3. BIOCHIMIE CELLULAIRE 3.3. COMMUNICATION CELLULAIRE COMMUNICATION NERVEUSE

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1 3. BIOCHIMIE CELLULAIRE 3.3. COMMUNICATION CELLULAIRE COMMUNICATION NERVEUSE 1. Le neurone, une cellule polarisée Structure et ultrastructure du neurone (Figure 1) Isolation et protection du neurone Organisation en nerfs Le neurone, une cellule excitable Potentiel de membrane ou potentiel de repos Cas d une membrane artificielle Cas d une membrane biologique Potentiel d action Variation brutale du potentiel de membrane Retour au potentiel de repos Propagation du message nerveux Caractéristiques de la conduction Caractéristiques de la propagation Caractéristiques d excitabilité D un neurone D un nerf Transmission synaptique du message nerveux par voie chimique Une synapse, contact entre deux cellules excitables Libération du neurotransmetteur Fixation du neurotransmetteur Inactivation rapide du neurotransmetteur Intégration cellulaire de l information Les neurotransmetteurs L acétylcholine La noradrénaline Les potentiels postsynaptiques excitateur ou inhibiteur (PPSE et PPSI) Synapse activatrice Synapse inhibitrice Le traitement postsynaptique de l information : les sommations Intégration par le neurone des divers PPS La zone d intégration = le «segment initial» de l axone Initiation d un potentiel d action Conséquences sur la cellule post-synaptique Cours biochimie BTS_ABM C. Larcher Communication nerveuse Page 1 / 13

2 La communication nerveuse repose sur l existence de liaisons anatomiques entre les organes récepteurs, les centres nerveux et les organes effecteurs : ces liaisons sont assurées par des nerfs. Ces structures anatomiques spécialisées utilisent des signaux électriques et chimiques. L élément structural et fonctionnel de base de cette communication est la cellule nerveuse ou neurone, cellule très différenciée qui a pour fonction de conduire et transmettre l influx nerveux. Les neurones sont généralement regroupés : dans le cerveau (chez les espèces animales qui en ont un), dans des ganglions distribués au sein de l organisme dans des structures sensorielles spécialisées, comme la rétine. 1. Le neurone, une cellule polarisée 1.1. Structure et ultrastructure du neurone (Figure 1) Comme la plupart des cellules, ils possèdent un corps cellulaire (CC) qui regroupe le noyau (N) et toute la machinerie nécessaire à la synthèse des protéines et au métabolisme. Toutefois, ils se distinguent morphologiquement par l existence de neurites, c est-à-dire de longs prolongements cytoplasmiques plus ou moins ramifiés. On distingue : l axone (Ax) qui se termine au niveau d une terminaison synaptique (TS) les dendrites (D) Le corps cellulaire peut mesurer de 5 à 50 µm de diamètre. La longueur des prolongements, et tout spécialement de l axone, est également très variable. De l ordre d un mètre pour certains motoneurones chez l Homme. La substance grise comprend : les dendrites les corps cellulaires La substance blanche comprend : les axones, longs prolongements cytoplasmiques uniques (ramifiés ou non) de la cellule nerveuse entouré d une membrane (appelée axolemme) dans lequel circule l influx nerveux. la myéline, substance constituée de phospholipides et de protéines enveloppant en couches concentriques l axone de certains neurones (on parle de fibre myélinisée) Isolation et protection du neurone Les cellules gliales sont neuf fois plus nombreuses que les neurones dans le cerveau. Elles jouent un rôle primordial en assurant l isolement électrique des tissus nerveux, les fonctions métaboliques, le soutien squelettique et la protection vis-à-vis des corps étrangers en cas de lésions. Les cellules gliales sont présentes : dans le système nerveux périphérique : les cellules de Schwann sont responsables de la formation de la gaine de myéline (enroulement des membranes plasmiques des cellules de Schwann autour de l axone Figure 2). dans le système nerveux central : oligodendrocytes, astrocytes, microglie 1.3. Organisation en nerfs Un nerf est un ensemble de fibres nerveuses (axones des neurones + cellules gliales) sensitives et motrices reliées par un tissu conjonctif vascularisé (Figure 3). On distingue suivant le niveau où le nerf rejoint le système nerveux central (SNC) : 12 paires de nerfs crâniens de I à XII (nerfs optique, olfactif auditif, ) 31 paires de nerfs rachidiens : relatifs au rachis, à la colonne vertébrale (8 cervicaux, 12 dorsaux, 5 lombaires, 5 sacrés, 1 coccygien) Cours biochimie BTS_ABM C. Larcher Communication nerveuse Page 2 / 13

