Types de potentiels gradués

Pour les cellules unipolaires des neurones sensoriels – qu'il s'agisse de celles avec des terminaisons nerveuses libres ou de celles encapsulées – des potentiels gradués se développent dans les dendrites qui influencent la génération d'un potentiel d'action dans l'axone de la même cellule. C'est ce qu'on appelle un potentiel générateur. Pour d'autres cellules réceptrices sensorielles, telles que les cellules gustatives ou les photorécepteurs de la rétine, les potentiels gradués dans leurs membranes entraînent la libération de neurotransmetteurs au niveau des synapses avec les neurones sensoriels. C'est ce qu'on appelle un potentiel récepteur.

Un potentiel postsynaptique est le potentiel gradué dans les dendrites d'un neurone qui reçoit des synapses d'autres cellules. Les potentiels postsynaptiques peuvent être dépolarisants ou hyperpolarisants. La dépolarisation dans un potentiel postsynaptique est appelée potentiel postsynaptique excitateur car elle rapproche le potentiel de membrane du seuil. L'hyperpolarisation dans un potentiel postsynaptique est un potentiel postsynaptique inhibiteur car elle éloigne le potentiel de membrane du seuil.

Sommation

Tous les types de potentiels gradués entraîneront de petits changements, soit de dépolarisation, soit d'hyperpolarisation, dans le voltage d'une membrane. Ces changements peuvent amener le neurone à atteindre le seuil si les changements s'additionnent, ou somment. Les effets combinés des différents types de potentiels gradués sont illustrés dans la Figure 12.26. Si le changement total de voltage dans la membrane est de +15 mV, ce qui signifie que la membrane se dépolarise de -70 mV à -55 mV, alors les potentiels gradués entraîneront l'atteinte du seuil par la membrane.

Pour les potentiels récepteurs, le seuil n'est pas un facteur car le changement de potentiel de membrane des cellules réceptrices provoque directement la libération de neurotransmetteurs. Cependant, les potentiels générateurs peuvent initier des potentiels d'action dans l'axone du neurone sensoriel, et les potentiels postsynaptiques peuvent initier un potentiel d'action dans l'axone d'autres neurones. Les potentiels gradués se somment à un endroit spécifique au début de l'axone pour initier le potentiel d'action, à savoir le segment initial. Pour les neurones sensoriels, qui n'ont pas de corps cellulaire entre les dendrites et l'axone, le segment initial est directement adjacent aux terminaisons dendritiques. Pour tous les autres neurones, le cône axonique est essentiellement le segment initial de l'axone, et c'est là que la sommation a lieu. Ces emplacements ont une forte densité de canaux Na⁺ voltage-dépendants qui initient la phase de dépolarisation du potentiel d'action.

La sommation peut être spatiale ou temporelle, ce qui signifie qu'elle peut être le résultat de multiples potentiels gradués à différents endroits du neurone, ou tous au même endroit mais séparés dans le temps. La sommation spatiale est liée à l'association de l'activité de multiples entrées vers un neurone. La sommation temporelle est la relation de multiples potentiels d'action provenant d'une seule cellule, entraînant un changement significatif du potentiel de membrane. La sommation spatiale et temporelle peuvent également agir ensemble.

Figure 12.26 Sommation des potentiels postsynaptiques Le résultat de la sommation des potentiels postsynaptiques est le changement global du potentiel de membrane. Au point A, plusieurs potentiels postsynaptiques excitateurs différents s'additionnent pour former une grande dépolarisation. Au point B, un mélange de potentiels postsynaptiques excitateurs et inhibiteurs entraîne un résultat final différent pour le potentiel de membrane.

Libération des neurotransmetteurs

Lorsqu'un potentiel d'action atteint les terminaisons axonales, les canaux Ca²⁺ voltage-dépendants de la membrane du bouton terminal synaptique s'ouvrent. La concentration de Ca²⁺ augmente à l'intérieur du bouton terminal, et l'ion Ca²⁺ s'associe aux protéines de la surface externe des vésicules de neurotransmetteurs. Le Ca²⁺ facilite la fusion de la vésicule avec la membrane présynaptique afin que le neurotransmetteur soit libéré par exocytose dans le petit espace entre les cellules, connu sous le nom de fente synaptique.

Une fois dans la fente synaptique, le neurotransmetteur diffuse sur une courte distance vers la membrane postsynaptique et peut interagir avec les récepteurs des neurotransmetteurs. Les récepteurs sont spécifiques au neurotransmetteur, et les deux s'emboîtent comme une clé et une serrure. Un neurotransmetteur se lie à son récepteur et ne se liera pas aux récepteurs d'autres neurotransmetteurs, faisant de cette liaison un événement chimique spécifique (Figure 12.27).

