Synapses / PPSE/ PPSI PDF

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P. DURIEZ - PU...

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2016-2017

Electrophysiologie Electrophysiologie

UE 7 : Physiologie Les Synapses Semaine : n°1 (du 29/01/18 au 02/02/18) Date : 01/02/2018

Heure : de 15h00 à 16h00

Binôme : n°87

Professeur : Pr. Duriez Correcteur : n°88

Remarques du professeur : Possibilité de chercher des compléments de cours sur Wikipédia

PLAN DU COURS

I)

Synapses à Acétylcholine

II)

Le PPSE

III)

Le PPSI

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Electrophysiologie

I) Synapses à Acétylcholine Les synapses permettent le passage des informations d'une cellule à une autre. Il existe deux types de synapses: • Les synapses électriques: les 2 membranes des 2 cellules se touchent, il y a des canaux qui permettent le transfert d'ions. Très rares chez les mammifères. • Les synapses chimiques (99,9% chez les mammifères): Les 2 cellules ne sont plus en contact, il existe un espace synaptique entre les deux. Le cas le plus simple est celui de la synapse fonctionnant avec de l'acetylcholine comme neuromediateur avec des recepteurs canaux sur le second neurone : • L'influx descend le long de l'axone avec des potentiels d'action qui arrivent au niveau de l'extremite synaptique et se propagent le long de la membrane synaptique où se trouvent des canaux calciques voltages dependants fermes • Arrivee du potentiel d'action, la membrane se depolarise aux environ de -40mV • Les canaux calciques voltages dependants s'ouvrent • Le calcium veut rentrer dans la cellule en suivant le gradient de concentration et de charges • Le calcium entre en contact avec des vesicules contenant des granules, ces vesicules sont en quantites importantes et fermees (points rouges = acetylcholine = neuromediateur) • Migration des vesicules qui se collent sur l'exterieur de l'axone • Fusion de la membrane de la vesicule et de la cellule et ouverture de la membrane qui permet par un phenomene d'exocytose la liberation du neuromediateur dans l'espace synaptique

De l'autre cYte on a l’autre cellule et sur la membrane on a des recepteurs, en particulier des recepteurs canaux (pour l'acetylcholine, c'est le recepteur nicotinique); c'est un potentiel qui est entre dans la membrane et peut liberer un canal. En absence d'acetylcholine, le canal est ferme. Quand on deverse les molecules d'Acetylcholine, on a un certain nombre de molecules qui se fixent sur les recepteurs canaux au bon endroit, ce qui induit un changement de conformation du recepteur canal qui s'ouvre : on ouvre le recepteur canal, dans l'espace extra cellulaire on a deux gradients (concentration et electrique) qui vont dans le meme sens et qui vont faire entrer du sodium dans la cellule. Si on fait entrer beaucoup de sodium, on diminue la difference de potentiel et on depolarise la membrane de quelques mV : de -60 e -50 mV c'est le Potentiel Post Synaptique Excitateur 2/9

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Electrophysiologie

La sommation de plusieurs PPSE au niveau de la cellule nerveuse est capable de générer un PA; alors qu'un seul PPSE en est incapable. Ce potentiel est local et ne se propage pas comme un Potentiel d'Action. Au niveau d'une synapse excitatrice de type acetylcholine, on provoque une depolarisation locale de type PPSE qui disparaît rapidement quand les quantités de sodium diminuent. Le recepteur canal porte le nom de recepteur nicotinique car la nicotine contenue dans le tabac vient se fixer sur le recepteur et provoque l'ouverture de ce recepteur, il y a des autres types de recepteurs comme muscarinique (nicotinique et muscarinique provoquent l'accoutumance lors de la prise de tabac) L'Acetylcholine est un neuromediateur majeur stockee dans des vesicules de stockage. L'acétyl choline est une petite molécule formée de l'estérification d'une molécule d'AcétylCoA et d'une choline qui est un alcool grâce à la choline acétyl-transférase. Une fois que l'acetylcholine a agi au niveau de ces recepteurs, celles en exces doivent etre evacuees pour permettre l'arrivee de nouvelles molecules. Si cet exces de neuromediateur n'est pas elimine, il va continuer à se fixer, il y aura alors une stimulation trop importante, qui pourra entraîner une paralysie du systeme. L’elimination au niveau de la synapse et de la membrane se fait par la presence l'acetylcholine esterase qui hydrolyse l'acetylcholine pour donner une molecule d'acetate et une molecule de choline ; l'acetate est elimine et la choline peut etre recapturee par le premier neurone et servir e la synthese de nouvelles molécules d'acétylcholine.

