieur (Alberts et al., 2002)
- Toutes les cellules eucaryotes possèdent une Ca2+-ATPase dans leur membrane plasmique qui
utilise l’énergie libérée par l’hydrolyse de l’ATP pour pomper les ions Ca2+ hors de la cellule.
- Des cellules telles que les cellules musculaires et nerveuses, qui utilisent de façon intensive le signal calcique, possèdent une pompe calcique supplémentaire dans leur membrane plasmique couplant le flux sortant de Ca2+ au flux entrant de Na+.
- Une pompe Ca2+ située dans la membrane du réticulum endoplasmique joue aussi un rôle
important dans le maintien d’une concentration calcique faible dans le cytosol : cette Ca2+-ATPase
permet au réticulum endoplasmique de capter de grosses quantités de Ca2+ du cytosol contre un
gradient de concentration élevée, même lorsque le niveau de Ca2+ dans le cytosol est bas.
Normalement la concentration de Ca2+ libre dans le cytosol varie entre 10-7 M (au repos) à environ
5.10-6 M, lorsque la cellule est activée par une molécule informative. Cependant si une cellule est
endommagée et qu’elle ne peut pas pomper efficacement le Ca2+ hors du cytosol (Figure 11), la
concentration en Ca2+ peut dépasser des niveaux dangereusement élevés (> 10-5 M). Dans ces
circonstances, une pompe Ca2+ à faible affinité et forte capacité, située dans la membrane des
mitochondries, capte le Ca2+ cytosolique en excédent.
Les différents mécanismes décrits précédemment illustrent les voies d'entrée possibles des RN dans le cytosol des cellules. Ces ions métalliques lourds vont rencontrer divers types de molécules, aux capacités complexantes très variables, principalement conçues pour lutter contre l'intrusion de métaux lourds non essentiels. L'ensemble des molécules envisagées dans cette partie bibliographique est présenté dans la prochaine partie.