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Physiologie
Systeme de régulation Communications inter-cellulaire Physiologie de la membrane cellulaire Organisation du systeme nerveux
Physiologie du muscle Physiologie de la respiration Compartiments liquidiens Physiologie renale
Physiologie de la Medullo-surrenale Bio energetique Physiologie Cardiaque et cardio vasculaire Physiologie digestive
Glande thyroide Vision Action de l'insuline et du glucagon Hormones corticosurrenaliennes
Audition Physiologie du calcium, du phosphore et de l'os le fer  

 

Physiologie de la membrane cellulaire

   I. PHENOMENES BIOELECTRIQUES

Certains examens médicaux étudient les phénomènes électriques produits par différents organes :

   • Cœur : Electrocardiogramme : ECG : très couramment enregistré
   • Cerveau : Electroencéphalogramme : EEG recueille l’activité des neurones corticaux.
   • Muscle : Electromyogramme : EMG
   • Œil : Electrorétinogramme
   • Beaucoup d’autres enregistrements sont possibles (digestion...).

La possibilité d’enregistrer des signaux électriques implique l’existence de ddp entre deux points. Dans le milieu interstitiel, rien ne peut provoque une ddp : l’origine est cellulaire.
L’activité physiologique a pour origine l’activité électrique des cellules. Il faut expliquer comment l’électricité cellulaire peut varier : hypothèse de variation du potentiel de repos qui donne le potentiel d’action.


   II.
PROPRIETES ELECTRIQUES DES CELLULES

          A. Explorations

L’électrophysiologie a progressé par paliers, en parallèle avec les découvertes en électricité : pile (Volta : 19e s), galvanomètre,

   A.1) A partir d’un muscle de grenouille

On a montré il y a plus d’un siècle l’existence d’une circulation de « fluide » : un muscle de grenouille est sectionné. On pose une plaque de cuivre sur la section (elle est au contact du milieu intra cellulaire) et une autre sur la surface du muscle. Les plaques (électrodes) sont reliées à un dispositif de visualisation (galvanomètre) Une déviation se produit : répartition inégale des potentiels électriques. La déviation mesure le potentiel de lésion.
Le potentiel de lésion est de - 40 mV : l’intérieur est électronégatif par rapport à la surface.

   A.2) Technique des électrodes de lésion

Il est possible d’étudier les propriétés intracellulaires sur un organe entier : microlésion sur le cœur à thorax ouvert. Plus la lésion est modeste, plus elle peut être longue (mais il existe toujours une fuite du contenu cellulaire).

   A.3) Microélectrodes

Enregistrement en 1949 grâce à des microélectrodes de verre (0,5 à 0,25γ) introduite dans l’intérieur de la cellule grâce à un micromanipulateur. Elle contient du KCl tri-molaire à saturation (substance conductrice). Elles sont reliées à un oscilloscope ou un moniteur.

Toutes les cellules possèdent un potentiel de repos négatif, même les cellules végétales.
Le potentiel enregistré dépend de la cellule : - 10 à - 20 mV pour des cellules non excitables comme les fibroblastes, - 70 mV pour des neurones, jusqu’à - 80 mV pour des cellules musculaires dès que la microélectrode pénètre dans la cellule.

   A.4) Technique de patch clamp :

L’étude des canaux ioniques a pu être faite avec des pipettes un peu plus grosses : 2 à 5 µ. Leur pointe est sans aspérité.
Des pointes de micro-pipettes adhèrent sur une portion de membrane (elle contient des canaux ioniques). On enregistre les fluctuations de courant survenant quand un canal ionique isolé change de conformation (il est ouvert ou fermé) : les signaux sont en forme de créneaux rectangulaires témoignant de l’ouverture ou de la fermeture de canaux isolés.

    

   A.5) Technique des sondes fluorescentes :

C’est une technique non électrique. Des molécules qui fluorescent en présence d’ions (Ca++ par ex.) sont appelées sondes fluorescentes. Soit un ion I+. On ajoute une molécule : elle capte l’ion , se déforme et devient plus ou moins fluorescente en fonction du champ électrique : il y a une relation entre la fluorescence et la ddp. (cf. ver luisant : contient une protéine qui fluoresce avec le calcium)   

 --> on arrive à confirmer que la cellule est le siège de phénomènes électriques débutant pour toutes les cellules qui sont au repos par l’existence d’une ddp entre l’extérieur et l’intérieur de la cellule qualifiée de potentiel de repos.
(l’intérieur de la cellule est toujours négatif quelle que soit la cellule)
Les variations de ces potentiels de repos vont être à l’origine des phénomènes électriques au niveau de l’organe entier.

Pour maintenir le PR, les cellules ont besoin de l’entretenir par le métabolisme : le PR est un indicateur du bon état de la cellule.

   A.6) Origine du potentiel de repos

La membrane cellulaire est constituée d’une bicouche lipidique, essentiellement phospholipides et cholestérol, étanche à l’eau. Les molécules solubles dans l’eau ne passent pas la membrane.

En électricité, on considère comme unique transporteur de charge l’électron. Ceci est valable pour les câbles électriques

Dans la matière vivante, les phénomènes électriques ont pour origine les ions qui se trouvent dans la cellule ou le milieu interstitiel.
 --> Le potentiel de repos a une origine ionique.

Les ions ne peuvent pas traverser la membrane lipidique : ils ne se déplacent qu’au niveau de protéines intégrales (qui traversent de part en part la membrane) : les canaux ioniques (leur existence a été déduite logiquement).

Chaque type d’ion passe par un canal spécial.

Pour qu’il y ait un potentiel de repos, il faut qu’il y ait une différence de concentration de l’ion K+ entre la cellule et le milieu extra-cellulaire.

Les phénomènes électriques sont toujours le résultat d’une inégale répartition d’espèces ioniques.

Dans la cellule, K+ est très concentré : 140 mmol. accompagné de P- (protéinate) qui diffuse très difficilement alors que K+ est petit et facilement diffusible.

A l’extérieur de la cellule K+ est en petite quantité (5 mmol). Il est accompagné par Cl-.

Au début : les deux milieux intra et extra cellulaires sont en équilibre électrique, les cations sont en équilibre avec un nombre égal d’anions à l’intérieur de la cellule : équilibre entre Protéines P- (en majorité électronégatives) ion K+ en forte concentration à l’extérieur de la cellule : équilibre entre
ion K+ en faible concentration anion Cl-.