Figure 12.27 La synapse La synapse est une connexion entre un neurone et sa cellule cible (qui n'est pas nécessairement un neurone). L'élément présynaptique est le bouton terminal synaptique de l'axone où le Ca²⁺ entre dans le bouton pour provoquer la fusion des vésicules et la libération du neurotransmetteur. Le neurotransmetteur diffuse à travers la fente synaptique pour se lier à son récepteur. Le neurotransmetteur est éliminé de la synapse soit par dégradation enzymatique, recapture neuronale, ou recapture gliale.

Systèmes de neurotransmetteurs

Il existe plusieurs systèmes de neurotransmetteurs que l'on trouve à diverses synapses dans le système nerveux. Ces groupes désignent les substances chimiques qui sont les neurotransmetteurs, et au sein de ces groupes se trouvent des systèmes spécifiques.

Le premier groupe, qui est un système de neurotransmetteurs à part entière, est le système cholinergique. C'est le système basé sur l'acétylcholine. Cela inclut la JNM comme exemple de synapse cholinergique, mais les synapses cholinergiques se trouvent dans d'autres parties du système nerveux. Elles sont présentes dans le système nerveux autonome, ainsi que réparties dans tout le cerveau.

Le système cholinergique possède deux types de récepteurs : le récepteur nicotinique se trouve dans la JNM ainsi que dans d'autres synapses. Il existe également un récepteur de l'acétylcholine connu sous le nom de récepteur muscarinique. Ces deux récepteurs sont nommés d'après des médicaments qui interagissent avec le récepteur en plus de l'acétylcholine. La nicotine se liera au récepteur nicotinique et l'activera de manière similaire à l'acétylcholine. La muscarine, un produit de certains champignons, se liera au récepteur muscarinique. Cependant, la nicotine ne se liera pas au récepteur muscarinique et la muscarine ne se liera pas au récepteur nicotinique.

Un autre groupe de neurotransmetteurs sont les acides aminés. Cela inclut le glutamate (Glu), le GABA (acide gamma-aminobutyrique, un dérivé du glutamate) et la glycine (Gly). Ces acides aminés ont un groupe amino et un groupe carboxyle dans leurs structures chimiques. Le glutamate est l'un des 20 acides aminés utilisés pour fabriquer des protéines. Chaque neurotransmetteur acide aminé ferait partie de son propre système, à savoir les systèmes glutamatergique, GABAergique et glycinergique. Ils ont chacun leurs propres récepteurs et n'interagissent pas entre eux. Les neurotransmetteurs acides aminés sont éliminés de la synapse par recapture. Une pompe dans la membrane cellulaire de l'élément présynaptique, ou parfois une cellule gliale voisine, éliminera l'acide aminé de la fente synaptique afin qu'il puisse être recyclé, reconditionné en vésicules et libéré à nouveau.

Une autre classe de neurotransmetteurs est l'amine biogène, un groupe de neurotransmetteurs qui sont fabriqués enzymatiquement à partir d'acides aminés. Ils contiennent des groupes amino, mais n'ont plus de groupes carboxyle et ne sont donc plus classés comme acides aminés. La sérotonine est fabriquée à partir du tryptophane. Elle est la base du système sérotoninergique, qui possède ses propres récepteurs spécifiques. La sérotonine est transportée de nouveau dans la cellule présynaptique pour être reconditionnée.

D'autres amines biogènes sont fabriquées à partir de la tyrosine et comprennent la dopamine, la norépinéphrine et l'épinéphrine. La dopamine fait partie de son propre système, le système dopaminergique, qui possède des récepteurs dopaminergiques. La dopamine est éliminée de la synapse par des protéines de transport dans la membrane cellulaire présynaptique. La norépinéphrine et l'épinéphrine appartiennent au système de neurotransmetteurs adrénergiques. Les deux molécules sont très similaires et se lient aux mêmes récepteurs, appelés récepteurs alpha et bêta. La norépinéphrine et l'épinéphrine sont également transportées de nouveau dans la cellule présynaptique. La substance chimique épinéphrine (épi- = « sur » ; « -néphrine » = rein) est également connue sous le nom d'adrénaline (rénal = « rein »), et la norépinéphrine est parfois appelée noradrénaline. La glande surrénale produit de l'épinéphrine et de la norépinéphrine pour être libérées dans la circulation sanguine en tant qu'hormones.

Un neuropeptide est une molécule neurotransmettrice composée de chaînes d'acides aminés reliées par des liaisons peptidiques. C'est ce qu'est une protéine, mais le terme protéine implique une certaine longueur pour la molécule. Certains neuropeptides sont assez courts, comme la met-enképhaline, qui est longue de cinq acides aminés. D'autres sont longs, comme la bêta-endorphine, qui est longue de 31 acides aminés. Les neuropeptides sont souvent libérés au niveau des synapses en combinaison avec un autre neurotransmetteur, et ils agissent souvent comme des hormones dans d'autres systèmes du corps, tels que le peptide intestinal vasoactif (VIP) ou la substance P.

