Introduction à la Physiologie du Système Nerveux

Ce document détaille la physiologie des membranes et l'organisation du système nerveux, des bases cellulaires à la communication interneuronale, en passant par les mécanismes de signalisation.

Définition de la Physiologie

La physiologie, du grec phusis (nature, vie) et logos (connaissance), est la science qui étudie le fonctionnement normal (non pathologique) et l'organisation mécanique, physique et biochimique des organismes vivants et de leurs composants. Elle inclut également l'étude des interactions d'un organisme avec son environnement et entre ses propres systèmes. C'est une matière intégrée, où les systèmes communiquent et coopèrent.

Niveaux d'organisation biologique

• Système : Ensemble d'organes ou de glandes collaborant pour assurer de grandes fonctions physiologiques (ex: système cardio-vasculaire, système endocrinien).

• Organe : Structure pluricellulaire où les cellules communiquent et se coordonnent pour former un tout capable d'échanges avec l'extérieur (ex: rein, intestin, peau).

• Tissu : Premier niveau d'organisation supra-cellulaire, composé de cellules différenciées et de la matrice extra-cellulaire (MEC). La MEC fournit un soutien structurel et facilite les interactions cellulaires (ex: tissu nerveux, musculaire, conjonctif).

• Cellules : Unités fondamentales, de formes variées, entourées d'une membrane qui régule les interactions avec le milieu extérieur (ex: cellules sanguines, adipocytes, hépatocytes).

Homéostasie

"L'homéostasie est l'équilibre dynamique qui nous maintient en vie." - Claude Bernard (1860)

L'homéostasie est la capacité d'un organisme à maintenir un équilibre de fonctionnement interne stable malgré les contraintes extérieures qui tendent au déséquilibre. Le terme vient du grec homoïos (semblable) et stasis (arrêt).

Terminologie médicale courante

Organisation du Système Nerveux

Le système nerveux communique avec tous les autres systèmes du corps.

Division fonctionnelle

• Système nerveux somatique : Gère les fonctions de relation avec l'extérieur, notamment les mouvements volontaires, la proprioception (position du corps) et les perceptions sensorielles (vision, audition, toucher, douleur).

• Système nerveux autonome (ou végétatif) : Contrôle les fonctions vitales non soumises au contrôle volontaire (digestion, système endocrinien, cardiovasculaire, respiratoire). Il se divise en :

  • Sympathique : Généralement activateur.

  • Parasympathique : Généralement ralentisseur.

Division anatomique

• Système nerveux central (SNC) :

  • Comprend le cerveau/encéphale et la moelle épinière.

  • Reçoit, enregistre et interprète les informations sensorielles.

  • Élabore et organise les réponses motrices.

• Système nerveux périphérique (SNP) :

  • Comprend les nerfs crâniens et spinaux, ainsi que les ganglions.

  • Assure le transport des informations entre le SNC et le reste du corps (systèmes sensoriel et moteur).

Système nerveux autonome (SNA)

Le SNA est la partie motrice du SNP qui assure le fonctionnement des fonctions viscérales (cardiaque, digestive, respiratoire, etc.).

• Autonome, Automatique, Involontaire, Inconscient.

• Fortement coordonné par des centres dans l'hypothalamus et le bulbe rachidien.

• Constitué des systèmes sympathique et parasympathique.

Le SNA diffère fonctionnellement du système nerveux somatique par ses neurotransmetteurs et la localisation des corps cellulaires.

Anatomie de l'encéphale

L'encéphale est situé dans la boîte crânienne et est responsable des fonctions intellectuelles, des émotions et des commandes motrices. Il régule les fonctions vitales avec le système endocrinien.

• Divisé en 2 hémisphères, eux-mêmes divisés en lobes, circonvolutions et sillons.

• Possède un système ventriculaire (4 cavités en continuité avec la moelle épinière) qui sécrète et fait circuler le liquide céphalo-rachidien/cérébrospinal. Ce liquide a un rôle d'amortisseur de chocs, régule la pression intracrânienne, élimine les déchets et participe à l'immunité.

Substances grise et blanche

• Substance grise : Contient les corps cellulaires des neurones. Elle se trouve dans le cortex (surface des hémisphères cérébraux et du cervelet), les noyaux plus profonds (thalamus, hypothalamus), le tronc cérébral et la moelle épinière.

• Substance blanche : Contient les fibres nerveuses (axones) entourées d'une gaine de myéline. La myéline est une membrane grasse (70% lipides, 30% protides) qui donne la couleur blanche et agit comme un isolant, facilitant la transmission des signaux nerveux.

Cellules gliales

Les cellules gliales maintiennent l'homéostasie des neurones, produisent la myéline et assurent un rôle de soutien, de protection, d'apport nutritif et d'élimination des déchets et pathogènes.

• Astrocyte :

  

• Cellule de la microglie :

  

• Oligodendrocyte :

  

• Cellule de Schwann :

  

• Cellule épendymaire :

  

• Cellule choroidienne :

  

Les oligodendrocytes (bleus) forment la gaine de myéline autour des axones neuronaux (jaunes). Les astrocytes (verts) et la microglie (marron) sont aussi des cellules gliales importantes.

Neurones

Les neurones sont l'unité de travail du système nerveux, avec 50 à 100 milliards d'unités. Ils ne se reproduisent pas (sauf exceptions), mais établissent de nombreuses interconnexions et ont une grande longévité. Ce sont des cellules excitables, capables d'émettre et de propager des messages nerveux sous forme de potentiels d'action électriques.

Le métabolisme des neurones est très élevé : bien qu'ils ne représentent que 5% du poids corporel, ils consomment 20% de l'énergie totale (oxygène et glucose).

Structure d'un neurone

Chaque neurone est formé :

• De prolongements fins : axones et dendrites, pouvant atteindre jusqu'à 1 mètre de long.

• D'un corps cellulaire (soma) contenant le noyau et le cytoplasme.

• Dendrites : Pôle récepteur, où arrivent les informations (afférences). Elles intègrent les messages afférents et génèrent des signaux électriques (potentiels post-synaptiques).

• Axone : Pôle émetteur, d'où partent les informations (efférences). Il prend son origine au niveau du soma (cône d'émergence) et peut se diviser en collatérales. L'axone génère des potentiels d'action et les conduit sur de longues distances sans perte d'amplitude.

Structures axonales de contact synaptique

• Arborisations terminales : Branches fines et nombreuses dont l'extrémité est renflée (boutons terminaux).

• Renflements (bulbes ou varicosités) : Se trouvent le long des axones (boutons en passant).