La membrane est porteuse de canaux ioniques spécifiques du potassium : ils sont ouverts à 85 % au repos. Ils ne laissent passer que le K+ qui va diffuser à l’extérieur      des charges négatives vont être décompensée, faisant apparaître une charge négative à l’intérieur de la cellule.
 --> on dit que la membrane est perméable aux ions potassium. Cette perméabilité est indispensable pour que le potentiel de repos puisse se générer.

Il est nécessaire par la suite que le stock de potassium soit régénéré à l’intérieur de la cellule, par une pompe qui fonctionne à l’opposé du mouvement spontané : elle dépense de l’énergie pour faire entrer le potassium par ATP --> il est indispensable de maintenir le métabolisme énergétique.

Ces cellules excitables sont capables de générer des variations rapides de potentiel : potentiel d’action.

D’autres canaux ioniques vont intervenir : --> addition algébrique de charges électriques.

Pour créer un phénomène positif, on fait entrer un cation : un cation très concentré à l’extérieur que l’on fait entrer :
Na+ : le plus abondant
Ca2+ : très concentré également dans le milieu interstitiel par rapport à la cellule.
Le sodium est le support des variations rapide de potentiel, le calcium intervient dans les variations plus lentes.

Après le PA : il faut faire sortir le sodium et le calcium pour le PA suivant.
la pompe du K+ évacue le sodium dans l’autre sens : c’est un transport couplé. C’est la pompe à sodium potassium qui hydrolyse l’ATP.

pour calcium : il ressort par une pompe dont l’énergie est fournie par le gradient de sodium : échangeur qui échange le sodium pour le calcium : forme de transport très courant dans les cellules. Le sodium sera échangé par la pompe. --> ne consomme pas directement de l’ATP mais en final, le bilan fait intervenir une consommation d’ATP.

Toute perturbation ionique dans la circulation et le milieu intérieur auront une répercussion sur l’activité électrique des cellules. --> importance du ionogramme sanguin.

La mb, 10 nm d’épaisseur : la ddp a un pôle + à l’intérieur, pôle – à l’intérieur : plaques de piles.
soit une ddp de 100 mV.
un champ électrique de 100 mV sur une distance de 10 nm : correspond à un champ électrique de 100 000 volts par cm. Les lipides sont de meilleurs isolants que l’air, que les matières plastiques : utilisation de bains d’huile comme isolants. La myéline est encore plus isolante.
Les protéines de la membrane : enzymes, transporteurs, canaux ioniques… fabriquées par enchaînements d’aa à propriétés chimiques très diverses
   non polaire (glycine) : lipophiles
   polaires : charge électrique + sur un N ou – sur COOH.
 --> alternances de charges + et –

Les aa positifs seront repoussés vers l’intérieur de la cellule.
les aa négatifs sont repoussés vers l’extérieur.

Les protéines sont dans un état contraint sous l’influence du champ électrique.
La moindre variation électrique va modifier les contraintes subies par les protéines qui vont changer de forme et d’état fonctionnel : enzyme va passer d’un état inactif à un état inactif, un transporteur va transporter (ou l’inverse), un canal ionique à l’état fermé va s’ouvrir.
 --> modification de la conformation des protéines membranaire sous l’effet du seul champ électrique.

 

   III. POTENTIEL D’ACTION

          A. Description

spécifique aux cellules excitables : cellules musculaires (lisses, striées) et les cellules nerveuses.
Il correspond aux variations que subit le potentiel de repos pendant la phase d’activité des cellules excitables.

   A.1) Rappel

Notion d’échelle de voltage - conventions :
Les évènements se répartissent dans le temps (en ordonnée) dans une échelle de voltage en mVolts.
Au repos : - 70 mV.
Quand le potentiel baisse, le voltage se rapproche de 0 : on parle de dépolarisation.

Les potentiels peuvent être négatifs ou positifs. Les cellules ont un potentiel d’environ -70 à -80 mV : la référence est l’intérieur de la cellule (arbitraire et conventionnel).
Quand la cellule est à -70 mV et que le potentiel va vers 0, elle se dépolarise : c’est une réduction du potentiel de repos.
Dans le sens contraire, elle s’hyperpolarise : le potentiel augmente en valeur absolue. Si le potentiel devient positif, il s’inverse.

   A.2) Les différentes phases du PA

Il faut au départ du PR induire dans la cellule un début de dépolarisation pour amener un début de changement d’état des canaux ioniques (par une électrode ou un produit chimique comme une hormone ou un neuro messager)
 --> petite dépolarisation de 10 à 20 mV.
Ce début de dépolarisation s’appelle le pré potentiel.
Puis dépolarisation et inversion de potentiel. L’amplitude du PA arrive toujours au même niveau et est de la même forme : tout ou rien (comme message informatique 0 ou 1).
c’est un phénomène transitoire : toujours suivi d’un retour à la polarisation normale de repos : repolarisation.

Les aspects morphologiques du retour sont variables
   - retour simple
   - maintien d’une dépolarisation partielle (post potentiel)
   - exagération du potentiel avant retour à la norme : post hyper polarisation.
Ces post potentiels (parfois amènent des désordres) n’ont rien à voir avec le mécanisme du PA lui-même : ce sont des perturbations induites postérieurement, non systématiques (fonction du type de cellules).

In vivo, les PA sont répétitifs, à des périodicités variables.
Quand une cellule est en cours de PA, que se passe t il en cas de nouvelles stimulations : périodes d’excitabilité.

