Les synapses
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Les synapses sont les zones de contacts entre deux neurones ou entre un neurone et une cellule. Ce sont elles qui assurent le passage de l'information de la neurone présynaptique à la neurone post-synaptique.
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Illustration stylisée d'une synapse
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Il existe trois types de synapses : les électriques, les chimiques et les mixtes. Les chimiques sont bien plus fréquentes, et sont les seules qui jouent un rôle dans la maladie d'Alzheimer. Ainsi nous allons nous intéresser que à celles-ci.
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Description structurelle :
On peut diviser une synapse en trois parties : l'élément présynaptique, l'élément postsynaptique et entre les deux l'espace inter-synaptique.
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L'élément présynaptique est une terminaison axonale. On y trouve de petites vésicules de formes variées (les vésicules synaptiques) contenant le neurotransmetteur. Mais également un appareil de Golgi très développé et de nombreuses mitochondries, signe d'une activité de synthèse intense. En effet c'est dans cette partie que sont synthétisés les neurotransmetteurs.
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L'élément postsynaptique est une membrane avec des récepteurs spécifique pour la fixation des neurotransmetteurs. Elle contient des mitochondries mais pas de vésicules.
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L'espace inter-synaptique (ou fente synaptique) est la zone qui sépare les membranes des deux neurones. Elle est de petite dimension (entre 30 et 50nm) mais suffisamment large pour qu'il n'y ait pas de contact entre les 2 autres régions. Cet espace n'est pas vide, il est rempli de liquide interstitiel, mais n' a pas de lame basale.
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Schéma d'une synapse
Neurotransmetteurs :
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Ce sont des composés chimiques libérés par les neurones agissant sur d'autres neurones ou sur d'autres types de cellules. Ils interviennent au niveau de la synapse.
Aujourd'hui une quarantaine de neurotransmetteurs ont été décrits. Les plus célèbres sont l'acétylcholine, le GABA et le glutamate. On peut différencier les neurotransmetteurs en deux catégories : les peptidiques et les non peptidiques.
Les neurotransmetteurs peptidiques :
Ils sont produits à partir d'acides aminés présents dans le sang, selon le schéma classique de la production protéique (Transcription de l'ADN en ARNm, lecture et traduction de l'ARNm par un ribosome sur le réticulum endoplasmique) principalement dans le péricaryon. Puis il y a un transport antérograde rapide dans des vésicules qui proviennent du bourgeonnement de l'appareil de Golgi, le long du cytosquelette de l'axone. Dès lors dans ces vésicules il y a une étape de maturation : clivage des extrémités N-ter et C-ter par des exopeptidases, acétylation.… Puis elles sont accumulées au bout de la partie présynaptique, dans l'attente d'une dépolarisation.
Les neurotransmetteurs non peptidiques :
Sont produits à partir d'acides aminés (catécholamines comme l'adrénaline ou la noradrénaline) à partir de la tyrosine, le GABA (Gamma AminoButyric Acid…), de lipides (THC pour TetraHydroCannabinol), etc. Ces neurotransmetteurs sont produits dans le cytoplasme du neurone ou de la cellule excitable et sont activement pompés (par des enzymes utilisant l'ATP ou ATPases) dans des vésicules issues des endosomes ou d'une endocytose.
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Mécanismes :
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En résumé :
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L'influx nerveux est transmis le long d'un neurone sous la forme d'une séquence de potentiel d'action, et cela dans un sens unique pour les synapses chimiques (on parle de synapse unidirectionnelle). Puis l'information change de nature au niveau de ce type synapse. En effet elle est ensuite transmise par le biais d'une libération de neurotransmetteurs dans l'espace synaptique, dont la quantité et le genre dépendent par exemple du potentiel d'action initial.
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En détail :
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La première étape est l'arrivé d'un potentiel d'action au niveau d'une synapse, ce qui provoque une modification de la polarité membranaire, cela entraîne l'ouverture de canaux de calcium membranaires dépendants du voltage.
Puis intervient le phénomène d'exocytose, qui est assuré par le complexe SNARE, qui est constitués de 3 protéines :
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VAMP (aussi appelée synaptobrévine), insérée dans la membrane plasmique de la vésicule,
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la syntaxine arrimée à la membrane plasmique de la cellule,
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SNAP 25 arrimée dans la membrane plasmique
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Après l'ouverture des canaux calciques, il y a une augmentation de la concentration en calcium intracellulaire ce qui permet la fusion de VAMP avec SNAP 25 et la Syntaxine provoquant ainsi l'arrimage de la vésicule à la membrane plasmique. Puis la modification tridimensionnelle de ce complexe ternaire, amène à la fusion de la membrane vésiculaire avec celle plasmique puis la libération des neuromédiateurs.