Types de neurones

• Neurones sensitifs : Directement connectés aux organes des sens, ils transmettent l'information sensorielle de la périphérie vers le SNC.

• Neurones moteurs (motoneurones) : Transportent les ordres de motricité du SNC vers les muscles. On distingue les motoneurones périphériques (vers les muscles) et centraux (du cerveau à la moelle épinière).

• Neurones d'association (interneurones) : Ni sensoriels ni moteurs, ils font la jonction entre les autres types de neurones.

Nerfs

Les nerfs sont des organes du système nerveux périphérique, composés de fibres nerveuses parallèles (axones ou dendrites). Ils permettent la communication entre le SNC et le reste du corps (muscles, glandes).

Chez l'humain, il y a 12 paires de nerfs crâniens (connectés à l'encéphale) et 31 paires de nerfs spinaux (connectés à la moelle épinière).

Nerfs crâniens

Les nerfs crâniens sont issus de l'encéphale et innervent principalement la tête et le cou. À l'exception des nerfs olfactifs et optiques, les autres nerfs crâniens sont périphériques et émergent du tronc cérébral.

Moelle épinière

La moelle épinière est un cordon de plusieurs dizaines de centimètres logé dans le canal vertébral/rachidien, protégé et soutenu par les vertèbres. Elle s'étend du bulbe rachidien à la deuxième vertèbre lombaire et se termine en "queue de cheval". Elle est composée de neurones et de cellules gliales (myéline).

La moelle épinière transmet les messages nerveux bidirectionnellement avec le cerveau via les nerfs spinaux et contrôle certains réflexes de manière autonome.

Nerfs spinaux

Les nerfs spinaux sont formés par l'anastomose d'une racine antérieure ventrale motrice et d'une racine postérieure dorsale sensitive, issues de la moelle épinière. Ils sont donc mixtes.

L'espace épidural, rempli de tissu adipeux et de vaisseaux sanguins, protège la moelle épinière des traumatismes.

La substance grise de la moelle épinière, en forme de H, contient principalement les corps cellulaires des neurones. Elle traite l'information et génère des réponses motrices rapides (réflexes) suite à la réception de messages sensitifs.

Les nerfs spinaux sont rattachés à la moelle épinière par des racines sensitives et motrices.

Exemple de réflexe : réflexe myotatique ostéo-tendineux

La contraction d'un muscle squelettique est volontaire, sauf en cas de potentiel d'action dû à un stimulus extérieur. Le réflexe myotatique est une contraction musculaire en réponse à son propre étirement.

Un stimulus (ex. marteau sur un tendon) étire la fibre musculaire, ce qui envoie une afférence sensitive à la moelle épinière, où une synapse unique se forme avec un motoneurone. Celui-ci envoie une efférence motrice, provoquant une contraction rapide. Ce réflexe est monosynaptique pour la contraction du muscle étiré. Cependant, pour permettre le mouvement, le muscle antagoniste doit être inhibé, ce qui nécessite un interneurone inhibiteur.

Réflexe de retrait (non tendineux)

Si le stimulus n'est pas tendineux (ex. douleur - nocicepteurs), des interneurones permettent :

• La réponse motrice de retrait (contraction du muscle fléchisseur).

• L'inhibition du muscle extenseur.

• L'envoi du message nociceptif au SNC pour intégration de la douleur (bien que le réflexe n'ait pas besoin de cette sensation pour s'activer).

Physiologie des Membranes

Les concentrations de gaz, ions, glucides, protides et lipides sont différentes de part et d'autre de la membrane cellulaire, créant des gradients. Pour maintenir l'homéostasie, ces composants doivent traverser les membranes malgré leurs propriétés physico-chimiques.

Transport à travers les membranes

La membrane est une bicouche lipidique, imperméable aux molécules d'eau et hydrophiles. La diffusion simple est possible pour les substances lipophiles, mais les substances hydrophiles nécessitent des protéines transmembranaires (diffusion facilitée, transport passif ou actif).

Transport actif

Le transport actif déplace des ions ou molécules contre leur gradient de concentration et utilise de l'énergie (principalement par hydrolyse de l'ATP, mais aussi par oxydo-réduction, photon ou différence de potentiel électrochimique).

• Exemple : La chaîne mitochondriale de transport d'électrons utilise l'énergie du NADH pour transporter des protons contre leur gradient à travers la membrane interne des mitochondries.

Pompe Na/K-ATPase

Cette pompe consomme de l'ATP : l'hydrolyse de l'ATP en ADP + Pi modifie la configuration de la protéine. Elle permet le passage de 3 vers l'extérieur et de 2 vers l'intérieur pour chaque molécule d'ATP consommée, maintenant ainsi une faible concentration de sodium intracellulaire, cruciale pour d'autres co-transports.

Transport passif

Le transport passif ne consomme pas d'énergie. Les molécules passent librement à travers une membrane semi-perméable selon un gradient de concentration (diffusion simple pour molécules liposolubles), de pression partielle ou de potentiel électrique (nécessite un transporteur).

Si c'est l'eau (solvant) qui passe, on parle d'osmose.

Protéines de transport membranaire (diffusion facilitée)

• Protéine canal : Possède un canal permettant le passage direct d'eau ou d'un soluté spécifique.

• Protéine transporteur : Change de conformation pour déplacer un soluté à travers la membrane. Le mouvement net se fait selon le gradient de concentration.

La vitesse de la diffusion facilitée est limitée par le nombre de protéines de transport, atteignant un plateau (transport maximal, Tm) lorsque toutes les protéines sont saturées.

Canaux ioniques

Des protéines transmembranaires régulent l'activité électrophysiologique des cellules.

• Canal ionique (« de fuite ») : Toujours ouvert au passage du substrat.

• Canal voltage-dépendant : S'ouvre ou se ferme en réponse à un changement de polarisation de la membrane.

• Canal ligand-dépendant : Sa liaison avec un ligand entraîne le passage d'une autre substance.

Potentiel de Membrane et Potentiel d'Action

Potentiel de membrane (PM)

Le PM est la différence de potentiel électrique totale entre les faces extracellulaire et intracellulaire de la membrane plasmique, due à la répartition inégale des ions et des protéines. La pompe Na/K-ATPase maintient activement ce gradient.

• PM négatif : La charge totale intracellulaire est plus négative (ou moins positive) qu'en extracellulaire.

• PM positif : La charge totale intracellulaire est plus positive (ou moins négative) qu'en extracellulaire.