II) Le PPSE On a des synapses qui fonctionnent e l’acetylcholine avec des recepteurs canaux. L’arrivee de neuromediateurs sur ce recepteur provoque l’ouverture du canal et l’entree de Na+ dans la cellule. Cette entree de charges positives provoque une depolarisation de la membrane qu’on appelle un potentiel post synaptique excitateur (PPSE) qui peut donner un potentiel d'action (PA). Le recepteur nicotinique (recepteur pour l’acetylcholine) est le modele que l'on utilise habituellement pour decrire le fonctionnement synaptique. C'est un recepteur canal, quand il est stimule il ouvre un canal qui permet le passage d’un ion. Il s’agit en fait de proteines qui traversent la membrane avec des helices qui permettent le contact des acides amines avec les phospholipides. 3/9

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Electrophysiologie

Le recepteur nicotinique est forme de 5 proteines, qu’on appelle des sous unites disposees en rosace et au centre on a un canal. Pour le recepteur nicotinique classique, il y a : • – deux sous unites alpha identiques, • – une beta, une gamma et • – une delta. → Les sous unites alpha sont celles oD se fixe l’acetylcholine.

Pour que le canal s’ouvre il faut que simultanement, les 2 sous unites alpha soient occupees par une molecule d’acetylcholine chacune, si il y en qu’une seule, cela ne fonctionne pas . Quand l’acetylcholine est liberee, certaines molecules viennent se fixer sur le recepteur, cette fixation a pour effet de changer la conformation dans l’espace des sous unites alpha, et en bougeant, elle vont liberer le canal. Le sodium va rentrer dans la cellule, soumis au double gradient : → e la fois le gradient de concentration, il y a plus de sodium e l’exterieur de la cellule qu’e l’interieur → le gradient electrique, la face externe est chargee positivement par rapport e la face interne . Ce recepteur laisse entrer des charges positives. Il y a d’autres recepteurs comme : • – Le recepteur e l’acide glutamique qui fonctionne de la meme facon : laisse entrer des charges positives. • – Il y a aussi des recepteurs aux ions chlorures qui laissent entrer des charges negatives comme le recepteur gamma. Les progres de la technique ont permis d’etudier le fonctionnement d’un seul de ces recepteurs canaux. La technique utilise est celle du patch clamp outside-out.

On se sert d’une micro electrode d’un micron de diametre, on aspire un petit fragment de membrane où il y a quelques recepteurs, voire un seul recepteur . 4/9