3 Figure 1 : ultrastructure d un neurone Figure 2 : structure de la gaine de myéline Cours biochimie BTS_ABM C. Larcher Communication nerveuse Page 3 / 13

4 Figure 3 : ultrastructure d un nerf Figure 4 : localisation des différents nerfs rachidiens Le neurone est une structure polarisée pour permettre la transmission d un signal électrique du corps cellulaire vers les terminaisons synaptiques en réponse à un stimulus. On distingue les stimuli : mécaniques : pression, température, lumière électriques (électrodes) chimiques (neurotransmetteurs) Le système nerveux comprend 100 milliards de neurones. Les cellules nerveuses sont des cellules différenciées qui sont incapables de se diviser. Par conséquent, le vieillissement entraîne une dégénérescence du tissu nerveux qui ne peut pas se régénérer. Cours biochimie BTS_ABM C. Larcher Communication nerveuse Page 4 / 13

5 2. Le neurone, une cellule excitable Les neurones sont des cellules excitables, capables de convertir des signaux chimiques en activité électrique et réciproquement Potentiel de membrane ou potentiel de repos Cas d une membrane artificielle Soit une membrane seulement perméable aux ions K +. Les ions K + sont soumis à leur gradient chimique et à une force électrique (différence de charges entre les deux compartiments). Soit une membrane seulement perméable aux ions Na + : on arriverait à une ddp de potentiel de + 80 mv. KCl 160 mm KCl 4,5 mm Cas d une membrane biologique + + ddp transmembranaire - 95 mv Répartition asymétrique des ions de part et d autre de la membrane. Extérieur [K + ] e = 4,5 mm [Na + ] e = 144 mm On mesure un potentiel de membrane stable pour un axone égale à 70 mv environ. Ni le Na + ni le K + ne sont donc à l équilibre. Il existe nécessairement un léger flux de Na + entrant et un flux plus important de K + sortant grâce à la présence de canaux de fuite à K +. Cependant le potentiel reste stable. C est une pompe Na + /K + ATPasique qui permet de maintenir cette différence de concentration en expulsant 3 Na + et en faisant entrer 2 K + grâce à l énergie de l hydrolyse d une molécule d ATP. Remarques : Cytoplasme K + Na + [K + ] i = 160 mm 3 Na + ATPase 2 K + [Na + ] i = 7 mm K + Na + K + Na + 3 Na + 2 K + Figure 5 : schéma des systèmes membranaires à l origine du potentiel de repos La membrane est polarisée. Mais le cytoplasme et le milieu extérieur sont globalement neutres d un point de vue électrique. Ce potentiel est caractéristique de toutes les cellules eucaryotes. Chaque cellule est définie par une différence de potentiel au niveau de sa membrane plasmique. Ce potentiel de membrane est appelé potentiel de repos pour les cellules excitables qui voient leur potentiel de membrane modifier en cas d excitation. Na + Cours biochimie BTS_ABM C. Larcher Communication nerveuse Page 5 / 13 K +

6 2.2. Potentiel d action Variation brutale du potentiel de membrane Un potentiel d action correspond à une variation brutale du potentiel de membrane en réponse à un stimulus. Il n est généré que sur la membrane plasmique de l axone (axolemme). Il se propage du segment initial vers la terminaison synaptique. Figure 6 : phases du potentiel d action et origines ionique a. Dépolarisation Suite à un stimulus d intensité suffisante (sa valeur minimale, ou liminaire, est qualifiée de seuil), on observe une variation du potentiel de membrane de 70 mv à + 40 mv (valeur caractéristique de la cellule excitée, donc ordre de grandeur). Suite à la stimulation, il y a une brutale modification de la perméabilité membranaire. Cette étape est due à l ouverture de canaux à Na+ voltage-dépendants. Le Na+ plus concentré à l extérieur entre dans le sens de son gradient électrochimique par les canaux ouverts. Entrée de charges + donc localement inversion du potentiel de membrane (la face interne devient positive par rapport à la face externe) : dépolarisation. Cours biochimie BTS_ABM C. Larcher Communication nerveuse Page 6 / 13