Potentiel de repos (PR)

Le PR est le potentiel de membrane d'une cellule excitable au repos (en absence de stimulation). Il est toujours négatif (cellule polarisée). Sa valeur varie selon le type de cellule et se mesure avec des microélectrodes.

Composition ionique au repos

• Extérieur de la membrane : Surtout des ions positifs () et quelques . Aussi des . Globalement, un surplus d'ions positifs.

• Intérieur de la membrane : Surtout des ions positifs () et quelques . Aussi des ions négatifs (protéines et phosphates). Globalement, un surplus d'ions négatifs, d'où un PR négatif.

Potentiel d'action (PA)

Le PA est une brève inversion/modification du potentiel de membrane, essentielle à l'activité cellulaire.

Les mouvements ioniques clés dans la genèse des PA sont :

• Dépolarisation : Entrée de (et de ).

• Repolarisation/Hyperpolarisation : Sortie de .

Étapes du potentiel d'action

Repos : Équilibre, canaux fermés, quelques canaux ouverts.

Dépolarisation initiale : Entrée de , ouverture accrue des canaux .

Dépolarisation avancée : Entrée massive de , ouverture maximale des canaux .

Repolarisation : Sortie de , fermeture des canaux , ouverture maximale des canaux .

Hyperpolarisation : Sortie de continue sans entrée de (canaux inactivés).

Le PA est une séquence de dépolarisations (passage du PR négatif à une valeur positive) et repolarisations (retour au PR négatif, avec hyperpolarisation transitoire).

Encodage de l'information par les neurones

1. Réception d'informations électriques par les dendrites/synapses.

2. Le soma intègre ces informations et génère une réponse.

3. Des trains de PA sont émis et leur mode d'émission est analysé pour déduire des informations sur le stimulus (intensité, fréquence, localisation).

4. Génération d'une réponse adaptée.

Loi du Tout ou Rien pour le PA

• Pour générer un PA, la stimulation doit atteindre un seuil.

• Un stimulus infraliminaire (sous le seuil) ne provoque pas de PA.

• Un stimulus supraliminaire (au-dessus du seuil) provoque toujours un PA de même amplitude.

Période réfractaire

• Période réfractaire absolue : Aucun nouveau PA ne peut être déclenché, quelle que soit l'intensité du stimulus.

• Période réfractaire relative : Un PA peut être déclenché si le stimulus est plus fort, mais son amplitude sera réduite.

Conduction de l'influx nerveux

La stimulation d'une extrémité de l'axone dépolarise la membrane à cet endroit, et ce changement de polarité se transmet rapidement sur toute la longueur de l'axone.

Conduction saltatoire dans les axones myélinisés

Dans les axones myélinisés, la membrane est isolée par des couches de myéline, sauf aux **nœuds de Ranvier** où l'axone est en contact direct avec le liquide extracellulaire. Le PA "saute" d'un nœud de Ranvier à l'autre (conduction saltatoire), ce qui permet :

• D'accélérer la conduction électrique.

• D'économiser de l'énergie.

• D'économiser de l'espace.

Transmission Synaptique

Le passage de l'influx d'un neurone à un autre se fait via une connexion appelée synapse, qui relie l'axone du premier neurone (présynaptique) aux dendrites ou au corps cellulaire du second (postsynaptique).

• Les synapses sont unidirectionnelles (du présynaptique au postsynaptique).

• Une synapse est excitatrice si elle augmente l'activité de la cellule postsynaptique.

• Une synapse est inhibitrice si elle diminue l'activité de la cellule postsynaptique.

Neurotransmetteurs ou Neuromédiateurs

Le signal est transmis sous forme chimique par des neuromédiateurs, stockés dans des vésicules présynaptiques. Ils sont libérés dans la fente synaptique lorsque le PA est déclenché et se fixent à des récepteurs spécifiques sur la membrane postsynaptique.

Mécanisme de la transmission synaptique

Dépolarisation de la membrane du bouton synaptique par l'arrivée du PA.

Ouverture des canaux à voltage-dépendants dans la membrane du bouton et entrée de .

Augmentation de la concentration intracellulaire de . Libération du neurotransmetteur par exocytose dans la fente synaptique (fusion des vésicules présynaptiques avec la membrane).

Diffusion du neurotransmetteur dans la fente synaptique et fixation sur son récepteur sur le neurone postsynaptique.

La fixation du neurotransmetteur provoque l'ouverture de canaux ioniques chimio-dépendants.

Génération d'un potentiel postsynaptique.

Potentiels Post-Synaptiques (PPS)

• Potentiel Postsynaptique Excitateur (PPSE) : Un neuromédiateur excitateur induit une dépolarisation de la membrane postsynaptique, rapprochant le potentiel du seuil de déclenchement d'un PA.

• Potentiel Postsynaptique Inhibiteur (PPSI) : Un neuromédiateur inhibiteur induit une hyperpolarisation de la membrane postsynaptique, éloignant le potentiel du seuil de déclenchement d'un PA.

Intégration synaptique

Chaque neurone reçoit des centaines, voire des milliers de terminaisons présynaptiques, à la fois excitatrices et inhibitrices. Le neurone postsynaptique intègre ces signaux.

• Si l'excitation est supérieure à l'inhibition, une dépolarisation se produit, et si elle dépasse le seuil, un influx nerveux est généré.

• Si l'inhibition est supérieure à l'excitation, il n'y a pas de dépolarisation atteignant le seuil, voire une hyperpolarisation, et aucun influx n'est transmis.

Sommation des PPS

• Sommation temporelle : Des PPSE successifs provenant d'une même synapse s'additionnent.

• Sommation spatiale : Des PPSE provenant de différentes synapses s'additionnent.

• Si les stimuli sont infraliminaires et ne se somment pas, aucun PA n'est généré.

• Si la sommation des PPSI est supérieure à celle des PPSE, aucun PA n'est déclenché.

Exemple de modulation : Si un neurone inhibiteur est actif, il peut rendre un neurone d'association moins sensible à la douleur (plus difficile à dépolariser).

La douleur peut aussi être modulée par d'autres inputs excitateurs (composante sensorio-discriminative), par exemple, se frotter une zone douloureuse ou se distraire.

Élimination des neurotransmetteurs

L'action du neurotransmetteur est de très courte durée. Après son action, il est éliminé de la fente synaptique par :

1. Dégradation par des enzymes dans la fente synaptique.

2. Recaptage par des cellules gliales ou par le bouton synaptique.

3. Diffusion hors de la fente synaptique.

4. Élimination par des astrocytes présents autour de la synapse.