   A.3) Périodes d’excitabilité

Le potentiel de repos est dû à une sortie permanente de potassium.
Le prépotentiel intervient quand la cellule est excitée : désordre de perméabilité ionique (entrée de Ca et Na pendant que K continue à sortir par des canaux non spécifiques) --> la cellule se dépolarise partiellement.
elle atteint alors le niveau seuil, constante de chaque cellule excitable : gachette des canaux ioniques
 --> entrée ++ de Na par des canaux spécifiques : dépolarisation. La repolarisation est due à l’extinction de l’entrée de Na et intensification de l’entrée de K.
au bout de quelques ms, le retour à l’état basal se fait par la pompe Na K ATPase.
les mécanismes de post potentiel font appel à des mécanismes variables.

si la cellule est soumise à une deuxième excitation, pendant différentes phases du PA :

pendant le pré potentiel : les potentiels s’ajoutent algébriquement : phase d’addition latente :
phase de dépolarisation : une excitation supplémentaire sera sans effet : les canaux ioniques sont déjà tous ouverts. C’est la phase réfractaire absolue.
repolarisation : certains canaux sodiques sont ré-excitables mais la stimulation doit être très supérieure à la stimulation normale : phase réfractaire relative.--> réponse partielle. Le danger (cœur en particulier) est qu’elle est propagée : peut déclencher des anomalies de rythme.
 --> Retour au PR : la cellule reprend un niveau d’excitabilité normale.
Phase de post hyper polarisation quand elle existe : les canaux sont peu excitable, phase de sous excitabilité. Cela protège la cellule contre une excitation précoce (cerveau - muscle).
Phase de post dépolarisation quand elle existe, les cellules sont très sensibles, super-excitables : un PA est obtenu pour un stimulus infraliminaire.
La phase réfractaire est importante. Sinon : tachycardie, épilepsie...

La période pendant la cellule est peu excitable correspond à peu près à la durée du PA lui-même.
Toute variation de la durée du PA par rapport à sa norme va engendrer des perturbations de la durée de la période réfractaire.
La durée de période réfractaire détermine le temps pour que la cellule soit ré-excitable : traduit la fréquence maximale de production de PA.
cerveau : 500 PA/s



   A.4) Polymorphisme des potentiels d’action en fonction des tissus considérés

 

Aspect
Temps 1 ms 10 ms 200 à 300 ms pls sec à pls mn
description du PA début : entrée de Na+
amplitude : 100 mv
500 PA/s
Début : entrée de Na+
amplitude 100 mV
50 PA/s (50 Hz)
Dépolarisation très longue : début par entrée de sodium, soutien par entrée de Ca. 3 PA/s fréquence max 180/mn à l’effort. activité prolongée très lente, automatique due à entrée de Ca2=. Amplitude 40 à 60 mV


Dans le coeur la durée du PA est augmentée par l’entrée du calcium et seuls sont possibles 3 PA/s : la fréquence maximale est donc de 180 battements par minute, du fait de la durée de la période réfractaire. Le long plateau de dépolarisation est un facteur vital fondamental. Sinon, on observe une tachycardie ou une fibrillation : le coeur n’a pas le temps de remplir et de vider ses cavités.
Le rôle de la phase réfractaire est de limiter le risque de ré-excitation prématurée et par conséquent la fréquence maximale de fonctionnement d’un tissu excitable.

Muscle strié : un muscle peut se contracter 50 fois par seconde (10 ms de contraction suivies de 10 ms de repos). C’est la même fréquence que le réseau électrique français : tétanisation des muscles respiratoires et asphyxie (les brulures sont en relation avec l’intensité du courant).

Les PA du nerf et du muscle squelettique obéissent aux mêmes mécanismes ; ils ont la même amplitude, le même PR, mais la durée est plus longue dans le muscle strié.

Les muscles lisses viscéraux (estomac, intestin...) présentent des PA isolés, ou répétitifs, sous forme de vagues. Leur activité est automatique.

Structure archaïque : il s’agit vraisemblablement d’une évolution phylogénétique : initialement perméabilité calcique ~ sodique, le cœur constituant une étape intermédiaire.

   A.5) Mécanismes responsables

          A.5.1. Au repos :

   • sortie intense de K+ de la cellule
   • petite entrée de Na+

          A.5.2. Dépolarisation :

   • entrée massive de Na+ : ouverture des canaux en ¼ à ½ ms  inversion de polarité (+30 mV).

          A.5.3. Repolarisation :

   • fermeture des canaux à Na+ : retour à une perméabilité très faible au sodium, fermeture des canaux calciques quand ils sont concernés.
   • sortie massive de K+ (augmentation de la perméabilité de la membrane à K+ de 10 à 20 %.

          A.5.4. Retour au PR :

   • action de la Na/K ATPase, déclenchée par la présence de sodium à l’intérieur de la cellule et de potassium à l’extérieur, avec consommation d’ATP. (il existe en outre le canal de fuite à potassium) :
   • sortie d’ions Na+
   • entrée d’ions K+.

Dans les cellules musculaires : sortie de Ca grâce à Ca++ ATPase et échange de type antiport Na/Ca (entrée d’un Na+ et sortie d’un Ca2+ grâce à l’énergie fournie par des gradients ioniques crées par la Na/K ATPase. (de plus : canal de fuite du calcium de l’extérieur vers l’intérieur de la cellule.)

Les transporteurs sont régis par les mêmes phénomènes que les enzymes : l’action d’une enzyme est proportionnelle à la concentration de son substrat. La Na/K ATPase est déclenchée par la présence de sodium intracellulaire et de potassium extra-cellulaire.


          B.
Les canaux ioniques

le canal ionique a pour but de créer un canal hydrophile à travers la membrane.

   B.1) Structure

Il est constitué le plus fréquemment de 4 sous-unités quasi cylindriques, sous unités α identiques ou analogues qui quand on les rapproche forment un espace constituant le canal proprement dit : c’est un tétramère.
(toutes les grosses protéines fonctionnelles de la membrane sont basées sur le même principe. Les domaines intramembranaires font la différence entre les différents récepteurs)

La sous unité α est une chaîne polypeptidique qui comporte 6 domaines hélicoïdaux intramembranaires. Chaque domaine hélicoïdal est constitué de 24 a.a..

5 de ces domaines en hélice sont situés sur le pourtour, et un domaine est central (la quatrième). Le premier domaine est porteur de l’extrémité N-terminale de la chaîne polypeptidique. Une boucle en sort et va rejoindre le 2° domaine, et ainsi de suite jusqu’au 6° domaine pour aboutir à l’extrémité C-terminale.
Une très grande boucle existe entre la 5° et la 6° rabattue au centre du canal.

Chaque domaine intramembranaire doit avoir des a.a. hydrophobes (non polaires) à sa face externe. Dans leur ½ circonférence interne, cela n’est pas obligatoire : les a.a. peuvent être hydrophiles (polaires).

