ACÉTYLCHOLINE

ACÉTYLCHOLINE

L’acétylcholine (ACh) est l’ester acétique de la choline, corps basique azoté dérivé de l’ammonium quaternaire.

Formule de l’acétylcholine: 廓-acétoxyéthyl-triméthyl-ammonium.

L’ACh a été préparée par voie synthétique en 1867 et peut être obtenue aisément en chauffant de la choline avec l’anhydride acétique. Elle se conserve longtemps en milieu acide (pH 3,9) mais son hydrolyse est très rapide en milieu alcalin (quasi instantanée à pH 12) et libère l’acétate et la choline.

L’ACh diffuse facilement et se comporte comme un léger tensio-actif. Dans une interphase entre l’huile et l’eau, même à des concentrations faibles, elle peut produire un effet électrogène. On classe l’ACh parmi les composés naturels appelés médiateurs chimiques ou transmetteurs synaptiques qui réalisent la transmission de l’influx nerveux à un effecteur, neurone ou fibre musculaire, assurant la contraction des muscles et produisant, au niveau des viscères, des effets dits muscariniques (dilatation des vaisseaux, ralentissement du cœur, stimulation des sécrétions glandulaires, de la motricité intestinale, etc.); elle exerce d’autre part au niveau des ganglions sympathiques un rôle dit nicotinique, inversant certains effets précédents.

1. Mise en évidence et localisation

La mise en évidence, voire le dosage de l’ACh dans les tissus, s’effectue essentiellement par des méthodes biologiques. Ces tests font appel à la contractilité du muscle abdominal droit de la grenouille ou du muscle dorsal de la sangsue. Les méthodes chimiques n’offrent généralement pas la spécificité ou la sensibilité désirée. Une congélation extrêmement rapide des tissus est indispensable pour saisir le taux réel d’ACh qui peut subir des variations très rapides (destruction par la cholinestérase ou resynthèse par la choline-acétylase). L’ACh a été trouvée dans des plantes, des micro-organismes, puis découverte dans les tissus animaux par Dale.

L’ACh existe dans le tissu nerveux essentiellement sous forme inactive liée à une protéine, ce qui la protège contre la destruction enzymatique. Dès sa libération, elle subit une hydrolyse par l’acétylcholinestérase (AChE). Presque simultanément la choline-acétylase assure la néosynthèse d’ACh qui est stockée sous sa forme inactive liée.

L’ACh est très largement distribuée dans le système nerveux. La microscopie électronique a permis de localiser l’ACh, associée à la choline-acétylase, dans les terminaisons nerveuses et les vésicules synaptiques. L’ultracentrifugation fractionnée d’homogénats de substance nerveuse a confirmé les données précédentes (Whittaker, de Robertis). Les ganglions parasympathiques, les troncs nerveux préganglionnaires, les racines motrices renferment des quantités élevées d’ACh et possèdent une forte activité de choline-acétylase. Les nerfs sympathiques ou les ganglions sympathiques peuvent contenir jusqu’à à 300 millimicromoles d’ACh par gramme d’organe frais.

On en trouve 7 millimicromoles par gramme de cerveau chez le jeune rat, plus encore dans la substance grise et surtout dans le noyau caudé. Le liquide céphalo-rachidien n’en contient pas normalement, mais on peut en trouver après des attaques épileptiques ou des convulsions expérimentales.

2. Biosynthèse

La synthèse de l’ACh est liée au métabolisme des glucides qui fournit l’acétylcoenzyme A, agent d’acétylation de la choline. L’acétylation elle-même est assurée par une enzyme, la choline-acétylase. Ce métabolisme nécessite entre autres la présence d’une coenzyme dérivée de la vitamine B¹, le thiamine-pyrophosphate, et d’une autre coenzyme, dérivée de l’acide pantothénique, la coenzyme A. La présence d’AChE, qui dégrade rapidement l’ACh, rend difficile l’étude de la biosynthèse. Celle-ci a pu cependant être suivie, in vitro, en présence d’ésérine qui inhibe l’AChE: la production d’ACh par des coupes de cerveau a lieu en présence d’oxygène et de glucose. L’augmentation du taux de potassium dans le milieu d’incubation, les stimulations électriques élèvent la synthèse d’ACh.