L'effet d'un neurotransmetteur sur l'élément postsynaptique dépend entièrement de la protéine réceptrice. Premièrement, s'il n'y a pas de protéine réceptrice dans la membrane de l'élément postsynaptique, alors le neurotransmetteur n'a aucun effet. L'effet dépolarisant ou hyperpolarisant dépend également du récepteur. Lorsque l'acétylcholine se lie au récepteur nicotinique, la cellule postsynaptique est dépolarisée. C'est parce que le récepteur est un canal cationique et que le Na⁺ chargé positivement se précipitera dans la cellule. Cependant, lorsque l'acétylcholine se lie au récepteur muscarinique, dont il existe plusieurs variantes, elle peut provoquer une dépolarisation ou une hyperpolarisation de la cellule cible.

Les neurotransmetteurs acides aminés, glutamate, glycine et GABA, sont presque exclusivement associés à un seul effet. Le glutamate est considéré comme un acide aminé excitateur, mais seulement parce que les récepteurs Glu chez l'adulte provoquent une dépolarisation de la cellule postsynaptique. La glycine et le GABA sont considérés comme des acides aminés inhibiteurs, encore une fois parce que leurs récepteurs provoquent une hyperpolarisation.

Les amines biogènes ont des effets mixtes. Par exemple, les récepteurs dopaminergiques classés comme récepteurs D1 sont excitateurs tandis que les récepteurs de type D2 sont inhibiteurs. Les récepteurs des amines biogènes et des neuropeptides peuvent avoir des effets encore plus complexes car certains peuvent ne pas affecter directement le potentiel de membrane, mais plutôt avoir un effet sur la transcription génique ou d'autres processus métaboliques dans le neurone. Les caractéristiques des différents systèmes de neurotransmetteurs présentés dans cette section sont organisées dans le Tableau 12.3.

L'important à retenir concernant les neurotransmetteurs, et les substances chimiques de signalisation en général, est que l'effet dépend entièrement du récepteur. Les neurotransmetteurs se lient à l'une des deux classes de récepteurs à la surface cellulaire, ionotropes ou métabotropes (Figure 12.28). Les récepteurs ionotropes sont des canaux ioniques ligand-dépendants, tels que le récepteur nicotinique de l'acétylcholine ou le récepteur de la glycine. Un récepteur métabotrope implique un complexe de protéines qui entraînent des changements métaboliques au sein de la cellule. Le complexe récepteur comprend la protéine réceptrice transmembranaire, une protéine G et une protéine effectrice. Le neurotransmetteur, appelé le premier messager, se lie à la protéine réceptrice sur la surface extracellulaire de la cellule, et le côté intracellulaire de la protéine initie l'activité de la protéine G. La protéine G est une guanosine triphosphate (GTP) hydrolase qui se déplace physiquement de la protéine réceptrice à la protéine effectrice pour activer cette dernière. Une protéine effectrice est une enzyme qui catalyse la génération d'une nouvelle molécule, qui agit comme médiateur intracellulaire du signal qui se lie au récepteur. Ce médiateur intracellulaire est appelé le second messager.

Différents récepteurs utilisent différents seconds messagers. Deux exemples courants de seconds messagers sont l'adénosine monophosphate cyclique (AMPc) et l'inositol triphosphate (IP₃). L'enzyme adénylate cyclase (un exemple de protéine effectrice) fabrique l'AMPc, et la phospholipase C est l'enzyme qui fabrique l'IP₃. Les seconds messagers, après avoir été produits par la protéine effectrice, provoquent des changements métaboliques au sein de la cellule. Ces changements sont très probablement l'activation d'autres enzymes dans la cellule. Dans les neurones, ils modifient souvent les canaux ioniques, soit en les ouvrant, soit en les fermant. Ces enzymes peuvent également provoquer des changements dans la cellule, tels que l'activation de gènes dans le noyau, et donc l'augmentation de la synthèse des protéines. Dans les neurones, ces types de changements sont souvent la base de connexions plus fortes entre les cellules au niveau de la synapse et peuvent être la base de l'apprentissage et de la mémoire.

Figure 12.28 Types de récepteurs (a) Un récepteur ionotrope est un canal qui s'ouvre lorsque le neurotransmetteur s'y lie. (b) Un récepteur métabotrope est un complexe qui provoque des changements métaboliques dans la cellule lorsque le neurotransmetteur s'y lie (1). Après la liaison, la protéine G hydrolyse l'ATP et se déplace vers la protéine effectrice (2). Lorsque la protéine G entre en contact avec la protéine effectrice, cette dernière est activée. Dans le cas présenté, la protéine effectrice agit ensuite sur l'ATP pour générer un second messager, l'AMPc (3). Le second messager peut ensuite provoquer des changements dans le neurone, tels que l'ouverture ou la fermeture de canaux ioniques, des changements métaboliques et des changements dans la transcription génique.