Le segment S4 est la seule sous unité qui n’est pas en relation latéralement avec des lipides. Il est constitué de 24 a.a. hydrophiles, essentiellement polaires (porteurs de charges électriques).
 --> il peut se déplacer comme un piston : il existe un champ électrique dans la membrane, les a.a. de S4 qui sont chargés, sont soumis à de grandes forces d’étirement. Toute modification de potentiel induit un changement de conformation des protéines.
S4 est le capteur de voltage.
S4 plonge dans la membrane ou en sort en fonction du potentiel (comme un piston) et entraîne avec lui la boucle S5-S6.
• Si S4 est sorti, la boucle S5-S6 forme un angle avec une sous unité α voisine empêchant les ions de passer dans le canal.
• Si S4 plonge au milieu des autres domaines hélicoïdaux, on a un changement de conformation de la boucle S5-S6. Elle se replie contre la sous-unité α à l’intérieur du canal. Ceci permet aux ions de passer dans le canal. (découvert par mutations de la boucle S5)

 --> 4 boucles S5-S6 des 4 sous-unités α forment un canal commandé par 4 domaines S4.
 --> état ouvert ou fermé du canal selon l’état des boucles S5 – S6.
Les grandes boucles externes entre les segments extra-membranaires peuvent se rabattre vers la lumière du canal et sont capables de reconnaître les ions : leur configuration varie selon les ions. C’est un filtre de sélectivité.

La totalité des 4 sous unités α sont en fait une seule protéine : les extrémités C terminales sont attachées les unes aux autres : la pseudo terminaison C terminale correspond en fait à une grande boucle de liaison entre les sous unités α (linker).


Au total, le canal est formé de plusieurs centaines d’a.a.. Cette structure est totalement commune pour la plupart des protéines membranaires. Les différences concernent la nature des a.a. et leur enchaînement déterminant :
   • l’affinité du récepteur
   • la sensibilité au voltage
   • les propriétés enzymatiques
La moindre anomalie est catastrophique et provoque un disfonctionnement du canal à l’origine de maladie génétique. Par exemple dans la mucoviscidose, on observe une anomalie de l’enchaînement des a.a. des canaux à chlore.

   B.2) Classification

          B.2.1/ cette classification correspond une application pharmacologique.

   1. basée sur la sélectivité aux ions du canal : leur possibilité de reconnaissance des ions. Les canaux sont soumis à la présence d’ions K+, Na+, Ca2+, Cl-, H+... au moins 80 (un pour le PR, un pour dépolarisation…)
sodiques, potassiques... canal au chlore, au proton
   2. basée sur la commande, le contrôle de l’ouverture du canal
• canaux voltage dépendants : ils disposent d’un détecteur de voltage S4 électrophile.
• canaux récepteurs dépendants : déclenchement par une hormone ou un neurotransmetteur : noradrénaline, adrénaline, acétyl choline, hormones, neurotransmetteurs... Le ligand doit être fixé pour que le canal change de configuration. Ils peuvent provenir de l’extérieur, ou de la cellule elle-même.
• canaux sensibles à l’étirement (vaisseaux : sensibilité à la pression artérielle - mécanorécepteurs sensibles au toucher) : la stimulation mécanique retentit sur les canaux non pas directement mais vraisemblablement par l’intermédiaire du cytosquelette.
   3. basée sur la localisation du canal
        • dans les tissus : ex :
               • calcique neuronal
               • canal calcique myocardique.
        • dans la cellule : toutes les sous structures possèdent des canaux :
               • membrane plasmique
               • réticulum endoplasmique (canaux calcique de la contraction musculaire) et tous les systèmes membranaires
               • membrane nucléaire entre les 2 feuillets de la membrane (à distinguer des pores nucléaires)
               • mitochondries (pour les ions K+).

On parle de plus en plus d’une classification génétique ;
les canaux sont des protéines : leur expression est codée par le DNA via l’ARNm.

Connaissant des cellules particulièrement riches en canaux ioniques (la raie électrique) on a isolé des canaux, et on en a fait la séquence partielle : séquence d’aa constitutifs.
On essaie de rechercher dans les banques de génomes (qui ont codé tous les DNA de tous les mammifères et insectes, mais sans savoir à quoi correspond la suite de bases)        comparaisons par bio informatique : on essaie de repérer des gènes qui codent pour cette séquence d’aa : gènes candidats à partir desquels on génère des protéines canalaires éventuelles. On les intègre dans de grosses cellules cancéreuses, embryons d’animaux inférieurs et on tente de construire ainsi des canaux ioniques.
 --> Synthèse de nouveaux canaux ioniques (canaux potassique + nom de code…) : classification non biologique.
Problème : faire la correspondance entre ces gènes et ces canaux néoformés et les vrais canaux ioniques.
 --> on commence à connaître les gènes qui codent pour des canaux ioniques.
 --> progrès ++ dans la connaissance de maladies génétiques : un grand nombre de myopathies et d’affections congénitales neurologiques sont ainsi mieux connues : découverte de gènes anormaux.

   B.3) Excitabilité de la fibre nerveuse (et de la cellule entière)

La pose d’électrode intracellulaire n’est pas nécessaire. L’étude de l’excitabilité nécessite un dispositif simple : stimulation confrontant son amplitude ou sa durée.

Un stimulus générant un PA qui se propage est dit efficace.

Courbe intensité / durée :
On porte :
• en ordonnée l’intensité de la stimulation
• en abscisse la durée de stimulation

On note pour chaque couple de valeur le niveau à partir duquel on obtient une stimulation.
Plus l’intensité est faible, plus il faudra appliquer la stimulation longtemps pour obtenir une excitation.
Plus l’intensité est forte, plus la durée nécessaire est faible.

La courbe est asymptotique en ordonnée et en abscisse

Cette courbe permet de définir :

   * la rhéobase : intensité la plus faible capable de générer une réponse efficace. Il lui faut un temps :
   * le temps utile : durée minimale d’un stimulus efficace dont l’intensité est égale à la rhéobase.

 Seule la rhéobase est mesurée sur le graphe avec précision.Le temps utile est difficile à déterminer : il se situe dans la zone asymptotique. C’est la raison pour laquelle on utilise la chronaxie
la chronaxie : durée minimale d’un stimulus efficace dont l’intensité est le double de la rhéobase. Elle caractérise l’excitabilité d’une fibre nerveuse.

   B.4) Mécanisme de la conduction

Comment un PA apparu à un niveau de l’axone est-il capable de se reformer plus loin et ceci à grande vitesse ?

