Exercices L'immunité innée

Quelles sont les cellules spécifiques de la réponse immunitaire et dans quels organes sont-elles fabriquées puis stockées ?

Donnez une définition de la phagocytose.

Complétez cette phrase qui caractérise la réaction inflammatoire :
« Dès qu’un agent pathogène entre dans l’organisme, la réaction inflammatoire se met en place. C’est donc un mécanisme de défense qui est _ et _ »

Introduction de l’activité :

Cette blessure ayant engendré une lésion au niveau de la peau a permis l’entrée de pathogènes dans l’organisme. Une blessure peut présenter des symptômes de la réaction inflammatoire : le gonflement, la rougeur, la chaleur et la douleur. On s’intéresse aux mécanismes permettant la détection et la mobilisation des acteurs de l’immunité à la suite de cette blessure.

Document 1 : Les leucocytes, acteurs de l’immunité innée

Les leucocytes impliqués au cours de la réaction inflammatoire sont nombreux et ont des rôles variés. Certains se situent dans les tissus et permettent une réponse rapide face à la détection d’une anomalie (présence d’un pathogène ou d’une cellule anormale) : il s’agit des cellules résidentes ou sentinelles.
D’autres cellules, dites circulantes, circulent dans le sang de l’organisme. Elles sont recrutées en cas d’anomalie et amplifient la réponse.

Document 2 : Détection des pathogènes par les cellules résidentes

Les cellules du système immunitaire inné possèdent sur leur membrane des récepteurs de surface permettant d’identifier des marqueurs spécifiques d’agents pathogènes, comme des fragments de leur ADN, ARN, de protéines, de glucides ou lipides de surface.
Ces récepteurs, par exemple le récepteur PRR, reconnaissent une grande variété de motifs bactériens, de virus, de champignons… La liaison d’un récepteur PRR avec un motif reconnu indique la détection d’une anomalie dans l’organisme induisant une réponse.

Récepteurs de surface :
Protéines situées sur la membrane plasmique des cellules. Ex. : les récepteurs TLR permettant de détecter les motifs des pathogènes sur les membranes des cellules sentinelles.

Document 3 : Libération de molécules médiatrices d’informations par les mastocytes

Les mastocytes sont des cellules résidentes des tissus conjonctifs, comme la peau. Elles sont donc présentes sur le lieu de l’inflammation. Ces cellules présentent un cytoplasme contenant de nombreuses granulations, contenant des molécules médiatrices de l’inflammation comme les interleukines ou les histamines.
Les mastocytes présentent des récepteurs de surface capables de détecter les pathogènes. En cas de rencontre avec un pathogène, on observe que les mastocytes libèrent le contenu des granulations dans le tissu.

Interleukine :
Médiateur chimique de l’inflammation permettant la communication entre les cellules de l’immunité ou encore l’attraction des leucocytes sur le lieu de l’inflammation.

Histamine :
Médiateur de l’inflammation favorisant notamment la vasodilatation.

Document 4 : Action des interleukines sur l’attraction des cellules circulantes

Les interleukines sont des molécules ayant une action lors de la réaction inflammatoire. Il s’agit de médiateurs chimiques de l’inflammation à effet attractif sur les cellules circulantes.
Des chercheurs étudient l’impact de ces interleukines sur les leucocytes circulant dans le sang. On mesure la vitesse des leucocytes circulants, leur adhésion à la paroi des vaisseaux sanguins et la quantité de leucocytes sortis des vaisseaux vers le site de l’inflammation en absence (témoin) ou en présence d’interleukines.

Document 5 : Action des histamines sur l’attraction des cellules circulantes

Les histamines sont également des molécules médiatrices de l’inflammation. Les chercheurs Dale et Richards étudient leurs effets dès 1918. Ils mesurent le diamètre d’artère avant et après l’injection d’histamines.
En plus des effets constatés lors de cette expérience, les histamines provoquent également un relâchement des liaisons entre les cellules formant la paroi des vaisseaux sanguins les rendant plus perméables.

Une observation au microscope électronique à transmission des événements induits à la suite d’une mise en présence d’histamines et d’interleukines permet d’observer un phénomène nommé diapédèse. Il s’agit de la sortie de cellules circulantes depuis les vaisseaux sanguins vers le lieu de l’inflammation.

