La Transmission synaptique I. Introduction : La conduction de l influx nerveux dans le système nerveux, qui est un train de potentiel d action se fait non seulement le long d un neurone mais aussi d un neurone à un autre par l intermédiaire de certains points de contact appelées les synapses. Ou d un neurone à un effecteur comme un muscle ou une glande grâce à des jonctions. Les phénomènes qui se développent à ce niveau constituent la transmission synaptique. Les mécanismes cellulaires de la transmission synaptique sont très proches de ceux qui sont à l origine du potentiel de repos et du potentiel d action, à savoir le transit d ions par les canaux ioniques de la membrane du neurone. II. Organisation générale d une synapse : Un neurone comprend le corps cellulaires contient le noyau et l essentiel du cytoplasme, et les prolongements cellulaires, à savoir dendrites et axone. Le neurone standard possède plusieurs dendrites et un seul axone. Le prolongement axonique peut être très long et permettre la communication entre neurones éloignés. L axone va porter le message électrique qui est un train de potentiel d action (PA) du neurone à d autres neurones situés à distance. Ce n est qu a l arrivé au voisinage de cette cellule cible, que l axone ou la terminaison axonique se ramifiée en de nombreuses collatérales fines, qui se terminent par des boutons synaptiques. Ces derniers entrent en contact avec les prolongements dendritiques de la cellule cible, ces point de contact constituent les synapses, qui assurent la transmission du message électrique d un neurone A constitue l élément présynaptique, vers un autre neurone B constitue l élément postsynaptique. III. Classification des synapses : ils existent plusieurs types de synapses, qui peuvent être classé selon : la morphologie d une synapse, la fonction d une synapse, l effet synaptique, et selon les modalités d articulation neuroniques. 1
A. Selon la morphologie d une synapse : Les différents types de jonctions peuvent être classés selon la nature des éléments qui entrent en contact, c est ainsi que l on distinguera d abord : La jonction neuro-musculaire. La jonction neuro-glandulaire. La jonction neuro-neuronale Qui peut être soit : Axo-axonique. Axo-dendritique. Axo-somatique. 2
B. Selon le mode de transmission synaptique : selon la fonction on distingue deux types de synapse : une synapse chimique et une synapse électrique. 1. Synapse chimique : Elle est la plus répandue dans corps humain, elle est majoritaire dans le système nerveux. Elle est Formée d un élément présynaptique et d un élément postsynaptique, séparée par un espace : la fente synaptique, il est de l ordre de 20 à 30nm. Faisant impérativement intervenir un médiateur chimique. C est l utilisation de ces agents chimiques comme messagers entre neurones qui a valu son nom à ce type de synapse. Les phénomènes d une synapse chimique, se déroulant au cours d un délai synaptique variant entre 0,5-1ms. La transmission de l influx nerveux à travers la synapse chimique est unidirectionnelle. 2. Synapse électrique : Elle est nettement minoritaire dans le système nerveux, également appelée Gap junction qui veut dire jonction communicante. Egalement formée d un élément présynaptique et d un élément postsynaptique. Mais, sans espace synaptique ou avec très peu d espace, ce dernier est très réduit de l ordre de 2nm. Les membranes de deux neurones (pré et postsynaptique) communicants sont beaucoup plus proches l une de l autre, et elles sont reliées par un genre particulier de contact intercellulaire appelé jonction communicante. Les jonctions communicantes comportent dans la membrane de chaque neurone, des canaux appariés se faisant face avec précision, de telle sorte que chaque paire de canaux forme un pore. Les synapses électriques fonctionnent en laissant les courants ioniques passer directement d un neurone à un autre d une façon passive par les pores des jonctions communicantes. La transmission du courant dans une synapse électrique, peut être bidirectionnelle ou unidirectionnelle, avec très peu ou pas de délai synaptique, à l origine d une transmission rapide. On la retrouve comme par exemple dans les neurones de l hypothalamus à fonction neuroendocrine. 3