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On met cela dans un liquide physiologique avec de l’acetylcholine en concentration croissante, on va mesurer l’intensite du courant qui traverse la membrane avec un systeme electrique, le courant est porte par les ions sodiums. Quand le canal est ferme il n’y pas d’ion sodium capable de traverser la membrane. Comme il n’y pas d’autres canaux sur notre fragment, l’intensite est nulle. 1) Si on met un peu d’acetylcholine, et s'il y a un seul canal sur la pointe de l'electrode : On va voir apparaître un courant tres bref, c’est un courant de sens entrant. Ce sont des charges positives qui entrent dans la cellule, l’intensite de ce courant est tres faible, nous sommes de l’ordre du picoampere ( 2pA= 2.10-12 A). Caracteristique: Le courant s’installe de facon instantanee avec une vitesse pratiquement infinie, le courant va durer quelques micro secondes, et le courant va ensuite disparaître. Comme pour les recepteurs voltage dependants, le canal s’ouvre brutalement, il laisse passer les ions sodium et se ferme brutalement. Le courant que nous enregistrons e la forme d’un creneau parce que l’ouverture est pratiquement à une vitesse infinie, et la fermeture se fait aussi pratiquement avec une vitesse infinie. 2) Si on a un fragment de membrane un peu plus grand avec par exemple, 10 canaux : On va faire la meme experience, on va enregistrer le courant, notre enregistrement aura la forme d’un escalier, avec un courant en palier, avec au debut l’ouverture de 6 e 7 canaux qui vont s’ouvrir assez rapidement, et puis on aura 3 ou 4 canaux qui vont s’ouvrir plus tardivement. Pour l'ensemble du courant on a l'aspect d'un creneau. Pour dix canaux, le courant est de 20 pA. Ce courant est d'amplitude plus importante et dure un peu plus longtemps car certains canaux ne s'ouvrent pas en même temps. 3) Si on passe dans la vraie vie, on prend toute la surface d’une dendrite ou d’un corps cellulaire, où le, il y aura plusieurs centaines de milliers de recepteurs nicotinique. Pour 300000 canaux, le courant est de 600000 pA. On refait la meme experience, on a une intensite plus importante, on a une phase d’installation du courant, et une phase de disparition du courant. Ce courant va entraîner un changement de potentiel de membrane, qui change le potentiel entre la face externe et la face interne, on a une evolution du potentiel de membrane qui va passer de -60 e -30mV de facon assez rapide, et puis on aura une phase de desactivation, un retour au potentiel de depart. On passe de -60 e -30 car se sont des charges positives qui entrent dans la cellule, cela cree une diminution du potentiel de membrane. On peut ainsi modeliser ce qui se passe lorsqu’il y a ouverture de ces membranes. → Cette depolarisation membranaire correspond e ce qu’on appelle un potentiel post synaptique excitateur (PPSE). Localement, au niveau de la membrane, on a une depolarisation et une repolarisation. On comprend ainsi comment sont mesures les PPSE sur un corps cellulaire quand ils sont soumis e des stimulations par un neuromediateur. On arrive e modeliser pour obtenir des enregistrements globaux, qui correspondent au PPSE. On en trouve dans le SNC ( le recepteur nicotinique alpha2), quand on fume, la nicotine se fixe sur ces recepteurs, et va participer au phenomene d’habituation e la nicotine, mais aussi sur notre systeme gustatif, sur notre rythme cardiaque, ... Dans la jonction neuromusculaire, les muscles sont contrYles par des nerfs : les nerfs moteurs. Il y a des synapses entre les axones qui partent de la moelle epiniere (moto-neurones) et puis il y a des fibres musculaires pour provoquer la contraction musculaire. Ces synapses, entre les axones et le recepteur qui est present sur les muscles stries (le recepteur alpha1) fonctionnent e l’acetylcholine . Le recepteur present sur les muscles striees est un recepteur nicotinique, c'est ce qu'on appelle la plaque motrice.

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Les premiers recepteurs nicotiniques, ont pu etre etudies e partir du poisson torpille. Quand on le touche, il envoie une decharge electrique pour paralyser ses proies, pour pouvoir les devorer. On a montre que ces decharges electriques correspond e des plaques motrices. Il y a tellement de recepteurs au niveau des ces plaques, que la decharge electrique est tres importante. C'est la premiere fois au monde qu’on isolait un recepteur du systeme nerveux qui etait stimule par un neuromediateur. Il existe d'autres récepteurs canaux activés par un ligand : • – celui au glutamate (Na+ activateur) , • – e la glycine, • – au GABA (Cl- inhibiteur). Ils sont aussi composes de sous unites disposes en rosace, ils ont le meme fonctionnement : sur ces recepteurs peuvent venir se fixer l'acide glutamique, le GABA ou la glycine et quand le neuromediateur se fixe, il y a ouverture des canaux : permet l'entrer d'ions dans la cellule. Quand il s'agit du glutamate, il s'agit d'entrer d'ions sodium,il donne des PPSE. Quand il s'agit du GABA laisse passer l'ion chlorure, provoque une hyper-polarisation, et ce sont des synapses inhibitrices.