Les neurones baignent dans une "soupe" de neurotransmetteurs en constante évolution.

Jonctions communicantes (nexus, gap junctions)

Certaines membranes cellulaires peuvent être directement reliées par des jonctions communicantes (connexine), permettant une transmission bidirectionnelle de la dépolarisation. Cela synchronise l'activité électrique de populations de cellules (neurones immatures, muscle cardiaque, muscle lisse, hypothalamus).

Ces synapses électriques n'impliquent pas de neurotransmetteurs, n'ont pas de temps de latence ni de période réfractaire.

Communication Cellulaire

Le fonctionnement des organismes pluricellulaires repose sur la communication entre leurs cellules.

Modes de communication

1. Contact direct : Via des jonctions communicantes (gap junctions) qui permettent le passage direct d'ions (, ) ou de petites molécules (< 1500 Daltons, ex: AMP cyclique). Les molécules d'adhérence cellulaire (CAM) sont des glycoprotéines transmembranaires impliquées.

2. Molécules de signalisation (premiers messagers) : Chimiques (cytokines, hormones, neurotransmetteurs), gazeuses (NO, CO). Ces messagers se lient à des récepteurs qui, souvent couplés à un transducteur (protéine G, kinase), génèrent des seconds messagers.

La perméabilité sélective de la bicouche lipidique aux premiers messagers (liposolubles ou hydrosolubles) nécessite des récepteurs membranaires ou intracellulaires (cytosoliques, nucléaires).

Conséquences de l'interaction ligand-récepteur

L'interaction ligand-récepteur peut entraîner :

• Des changements de perméabilité membranaire aux ions et à l'eau.

• Des modifications des activités enzymatiques (surface et intracellulaires).

• Des modifications des activités transcriptionnelles (ADN dans le noyau).

Pour les récepteurs membranaires, la transduction du message est essentielle. Elle se fait par des réactions de phosphorylation/déphosphorylation et/ou par des seconds messagers intracellulaires (petites molécules se déplaçant rapidement dans le cytoplasme vers des cibles).

Phosphorylation et déphosphorylation

La phosphorylation est l'addition d'un groupe phosphate (phosphoryl ) à une protéine ou à un composant cellulaire, transféré depuis l'ATP (ou GTP). La déphosphorylation est le retrait de ce groupe. Les enzymes impliquées sont les kinases (phosphorylation) et les phosphatases (déphosphorylation).

Rôle de la phosphorylation

La phosphorylation, qui concerne environ 1/3 des protéines, est cruciale pour :

• Modifier l'activité des protéines (activation ou inactivation).

• Faciliter le déplacement des protéines entre compartiments subcellulaires.

• Permettre les interactions protéine-protéine et l'adressage pour la dégradation.

Récepteurs couplés aux protéines G (RCPG)

Les RCPG sont la plus grande famille de récepteurs (~1000 identifiés), réagissant à des ligands variés (photons, odorants, hormones, neurotransmetteurs). Une protéine G est un trimère composé d'une sous-unité alpha () liant le GDP et d'un dimère bêta/gamma () indissociable.

Mécanisme de transduction du signal par les RCPG

1. Fixation spécifique du ligand au RCPG.

2. Modification tridimensionnelle du RCPG, qui active la protéine G associée.

3. Le GDP se détache de la sous-unité du RCPG.

4. Le GTP remplace le GDP sur le site de fixation nucléotidique de la sous-unité , activant celle-ci.

5. La sous-unité -GTP activée se détache du dimère .

6. Les deux complexes (-GTP et ) peuvent alors activer différents effecteurs.

7. La sous-unité possède une activité GTPase intrinsèque qui hydrolyse le GTP en GDP, permettant au complexe -GDP de se réassocier avec le dimère , terminant le cycle.

Types de protéines G et leurs effets

Les protéines G, selon la structure de leurs sous-unités, ont des effecteurs et des effets différents, parfois opposés, conduisant à la production de différents seconds messagers.

Seconds messagers

Les seconds messagers relaient le message initial entre le récepteur activé par son ligand et les cibles intracellulaires. Le stimulus peut être extra- ou intracellulaire.

Exemples d'effecteurs de protéines G

Prot Gs : Active l'Adénylate/adényl cyclase, une enzyme membranaire qui fabrique l'AMPc en réponse à la stimulation. L'AMPc stimule d'autres enzymes.

Guanylate/guanyl cyclase : Existe sous forme membranaire ou cytosolique.

Prot Gq : Active la Phospholipase C, une enzyme membranaire qui fabrique l'IP₃ à partir du PIP₂ (lipide membranaire). L'IP₃ active les canaux calciques du réticulum endoplasmique, et le se lie à la protéine kinase C activée par le DAG, qui phosphoryle des protéines cibles.

Activation de protéines enzymatiques et facteurs de transcription

La fixation d'un ligand à son récepteur peut déclencher une cascade d'activation par phosphorylation de protéines enzymatiques (kinases) ou de facteurs de transcription, qui activent ensuite des gènes cibles.

Facteurs de transcription (FT)

Les FT sont des protéines intracellulaires à destinée intranucléaire qui contrôlent l'activation ou l'inhibition de la transcription des gènes.

• NF-B : Hétérodimère (p50 et p65) lié à une protéine inhibitrice (IB). La phosphorylation de IB libère NF-B, qui entre dans le noyau et joue un rôle crucial dans l'inflammation.

• AP-1 : "Activator protein-1", hétérodimère (Jun et Fos) lié par une « glissière de leucine ». Il inhibe les récepteurs des corticoïdes, ce qui inhibe la transcription des gènes anti-inflammatoires.

Régulation de l'expression génique

L'activation/inhibition des gènes cibles nécessite des éléments de réponse (séquences nucléotidiques dans l'ADN) reconnus et liés par les FT. Ces éléments régulent le recrutement du complexe de l'ARN polymérase pour la transcription du gène en ARN messager et la synthèse des protéines. Un élément de réponse peut aussi être répresseur (negative responsive element) et inhiber le gène.

Les hormones lipophiles, comme les stéroïdes, se lient à des récepteurs intracellulaires. Le complexe hormone-récepteur se fixe à un élément de réponse hormonal (HRE) sur l'ADN, activant ou inhibant la transcription génique et la synthèse protéique.

Intégration des signaux (crosstalk)

Chaque cellule peut recevoir plusieurs informations simultanément. Elle intègre un profil complexe de voies de signalisation (crosstalk) pour produire une réponse spécifique.

