Accueil > Prévention > Systèmes
*changement de forme à distance suite à la fixation d'un substrat.
LES SYSTEMES
En
préambule
Un exemple d’organisation intégrée associant plusieurs microsystèmes :
Les complexes multienzymatiques allostériques*.
Ces complexes associent en effet plusieurs enzymes différentes, chaque enzyme étant elle même oligo ou multimérique.
Elles sont d’ailleurs situées à des étapes clés du métabolisme :
pyruvate déshydrogènase dans l’étape finale de la glycolyse
aboutissant à l’acétyl CoA.
Biosynthèse
des acides gras.
Désaturase = NADPH Cyt B5 réductase + Cyt P450 B5 réductase +
désaturase à fer.
Aromatase
(passage de la testostérone aux oestrogènes = Cyt P450 (cyp 19) + flavoprotéine
(NADPH Cyt P450 réductase ubiquitaire).
L’efficacité de ces enzymes est essentielle dans la compétition entre
anabolisme et catabolisme. Par exemple, une cellule de mammifère renouvelle par exemple sa réserve d’ATP
toutes les 1 à 2 minutes, soit 100 millions de molécules par seconde, ou 1 g par
minute pour le corps entier.
De nombreuses enzymes sont d’ailleurs si efficaces qu’il n’y a pas de perfectionnement utile. Le seul facteur limitant demeure la fréquence à laquelle la collision a lieu avec le substrat : on dit que la réaction est limitée par la diffusion de ses substrats et donc par la quantité d’enzyme produite.
Pourtant vu le nombre considérable de réactions que la cellule effectue, les concentrations de substrats sont limitées (millionième de môle environ, et encore moins pour les enzymes). Dans ces conditions, l’explication de l’efficacité enzymatique se trouve dans l’organisation spatiale des constituants cellulaires et dans l’existence de ces complexes multienzymatiques qui atténuent fortement l’effet de diffusion. (phénomène obligatoire qui amène à l’homogénéisation d’un milieu en l’absence de barrière à la diffusion comme les membranes).
La plupart des enzymes ont également des sites de fixation qui les concentrent avec d’autres protéines de fonction analogue dans des régions ou organites de la cellule, comme par exemple les membranes intracellulaires.
Ces complexes multimériques et multienzymatiques auront également potentiellement les propriétés des systèmes étudiés dans les lignes qui suivront, fonctionnant loin de l’équilibre, à savoir :
la
non linéarité de leur réponse : l’effet n’est pas proportionnel au stimulus
; les enzymes allostériques ont un comportement de type autocatalytique.
L’existence
de plusieurs états stationnaires possibles avec l’effet d’hystérésis
(changement d’état ou bifurcation avec effet de seuil non réversible
spontanément).
Effet
de mémoire ou changement d’état définitif du à un événement du passé
lointain
(comme
les perturbations profondes des enzymes hépatiques pouvant survenir
durant les hépatites……. mêmes bénignes comme celles des Herpes viridae).
(explication ? de ces taux élevés d’EPA et DHA chez des faibles consommateurs de poisson par un tel effet d’amplification dans ce cas d’une désaturase).
Définition et fonction d'un système
Ensemble structuré d'éléments en interaction, de nature ou fonction identique / similaire, susceptible d'avoir des propriétés nouvelles que n’a pas la somme de ses parties, dites propriétés émergentes.
Ces nouvelles propriétés sont celles de la fonction du système. Cette fonction résulte des interactions internes qui se trouvent transformées sous l'influence des échanges du système avec l'extérieur (cf. changement d'état / phase, bifurcation, point critique).
La description du système fait alors appel à :
ses paramètres statiques décrivant sa structure.
ses paramètres fonctionnels
ou variables d'états décrivant sa dynamique
dans l’espace des points repères dénommé espace des phases.
Dans cet espace, le système décrit une, de multiples voire d’innombrables
trajectoires.
Les zones où elles se concentrent constituent les
attracteurs du système.
