LA SANTÉ
Comportements, mouvement et système nerveux
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Exercice 2
Une toxine d'araignée contre le botulisme
Intérêt du sujet • Du venin d'araignée bénéfique ? Analysez des résultats expérimentaux et organisez vos observations pour montrer comment une toxine peut en bloquer une autre.
DOCUMENT DE RÉFÉRENCE
Le mécanisme de libération de neuromédiateurs au niveau d'une synapse
D'après biochimej.univ-angers.fr
DOCUMENT 1Action de la toxine botulique A sur la jonction neuromusculaire
a) Effet moléculaire de la toxine botulique A
La toxine botulique de type A est produite par une bactérie du sol appelée Clostridium botulinum. Elle agit au niveau des jonctions neuromusculaires dans la terminaison du neurone pré-synaptique. Pour observer son action moléculaire, on réalise une électrophorèse de la syntaxine et de SNAP-25 présentes dans la terminaison axonique de la cellule pré-synaptique, avec ou sans contact avec la toxine botulique A.
D'après Hubbard et al., Journal of visualized experiments, 2015
L'électrophorèse est une technique permettant de séparer les molécules selon leur poids en les faisant migrer sur une membrane dans un champ électrique. Plus la molécule migre, plus elle est légère. Le chiffre indique un poids moléculaire exprimé en kilodaltons (kDa).
b) Effet de la toxine botulique A sur l'activité électrique de la cellule post-synaptique
Ces enregistrements montrent l'activité électrique d'une cellule post-synaptique. Chaque pic vers le bas représente une réponse post-synaptique.
D'après Hubbard et al., Journal of visualized experiments, 2015
DOCUMENT 2Action de la toxine contenue dans le venin de l'araignée Latrodectus sp. (veuve noire)
a) Le venin de veuve noire
Le venin de la veuve noire contient une molécule appelée latrotoxine agissant au niveau de la terminaison de l'axone de la jonction neuromusculaire.
D'après Hostelge, Baer, Pines, Brady, Visual Diagnosisin Emergency and Critical Care Medicine, 2011
b) Effet de la latrotoxine sur la terminaison axonique du neurone pré-synaptique
D'après Tsang et al., The Journal of Neurosciences, 2000
DOCUMENT 3Effet d'un essai de traitement expérimental du botulisme par des injections de toxine de veuve noire
a) L'autocatalyse de la toxine botulique A dans la terminaison du neurone pré-synaptique
Il a été mis en évidence qu'une des extrémités de la toxine botulique A entraîne spontanément sa propre dégradation (= autocatalyse) et son inactivation. L'importance de cette dégradation spontanée a été testée en présence de Ca2+ ou en absence de Ca2+ (témoin).
D'après S. Ashraf Ahmed et al., The Protein Journal, 2004
b) Effet de la latrotoxine sur les protéines impliquées dans l'exocytose
Des cellules intoxiquées par la toxine botulique A sont soumises (ou non) à la présence de la latrotoxine pendant 13 minutes. On réalise, 48 h plus tard, une électrophorèse de la syntaxine et de SNAP-25 de la cellule.
D'après Mesngon et McNutt, 2011
À partir de l'étude des documents et de vos connaissances, expliquez comment l'utilisation d'extrait de venin de veuve noire peut constituer un espoir de traitement contre le botulisme.
Les clés du sujet
Étape 1. Comprendre le sujet
Il faut d'abord déterminer la façon dont la toxine botulique bloque le fonctionnement de la synapse neuromusculaire.
Ensuite, il s'agit de préciser les effets de la latrotoxine du venin d'araignée sur la terminaison axonique pré-synaptique et expliquer comment ceux-ci neutralisent l'action de la toxine botulique.
La conclusion est alors l'occasion de mettre en évidence le rétablissement possible du fonctionnement de la synapse bloquée par la toxine botulique grâce à la latrotoxine.
Étape 2. Exploiter les documents
Le document 1 révèle le blocage du fonctionnement de la synapse sous l'action de la toxine botulique et permet d'expliquer le mode d'action de celle-ci en s'appuyant sur les informations du document de référence.
Le document 2 précise les effets de la latrotoxine au niveau de la terminaison pré-synaptique.
Le document 3 permet d'appréhender la façon dont la latrotoxine agit sur la toxine botulique au niveau de la terminaison pré-synaptique et révèle que cela peut annihiler les effets de cette dernière sur le fonctionnement synaptique.