Modes de signalisation intercellulaire

• Endocrine : Hormones transportées par le sang vers des cellules cibles éloignées.

• Paracrine : Molécules de signalisation agissant sur les cellules voisines.

• Synaptique : Neurotransmetteurs libérés dans la fente synaptique pour agir sur une cellule postsynaptique.

• Autocrine : Une cellule signale et répond à ses propres signaux.

Physiologie des Membranes et du Système Nerveux : Une Introduction

La physiologie, du grec « phusis » (la nature, la vie) et « logos » (la parole, la connaissance), est l'étude du fonctionnement normal (non pathologique) et de l'organisation mécanique, physique et biochimique des organismes vivants et de leurs composants. Cela inclut l'étude des interactions entre un organisme et son environnement, ainsi qu'entre les différents systèmes d'un même organisme, soulignant la nature intégrée et coopérative des systèmes biologiques.

Niveaux d'Organisation Biologique

• Système : Ensemble d'organes ou de glandes collaborant pour assurer de grandes fonctions physiologiques (ex. système cardiovasculaire, système endocrinien).
• Organe : Structure pluricellulaire résultant de la communication, des interactions et de la coordination des cellules pour former un tout capable d'échanges de matière, d'énergie et d'informations avec le milieu extérieur (ex. rein, intestin, peau).
• Tissu : Premier niveau d'organisation supra-cellulaire, composé de cellules spécialisées (différenciées) et de leur matrice extracellulaire (MEC). La MEC joue un rôle structurel, de soutien mécanique, et facilite les interactions cellulaires (ex. tissu nerveux, musculaire, conjonctif, épithélial).
• Cellule : L'unité fondamentale de la vie, de formes variées, entourée d'une membrane qui sépare son intérieur du milieu extérieur et permet les interactions (ex. cellules sanguines, adipocytes, hépatocytes).

Homéostasie

L'homéostasie, définie par Claude Bernard en 1860 comme « l'équilibre dynamique qui nous maintient en vie », est la capacité d'un organisme à maintenir un équilibre de fonctionnement satisfaisant malgré les contraintes extérieures qui tendent au déséquilibre. Ce terme vient du grec « homoïos » (semblable) et « stasis » (arrêt), signifiant le maintien d'un état constant.

Terminologie Médicale : Préfixes, Suffixes et Racines

Comprendre la terminologie médicale est essentiel en physiologie. Voici quelques exemples :

Organisation du Système Nerveux

Le système nerveux est un réseau complexe qui communique avec tous les autres systèmes du corps. Il est généralement divisé en deux grandes parties : le Système Nerveux Central (SNC) et le Système Nerveux Périphérique (SNP).

Système Nerveux Central (SNC)

Le SNC est constitué du cerveau/encéphale et de la moelle épinière. Il reçoit, enregistre et interprète les informations sensorielles entrantes et élabore les réponses.

Encéphale

Situé dans la boîte crânienne, l'encéphale est responsable des fonctions intellectuelles, des émotions et de la plupart des commandes de mouvements. Il régit les fonctions vitales en collaboration avec le système endocrinien. Il est divisé en deux hémisphères, eux-mêmes divisés en lobes, circonvolutions et sillons (ex. lobe frontal, pariétal, temporal, occipital).

À l'intérieur de l'encéphale se trouve le système ventriculaire, composé de 4 cavités en continuité avec la moelle épinière. Ce système produit et fait circuler le liquide céphalo-rachidien/cérébrospinal, qui joue un rôle dans l'amortissement des chocs, la régulation de la pression intracrânienne, l'élimination des déchets et l'immunoréponse.

Substance Grise et Substance Blanche

• Substance grise : Contient les corps cellulaires des neurones. Elle se trouve dans le cortex (surface des hémisphères cérébraux et du cervelet), plus profondément dans les noyaux (ex. thalamus, hypothalamus), dans le tronc cérébral et la moelle épinière. Dans la moelle épinière, elle forme une structure en H au centre, chargée de traiter l'information et d'émettre des réponses motrices rapides (réflexes).
• Substance blanche : Contient les fibres nerveuses, c'est-à-dire les axones entourés d'une gaine de myéline. La myéline est une membrane grasse (environ 40 feuillets, 70% lipides, 30% protides), qui donne la couleur blanche et agit comme un isolant protecteur, facilitant la transmission des signaux nerveux.

Moelle Épinière

La moelle épinière est un cordon de plusieurs dizaines de centimètres situé dans le canal vertébral/rachidien. Elle s'étend du bulbe rachidien à la 2^éme vertèbre lombaire et se termine en « queue de cheval ». Elle est protégée et soutenue par les vertèbres. Son rôle principal est d'assurer la transmission des messages nerveux entre le cerveau et le reste du corps via les nerfs spinaux, et de contrôler certains réflexes.

L'espace épidural, rempli de tissu adipeux et de vaisseaux sanguins, protége la moelle épinière des traumatismes.

Système Nerveux Périphérique (SNP)

Le SNP est composé des nerfs crâniens, des nerfs spinaux et des ganglions. Il véhicule les informations dans les deux sens (entrées sensorielles et sorties motrices) entre le SNC et le reste du corps.

Nerfs Crâniens

Il y a 12 paires de nerfs crâniens, qui sont issus de l'encéphale et innervent principalement la tête et le cou. À l'exception des nerfs olfactifs et optiques qui restent dans la boîte crânienne, les autres émergent du tronc cérébral et quittent la boîte crânienne par des foramens.

Nerfs Spinaux

Il y a 31 paires de nerfs spinaux, formées par l'anastomose d'une racine ventrale motrice (antérieure) et d'une racine dorsale sensitive (postérieure) issues de la moelle épinière. Les nerfs spinaux sont donc mixtes. Leurs ramifications innervent toutes les parties du corps, à l'exception du visage.

Système Nerveux Somatique (SNS)

Le SNS gère les fonctions de relation avec l'extérieur : mouvements volontaires, proprioception (position du corps), perceptions (vision, audition), et sensations (toucher, douleur).

Système Nerveux Autonome (SNA) ou Végétatif

Le SNA est la partie motrice du SNP qui assure le fonctionnement des fonctions vitales non soumises au contrôle volontaire (ex. digestion, fonctions endocriniennes, cardiaques, respiratoires). Il est :

• « Autonome »
• Automatique
• Involontaire
• Inconscient

Le SNA est fortement coordonné par des centres situés dans l'hypothalamus et le bulbe rachidien. Il est constitué de deux systèmes aux fonctions généralement opposées :

• Système sympathique : Plutôt activateur (« fuite ou combat »).
• Système parasympathique : Plutôt ralentisseur (« repos et digestion »).