C. Selon l effet synaptique : Les synapses produisent deux effets électriques synaptiques principaux: un effet excitateur et un effet inhibiteur. De ce fait, il existe deux types de synapses: une synapse excitatrice et une synapse inhibitrice. - La synapse excitatrice : sa mise en jeu, favorise l excitation ou l activation l élément postsynaptique. - La synapse inhibitrice : sa mise en jeu, favorise l inhibition ou la diminution de l activité de l élément postsynaptique. Le neurone post synaptique peut être innervé simplement par un des deux type de synapse excitatrice ou inhibitrice, ou par les deux types en même temps. 4
D. Selon les modalités d articulations neuroniques : La transmission de l influx nerveux par les neurones se fait le long des circuits nerveux parfois simples mais souvent complexes. On à plusieurs modalités d articulation neuroniques : le dispositif en chaines linéaires, le dispositif convergent (centripète), le dispositif divergent (centrifuge). 1. Le dispositif en chaines linéaires : Qui consiste à une articulation linéaire des neurones. Il constitue un circuit nerveux simple, où un premier neurone A s articule uniquement avec un deuxième neurone B, et puis ce dernier est connecté uniquement avec un troisième neurone C, et ainsi de suite. Ce type de circuit favorise la conservation de l information électrique sur une voie restreinte. Ce dispositif se voit comme par exemple dans les voies de la sensibilité, à l origine des actions discriminatives fines sensitives. 2. Le dispositif convergent (centripète) : Il constitue un circuit nerveux complexe, où plusieurs neurones présynaptiques (A, B, C) sont connectés avec un seul neurone postsynaptique, tout en convergent vers ce dernier. Il permet à un élément post synaptique de recevoir des influx nerveux de divers éléments présynaptiques, et d en effectuer la somme. Il constitue un système d intégration. Ce dispositif se voit comme par exemple au niveau de la moelle épinière, lorsque le motoneurone reçoit des informations de plusieurs neurones présynaptiques. 5
3. Le dispositif divergent (centrifuge) : Il constitue aussi un circuit nerveux complexe, où un seul neurone présynaptique est connecté avec plusieurs neurones postsynaptiques (A, B, C), tout en divergent vers ces derniers. Il correspond à une diffusion de l information d un élément présynaptique à plusieurs éléments post-synaptiques. Ce dispositif se voit du coté sensitif de la moelle épinière, lorsque l axone afférent sensitif distribue des collatérales à plusieurs étages médullaires, ces dernières font des synapses avec d autres neurones médullaires. IV. Structure d une synapse chimique : une synapse chimique est toujours formée d un élément présynaptique et d un élément postsynaptique séparée par un espace : la fente synaptique. A. Elément pré-synaptique : il est constitué par l extrémité renflée de l axone, le bouton synaptique. On y trouve dans cet élément : le cytoplasme, membrane présynaptique, de nombreuses mitochondries qui témoignent d une activité métabolique et de la consommation d ATP, des neurofilaments, neurotubules. Il existe aussi des organites de petite taille, limités par une membrane, appelés vésicules synaptiques. Ces organites sphériques sont remplis de neurotransmetteur, qui est sécrété par le neurone présynaptique. Leur membrane vésiculaire est en association avec certaines protéines spécifiques. Elles peuvent être à paroi lisse, parfois même à paroi granuleuse dite vésicules habillées par un revêtement de clarithine, il s agira d une vésicule en voie de recyclage après exocytose. B. Fente synaptique : c est cet espace qui empêche la communication directe des deux éléments, il est de 20-30nm. On y trouve ni cellule de Schwann, ni d élément neuroglial. C. Elément postsynaptique : Constitué par la membrane des prolongements dendritiques du neurone postsynaptique. Sa caractéristique est la présence d un plateau postsynaptique avec une zone dense sous membranaire qui est associée à des protéines membranaires de transduction, des récepteurs et des canaux ioniques. 6