          B.4.1/ Axone amyélinique

On fixe en instantané un axone au niveau duquel la partie distale est encore au repos (il présente des charges - à l’intérieur au PR). La partie proximale est revenue au repos également. Au milieu il existe une inversion de polarité sur un court segment de quelques µ qui forme un PA c'est à dire qu’à cet endroit, il existe un PA en cours de propagation : il existe une perturbation locale des charges, qui va être appelée à se déplacer.
Des charges diffusibles sont comme dans un fil électrique : les charges de même signe se repoussent et les charges de signe opposé s’attirent.
 --> les charges positives qui sont à l’extérieur vont se déplacer pour compenser les charges négatives créées par le PA.
sur la face externe : sur tout le pourtour de l’axone en cours d’excitation
sur la face interne : les charges + vont être réduites parce qu’elles vont compenser des charges – à la périphérie dans la zone encore au repos ou déjà au repos.
 --> le segment au repos apporte des charges électriques à la zone en excitation, tend à la faire revenir au repos, mais ce faisant, elles perdent des charges positives à l’extérieur et négatives à l’intérieur : il se créée une dépolarisation.
Elle constitue le pré potentiel, atteint le seuil d’excitation --> apparaît un PA.
Ces circuits locaux font progresser l’excitation de proche en proche.

En théorie, il y a deux sens de conduction possibles :

   * dans le sens orthodromique : du soma vers la terminaison : c’est le sens physiologique. Le segment de fibre se trouvant en amont de la zone activée n’est pas encore revenu à l’état de repos, il est en phase réfractaire relative. Il est donc nettement moins excitable que le segment en aval de la zone excitée. L’excitation va se propager vers les zones les plus excitables, sans revenir en arrière.

   * dans le sens antidromique : de la terminaison vers le soma. Cela est possible uniquement en condition expérimentale, quand une stimulation est portée à un point d’une fibre. L’activation se propage dans les deux sens car les segments situés de part et d’autre de la zone stimulée ont une excitabilité identique. (utilisé en exploration clinique : réponse en écho)


          B.4.2/ Axone myélinisé

La présence de la gaine de myéline interdit l’établissement de courants locaux. Or, la myéline est interrompue au niveau des nœuds de Ranvier.
La différence de densité de charge est suffisante pour que les circuits s’établissent à distance en sautant en une seule étape un manchon complet de myéline de plusieurs dizaines de γ : c’est la conduction saltatoire.

Comme à chaque étape la conduction effectue un saut rapide, la conduction est 10 à 100 fois plus rapide que pour un axone amyélinisé.

   B.5) Facteurs de la vitesse

Selon le type d’axone, la vitesse de conduction est très variable. Elle dépend :

   * de deux facteurs intrinsèques :
la présence ou l’absence d’une gaine de myéline
le diamètre de l’axone : plus il est petit, plus la résistance électrique interne (cytoplasmique) est importante et les courants locaux auront du mal à se former au niveau intracellulaire. C’est l’inverse pour un grand diamètre (il faudrait des diamètres énormes pour égaler la vitesse des neurones myélinisés)

   * de facteurs exogènes :
la température : le froid ralentit la vitesse de conduction
l’alcool, certains médicament, l’hétérogénéité des nerfs également.

   B.6) Etude du nerf complet

Le nerf comporte plusieurs centaines à plusieurs milliers d’axones. Ils sont hétérogènes quant à leur contenu en axones : myéliniques et amyéliniques, petit et grand diamètre, de fonctions diverses : sensorielle et motrice, végétative et volontaire.
Une électrode est appliquée sur un nerf, : après un petit artéfact de stimulation, on enregistre plusieurs vagues :

Vague A : axones myélinisés de gros calibre : c’est la plus rapide, ce sont des neurones moteurs dont la vitesse est de 100 à 150 m/s.
Vague B : axones myélinisés de petit calibre : retardée et plus lente, correspondant à des motoneurones végétatifs myélinisés. Vitesse : 10 à 15 m/s.
Vague C : axones non myélinisés : groupe tardif : neurones végétatifs, amyélinisés. Vitesse : quelques m/s.

NB : il existe des animaux qui n’ont pas de gaine de myéline (sèche, calmar...). La conduite rapide du PA se fait grâce à des axones géants (1 à 5 mm de diamètre) qui ont permis l’étude de la conduction nerveuse.


   IV.
TRANSMISSION SYNAPTIQUE

          A. Anatomie

Une synapse est une jonction faite de 3 éléments :
élément pré-synaptique : terminaison de l’axone incident qui possède un renflement : le bouton terminal (la gaine de myéline disparaît à son approche).
espace synaptique : 20 à 30 nm. C’est un espace important du point de vue moléculaire avec possibilité de diffusion.
élément post-synaptique : la cellule cible, qui peut être un autre neurone ou une cellule musculaire ou sécrétoire.

Le bouton pré synaptique contient beaucoup de mitochondries avec de grandes et nombreuses crêtes : le mécanisme oxydatif est très développé : grande dépendance de l’oxygène et du glucose.
Il n’y a pas de ribosome : pas de synthèse protéique. Le RE est abondant. La totalité des protéines sont synthétisés dans le corps cellulaire et sont transportées sous forme de micro vésicules par la tubuline polymérisée en microtubules : transport axonal.
Les fibres du cytosquelette donnent la forme du bouton. la caractéristique du neurone est l’abondance de vésicules surtout près de la membrane pré synaptique, contenant le neurotransmetteur.

          B. Fonctionnement de la synapse

L’ensemble de l’axone est constitué d’une membrane excitable. Le PA, généré au niveau du soma, se propage le long de l’axone jusque sur le pourtour du bouton terminal où il provoque une ouverture des canaux calciques qui se trouvent spécifiquement sur le bouton terminal : entrée massive de Ca2+. Celui-ci provoque une migration puis une fusion des vésicules avec la membrane pré synaptique et déclenche un phénomène de micro-exocytose. Le ligand (neurotransmetteur = neuromédiateur) se trouve dans l’espace synaptique où il diffuse. Il va se fixer sur le récepteur. Cela déclenche des mécanismes de couplages directs ou indirects avec ou sans protéine G, aboutissant à une réponse spécifique :
modification de l’activité métabolique de la cellule
modification de l’activité génomique de la cellule
modification du fonctionnement de canaux ioniques.
Quand la cellule post-synaptique est un neurone, c’est surtout des canaux qui régénèrent l’activité électrique de la cellule cible.