3. Décomposition par les cholinestérases

Cholinestérases

L’AChE, qui dissocie spécifiquement l’ACh en acide acétique et en choline, a été trouvée dans le tissu nerveux de toutes les espèces animales examinées. L’ACh peut être hydrolysée cependant par d’autres enzymes, présentes dans divers tissus et dans le plasma sanguin. Ces cholinestérases, ou pseudo-cholinestérases, se distinguent de l’AChE par des différences d’affinité pour divers esters de la choline et par la cinétique de l’hydrolyse. Par exemple, la cholinestérase du sérum hydrolyse la butyryl-choline beaucoup plus rapidement que l’ACh. Avec la pseudo-cholinestérase, la concentration optimale d’ACh est plus élevée que dans l’hydrolyse produite par l’AChE.

L’AChE a été purifiée et cristallisée à partir de l’organe électrique d’Electrophorus electricus . Il s’agit d’une protéine d’un poids moléculaire très élevé. D’une activité considérable, chaque molécule d’enzyme peut dissocier une molécule d’ester en 40 microsecondes.

Mode d’action de l’acétylcholinestérase

L’analyse des forces d’interaction entre le substrat et l’enzyme a conduit à penser que la surface de celle-ci présente deux sites fonctionnels séparés (fig. 1): un site anionique et un site estérasique qui possède un groupe acide et un groupe basique ou nucléophile, symbolisés par les lettres H et G. Interviennent entre les molécules en présence:

– des forces d’attraction coulombiennes entre la charge positive du substrat et la charge négative du site anionique;

– des forces d’attraction de Van der Waals entre les groupes méthyle et méthylène du substrat et une portion apolaire de l’enzyme;

– une légère liaison covalente entre le groupe basique du site estérasique et le carbonyle électrophile de l’ester.

Le mécanisme du processus hydrolytique comporte un transfert d’électrons et une acétylation de l’enzyme. Après avoir réagi avec l’eau, l’enzyme libère l’acétate et se trouve régénérée. Cette théorie est fondée surtout sur l’étude cinétique de l’action des inhibiteurs compétifs, tels la physostigmine (ou ésérine), la néostigmine, et un groupe de composés organophosphorés, les alcoylphosphates. Parmi ces derniers, certains sont utilisés comme insecticides et d’autres, très volatils, constituent une arme chimique des plus redoutables. Leur structure peut être représentée par une formule générale (fig. 2) où X est un groupe acide; PX peut être facilement dissocié par toutes les estérases qui sont alors inhibées d’une façon irréversible, d’où l’effet létal chez l’animal. De tous ces inhibiteurs, le di-isopropylfluorophosphate (DFP) est le plus puissant.

On explique le mécanisme d’action des alcoylphosphates par l’attaque nucléophile de l’enzyme sur l’atome de phosphore; après cette phosphorylation, la régénération de l’enzyme en présence d’eau ne se produit qu’extrêmement lentement. On peut lever l’inhibition en attaquant l’atome de phosphore à l’aide d’un agent nucléophile qui le détache de l’enzyme. Les plus efficaces, parmi ces agents, associent le groupe nucléophile actif à un groupe cationique de type ammonium quaternaire qui favorise l’attachement avec l’enzyme et l’établissement de distances rendant plus aisée l’attaque de l’atome de phosphore. Ces considérations expliquent le pouvoir réactiveur extrêmement puissant de la pyridine 2-aldoxime-méthiodide (PAM) qui s’est révélée un antidote très efficace contre les alcoylphosphates in vitro et in vivo . L’atropine peut également être utilisée aux mêmes fins. Il convient de signaler que la préparation de la PAM est le résultat d’une étude systématique de la géométrie de l’AChE et de la recherche d’une conformation complémentaire à l’enzyme phosphorylée. Cela illustre l’importance de l’approche biochimique pour comprendre la physiologie et la pharmacologie de la fonction nerveuse.

Distribution

La distribution de l’enzyme peut être étudiée par des méthodes chimiques, des tests biologiques et des technique histochimiques développées par Koelle. L’AChE est associée aux microsomes du corps cellulaire des neurones et aux formations membraneuses postsynaptiques. Elle est seule présente dans les régions synaptiques, alors que l’on trouve également de la pseudo-cholinestérase dans les plaques motrices. La concentration en ACh et en cholinestérase du néocortex serait inversement proportionnelle au poids du cerveau. Comme la même corrélation existe avec le nombre des cellules cérébrales, on peut en conclure que l’accroissement du néocortex au cours de l’évolution n’a pas fait varier le taux relatif des neurones cholinergiques.