Le SNA diffère du SNS par ses neurotransmetteurs et l'emplacement de ses corps cellulaires.

Réflexes

• Réflexe myotatique ostéo-tendineux : Contraction involontaire d'un muscle en réponse à son propre étirement. C'est un réflexe monosynaptique au niveau de l'arc réflexe direct du muscle étiré. Cependant, pour permettre le mouvement d'une articulation, il nécessite l'inhibition du muscle antagoniste, ce qui implique un interneurone inhibiteur.
• Réflexes à stimulus non tendineux (ex. nocicepteurs pour la douleur) : Nécessitent un ou plusieurs interneurones qui permettent simultanément :
  • La réponse motrice de retrait (contraction du muscle fléchisseur).
  • L'inhibition du muscle extenseur.
  • L'envoi du message nociceptif au SNC pour la sensation de douleur (bien que le réflexe n'ait pas besoin de cette sensation pour s'activer).

Physiologie des Membranes Cellulaires

Les membranes cellulaires sont des bicouches lipidiques, non miscibles avec les liquides intra- et extracellulaires. Elles agissent comme des barrières pour l'eau et les molécules hydrophiles. Cependant, elles doivent permettre le passage sélectif de gaz, ions, glucides, protides et lipides pour maintenir l'homéostasie et équilibrer les concentrations de part et d'autre de la membrane.

Types de Transport Transmembranaire

Le transport transmembranaire est classé en deux catégories principales :

1. Transport Actif (avec consommation d'énergie)

Ce transport permet le passage d'un ion ou d'une molécule à travers une membrane contre son gradient de concentration. Il nécessite de l'énergie, généralement fournie par l'hydrolyse de l'ATP (nécessitant des enzymes/sites enzymatiques sur des protéines appelées ATPases transmembranaires).

• Pompe Na/K-ATPase : Un exemple primordial. Elle utilise une molécule d'ATP pour faire passer 3 ions Na⁺ de l'intérieur vers l'extérieur et 2 ions K⁺ de l'extérieur vers l'intérieur. Cette pompe est essentielle pour maintenir une faible concentration intracellulaire de Na⁺, ce qui permet des co-transports (transports secondaires actifs) à d'autres endroits de la membrane.
• L'énergie peut aussi provenir d'une oxydo-réduction, d'un photon ou d'une différence de potentiel électrochimique (ex. chaîne mitochondriale de transport d'électrons).

2. Transport Passif (sans consommation d'énergie)

Ce transport se fait selon un gradient (de concentration, de pression partielle ou de potentiel électrique) et ne nécessite pas d'énergie. La membrane agit comme une membrane semi-perméable.

• Diffusion simple : Pour les substances liposolubles (molécules lipophiles), elles peuvent traverser la bicouche lipidique directement.
• Diffusion facilitée : Pour les substances hydrophiles, elle se fait via des protéines transmembranaires. La vitesse est limitée par le nombre de protéines de transport, atteignant un transport maximal (Tm).
  • Protéines canaux : Créent un pore à travers la membrane pour le passage d'eau ou de solutés spécifiques.
    • Canaux ioniques « de fuite » : Toujours ouverts.
    • Canaux voltage-dépendants : S'ouvrent ou se ferment en réponse à un changement de polarisation membranaire.
    • Canaux ligand-dépendants : S'ouvrent suite à la liaison d'un ligand spécifique.
  • Protéines porteuses (carriers) : Alternent entre deux conformations pour déplacer un soluté à travers la membrane. Elles peuvent transporter le soluté dans les deux directions, avec un mouvement net vers le bas du gradient de concentration.
• Osmose : Dans le cas spécifique où le solvant (l'eau) est la molécule qui passe selon son gradient.

Potentiel de Membrane (PM) et Potentiel de Repos (PR)

Le potentiel de membrane (PM) est la différence totale de potentiel électrique entre les faces extracellulaire et intracellulaire de la membrane plasmique. Cette différence est due à la répartition inégale des ions de chaque côté de la membrane, entretenue activement par la pompe Na/K-ATPase.

• Le PM est négatif si la charge totale à l'intérieur est plus négative (ou moins positive) qu'à l'extérieur.
• Le PM est positif si la charge totale à l'intérieur est plus positive (ou moins négative) qu'à l'extérieur.

Le potentiel de repos (PR) est le potentiel de membrane d'une cellule excitable (comme un neurone) au repos, c'est-à-dire en l'absence de stimulation. Il est toujours négatif (« polarisé »).

• Extérieur de la membrane : Surplus d'ions positifs, principalement Na⁺ et un peu de K⁺, avec Cl^- comme ion négatif.
• Intérieur de la membrane : Surplus d'ions négatifs (protéines et ions phosphates), K⁺ comme ion positif principal et peu de Na⁺.

La valeur du PR varie selon le type de cellule.

Potentiel d'Action (PA) et Transmission de l'Influx Nerveux

Un potentiel d'action (PA) est une modification ou une inversion rapide du potentiel de membrane, qui constitue l'information véhiculée par les cellules excitables. Les mouvements d'ions impliqués sont principalement :

• Dépolarisation : Entrée de Na⁺ (et Ca²⁺), rendant le potentiel de membrane positif.
• Repolarisation/Hyperpolarisation : Sortie de K⁺, ramenant le potentiel de membrane à sa valeur négative de repos.

Étapes du Potentiel d'Action

1. Repos : Canaux Na⁺ fermés, quelques canaux K⁺ ouverts, équilibre à -70mV (par exemple).
2. Dépolarisation : Un stimulus atteint le seuil, provoquant l'ouverture massive des canaux Na⁺ voltage-dépendants et une entrée de Na⁺ rapide, inversant la polarisation (atteignant +30mV).
3. Repolarisation : Les canaux Na⁺ s'inactivent, et les canaux K⁺ s'ouvrent davantage, permettant une sortie massive de K⁺.
4. Hyperpolarisation : Les canaux K⁺ restent ouverts un peu plus longtemps, entraînant une sortie excessive de K⁺ et une brève période où le potentiel est plus négatif que le PR. Les canaux Na⁺ sont inactivés.
5. Retour au potentiel de repos grâce à la pompe Na/K-ATPase.