Il n'existe que trois formes d'attracteur:
le
point : le système s'effondre vers lui chaque fois qu'on l'en écarte.
un
cycle : le système le parcourt selon une certaine période ( notion d'horloge
biologique).
l'attracteur
chaotique ou attracteur étrange. Il a une structure fractale, occupe une
zone de l'espace des phases et peut être considéré comme une combinaison
d'orbites périodiques instables.
Un système peut parcourir plusieurs attracteurs. Le passage de l'un à l'autre ou le changement d'orbite à l'intérieur d'un attracteur étrange correspond à un changement d'état du système, appelé aussi bifurcation.
Cette bifurcation a lieu à la suite du franchissement d'un point dit critique.
Les systèmes cellulaires différenciés répondent à cette définition.
Les êtres vivants sont donc multisystèmiques.
Ils ont par définition atteint un état stationnaire……..mais dynamiquement instable puisqu’ en échange constant avec l'extérieur.
Dynamique des systèmes
Sans échanges avec l’extérieur, un système évolue vers un équilibre statique , incapable de stabilité vis à vis de la moindre perturbation.
La stabilité vis à vis des paramètres de contrainte agissant sur le système (robustesse) peut apparaître sous deux conditions :
Le
système n’est pas isolé, c’est à dire qu’il existe un flux d’échanges
avec son environnement. Ce flux maintient un écart par rapport à l’équilibre et
permet l’apparition de choix nouveaux que sont les états
stationnaires de non équilibre = équilibre dynamique {des
systèmes dissipatifs.}
La non linéarité dans les équations d’évolution entraînant l’existence
de solutions multiples.
Pour les systèmes cellulaires la non linéarité provient des boucles de rétroaction négative homéostasique et positive différenciante
En fait toutes les structures de l'univers, des ensembles de particules aux êtres vivants, ont ces deux propriétés génériques tandis que les systèmes initialement étudiés par la physique étaient des systèmes non génériques ou idéalisés. Il s'agissait de systèmes isolés de leur environnement et sans interactions internes.
De ce fait ces systèmes, isolés pouvaient être stables tandis que les systèmes réels, avec des interactions internes continuelles, sont instables (deuxième principe de la thermodynamique ou entropie) et ne peuvent acquérir une stabilité transitoire (état stationnaire dynamique, la structure est stable à un niveau d’observation, mais siège d’instabilité dans les niveaux sous jacents d’observation) qu'en interaction avec l'extérieur pour compenser les interactions internes déstabilisantes. L'univers ne se construit que par un lent, continu et irréversible déséquilibre.
Ce qui explique l'imbrication des différents niveaux d'organisation et donc la présence discrète et donc difficile à dégager et à comprendre, mais fréquente de l'expression des propriétés des niveaux inférieurs dans les propriétés des niveaux plus récents.
Chaos - Prévision :
Le chaos total est l’absence d’ordre, c’est à dire l’équiprobabilité de tout événement.
L’ordre absolu est la certitude absolue soit la probabilité de 1 où 0, il y a deux réponses: oui ou non pour la survenue d'un événement.
Entre les deux se situe le chaos faible ou organisé (réponse à la survenue d'un événement par une probabilité variable par rapport au temps) l'auto organisation, la vie.
Le chaos est plus ou moins imprévisible mais déterministe.
Pour les systèmes faiblement chaotiques, des prévisions à long terme sont possibles mais leur précision décroît avec le temps en raison du phénomène de la sensibilité aux conditions initiales.
Au niveau d'un point singulier ou critique une fluctuation mineure peut provoquer une bifurcation
Illustration mécanique du phénomène de bifurcation
Phénomène de bifurcation qui confère au système une dimension historique, une mémoire, c'est à dire un caractère durable dépendant d’un détail du passé et non de l’environnement actuel.
Le point critique est calculable car il est une caractéristique globale du système.
Par contre, la sélection du nouvel état va dépendre uniquement d’événements locaux au moment de la bifurcation (fluctuations internes), ce qui la rend imprévisible : sa prévision doit faire appel à la statistique.