Cette fusion est fortement accélérée par la présence dans la membrane des vésicules synaptiques de la synaptotagmine, qui est aujourd'hui considérée comme le détecteur de l'influx calcique grâce à ces deux domaines liant le calcium
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Il existe trois mécanismes pouvant arrêter l'exocytose :
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l'ouverture de canaux de potassium, qui ramènent le potentiel de membrane à sa valeur d'origine et inhibent ainsi les canaux dépendants du potentiel ;
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la présence de pompes calciques, situées sur le réticulum et la mitochondrie, qui captent les ions calcium entrés dans la cellule, ce qui fait cesser le signal calcique ;
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la disparition des vésicules synaptiques chargées en neurotransmetteur capable de fusionner avec la membrane (fatigue synaptique).
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→ Diffusion des neurotransmetteurs dans la fente synaptique
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Les neurotransmetteurs qui sont à présents dans la fente synaptique, vont par simple diffusion atteindre la membrane postsynaptique. Cette étape, avec le délai nécessaire pour provoquer l'exocytose, est la plus longue de la transmission synaptique. Par exemple dans le cas de la plaque motrice, la concentration en acétylcholine dans la fente atteint une concentration de 100 mmol/l10 µs après sa libération. Elle mettra environ 100 µs pour revenir à une concentration proche de zéro. Cette disparition du neurotransmetteurs peut nécessiter un recaptage ou une hydrolyse par une enzyme spécialisée. Le codage de l'information étant fréquentiel, il est important de faire cesser l'excitation le plus vite possible.
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→ Événements postsynaptiques : l'activation des récepteurs membranaires
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Les neurotransmetteurs se fixent sur des récepteurs de la membrane postsynaptique.
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Il en existe deux sortes :
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les récepteurs ionotropes qui sont des protéines-canaux s'ouvrant pour générer un courant ionique ;
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les récepteurs métabotropes eux sont couplés aux protéines G et sont des transducteurs de signal régulant des seconds messagers dans le cytoplasme. Les seconds messagers peuvent s'associer à une protéine-canal ou bien provoquer une cascade de réactions. Parmi les voies métaboliques activées par ces seconds messagers, des facteurs de traduction de l'ADN sont impliqués, ce qui influence le pool de gènes exprimé par la cellule, et donc pourraient être impliqués dans le phénomène de plasticité synaptique à long-terme (LTP) et la mémorisation. Cette voie est beaucoup plus lente que la première.
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Ainsi lorsque le neurotransmetteur se fixe sur les récepteurs, ils entraînent une ouverture du canal ainsi l'espèce ionique spécifique du canal peut circuler en respectant son gradient de concentration.
Il apparaît alors une réponse physiologique locale appelée potentiel générateur (PG) ou potentiel postsynaptique. Cela correspond à une modification locale du potentiel de la membrane de l'élément post-synaptique.
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Il en existe deux sortes :
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le Potentiel Postsynaptique Excitateur (ou PPSE) qui dépolarise localement la membrane. Par exemple, avec le neurotransmetteur acétylcholine, il y a l'ouverture de protéine-canal de sodium. Ainsi une certaine quantité de K+ va rentrer et une quantité supérieure de Na+ va sortir. Or le gradient des ions K+ est égal à +20mV contre -180 mV pour les ions Na+. Donc on a bien une dépolarisation locale de la membrane. C'est à dire qui diminue la différence de potentiel entre les deux côtés de la membrane plasmique.
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le Potentiel Postsynaptique Inhibiteur (ou PPSI) qui hyperbolise la membrane, c'est à dire augmente la différence de potentiel.
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Or de manière générale, un neurone est possède des synapses excitatrices et des synapses inhibitrices. Ainsi il se produit alors une sommation à la fois temporelle et spatiale des entrées synaptiques pour « décider » du déclenchement ou non d'un potentiel d'action.
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Le potentiel d'action est alors initié si la dépolarisation est supérieure au critique (= minimum). Les PPSI empêchent le déclenchement d'un potentiel d'action alors que les PPSE le favorisent. Des lors son amplitude et sa longueur temporelle restent identiques, quelque soit l'importance de la dépolarisation. C'est la célèbre loi du tout ou rien.
Les potentiels d'action sont codés en fréquence, ainsi si la dépolarisation continue suffisamment longtemps, un autre potentiel peut être initié.
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Il faut préciser qu'il peut y avoir plusieurs effets simultanément. En effet plusieurs molécules sont libérées lors de la transmission synaptique et il peut y avoir plusieurs types de récepteurs pour le même neurotransmetteurs sur la membrane postsynaptique (par exemple certaines synapses ont un PPSI rapide et PPSI lent). Donc il y a une certaine variabilité.
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→ Arrêt de la stimulation nerveuse
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Il existe deux systèmes qui peuvent éviter que la stimulation du neurone postsynaptique ne se prolonge. Pour cela ils vont éliminer la molécule de l'espace inter-synaptique par 2 mécanismes généralement associés :
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Dégradation : des enzymes spécifiques vont métaboliser le neurotransmetteur, mettant fin à son effet sur le neurone postsynaptique
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Recapture : le neurotransmetteur ou ses précurseurs issus de la dégradation enzymatique est récupéré par le neurone présynaptique, ou par la cellule gliale avoisinante, soit pour être réutilisé ou soit pour être détruit.
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Schéma résumé du fonctionnement d'une synapse (avec présence de seconds messagers)
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