V. Les mécanismes de la transmission synaptique : D une façon générale, Les mécanismes de la transmission synaptique chimique sont identiques pour toutes les synapses chimiques au niveau du système nerveux central et périphérique. La synapse chimique assure une transmission unidirectionnelle du signal électrique propagé sous forme de PA à partir de l élément présynaptique vers l élément postsynaptique. Elle fait intervenir un médiateur chimique libéré par l élément présynaptique dans la fente synaptique, qui agit sur les récepteurs de l élément postsynaptique, entrainant une modification de la perméabilité membranaire aux ions, et un changement de la polarisation membranaire, à l origine des réponses électriques postsynaptiques. Réalisant ainsi le transfert de l information électrique d un côté à l autre de la synapse A. Les phénomènes présynaptiques : -L arrivée de la dépolarisation au niveau de l élément présynaptique détermine la libération d un médiateur chimique. Ce médiateur chimique est libéré par les vésicules, sous l influence très intime de la concentration intracellulaire de Ca 2+ qui doit être supérieure à 10-6 mm. Or, 7
il faut savoir qu au repos la concentration intracellulaire de Ca 2+ est de 10-7 mm, alors que la concentration extracellulaire de Ca 2+ est de 10-3 mm. L avènement du potentiel d action au niveau de la terminaison permet l ouverture de canaux calciques voltage dépendant. Cette ouverture permet la pénétration du Ca 2+ à l intérieur, selon le gradient électrochimique, pour atteindre la concentration nécessaire à la libération du neurotransmetteur (supérieure à 10-6 mm). La libération du neurotransmetteur se fait par phénomène d exocytose de la vésicule. - Le phénomène d exocytose : Ce phénomène se déroule en une cascade d interactions entre protéines de la membrane vésiculaire douées d une grande affinité pour le Ca 2+ et protéines liées à la membrane cellulaire de l élément présynaptique. Les protéines, la synaptobrèvine et la synaptotagmine sont liées à la membrane vésiculaire, la syntaxine et la SNAP-25 sont liées à la membrane cellulaire de l élément présynaptique. 8
Lors de l ouverture des canaux calciques au moment de la dépolarisation, provoque l entrée des ions Ca 2+, et l augmentation de sa concentration en intracytoplasmique, déclenche un processus d activation séquentielle des protéines vésiculaires. Autorisant la migration de la vésicule vers la zone active de la membrane cellulaire présynaptique. Entrainant l interaction des protéines vésiculaires et membranaires. A l origine d une fusion de la membrane vésiculaire avec la membrane cellulaire présynaptique. Puis la vésicule va expulsée son contenu en neurotransmetteur dans la fente, ce qui correspond à l exocytose. Après l exocytose, la récupération de la membrane vésiculaire se fait par endocytose, par une invagination de la membrane avec dépôt d un revêtement de clarithine, puis détachement d une vésicule habillée puis perte du revêtement, et par la suite fusion avec les 9
endosomes, puis la reconstitution de nouvelles vésicules, qui se remplissent de neurotransmetteur, afin de participer à un nouveau cycle d exocytose. -Un grand nombre de vésicules libéreraient sont contenues dans la fente synaptique à la suite d une dépolarisation de l élément présynaptique, c est le mode de libération quantique du neurotransmetteur. B. Les phénomènes de la fente synaptique : Après la libération du neurotransmetteur (NT) dans la fente, ils ont plusieurs destinées : - L interaction du neurotransmetteur avec les récepteurs postsynaptiques : Une partie de la quantité totale du neurotransmetteur libéré (soit moins de 10%) va se fixer sur les récepteurs postsynaptiques, quant à la fraction de NT la plus importante qui n atteint pas sa cible joue un rôle essentiel, car la reconnaissance du neurotransmetteur par leurs récepteurs est facilitée par cette forte concentration. La fixation du NT sur ses récepteurs, entrainant un changement de la perméabilité membranaire aux ions, par l ouverture ou la fermeture des canaux ioniques, à l origine d un changement de la polarisation membranaire sous forme potentiel synaptique ou potentiel post-synaptique. On a deux type de potentiel : potentiel postsynaptique excitateur (PPSE), et