7 b. Repolarisation Les canaux Na + sont rapidement et spontanément inactivés : le flux entrant de Na + est diminué. L ouverture de canaux K + voltage dépendants entraîne une sortie des ions K + ce qui conduit à une nouvelle inversion du potentiel de membrane : repolarisation. c. Hyperpolarisation Les canaux K + voltage dépendants restent ouverts plus longtemps. Cela explique une sortie importante de K + (il y a plus de charges + qui sortent qu il en est rentré). Puis ces canaux se ferment Retour au potentiel de repos Il est dû au retour des transferts des divers ions au travers de la membrane (diffusion au travers des canaux Na+ et K+ non voltage-dépendants et phénomène actif consommant de l ATP : pompe Na+K+ ATPasique) Propagation du message nerveux Caractéristiques de la conduction a. En absence de myéline : conduction continue par courants locaux La conduction du PA est liée à la propagation de courants locaux entre segments membranaires voisins, de polarités opposées. Le déplacement des charges consécutif diminue la différence de potentiel membranaire des régions non encore excitées. Lorsque le potentiel de seuil est atteint un nouveau PA naît alors que le précédent est en voie d extinction. Na K + K + Na + Na K + K + PRA Figure 7 : déplacement des charges et conduction continue par courants locaux Cours biochimie BTS_ABM C. Larcher Communication nerveuse Page 7 / 13

8 En présence de myéline, l influx se propage par conduction saltatoire. La gaine de myéline joue un rôle d isolant électrique. La conduction saltatoire correspond à un saut de charges d un nœud de Ranvier à l autre. La propagation du message nerveux est donc plus rapide sur une fibre myélinisée. Figure 8 : gaine de myéline et conduction saltatoire Caractéristiques de la propagation a. Propagation unidirectionnelle et inactivation des canaux Na + voltage dépendants Toute zone dépolarisée présente une «période réfractaire» durant laquelle la fibre n est plus excitable (car inactivée tant qu elle n a pas retrouvé son état de polarisation initiale) : le message nerveux ne peut donc pas rebrousser chemin (durée de 2 ms). Cela est dû au fait que les canaux Na + voltage-dépendants se ferment et s inactivent pendant un laps de temps (= période réfractaire) pendant laquelle ils ne peuvent pas se rouvrir. b. Vitesse de propagation Elle varie de 1 à 120 mètres par seconde (soit 4 à 500 km par heure). Elle est fonction : du diamètre de la fibre (plus le diamètre augmente, plus la vitesse augmente) de la présence de myéline : la présence d une gaine de myéline autour de l axone augmente la vitesse de propagation par «conduction saltatoire» Caractéristiques d excitabilité D un neurone a. Le seuil de dépolarisation et intensité de stimulation liminaire Un PA se déclenche, chaque fois qu en un point de la fibre, le potentiel de membrane croît jusqu à une certaine tension appelée seuil de dépolarisation (ou seuil de potentiel). Dès que le potentiel transmembranaire d une fibre égale ou dépasse 50 mv, le seuil d excitation de la fibre est atteint et le potentiel d action se déclenche. Intensité de stimulation liminaire : à la limite de la perception, de l efficacité. Un stimulus liminaire, ayant la valeur seuil, déclenchera le même effet. La réponse de la fibre ne dépend en rien de la grandeur du stimulus lorsqu il est d intensité supérieure au seuil, c est-à-dire supraliminaire. En revanche, avec un stimulus infraliminaire, la variation de potentiel ne se produit pas. Il n y a donc que deux réponses membranaires possibles : loi du «tout ou rien». Cours biochimie BTS_ABM C. Larcher Communication nerveuse Page 8 / 13