Loi du « Tout ou Rien »

Pour qu'un PA soit généré, la stimulation doit dépasser un certain seuil. Tout stimulus infraliminaire ne provoque pas de PA, tandis que tout stimulus supraliminaire entraîne un PA de même amplitude et durée, quelle que soit l'intensité du stimulus (si celui-ci dépasse le seuil). Le neurone déclenche ou non un influx, il n'y a pas d'intensité intermédiaire pour le PA lui-même.

Période Réfractaire

• Absolue : Durant cette période, aucun nouveau PA ne peut être déclenché, car les canaux Na⁺ sont inactivés.
• Relative : Un nouveau PA peut être déclenché, mais le stimulus doit être plus fort, et son amplitude sera réduite.

Conduction de l'Influx Nerveux

Le changement de polarité du PA est transmis rapidement le long de l'axone. Dans les axones myélinisés, la conduction est « saltatoire » : le PA saute d'un nœud de Ranvier à l'autre (zones non myélinisées où la membrane de l'axone est en contact direct avec le liquide extracellulaire). Cette conduction est plus rapide, économise de l'énergie et de l'espace par rapport aux axones non myélinisés où le PA est généré à chaque segment de membrane adjacent.

Neurones et Cellules Gliales

Neurones

Les neurones sont les unités de travail du système nerveux, étant des cellules excitables qui émettent et propagent les messages nerveux (potentiels d'action électriques). Il y a entre 50 et 100 milliards de neurones qui, à quelques rares exceptions près, ne se reproduisent pas mais établissent de très nombreuses interconnexions. Ils ont une grande longévité et un métabolisme très élevé (20% de la consommation d'énergie totale du corps pour 5% de son poids).

Chaque neurone est formé :

• D'un corps cellulaire (soma) : Contient le noyau et le cytoplasme, intègre les informations et génère la réponse.
• De dendrites : Des prolongements fins servant de pôle récepteur (afférences), reçoivent de nombreux contacts synaptiques et génèrent des potentiels post-synaptiques.
• D'un axone : Prolongement fin servant de pôle émetteur (efférences), prend son origine au niveau du cône d'émergence du soma. Il génère et conduit les potentiels d'action sur de longues distances sans perte d'amplitude.
  • L'axone peut se diviser en collatérales.
  • Il peut présenter des arborisations terminales avec des boutons terminaux renflés ou des boutons en passant (varicosités) le long de l'axone, qui établissent des contacts synaptiques.

Types de Neurones

• Neurones sensitifs : Reliés aux organes des sens, ils transmettent l'information sensorielle de la périphérie vers le SNC.
• Neurones moteurs (motoneurones) : Transportent les ordres de motricité du SNC vers les muscles.
• Neurones d'association (interneurones) : Ni sensoriels ni moteurs, ils font la jonction entre les deux autres types de neurones.

Cellules Gliales

Les cellules gliales sont essentielles au maintien de l'homéostasie neuronale. Elles produisent la myéline, assurent le soutien et la protection du tissu nerveux, fournissent nutriments et oxygène, éliminent les cellules mortes et combattent les pathogènes.

• Oligodendrocytes : Produisent la myéline dans le SNC.
• Cellules de Schwann : Produisent la myéline dans le SNP.
• Astrocytes : Cellules gliales riches et étoilées (ex. recapture du glutamate), soutien métabolique.
• Microglie : Agent immunitaire du SNC, élimine les débris.
• Cellules épendymaires : Tapissent les ventricules, produisent et font circuler le liquide céphalo-rachidien.
• Cellules choroïdiennes : Font partie du plexus choroïde, impliquées dans la production du liquide céphalo-rachidien.

Transmission Synaptique

La synapse est la connexion qui permet le passage de l'influx nerveux d'un neurone à un autre (ou à une cellule cible). Les synapses sont unidirectionnelles, avec une cellule présynaptique et une cellule postsynaptique.

Synapse Chimique

C'est la forme la plus courante. Elle implique des neuromédiateurs (neurotransmetteurs) et fonctionne en plusieurs étapes :

1. L'arrivée du PA au bouton terminal présynaptique dépolarise la membrane.
2. Cette dépolarisation ouvre les canaux à Ca²⁺ voltage-dépendants, entraînant une augmentation de la concentration intracellulaire de Ca²⁺.
3. L'augmentation du Ca²⁺ déclenche la fusion des vésicules présynaptiques (contenant les neurotransmetteurs) avec la membrane, libérant les neurotransmetteurs dans la fente synaptique par exocytose.
4. Les neurotransmetteurs diffusent à travers la fente et se fixent à des récepteurs spécifiques sur la membrane postsynaptique.
5. Cette fixation provoque l'ouverture de canaux ioniques chimio-dépendants, entraînant un changement de potentiel de membrane dans la cellule postsynaptique.

Les neuromédiateurs peuvent être des acides aminés (GABA, Glutamate, Glycine), des amines (Acétylcholine, Dopamine, Adrénaline, Histamine, Noradrénaline, Sérotonine), ou des peptides (Cholécystokinine, Dynorphine, Enképhalines, Neuropeptide Y, Somatostatine, Substance P, etc.).

Potentiels Postsynaptiques

• PPSE (Potentiel Postsynaptique Excitateur) : Un neuromédiateur d'excitation induit une dépolarisation de la membrane postsynaptique, rapprochant le potentiel du seuil de déclenchement d'un PA.
• PPSI (Potentiel Postsynaptique Inhibiteur) : Un neuromédiateur inhibiteur induit une hyperpolarisation de la membrane postsynaptique, éloignant le potentiel du seuil de déclenchement d'un PA.

Intégration Synaptique et Sommation

Un neurone reçoit des centaines, voire des milliers de contacts synaptiques excitateurs et inhibiteurs. L'intégration de ces signaux détermine si un PA sera généré :

• Si l'excitation dépasse l'inhibition et que le seuil est atteint, il y aura dépolarisation et influx nerveux.
• Si l'inhibition prédomine, pas de dépolarisation jusqu'au seuil, voire hyperpolarisation, donc pas d'influx.

La sommation des PPSE peut être :

• Temporelle : PPSE successifs venant d'une même synapse s'additionnent.
• Spatiale : PPSE de plusieurs synapses distinctes s'additionnent.

Les PPSI peuvent annuler ou réduire les effets des PPSE, empêchant la génération d'un PA.

Modulation de la Douleur

L'exemple de la douleur illustre l'intégration synaptique. L'activation d'un neurone inhibiteur peut rendre un neurone d'association moins sensible à la douleur. Des inputs excitateurs supplémentaires (comme se frotter une zone douloureuse) peuvent aussi moduler la perception de la douleur par une composante sensori-discriminative.