À l’aide des documents 1 à 3, expliquez quelles sont les cellules impliquées dans la reconnaissance des pathogènes et les conséquences de cette reconnaissance sur la libération de médiateurs de l’inflammation.

Introduction de l’activité :

Après une blessure importante entraînant des symptômes visibles (rougeur, chaleur, gonflement et douleur), un médecin peut prescrire de l’ibuprofène ou encore de l’aspirine afin de les limiter. On s’interroge alors sur le rôle de ce type de médicament sur le patient.

Document 1 : Rappels sur les enzymes

Une enzyme est une protéine, elle est donc constituée d’acides aminés. Elle a pour fonction de catalyser (= d’accélérer la vitesse) une réaction chimique. Elle permet la transformation de molécules cibles (substrats) en produit(s). Pour que cela se produise, le(s) substrat(s) doi(ven)t interagir dans une zone particulière de l’enzyme nommée « le site actif ». C’est au niveau du site actif que se produit la réaction chimique.

Document 2 : Synthèse et rôle de la prostaglandine

La synthèse de la prostaglandine est réalisée en plusieurs étapes successives. La dernière est permise grâce à l’action de l’enzyme COX (cyclo-oxygénase) qui catalyse la transformation de l’acide arachidonique en prostaglandine.
La prostaglandine est un médiateur chimique de l’inflammation favorisant la vasodilatation des vaisseaux sanguins et donc augmentant leur perméabilité. Cette molécule stimule également des récepteurs induisant la formation d’un message nerveux à l’origine de la sensation de douleur.
Seuls quelques acides aminés du site actif de COX dont on connaît la position permettent la liaison entre l’enzyme COX et son substrat et donc la formation de la prostaglandine.

🧪 Démarche expérimentale : Mécanisme d’action de la prostaglandine 📝

Objectif de la manipulation informatique :
À l’aide du logiciel LibMol ou LibMol Dual on cherche à comprendre comment l’ibuprofène agit sur la production de prostaglandine.

Protocole simplifié :
1. À l’aide du logiciel LibMol, ouvrir les fichiers 1DIY (enzyme COX1 liée à son substrat) et 1EQG (action de l’ibuprofène sur l’enzyme COX).
2. Choisir un affichage pertinent pour différencier l’enzyme COX de son substrat ou de l’ibuprofène.
3. Mettre en évidence les acides aminés du site actif de l’enzyme COX

Protocole détaillé :
1. Ouvrez le comparateur de molécule LibMol.
2. Vérifier qu’il s’agisse des molécules suivantes :

• À gauche : 1DIY Cyclooxygénase ovine (cox1) et son substrat, l’acide arachidonique
• À droite : 1EQG Action d’un anti-inflammatoire, l’ibuprofène sur la cyclo-oxygénase 1

3. Vous observez une représentation moléculaire de l’enzyme COX avec son substrat l’acide arachidonique (ou avec la prostaglandine). On cherche à différencier visuellement l’enzyme de son substrat :

• Ouvrir le panneau en plein écran à l’aide de la double flèche en forme de croix pour faire des modifications
• Simplifier l’affichage :
• Onglet « commandes » puis l’onglet « représenter » et sélectionnez « rubans »
• Onglet « commandes » puis l’onglet « Colorer » et sélectionnez « Nature »

La chaîne de l’enzyme COX apparaît sous la forme d’un ruban et les autres molécules sont en « boules et bâtonnets » de différentes couleurs selon leur nature (protéine, lipide, sucre, etc.).

• Les manipulations suivantes permettent de retirer les éléments qui ne sont ni l’enzyme ni le substrat :
• Onglet « séquences », sélectionner « Aucun »
• Sélectionnez tous les sucres (NAG, NDG, BMA, MAN, BOG) et l’hème (COH) (Aide : colonnes B, C et D + au milieu/bas de la colonne A)
• Veiller à ce que l’acide arachidonique (ACD) ne soit pas sélectionné
• Sélectionner « masquer »

Il ne reste afficher que l’enzyme (en ruban) et son substrat (en « boules et bâtonnets »).

• Mettre en évidence le site actif de l’enzyme :
• Onglet « séquences », sélectionner « Aucun »
• Sélectionner les acides aminés du site actif : 120 (ARG), 355 (TYR), 385 (TYR), 523 (ILE), 524 (GLU) et 530 (SER) (Aide : ils sont classés dans l’ordre dans la colonne A et leur numéro s’affiche quand vous passez la souris dessus)
• Sélectionner « Sphères » et choisir une couleur différente

Le site actif de l’enzyme COX est maintenant visible sous forme de sphères colorées.