Étape 3. Construire la réponse
La toxine botulique agit sur le fonctionnement de la synapse neuromusculaire au niveau pré-synaptique (document 1a). Cela peut entraîner une paralysie musculaire et avoir de graves conséquences.
Récemment, l'étude d'une autre toxine présente dans le venin de l'araignée appelée veuve noire a conduit à l'hypothèse que cette toxine pourrait être utilisée pour neutraliser la toxine botulique. Nous allons, à partir de l'analyse des documents, dégager des arguments en faveur de l'utilisation de cette toxine contre le botulisme.
I. Action de la toxine botulique A
à noter
Les enregistrements (doc. 1b) sont des réponses de la fibre musculaire post-synaptique à la stimulation du neurone moteur qui l'innerve. Dans une synapse fonctionnelle, les courants électriques membranaires entraînent la naissance de potentiels d'action musculaires déclenchant la contraction de la fibre.
Le document 1b montre que, sous l'action de la toxine botulique, l'activité électrique de la fibre musculaire est considérablement réduite : apparition de deux pics en 20 secondes, contre plusieurs dizaines de pics durant le même temps en l'absence de toxine. Comme l'activité électrique est révélatrice du fonctionnement synaptique, la toxine botulique A semble avoir empêché la synapse neuromusculaire de fonctionner.
à noter
Dans le schéma interprétatif du document 1a, la première bande de 25 kDa (moins apparente) est en fait une bande persistante. Sa présence peut être due au fait que toutes les molécules de la protéine SNAP-25 n'ont pas été clivées par la toxine botulique.
Le document 1a permet de préciser comment la toxine botulique réalise ce blocage. L'électrophorèse en présence de toxine botulique diffère de celle réalisée en son absence par la présence de deux bandes au lieu d'une au niveau de la protéine SNAP-25. Il est apparu une bande de poids moléculaire plus faible. Cela indique que la toxine botulique a provoqué un clivage de la protéine SNAP-25.
La protéine SNAP-25 est indispensable pour déclencher le début de l'exocytose (document de référence). La toxine botulique agit donc au niveau pré-synaptique en empêchant la libération du neuromédiateur, l'acétylcholine, dans la fente synaptique. La synapse ne peut fonctionner, ce qui se traduit par l'absence d'activité électrique (document 1b) de la fibre musculaire qui n'est plus stimulée.
II. Action de la toxine de la veuve noire (latrotoxine)
A. Action de la latrotoxine sur l'axone pré-synaptique
Le document 2a indique que la latrotoxine agit au niveau de la terminaison axonique de la jonction neuromusculaire, comme la toxine botulique.
Le document 2b montre que la latrotoxine provoque une forte augmentation, de 0 à 60 UA (au bout d'une heure), de la concentration en ions Ca2+ dans la région pré-synaptique.
B. Action des ions calcium sur la toxine botulique
Le document 3a indique que la toxine botulique A se dégrade spontanément (autocatalyse) dans le bouton pré-synaptique. Cette dégradation fait plus que doubler (de 1 à 2,5 UA) en présence d'ions calcium.
C. Effets de la latrotoxine sur la toxine botulique
L'électrophorèse du document 3b révèle qu'en présence de latrotoxine et de toxine botulique, le clivage de la protéine SNAP-25 provoqué par la toxine botulique seule n'a pas lieu (présence d'une seule bande à 25 kDa).
La latrotoxine inhibe donc l'action de la toxine botulique sur SNAP-25.
Bilan
La toxine botulique bloque le fonctionnement de la synapse neuromusculaire en empêchant l'exocytose de l'acétylcholine, conséquence de son action sur une protéine, SNAP-25, indispensable à la réalisation de l'exocytose.
La toxine de la veuve noire, la latrotoxine, agit directement en augmentant la concentration en ions calcium dans l'extrémité axonale pré-synaptique, là où agit la toxine botulique. Via cette augmentation, elle agit aussi indirectement sur la toxine botulique en favorisant sa dégradation.
En conséquence, le clivage de la protéine SNAP-25 est annulé ou réduit. L'extrait de venin de la veuve noire peut donc être utilisé pour restaurer le fonctionnement des synapses neuromusculaires déréglé par la toxine botulique.
à noter
La latrotoxine est elle-même dangereuse. Elle peut s'opposer aux effets de la toxine botulique, mais à condition d'être utilisée à des concentrations compatibles.