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La médullosurrénale est une glande endocrine jouant le rôle d'un « transducteur ». Dans la médullosurrénale, les influx nerveux électriques (fibres sympathiques préganglionnaires) sont transformés en signaux hormonaux [adrénaline (A), noradrénaline (NA)] qui sont des catécholamines. Dans la médullosurrénale, comme dans toutes les terminaisons nerveuses préganglionnaires, le neuromédiateur est l'acétylcholine (ACh) qui, en se fixant sur la membrane post-synaptique, provoque la libération de NA et de A.

La synthèse et le stockage des catécholamines se déroulent de la même manière que dans les terminaisons nerveuses sympathiques postganglionnaires, mais, du fait de la présence d'une enzyme supplémentaire, la phényl éthanolamine-N-méthyltransférase, la plus grande partie de la NA est transformée en A. Le précurseur de la NA, la dopamine (qui dérive de la L-tyrosine via la L-dopa), est capté par les granules. La suite et la fin de la synthèse se terminent au niveau des granules ; la NA sera stockée dans 15 % de ceux-ci. Dans les 85 % restants, la NA n'est pas stockée mais transférée dans le cytoplasme où elle est partiellement convertie en A, laquelle est à son tour recaptée par les granules. Le captage de la dopamine, de la NA et de l'A se fait par un processus actif. Les granules contiennent non seulement des lipides, mais également des protéines (chromogranine) et d'autres substances, notamment 1 mole d'ATP par mole de catécholamine.

Régulation de la synthèse des catécholamines

La synthèse est accélérée lors des décharges brutales par la diminution du niveau de Na (des vésicules) qui, en conséquence, lève l'inhibition par feed-back de la tyrosine hydroxylase. La stimulation chronique augmente également l'activité de l'enzyme permettant la conversion de la dopamine en Na. L'ACTH est impliquée dans ce processus. Par opposition, le cortisol (arrivant directement à concentration élevée du cortex surrénalien) stimule l'activité de la N-méthyl-transférase, augmentant ainsi le rapport A : NA. Le rapport liant les quantités de NA et A libérées varie selon les espèces et l'activité sympathique (voir ci-dessous). Au repos ou pour un faible niveau d'activité, les médullosurrénales ne libèrent que de petites quantités d'A et de NA. Cependant lors d'activités physiques plus importantes ou lors du stress ou d'états émotionnels, leur libération augmente considérablement. Ainsi, des cellules qui ne sont pas innervées par les voies sympathiques peuvent participer à des réactions d'alarme. Les facteurs de libération des catécholamines par la médullosurrénale, par suite d'une augmentation de l'activité sympathique sont par ex : le travail physique, le froid, le chaud, l'hypoglycémie (faible teneur sanguine en sucre), la douleur, le manque d'oxygène, la baisse de la pression artérielle, la peur et l'énervement («stress»). Le centre de commande est l'hypothalamus.

Le rôle principal des catécholamines libérées en situation d'alarme est de mobiliser le stock d'énergie chimique (lipolyse, glycogénolyse) et par là de fournir suffisamment de combustible (acides gras, glucose) à tous les muscles en activité. Le bilan potassique est aussi influencé par les catécholamines. Dans les muscles squelettiques, les catécholamines agissent sur l'AMP cyclique, enzyme qui accélère la dégradation du glycogène et la formation de lactate. Par leur effet inotrope positif (récepteurs β₁) sur le cœur, les catécholamines augmentent le volume systolique et le débit cardiaque et élèvent, par conséquent, la pression artérielle. En même temps, l'irrigation du tractus digestif est réduite au profit de celle des muscles.

L'adrénaline renforce également la transmission adrénergique. En se liant aux β₂ récepteurs des varicosités des fibres postganglionnaires sympathiques, elle induit la libération de NA par ces dernières. Lors d'un stress, les catécholamines stimulent la libération d'hormones dans l'hypothalamus, déclenchant le renouvellement des stocks d'énergie épuisés. Ces hormones atteignent leur taux le plus élevé dans le sang environ 4 h après la réaction d'alarme.