9 b. Amplitude constante Le PA ne subit pas d amortissement car ce n est pas lui qui se déplace le long de la fibre. Les PA ont donc toujours la même amplitude car ils sont continuellement régénérés (en réponse aux «courants locaux») : le PA conserve donc toutes ses caractéristiques du fait de la conduction régénérative. c. Codage en fréquence (et non en amplitude) Quand l intensité du stimulus augmente ou diminue au-dessus du seuil de dépolarisation (de l intensité liminaire) la fréquence de dépolarisation des potentiels d actions augmente ou diminue. Cette fréquence est limitée par la période réfractaire de la fibre (500 PA par seconde) D un nerf Mesure du potentiel d action : électrodes réceptrices de surface Suite à une stimulation d intensité suffisante, on obtient une réponse diphasique appelée potentiel d action. Il existe donc aussi une intensité de stimulation liminaire. Mais la réponse n est pas de type «tout ou rien». La réponse est graduelle. Plus l intensité est grande plus le nombre de fibres recrutées est grand jusqu au recrutement total et l obtention d une amplitude maximale. Le cerveau humain est constitué d environ neurones, de plusieurs centaines ou milliers de types différents, connectés par approximativement contacts synaptiques. 3. Transmission synaptique du message nerveux par voie chimique 3.1. Une synapse, contact entre deux cellules excitables Une synapse est une zone de contact entre deux neurones, ou entre un neurone et une cellule effectrice (musculaire ou glandulaire) ou une cellule sensorielle, par laquelle s effectue la transmission électrique ou chimique de l influx nerveux. Élément présynaptique Élément postsynaptique Toujours un axone de neurone (bouton synaptique de l arborisation terminale) Espace synaptique Autre neurone ou cellule effectrice (cellule musculaire, glande endocrine) (bouton synaptique de l arborisation terminale) Figure 9 : complexes synaptiques neuroneuroniques et neuromusculaires Cours biochimie BTS_ABM C. Larcher Communication nerveuse Page 9 / 13

10 L espace ou la fente synaptique est l espace compris entre les membranes des deux éléments synaptiques. Il est large d environ 10 à 50 nm. Dans l élément présynaptique, se trouvent des vésicules d exocytose ou vésicules présynaptiques remplies de neurotransmetteurs prêts à être libérés dans la fente synaptique. La membrane plasmique de l élément postsynaptique est épaissie du fait de la présence de nombreuses protéines membranaires (récepteurs). On distingue : Les synapses à transmission électrique (très rares) Les synapses à transmission chimique : intervention de neurotransmetteurs - entre deux neurones : synapse neuro-neuronique ou interneuronale - entre neurone et cellule effectrice : synapse neuro-effectrice Exemple : motoneurone et fibre musculaire = plaque motrice = synapse neuromusculaire 3.2. Libération du neurotransmetteur L arrivée d un message nerveux (train de PA) provoque une entrée d ions Ca 2+, ce qui déclenche l exocytose, dans l espace synaptique, de vésicules présynaptiques contenant un neurotransmetteur (un seul type par synapse). Un neurotransmetteur est une molécule chimique assurant exclusivement la transmission synaptique de l influx nerveux. Dans le cas de la plaque motrice, le neurotransmetteur est l acétylcholine Fixation du neurotransmetteur Le neurotransmetteur se fixant sur des récepteurs protéiques de la membrane postsynaptique provoque une modification du potentiel de membrane : c est le potentiel postsynaptique ou PPS. Le récepteur peut être couplé à un canal ionique ou à une protéine. Dans le cas de la plaque motrice, le récepteur à l acétylcholine de type nicotinique est couplé à un canal à Na Inactivation rapide du neurotransmetteur La dégradation enzymatique ou la recapture par la terminaison axonique du neurotransmetteur rend très fugace l action de celui-ci, ce qui limite l existence du PPS et ce qui autorise une modulation très fine de l activité du neurone postsynaptique. Dans le cas de la plaque motrice, l enzyme est l acétylcholine estérase. Figure 10 : étapes de la transmission synaptique Cours biochimie BTS_ABM C. Larcher Communication nerveuse Page 10 / 13