• Sortir du mode « plein écran » en appuyant sur échap (esc)

3. Dans le panneau de droite vous avez l’enzyme COX avec de l’ibuprofène

• Suivre les précédentes (à l’étape 3c : ne désaffichez que l’hème COH, il n’y pas les sucres)

À l’aide des documents 1 et 2, démontrez que l’inhibition du fonctionnement de l’enzyme COX permet de limiter la douleur chez l’individu.

Introduction de l’activité :

Lors d’une blessure, d’une infection ou encore de l’apparition de cellules cancéreuses, le système immunitaire permet une réponse rapide et que l’on peut constater chez l’ensemble des animaux vivants : la réaction inflammatoire aiguë.
Nous prenons le cas d’un camarade se blessant à la jambe lors d’une compétition d’athlétisme. Nous cherchons à expliquer quelles sont les manifestations de cette blessure au sein de l’organisme.

Document 1 : Composition du sang

Le sang d’un organisme est composé d’environ :

• 55 % de plasma : il s’agit de la partie liquide du sang, composée principalement d’eau et de protéines ;
• 44 % d’hématies (aussi appelés globules rouges), transportant l’$\text{O}_2$ vers les différents organes ;
• 1 % de leucocytes (aussi appelés globules blancs) et plaquettes. Ces éléments participent notamment à l’immunité de l’organisme, c’est-à-dire à la défense de l’organisme face à un pathogène ou à la présence de lésion.

Document 2 : Des symptômes visibles suite à une inflammation causée par une blessure

Suite à une blessure, en plus de la douleur ressentie, des modifications sont visibles chez l’individu, notamment au niveau de la zone impactée. Ces symptômes sont visibles sur l’image ci-dessous, qui est accompagnée d’une thermographie. Il s’agit d’une technique qui permet de visualiser une image thermique de la zone étudiée.

🧪 Démarche expérimentale : Observation des modifications se produisant à la suite d’une inflammation à l’échelle des tissus 📝

Lors d’une blessure, des modifications sont visibles au niveau des tissus. La comparaison d’une coupe de peau saine et d’une coupe de peau infectée d’un individu dont la blessure cause une réaction inflammatoire permet de le mettre en évidence.

Matériel pour la manipulation :

• Microscope optique
• Lame mince présentant une coupe transversale de peau au cours d’une infection

Protocole :
1. À l’aide d’un microscope optique, réaliser une observation d’une coupe de peau humaine après une blessure causant une infection.
2. Identifier les différences d’aspect des cellules et tissus entre ces deux évènements.

Aide :

• Observer les différences au niveau des vaisseaux sanguins (aspect, nombre de cellules présentes à proximité).
• Les zones très blanches de la coupe peuvent témoigner d’une infiltration de plasma, notamment entre le derme et l’épiderme.

Document 3 : Modifications visibles au niveau des vaisseaux sanguins

Des chercheurs injectent des bactéries E. coli chez un lapin ce qui déclenche une réaction inflammatoire. Ils étudient la réponse des vaisseaux sanguins en fonction du temps.
La perméabilité vasculaire caractérise la capacité des parois des vaisseaux sanguins à laisser passer des cellules ou du plasma à travers.

Document 4 : Analyses sanguines d’une personne blessée

On réalise une analyse sanguine chez une personne blessée ayant une réaction inflammatoire en cours. Cela permet d’étudier les variations des quantités des différentes cellules.

Document 5 : Libération de médiateurs chimiques de l’inflammation à la suite d’une infection

Les mastocytes sont des cellules impliquées dans la réaction inflammatoire. Elles présentent de nombreux granules contenant des molécules nommées « médiateurs chimiques de l’inflammation ». Ces médiateurs jouent un rôle dans l’amplification et le recrutement des acteurs de la réaction inflammatoire. Parmi ces molécules on trouve par exemple les interleukines, les histamines et les prostaglandines.
Si les granules sont libérés, les molécules qu’elles contiennent sont libérées dans l’environnement proche de la cellule.

Sous la forme d’une carte mentale, présentez les manifestations de la réaction inflammatoire aiguë à différentes échelles (macroscopique, tissulaire/cellulaire et moléculaire).