Le neurotransmetteur est très utile mais aussi très dangereux : il agit tant qu’il est présent. Il doit être inactivé


Mécanismes d’inactivation :
recapture (nor adrénaline) : en général, co-transport dont l’énergie vient du sodium (synport)
puis réincorporation : recyclage du NT
ou subit l’action d’enzymes de dégradation dans le bouton terminal ou dans la cellule post synaptique.
si diffuse dans le milieu interstitiel : rencontre des enzymes de dégradation extra cellulaires (Ach).
diffusion simple : baisse de la concentration qui devient < niveau efficace
Les vésicules sont elles mêmes recyclées pour reformer des vésicules : forme d’économie pour la cellule.

          C. Les différents types de synapses

Avec un neurone : synapses :




axo-dendritiques
axo somatique
axo-axoniques modulant la réponse axonique.
axo-synaptique = synapse pré synaptique (elle est avant la synapse sur le bouton terminal)


 

Avec le muscle squelettique

Synapse la plus différenciée : un motoneurone dont l’axone se ramifie abondamment fait synapse au niveau d’une seule cellule musculaire squelettique ce qui augmente la surface de contact.
C’est la plaque motrice.

avec les cellules musculaires lisses : synapses « en passant ».

Le neurone pré synaptique a un axone qui se garnit de renflements : les varicosités quand il parcourt le tissu musculaire lisse. A mesure que le PA parcourt l’axone, le NT est libéré aux varicosités, de proche en proche : il affecte une plage de cellules.
C’est la transmission la moins différenciée.

          D. Physiologie de la synapse

Les synapses mettent en place 2 cellules successives : un neurone représentant l’élément pré-synaptique, un élément post-synaptique qui peut être un neurone.
Modèle expérimental :
on place des électrodes extracellulaires excitatrices et exploratrices sur le neurone pré synaptique. Elles permettent de générer un PA et de détecter son passage. on enregistre par exemple un potentiel biphasique.
une électrode intracellulaire est nécessaire pour enregistrer l’intégralité des phénomènes (pré et post potentiels, PR, PA) dans le neurone post-synaptique, couplée à un oscilloscope permet d’enregistrer la variation de potentiel.

   D.1) fonctionnement d’une synapse excitatrice

On considère des synapses axo-somatiques.

          i Au repos :
le neurone pré-synaptique est à la ligne isoélectrique
le neurone post-synaptique est au PR

          ii sous l’effet d’un stimulus :
au niveau pré-synaptique : potentiel biphasique
au niveau post-synaptique :
après un délai synaptique qui est le temps qui s’écoule entre la mise en activité du neurone pré synaptique et la réponse : qqs ms ; cela représente le temps nécessaire au déroulement de tous les processus vésiculaires, diffusion du NT, fixation au récepteur, réponse de la cellule post synaptique
on observe le PPSE : potentiel post synaptique excitateur.
un stimulus faible au niveau pré-synaptique produit une dépolarisation post-synaptique sans atteindre le seuil : retour progressif au PR (stimulus infraliminaire).
un stimulus plus important permet d’atteindre le seuil au niveau post-synaptique avec apparition d’un PA puis retour au PR.

niveau pré-synaptique niveau post-synaptique
 
Repos
Stimulus infraliminaire
Stimulus efficace

Dans une synapse excitatrice, la stimulation de l’élément pré-synaptique libère le NT, augmente la perméabilité de la membrane post-synaptique au Na+, et parfois au Ca++, suivie d’une dépolarisation locale de la membrane post-synaptique appelée PPSE. L’élément post-synaptique est en état d’hyperexcitabilité, plus sensible à un autre PPSE. (quand le seuil d’excitation est atteint, le PA apparaît dans l’élément post-synaptique). A la différence du PA qui est un phénomène de tout ou rien, le PPSE est variable. La variation de l’intensité dépend de la quantité de NT.
PPSE inefficace car infraliminaire : pas de PA
PPSE efficace : PA.
Une dépolarisation induite par un PPSE infraliminaire est transitoire et retourne au PR.

   D.2) Synapses inhibitrices

          i PPSI

Il faut que les neurones soient interconnectés par des synapses excitatrices mais aussi inhibitrices : la diminution de l’excitabilité du neurone post-synaptique le rend moins sensible : influx freinateur = PPSI.

Au repos :
niveau pré-synaptique : ligne iso-électrique
niveau post-synaptique : PR.
Lors d’une stimulation :
niveau pré-synaptique : potentiel biphasique
niveau post-synaptique : après le délai synaptique : hyper polarisation : augmentation de la valeur absolue du potentiel qui s’éloigne du seuil. Le phénomène dure quelques ms (jusqu’à 10 ms) avant le retour au PR.
 

Le degré d’excitabilité d’une cellule est le chemin à parcourir entre le potentiel membranaire et le potentiel seuil d’excitation
Pour révéler une inhibition, on applique pendant l’hyper polarisation un stimulus efficace (PPSE) : il devient inefficace.
 --> l’hyper polarisation générée par le 2° neurone a créé une inhibition du neurone post synaptique : génère un PPSI.
PPSE et PPSI sont proportionnels : ils dépendent du nombre de vésicules libérées dans la synapse, qui dépend du nombre de PA/sec arrivant au bouton terminal.
Le mécanisme est le même que pour la synapse excitatrice, mais la fixation du NT se fait sur un autre récepteur : un canal ionique qui augmente l’électronégativité de la cellule.
 --> un neurone peut recevoir plusieurs dizaines à plusieurs centaines de milliers de synapses sont certaines sont excitatrices et les autres inhibitrices. Le neurone récepteur fait en permanence la somme algébrique des PPSE et PPSI. Soit il produit le PA, soit il reste bloqué.

Considérons une synapse excitatrice : le PA se propage, libère le NT et excite une autre cellule.
L’inhibition peut se faire au niveau pré synaptique : le bouton terminal du neurone pré synaptique va s’hyper polariser d’où son inhibition, le PA ne peut se propager dans le bouton terminal et il n’y aura pas d’excitation de la cellule réceptrice.
 --> Il existe deux types d’inhibition qui fonctionnent de la même manière sur le plan moléculaire :

post-synaptique : produit un PPSI. La libération du NT augmente la perméabilité de la membrane post-synaptique au Cl-, au K+ ou aux deux, provoquant une hyper polarisation transitoire post-synaptique appelée PPSI éloignant la cellule post-synaptique de son niveau seuil  -->      hypoexcitabilité de l’élément post-synaptique, moins sensible à un autre PPSE.

          ii Synapse Pré synaptiques

l’action du neurone pré-synaptique aboutit à diminuer la quantité de NT libérée et donc un PPSE moins ample.
C’est un mécanisme très important dans les régulations par rétrocontrôle qui sont des phénomènes stabilisants.
Des inhibitions pré synaptiques peuvent s’exercer
soit par des neurones pré synaptiques bien définis
soit par rétrocontrôle homologue : le neurotransmetteur libéré par le neurone peut inhiber sa propre libération.
 --> dans les 2 cas des récepteurs aux ligands endogènes, aux neurotransmetteurs en particulier, existent aussi bien dans la membrane post synaptique que sur la membrane du bouton terminal.