L’existence des points critiques explique que l’analyse prévisionnelle de changement d’état d’un système ne peut se baser sur la seule évaluation des conditions locales de l'interaction : le risque évolutif dépend aussi de l'histoire globale du système qui va l’amener vers un point critique. Mais le même mécanisme peut provoquer un événement mineur où une catastrophe en fonction des fluctuations internes locales.
La statistique de ces événements de toute ampleur est une loi de puissance où bruit de scintillation où bruit en 1/f.
Exemple : La conduction thermique en milieu
fluide
(Cellules de BENARD).
Phase 1 = diffusion thermique.
Il existe un gradient thermique (surcharge) mais l’état fonctionnel est identique à l’état d’équilibre.
Phase 2 = convection thermique.
Au delà d’un point critique, il y a bifurcation vers un nouvel état fonctionnel caractérisé par des ruptures de symétrie et des corrélations à grandes distances entre les molécules.
La survenue du point critique est prévisible. Elle est en rapport ici avec la viscosité du fluide. C’est une caractéristique globale.
Par contre, la sélection du nouvel état, ici cellule droite ou gauche, va dépendre uniquement d’événements locaux au moment de la bifurcation (fluctuations internes), ce qui la rend imprévisible : sa prévision doit faire appel à la statistique.
Cette sélection est une mémoire d’un événement passé qui affectera l’évolution ultérieure du système.
La différenciation cellulaire: état stationnaire de non équilibre des systèmes biologiques :
Ex : induction des gènes du catabolisme du lactose chez escherichia coli
L’inducteur joue le rôle de la température pour l’apparition des cellules de Bénard et n’a donc d’effet qu’au delà d’une certaine concentration.
L’expression persistante des nouveaux gènes est la trace mémorielle qu’à un moment donné de l’histoire de la bactérie le seuil critique de concentration de l’inducteur a été atteint.
Cet exemple montre que la différenciation, considérée comme la mémoire d’un événement passé, est le résultat de l’interaction du génome avec l’environnement et donc non complètement sous la dépendance de celui ci (en partie épigénétique).
Dans le cas le plus général, cette interaction résulte d’une rencontre au sein du cytoplasme cellulaire des messages extracellulaires et de ceux d’origine intranucléaire, ces derniers résultant de l’interaction des gènes entre eux.
gènes + environnement = physiologie cellulaire
On peut alors considérer les types cellulaires (environ 250 chez l’homme) comme des attracteurs du système génétique.
Après le réseau des gènes , le réseau immunitaire :
Il apparaît entre la morphogenèse et l'organogenèse, ce qui correspond avec son rôle premier de connaissance moléculaire du SOI afin dans un second temps de permettre une régulation de l'intégration du NON SOI.
Les connaissances établies sur le répertoire germinal des gènes du système immunitaire permet de penser qu’ils auraient évolué en effet de telle manière qu'ils coderaient de préférence pour des anticorps reconnaissant des déterminants du soi de l'espèce.
Mais alors, au cours de cette évolution ayant amené à la sélection de ces gènes codant pour des molécules non autoréactives, un avantage serait apporté par ceux codant pour des auto anticorps anti idiotypes dirigés contre les motifs idiotypiques des anticorps anti soi du répertoire germinal des cellules B (germinal, ce répertoire fait en effet partie du soi.....tout en étant de l'anti soi).
Cet avantage sélectif capital vient de ce que ce mécanisme est à la source du fonctionnement en réseau de l’immunité (réseau de Jerne).
La stimulation basale par les auto anticorps du répertoire germinal maintient un écart par rapport à l’équilibre et permet alors l’émergence des solutions multiples des états stationnaires de non équilibre.
phénomène d'autotolérance.
explication de la présence chez les individus de
groupe sanguin A de quantités importantes d'anticorps naturels
anti B.
analogies idiotypiques entre les répertoires des T et
B lymphocytes: les clones T étant sélectionnés positivement par
rapport aux antigènes du soi, ce soi peut inclure le répertoire germinal B.
Le répertoire T doit alors inclure des images internes du SOI ainsi que des
idiotypes du répertoire B primaire, ce qui se confirme au niveau du
répertoire des T régulateurs (
anciens T suppresseurs; existence d’images internes des HLA).