4. Rôle de l’acétylcholine

On admet que chaque neurone libère, au niveau de toutes ses terminaisons synaptiques, une seule substance jouant le rôle de transmetteur; ceux qui libèrent de l’ACh sont appelés cholinergiques; on les distingue par exemple des neurones adrénergiques libérant de la noradrénaline. Selon la théorie classique, les médiateurs sécrétés au niveau de l’élément présynaptique diffusent vers l’élément postsynaptique et communiquent l’information à travers la synapse. L’identification des neurones ou nerfs cholinergiques est basée sur trois tests:

1. démonstration pharmacologique: l’injection d’ACh reproduit les effets obtenus par la stimulation du nerf. On doit l’associer à la vérification de ce que les anticholinestérasiques accroissent et prolongent l’action de l’ACh:

2. démonstration d’une libération d’ACh au niveau des terminaisons nerveuses;

3. démonstration biochimique et histochimique de la présence d’ACh et de choline-acétylase dans le nerf et de l’existence d’AChE au niveau du site récepteur postsynaptique qui doit être cholinoceptif. Il faut en effet que la médiation ou transmission chimique une fois réalisée, le médiateur soit éliminé. Son maintien, comme le prouve l’administration d’inhibiteurs de l’AChE, entraîne des troubles du fonctionnement physiologique des jonctions nerveuses ou neuro-musculaires.

Loewi (1921) et Witanowski (1925) ont découvert que l’excitation des fibres du pneumogastrique (nerf parasympathique) libère de l’ACh, ce qui explique que cette dernière produise un effet semblable à la stimulation du nerf (ralentissement cardiaque). L’ensemble des phénomènes de parasympathicotonie est d’ailleurs classiquement attribué à l’action de l’ACh: dilatation des artérioles, contraction des muscles gastro-intestinaux, vésicaux, bronchiques, sécrétion salivaire et diminution du diamètre pupillaire. Ultérieurement, les tests d’identification des nerfs cholinergiques ont été reconnus positifs pour les neurones moteurs somatiques, et pour les fibres préganglionnaires qui relient les centres nerveux somatiques, et pour les fibres préganglionnaires qui relient les centres nerveux aux ganglions sympathiques; la transmission synaptique est assurée dans ces ganglions par l’ACh. Dans le cas des nerfs sympathiques postganglionnaires, la démonstration n’a été faite que dans un nombre très limité de cas.

On a constaté la présence d’ACh dans des liquides de perfusion de la moelle épinière ou dans des tampons ésérinés placés au contact du système nerveux central. Le rôle éventuel de l’ACh au niveau des centres nerveux est suggéré par des nombreux faits: par exemple, les effets stimulants et dépresseurs produits par l’application directe d’ACh sur le cortex cérébral et les convulsions épileptiformes que l’on voit apparaître quand on potentialise l’action de l’ACh par l’ésérine. Injectée dans les ventricules cérébraux, l’ACh induit le sommeil chez le chat. Introduite dans la circulation sanguine, elle provoque un état d’activation et de réveil; le mécanisme de ces phénomènes pourrait être partiellement cholinergique.

Le taux d’ACh cérébrale varie avec l’état fonctionnel. Il s’accroît dans le cerveau du rat endormi ou en anesthésie profonde et diminue à la suite d’un «stress» et surtout après des convulsions.

Certains auteurs ont soutenu qu’il existe une corrélation entre l’activité cholinestérasique et l’aptitude à l’apprentissage, mais ces observations doivent être acceptées avec beaucoup de réserves.

Il convient de signaler que, face à la thèse qui réduit le rôle de l’ACh à la transmission synaptique de l’influx nerveux, Nachmansohn, considérant les phénomènes chimiques et physico-chimiques de la propagation de l’influx, défend l’idée de l’intervention de l’ACh à la fois dans la conduction axonale et dans la transmission synaptique.

5. Synergie et antagonisme

De nombreuses substances naturelles ou synthétiques sont dites acétylcholinomimétiques parce qu’elles exercent les mêmes effets que l’ACh. D’autres (anticholinestérasiques) en potentialisent l’action.