11 Conclusion : Le message nerveux présynaptique, codé en fréquence de PA, est traduit en message chimique codé en amplitude de concentration de neurotransmetteur, lui-même traduit en message codé en amplitude de PPS (pouvant déclencher la naissance d un message nerveux postsynaptique codé en fréquence de PA). Il existe donc une relation directe entre la fréquence des PA présynaptiques et la quantité de neurotransmetteur libéré. 4. Intégration cellulaire de l information 4.1. Les neurotransmetteurs Un neurotransmetteur est une molécule chimique assurant exclusivement la transmission synaptique de l influx nerveux. Chaque synapse libère un seul de type de neurotransmetteurs. Acétylcholine Amines : catécholamines (dopamine, adrénaline, noradrénaline), sérotonine, histamine Acides aminés : GABA (acide gamma aminobutyrique), glycine, glutamate Neuropeptides : endorphine, ocytocine L acétylcholine a. Structure b. Mode d action : Pour expliquer la diversité de ses effets, il convient de préciser que l'acétylcholine se fixe sur deux types de récepteurs postsynaptiques. Récepteurs nicotiniques : récepteur couplé à un canal perméable aux cations (cas de la cellule musculaire striée, neurones postsynaptiques du SN autonome). Récepteurs muscariniques : récepteur couplé à une protéine G avec souvent une activation de la cellule postsynaptique (organes cibles du SN parasympatique) La noradrénaline a. Structure Adrénaline avec «no radical» : noradrénaline b. Mode d action Les catécholamines se fixent sur différents récepteurs postsynaptiques qui modulent l ouverture de canaux ioniques. C est la diversité des récepteurs qui explique la diversité des effets de la noradrénaline (récepteurs a1, a2, b1, b2, b3) Les potentiels postsynaptiques excitateur ou inhibiteur (PPSE et PPSI) Il existe deux types de synapses classées en fonction de l effet du NT sur la polarité de la membrane postsynaptique : Synapse activatrice Ex : R nicotinique à l Ach : entrée de Na + d où dépolarisation = PPSE Pour aller plus loin : mécanisme d action de la nicotine liée au tabagisme Synapse inhibitrice Ex : R au GABA (Gamma amino butyrique acide) : entrée de Cl ou sortie de K + d où hyperpolarisation = PPSI Cours biochimie BTS_ABM C. Larcher Communication nerveuse Page 11 / 13

12 4.3. Le traitement postsynaptique de l information : les sommations Les dendrites collectent les informations au niveau des boutons synaptiques et les acheminent vers le corps cellulaire sous forme de PPS (remarque : PA au niveau des axones, PPS au niveau des dendrites). Dans un centre nerveux, chaque neurone reçoit donc au niveau de ses dendrites et du corps cellulaire de multiples afférences, les unes excitatrices, les autres inhibitrices, provenant de très nombreux neurones. Seule l arrivée de plusieurs PA présynaptiques déclenche (ou non) l apparition d un PPS. Dans tous les cas, le PPS résultant a une amplitude égale à la somme des différents PPS unitaires. La sommation spatiale correspond à l addition de PPS (PPSE + PPSI) provenant de plusieurs synapses. La sommation temporelle correspond à l addition de PPS provenant d une même synapse (c est-à-dire la libération répétée de neurotransmetteur par un même bouton synaptique). Figure 11 : traitement postsynaptique de l informations : les sommations temporo-spatiales Cours biochimie BTS_ABM C. Larcher Communication nerveuse Page 12 / 13

13 4.4. Intégration par le neurone des divers PPS La zone d intégration = le «segment initial» de l axone Les PPSE et PPSI naissent sur la membrane du corps cellulaire et des dendrites. Les divers PPS (PPSE+PPSI) se propagent à la surface des dendrites et des corps cellulaires des motoneurones en subissant un phénomène d amortissement. Ils atteignent la zone du «segment initial» qui est une zone d intégration spatio-temporelle (phénomène de sommation). Le potentiel transmembranaire qui apparaît au niveau du segment initial est la somme algébrique de l ensemble des PPS qui l atteignent Initiation d un potentiel d action Si le PPS global dépasse le seuil de dépolarisation (au niveau du segment initial) il naît un message codé en fréquence de PA. L amplitude de la somme des PPS (PPS global) est alors codée en fréquence de PA. L axone conduit alors le message nerveux sans atténuation Conséquences sur la cellule post-synaptique Contraction ou relâchement d un muscle (codage en amplitude) Génération ou non d un potentiel d action (codage en fréquence) Conclusion : Le neurone est une cellule qui conduit des messages électriques grâce aux propriétés de sa membrane. Les messages afférents, codés en fréquence de potentiel d action, entraînent au niveau synaptique, une libération de neutransmetteur codée en amplitude de concentration qui engendre, à son tour, un nouveau message nerveux codé en fréquence de potentiel d action. Du fait de sa structure polarisée et régionalisée, le neurone assure la réception, l émission, la conduction et la transmission des messages nerveux dont il conserve les caractéristiques. Cela conduit à un fonctionnement adapté et coordonné des organes. Pour visualiser les phénomènes : Physiologie du système nerveux : le neurone Physiologie du système nerveux : l influx nerveux Cours biochimie BTS_ABM C. Larcher Communication nerveuse Page 13 / 13