Comment $ partir d’une simple depolarisation du corps cellulaire, des dendrites, on peut arriver $ creer un PA qui va se propager le long de l’axone jusqu’$ l’extremite axonale qui correspond $ la synapse? Les corps cellulaires peuvent etre connectes e des centaines voire des milliers d’extremites axonales. Il y a une densite de synapses extremement importante qui entourent chaque cellule dans le SN. La depolarisation ne se creer qu’au niveau de la synapse. Comment peut on arriver $ partir d’une depolarisation locale, $ creer un PA ? Si on a 3 synapses cYte e cYte, on aura une depolarisation en dessous de chaque synapse. On appelle le cone emergent la zone entre le corps cellulaire et l’axone lui meme, et e ce cYne emergent, il y a une densite extremement elevee de canaux sodique voltage dependants. Pour qu’il y ait un PA au niveau de l’axone, il faut qu’il ait une depolarisation suffisante pour arriver e depasser le seuil de declenchement des PA qui est le seuil pour que les canaux sodiques voltage dependants de l’axone s’ouvrent. La probabilite de l’ouverture de ces canaux devient tres elevee. Des que le seuil est depasse, on a des milliers de canaux sodiques qui vont s’ouvrir, et qui vont generer le PA.

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Ces PPSE crees par les synapses excitatrices ont la possibilite de s’additionner dans l’espace. Par exemple, imaginez qu’il y est plusieurs synapses, •

si il y a qu’un seul neurone qui s’active, on aura une petite depolarisation de la membrane qui sera insuffisante pour arriver au seuil d’excitation et creer un PA.

• Si on a quelques dizaines de synapses qui fonctionnent les potentiels vont s’additionner et cela sera suffisant pour atteindre le seuil et declencher un PA. L’ensemble du corps cellulaire sera depolarise et on va pourvoir declencher un PA, on appelle ca le phenomene de sommation dans l’espace des PPSE, il faut qu’il est suffisamment de synapse excitatrice stimule en meme temps pour creer suffisamment de PPSE locaux qui vont s’additionner, il vont faire des chevauchements au niveau des differentes zones.

On a pas qu’un phenomene de sommation dans l’espace, on a aussi un phenomene de sommation dans le temps. Si on rapproche les stimulations sur un meme neurone, on rapproche aussi les PPSE. Et les PPSE durent quelques milliseconde, on va avoir un phenomene d’addition. En realite, les 2 phenomenes de sommation se produisent en meme temps.

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III) Le PPSI On a des recepteurs canaux qui laissent entrer des ions chlorures dans la cellule, il amene des charges negatives e l’interieur de la cellule. On cree une hyper-polarisation, ca passe de -80 e -85mV, c'est un potentiel post synaptique inhibiteur (PPSI) Comme les recepteurs au GABA, ils sont presents dans le SNC. Ils presentent e leur surface un site de liaison e des medicaments, les benzodiazepines, qui permettent de traite l’anxiete (anxiolytique). Quand ces synapses sont stimulés par le GABA par exemple, on a des ions chlorures qui rentre dans la cellule . On va avoir une hyper-polarisation. On va retrouver pour ces synapses inhibitrices, les memes proprietes dans les synapses activatrices : • phenomene de sommation dans l’espace avec des chevauchements : 1 seul PPSI = 1 ou 3 mV mais si il y a une dizaine de PPSI, on peut hyper-polariser de plusieurs millivolts • phenomene de sommation dans le temps

On peut inhiber de differente facon : → On eloigne le potentiel de membrane du cYne d’emergence puisqu’on la eloigne du seuil pour declencher le PA. On rend donc plus difficile au potentiel de membrane d’atteindre le seuil pour declencher un PA. On parle d’inhibition post synaptique. Dans le systeme nerveux on a le corps cellulaire du neurones qui est entoure de synapses activatrices et inhibitrices. Pour etre capable d’atteindre le declenchement du PA, il va falloir que la valeur du potentiel de membrane qui est, la somme de tous les PPSE moins les PPSI, depasse le seuil de declenchement du PA. Le corps cellulaire est capable d'intégrer les différents signaux qu'ils soient activateurs ou inhibiteurs :

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PM= ( ∑ des PPSE - ∑ des PPSI ) > PA → On peut inhiber aussi en faisant sortir du K+, on diminue la difference de potentiel entre la face externe et la face interne, on provoque donc un potentiel post synaptique inhibiteur. Pour faire sortir ce K+, il existe des canaux qui sont couples e des recepteurs mais ils sont separes, ce sont de proteines differentes .On a des recepteurs muscariniques, ils sont ancres e la membrane, ce recepteur change de conformation et envoie un message e l’aide de second messager qui vont venir agir sur des canaux potassiques speciaux, et provoquer leur ouverture.

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