Les acétylcholinomimétiques n’ont pas l’universalité d’action de l’ACh, à part la choline qui peut produire des effets qualitativement identiques mais quantitativement plus faibles. La muscarine, substance toxique de champignons du genre Amanita , exerce les mêmes actions que l’ACh au niveau des terminaisons périphériques parasympathiques. Ces effets dits muscariniques sont inhibés par les parasympathicolytiques, en particulier par l’atropine, qui constitue l’antidote de choix. La nicotine, par contre, exerce des effets analogues à ceux de l’ACh au niveau des ganglions para- et orthosympathiques. Ces effets dits nicotiniques sont supprimés par les ganglioplégiques. Les actions au niveau de la plaque neuromusculaire sont bloquées par le curare. Parmi les anticholinestérasiques qui accroissent les actions de l’ACh, il convient de signaler en premier lieu l’ésérine et son analogue structural la prostigmine qui bloquent les effets de l’AChE et sont utilisées, de ce fait, dans certaines maladies telle la myasthénie.

6. Mécanisme d’action de l’acétylcholine

Certains composés, comme la procaïne, la d-tubocurarine, arrêtent la conduction nerveuse sans affecter le systèmè choline-acétylase-AChE-ACh. Ce blocage doit donc être attribué à leur action sur un constituant cellulaire qui serait le récepteur de l’ACh. On a pu démontrer la présence, au niveau de la jonction neuro-musculaire, de macromolécules qui pourraient être les récepteurs. À l’aide de curare radioactif, qui semble bien se fixer sur ces récepteurs, on a évalué à 8 millions le nombre de molécules réceptrices dans une plaque motrice. Ce nombre est voisin de celui des molécules d’ACH libérées par une impulsion nerveuse. Différents anesthésiques locaux, analogues structuraux de l’ACh, comme la procaïne et la tétracaïne, abolissent l’activité électrique nerveuse avec une efficacité strictement parallèle à leur pouvoir de liaison avec la protéine réceptrice. Il en est de même en ce qui concerne l’activité de diverses amines.

La transmission d’influx au niveau des membranes synaptiques s’explique par des changements de configuration de la protéine réceptrice, à l’état actif (semblables à ceux suggérés pour l’AChE), d’où un changement de la conductance au niveau de la membrane active et par conséquent une dépolarisation. Dans le cas de la fibre musculaire, par exemple, si la dépolarisation atteint le voltage critique, il se produira une impulsion qui déclenchera la contraction. L’effet de l’ACh est transitoire et les changements de perméabilité disparaissent rapidement pendant que l’ACh diffuse ou est dégradée par l’AChE. Les inhibiteurs des récepteurs agissent au niveau des mêmes sites que les activateurs. Il en résulte, après l’application d’inhibiteurs, l’impossibilité d’action des récepteurs.

acétylcholine [ asetilkɔlin ] n. f.

• 1914; de acétyle et choline

♦ Biochim. Dérivé de la choline (⇒ cholinestérase), substance organique intervenant comme médiateur chimique dans la transmission de l'influx nerveux (système parasympathique) et se fixant sur un récepteur spécifique au niveau de la synapse neuromusculaire.

● acétylcholine nom féminin Substance chimique faisant partie des neurotransmetteurs, c'est-à-dire sécrétée par certains neurones pour transmettre l'influx nerveux vers d'autres cellules.

acétylcholine

n. f. PHYSIOL Médiateur chimique (ester acétique de la choline) transmettant l'influx nerveux au niveau des synapses neuro-musculaires et des synapses parasympathiques du système végétatif.

acétylcholine [asetilkɔlin] n. f.

ÉTYM. XX^e; angl. acetylcholine, 1906; de acétyl-, et choline.

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♦ Biochim. Substance dérivée de la choline, médiateur chimique assurant la transmission de l'influx nerveux, notamment dans le système parasympathique et au niveau des fibres musculaires. || Libération d'acétylcholine. ⇒ Cholinergie.

REM. Le comp. acétylcholinestérase [asetilkɔlinɛsteʀaz] n. f., désigne l'enzyme catalysant l'hydrolyse de l'acétylcholine en acide acétique et en choline.

Encyclopédie Universelle. 2012.