Il doit exister des récepteurs pré-synaptiques pour que les synapses pré-synaptiques puissent exister. Or, il peut y avoir diffusion dans l’espace synaptique : le NT pré synaptique peut diffuser pour faire une rétro-diffusion excitatrice ou inhibritrice :
rétro-contrôle positif : amplifiant. Il favorise l’oscillation du système, avec création d’un pace maker.
rétro-contrôle négatif : ralentit la libération : effet freinateur, stabilisateur.


   D.3) Transferts d’ions responsables du PPSE et PPSI :

     PPSI : entrée de cations ou sortie d’anions : entrée de Cl- ou sortie de K+
l’entrée de Chlore augmente les charges négatives de la cellule
la sortie de potassium démasque des charges négatives intracellulaires

     PPSE : Pour dépolariser, il faut un rntrée ce cations ou une sortie d’anions. Les ions les plus sollicités pour ces actions sont les cations extrécellulaires : calcium et sodium. Selon le type de cellule et de récepteurs, on aura soit entrée de Na+ ou de Ca2+ ou des deux dans des canaux non spécifiques.


   E.
BIOCHIMIE

          E.1. Transmission cholinergique

l’acétyl choline résulte de la condensation de l’acétate et de la choline

C’est une molécule courte présentant une partie apolaire et deux fonctions polaires : les récepteurs à l’acétyl choline sont très simples. Il est facile de créer :
un récepteur
une toxine ressemblant à l’ACh arrêtant la transmission, comme le curare.
Synthèse : l’acétyl choline est formée à n’importe quel endroit du neurone par la condensation entre acétyl CoA et choline sous l’action de la choline acétyl transférase.

La choline est une base importante, retrouvée dans l’AC mais aussi dans certains phospho-lipides : phosphatidyl-choline.
L’acétate circule dans le cytosol sous forme d’acétylCoA : présence d’une liaison riche en énergie.
Stockage : après la synthèse, l’ACh est immédiatement incorporée dans des vésicules qui migrent vers la membrane pré synaptique.
Libération - action : l’exocytose libère l’ACh qui diffuse dans l’espace synaptique pour atteindre le récepteur à l’origine de la réponse cellulaire (soit par des canaux, soit par un système de transduction).
La dégradation est effectuée par l’acétyl choline estérase liée essentiellement à la membrane post-synaptique. Cette inactivation est extrèmement rapide : 1 à 2 ms (le 2° phénomène le plus rapide du monde vivant après l’ouverture des canaux Na+ : 0,25 ms).  La transmission est très rapide mais aussi détermineée dans le temps. Le retour se fait aux deux constituants d’origine.
l’acétate, non précieux n’est pas ré-incorporé.
la choline, précieuse, est réincorporée pour refaire de l’ACh à l’aide d’un transporteur n’utilisant pas l’ATP, mais l’énergie fournie par le gradient électrochimique du Na+ : c’est un symport.
L’ACh peut voir son action abrégée par diffusion , l’exposant à des enzymes de dégradation non spécifiques : les choline estérases.

          E.2. Transmission noradrénergique

   E.2.1) Synthèse

La synthèse de la noradrénaline s’effectue n’importe où dans le neurone.
Le précurseur de la synthèse est la tyrosine : a.a. aromatique hydroxylé présent partout dans le plasma, provenant de l’alimentation ou de la dégradation d’autres tissus. La greffe d’un 2° hydroxyle donne la DOPA puis après décarboxylation la dopamine qui est incorporée dans la vésicule. L’hydroxylation sur le carbone  donne la noradrénaline.
Le précurseur immédiat de la NA, la dopamine existe dans la vésicule. Elle peut être libérée : il existe des neurones dopaminergiques.
Une petite partie seulement de la NA est transformée en adrénaline

   E.2.2) Libération - Action

Suite à l’arrivée du PA, l’entrée de calcium provoque la contraction et la migration des vésicules, la libération de NA (et de l’enzyme qui a catalysé la dernière réaction). La diffusion dans l’espace synaptique et la fixation à des receteur permettent d’exercer les réponses cellulaires, au niveau membranaire ou intracellulaire.

   E.2.3) Inactivation

La NA doit être inactivée pour stopper la transmission.

          i Recaptage

La NA est précieuse : son inactivation se fait à 80 % par recaptage grâce à un synport utilisant l’énergie du gradient électrochimique du sodium
les vésicules sont recyclées et la plus grande partie de NA recaptée est ré-utilisée au niveau des vésicules.
une petite partie de NA recaptée est exposée à l’action oxydative d’enzymes non spécifiques siegeant essentiellement dans les mitochondries présynaptiques : les MAO (mono-amine-oxydase) à l’origine de dérivés oxydés.

          ii Dégradation post synaptique

La NA est détradée par une enzyme essentiellement post synaptique : la COMT Cathécol-O-Méthyl Transférase donnant des dérivés méthylés.

NB : Les dérivés méthylés et oxydés peuvent être recaptés et relibérés, et être exposés aux enzymes, ce qui fournit une quinzaine de métabolites faisant l’objet de dosages biologique servant à évaluer :
la compétence relative de MAO et COMT
l’activité du système nor adrénergique.

         

          iii. Transmission peptidergique

Synthèse des neuropeptides :

La synthèse des peptides nécessite des ribosomes qui n’existent que dans le soma.
La plupart des molécules peptidiques fonctionnellement importantes ne sont pas synthétisées sous forme active mais sous forme de précurseur : prépeptide inactif. Ils sont synthétisés avec un peptide inhibiteur empêchant l’action du peptide effecteur (prépeptide = peptide effecteur + peptide inhibiteur).
(La plupart des hormones et enzymes sont ainsi synthétisées et stockées sous forme de précurseurs.)
 --> la phénomène préalable à l’action est le clivage du peptide inhibiteur au niveau de la vésicule, ou lors de la libération.