potentiel postsynaptique inhibiteur (PPSI). Le neurotransmetteur a également la particularité d avoir une action brève (de l ordre de quelques millisecondes). Après, Il faut alors que ce transmetteur soit rapidement éliminé pour permettre à la cellule pré- et post-synaptique de recommencer un nouveau cycle de libération du neurotransmetteur, liaison et émission d un signal. Les mécanismes d élimination d un neurotransmetteur varient, ils associent toujours : - La dilution du neurotransmetteur: par diffusion du neurotransmetteur dans un compartiment extracellulaire plus grande que l espace synaptique et dégradé par la suite. - La recapture du neurotransmetteur: par la terminaison nerveuse présynaptiques ou par les cellules gliales environnantes, à l aide des transporteurs membranaires fonctionnant par échange ionique. C est un processus actif de pompage du neurotransmetteur. - L inactivation enzymatique du neurotransmetteur (dégradation enzymatique): qui se fait grâce à des enzymes lytiques spécifiques au neurotransmetteur libéré présent dans la fente. Comme par exemple au niveau de la jonction neuro-musculaire le neurotransmetteur est l acétylcholine et son enzyme de dégradation est l acétylcholinestérase, qui dégrade l Acétylcholine en acide acétique et en choline. -Le délai synaptique : est de 0,5 à 1ms, il correspond à la succession des phénomènes : de libération du neurotransmetteur par l élément présynaptique, sa diffusion dans la fente 10
synaptique et son interaction avec les récepteurs postsynaptiques, et par la suite l activation de ces récepteurs, dont le résultat est le potentiel postsynaptique. B. Les phénomènes postsynaptiques : la fixation du NT sur les récepteurs postsynaptiques engendrent des potentiels post-synaptiques, qui peuvent soit de type : PPSE ou PPSI, qui favorisent soit une excitation ou une inhibition du neurone postsynaptique. 11
1. Physiologie des récepteurs postsynaptiques: (schéma du chapitre IV) La membrane postsynaptique comporte plusieurs éléments, qui sont : des récepteurs, des canaux ioniques, des protéines membranaires de transduction (protéine G), et des enzymes. Il existe deux familles de récepteur à considérer pour un neurotransmetteur, celle des récepteurs ionotropes et métabotropes. Certaines synapses n utilisent qu un seul type de récepteur ionotrope ou métabotrope, d autres utilisent les deux. Donc, il existe des neurotransmetteurs qui peuvent activer, soit les récepteurs ionotropes ou les métabotropes, ou les deux à la fois. a. Les récepteurs ionotropes : canal ionique chimiodépendant, ce sont des récepteurs couplés directement à un canal ionique. L action sur la perméabilité ionique est obtenue de façon directe, ils donnent des réponses postsynaptiques rapides, ne durant que quelques secondes. Ce sont des récepteurs pentamériques, formés de 5 sous unités protéiques distinctes (α, β, γ, δ), qui entourent un canal ionique. Une ou plusieurs présentent des sites pouvant fixer le 12
neurotransmetteur, généralement la sous unité α. Il existe 4 domaines transmembranaires sous forme d hélice pour chaque sous unité protéique, reliés par des boucles internes et externes. Concernant la sous unité réceptrice, le segment externe (extra-cytoplasmique) N- terminal forme le site de fixation du neurotransmetteur. La fixation de la molécule d un médiateur sur son site déclenche l ouverture du canal ionique. Les récepteurs ionotropes sont impliqués aussi bien dans les synapses excitatrices que dans les synapses inhibitrices. Exemple d un récepteur ionotrope : Le récepteur nicotinique, qui fixe l acétylcholine (Ach) au niveau de la jonction neuromusculaire, il présente une structure pentamérique, formé de 5 sous unités : 2α, 1β, 1γ, 1δ, qui entourent un canal ionique. Le site de fixation de l acétylcholine se trouve sur les sous unités α. La fixation de l Ach sur son récepteur, déclenche l ouverture du canal ionique, provoquant l entrée surtout des ions Na + à l intérieur de l élément postsynaptique constitué par la fibre musculaire, selon le gradient électrochimique, à l origine d une dépolarisation de la fibre musculaire, entrainant une contraction de la fibre musculaire et également du muscle. 13