Transport :

Les NP sont transportés dans des vésicules jusqu’à la terminaison grâce au flux axonal. Les vésicules ont un flux lent.
Action :
les NP sont libérés en faible quantité. Ils agissent à des concentrations très faibles : 10-8 à 10-12 mol/l, avec grande affinité des récepteurs. [les NT qui sont synthétisés partout et en particulier dans le bouton terminal (donc très rapidement) agissent à des concentrations de 10-6 mol/l].
Après la diffusion dans l’espace synaptique, les NP se fixent à des récepteurs post-synaptiques.
Ils ont surtout un rôle de régulation, de modulation plus que d’action instantanée. Ils conditionnent la membrane post-synaptique à recevoir d’autres NT (qui sont donc souvent libérés avec les peptides).

Inactivation :

il n’y a pas de recapture des neuropeptides (les molécules sont trop grosses). L’inactivation se fait dans le milieu interstitiel par des peptidases spécifiques (enképhalinases) ou non spécifiques, donnant des fragments de plus en plus petits.  dans le sang, il y a toujours des petits peptides.

 

   F. RÉCEPTEURS

Pour chaque NT, il existe plusieurs récepteurs. Il existe une centaine de récepteurs différents.

F.1. SNC ou les muscles striés volontaires

Le système synaptique est simple :
SN volontaire : le motoneurone fait synapse au niveau de la plaque motrice. Le NT est l’acétylcholine qui se fixe sur un récepteur nicotinique (stimulable par la nicotine). Ces récepteurs sont bloqués par le curare : utilisé en chirurgie.
Synapse cholinergique entre deux neurones : le récepteur à l’ACh est un récepeur nicotinique n (comme neurone).

       F.2. SN végétatif (autonome)

La situation est plus complexe car l’innervation se décompose en 2 neurones : le 1° neurone fait synapse avec le 2° neurone qui fait synapse avec l’organe concerné

   F.2.1) SNA parasympathique

La première synapse se fait dans des ganglions qui sont des relais nerveux à distance du SNC et proche de l’organe cible. (neurone pré-ganglionnaire long et neurone post-ganglionnaire court.)

C’est toujours de l’ACh qui est libérée et captée par un récepteur nicotinique, de type 2, qui n’est pas bloqué par le curare mais par les ganglioplégiques. Ces récepteurs sont stimulés par la nicotine.
Au niveau de l’effecteur : l’organe cible, c’est de l’ACh qui est libérée. Il existe 5 récepteurs parasympathiques : M1, M2, M3, M4, M5.
M : récepteur muscarinique (toujours au niveau parasympathique) : stimulés par la muscarine. Ils sont bloqués par l’atropine : utilisée pour relaxer le tube digestif (chirurgie digestive par ex.).

Classification en fonction de leur siège préférentiel (ils peuvent se situer dans tous les tissus) ou de leur 2° messager (les effets activateurs sont médiés par dégradation des phospholipides, les effets inhibiteurs par baisse de l’AMPc.

M1 est caractéristique des tissus nerveux : synapse neuro-neuronale, aussi bien dans le SNC que dans les ganglions (IPP --> IP3)
M2 : dans la plupart des viscères : coeur, vaisseaux... où ils entraînent des effets inhibiteurs : vasodilatation et baisse de la fréquence cardiaque (baisse de AMPc).
M3 : caractéristique des vaisseaux : vasoconstricteurs (IPP --> IP3).
M4 : caractéristique du système respiratoire au niveau des bronches : broncho-constriction , et aussi de certains neurones (baisse de AMPc).
M5 : on ignore son rôle.

Une classification peut se faire en fonction du 2° messager :
effet médié par les phospholipides : dégradation de IPP inositol polyphosphate en IP3 et DG diacylglycérol.
effet en rapport avec une baisse d’AMPc.

   F.2.2) Récepteurs adrénergiques

On parle de récepteur adrénergique car grâce à la diffusion au niveau de la synapse, les récepteurs adrénergiques sont accessibles par la noradrénaline (origine nerveuse) et par l’adrénaline (origine endocrinienne).

   i Transmission par la noradrénaline

On a deux neurones avec un relai ganglionnaire : le NT est l’acétylcholine, le récepteur est nicotinique de type 2.
Neurone préganglionnaire court, post ganglionnaire long.

Neurotransmetteurs en jeu :

ganglion : acétylcholine. Le récepteur est nicotinique de type 2.
synapse effectrice : NA.
La noradrénaline touche deux groupes de récepteurs : α et ß.
ß1 : stimule le coeur : augmente la fréquence cardiaque.
ß2 : viscères creux (bronches et vaisseaux) : effet relaxant, inhibiteur (traitement de l’asthme par les ß2 mimétiques).
ß3 : tissu adipeux et quelques tissus - rôle inconnu.
Les effets de ß1 et ß2 passent par l’augmentation de l’AMPc.

α1 : vaisseaux : vasoconstriction. L’effet passe par la dégradation des phospholipides.
α2 : rôle inhibiteur au niveau pré synaptique. Les effets sont médiés par la baisse de AMPc.
Il existe deux types de récepteurs α1 : a et b. (probablement également pour ß1...)

   ii Cas de l’adrénaline

Elle est produite par les glandes surrénales. Celles-ci comprennent une couche externe, la corticosurrénale et une partie centrale, la médullaire, responsable de la sécrétion de l’adrénaline. Elle est véhiculée dans la circulation sanguine et distribuée à l’ensemble de l’organisme. Elle se lie aux mêmes récepteurs α et ß que la NA.
NA et A ont la même origine embryonnaire. Le mécanisme de production de l’adrénaline met en jeu un neurone synaptique qui corespond au premier neurone de la voie strictement nerveuse. Son neurotransmetteur est l’acétylcholine. La médullosurrénale peut donc être apparentée à un ganglion. Sa stimulation produit de l’adrénaline.

Adrénaline et noradrénaline ont des fonction distinctes dans la vie de relation :
la voie hormonale, l’adrénaline, est mise en jeu dans les réactions de danger, de stress (lutte contre l’environnement).
la voie nerveuse, la noradrénaline, sert à la régulation des conditions physiologiques normales.
Grâce à la possibilité de diffusion au niveau de l’espace synaptique, les récepteur accueillent la NA ou l’A.