Élimination des Neurotransmetteurs

L'action des neurotransmetteurs est de très courte durée car ils sont rapidement éliminés de la fente synaptique par plusieurs mécanismes :

1. Dégradation par des enzymes spécifiques dans la fente synaptique.
2. Recaptage par des cellules gliales (ex. astrocytes pour le glutamate) ou par le bouton présynaptique.
3. Diffusion hors de la fente synaptique.

Synapse Électrique

Contrairement aux synapses chimiques, les synapses électriques (également appelées jonctions communicantes « nexus » ou « gap junctions ») permettent une transmission bidirectionnelle de la dépolarisation via des protéines appelées connexines. Elles n'impliquent pas de neurotransmetteurs, ce qui réduit le temps de latence et l'absence de période réfractaire. Elles sont présentes dans les neurones immatures, le muscle cardiaque, le muscle lisse et l'hypothalamus, permettant la synchronisation d'activité électrique.

Communication Cellulaire et Transduction du Signal

Le fonctionnement de tout organisme pluricellulaire repose sur la communication et les échanges d'informations entre les cellules.

Modes de Communication Cellulaire

• Contact direct : Via les jonctions communicantes (nexus) ou les molécules d'adhérence cellulaire (CAM) qui permettent le passage direct d'ions ou de petites molécules.
• Molécules de signalisation (premiers messagers) : Substances chimiques (cytokines, facteurs de croissance, hormones, neurotransmetteurs) ou gazeuses (NO, CO) qui se lient à des récepteurs spécifiques. Les récepteurs peuvent être membranaires (pour les messagers hydrosolubles) ou intracellulaires (pour les messagers liposolubles).

Transduction du Signal

L'interaction ligand-récepteur entraîne des modifications membranaires et intracellulaires :

• Changement de perméabilité membranaire (ions, eau).
• Modification des activités enzymatiques.
• Modification des activités transcriptionnelles (noyau, ADN).

Pour les récepteurs membranaires, le message est interprété par le récepteur, puis transmis par des molécules de signalisation appelées seconds messagers, souvent via des réactions de phosphorylation/déphosphorylation. Les seconds messagers sont de petites molécules qui diffusent rapidement dans le cytoplasme pour atteindre des cibles (enzymes, protéines régulatrices, ADN).

Phosphorylation et Déphosphorylation

La phosphorylation est l'addition d'un ou plusieurs groupes phosphate (PO₃²–) à une protéine ou un composant cellulaire, généralement transféré d'une molécule d'ATP ou GTP. C'est un mécanisme clé de régulation touchant environ un tiers des protéines cellulaires.

• Enzymes de la phosphorylation : Kinases.
• Enzymes de la déphosphorylation : Phosphatases (libérant du phosphate inorganique, Pi).

La phosphorylation permet :

• La modification de l'activité (activation ou inactivation) des protéines.
• Le déplacement des protéines entre compartiments.
• Les interactions entre protéines ou leur adressage pour la dégradation.

Récepteurs Couplés aux Protéines G (RCPG)

Les RCPG constituent la plus grande famille de récepteurs membranaires, répondant à une grande variété de ligands (photons, molécules odorantes, hormones). Une protéine G est un trimère composé d'une sous-unité α liant le GDP et d'un dimère β/γ indissociable.

Mécanisme d'Activation des RCPG :

1. Le ligand se fixe spécifiquement au RCPG.
2. Le RCPG subit une modification conformationnelle et s'active.
3. La protéine G inactive (liée au GDP) s'associe au récepteur activé.
4. Le GDP se dissocie de la sous-unité α, et le GTP le remplace, activant la sous-unité α.
5. La sous-unité α activée se détache du dimère β/γ.
6. Les complexes α-GTP et β/γ peuvent alors activer des protéines cibles différentes (effecteurs).
7. La sous-unité α possède une activité GTPase intrinsèque qui hydrolyse le GTP en GDP, ce qui la rend inactive et lui permet de se réassocier au dimère β/γ, bouclant le cycle.

Selon leur structure, les protéines G (αs, αi, αq, αt) ont des effecteurs et des effets physiologiques différents, conduisant à la production de seconds messagers spécifiques.

Seconds Messagers Intracellulaires

Les seconds messagers sont des molécules qui relaient le signal du récepteur activé vers les cibles intracellulaires.

• Protéine Gs : Active l'Adénylate/adényl cyclase, qui fabrique l'AMPc (dérivé de l'ATP). L'AMPc stimule d'autres enzymes (ex. PKA).
• Guanilate/guanyl cyclase : Existe sous forme membranaire ou cytosolique, produit le GMPc.
• Protéine Gq : Active la Phospholipase C-β, une enzyme membranaire qui fabrique l'IP₃ et le DAG à partir du PIP₂ (un lipide membranaire). L'IP₃ active les canaux calciques du réticulum endoplasmique, libérant le Ca²± intracellulaire. Le Ca²± et le DAG activent ensemble la Protéine Kinase C (PKC), qui phosphoryle ensuite des protéines cibles.

Activation de Gènes Cibles

La cascade de signalisation peut également impliquer la phosphorylation et l'activation de kinases ou de facteurs de transcription, qui vont activer des gènes cibles dans le noyau. Ces facteurs de transcription se lient à des éléments de réponse (RE) spécifiques dans l'ADN (généralement au niveau du promoteur des gènes), régulant ainsi l'expression des gènes et la synthèse de protéines pour la réponse cellulaire. Les hormones liposolubles (stéroïdes) se lient à des récepteurs intracellulaires formant un complexe hormone-récepteur qui se lie à des éléments de réponse hormonaux (HRE) sur l'ADN pour activer ou inhiber la transcription génique.

Intégration des Signaux Cellulaires (Crosstalk)

Chaque cellule reçoit simultanément diverses informations. Elle intégre alors un profil complexe de voies de signalisation (phénomène de « crosstalk ») pour produire une réponse spécifique et adaptée.

Physiologie des Membranes : Le Système Nerveux et les Tissus Excitables (Antisèche)

Ce résumé explore les fondements de la physiologie des membranes, avec un focus particulier sur le système nerveux et ses tissus excitables. Il s'appuie sur des manuels de référence et des ressources utiles pour une compréhension approfondie.

 Introduction - Définitions Clés

• Physiologie : L'étude du fonctionnement normal des organismes vivants et de leurs composants (systèmes, organes, tissus, cellules). Elle s'intéresse aux interactions internes et avec l'environnement.
  → C'est une matière intégrée, où les systèmes communiquent et coopèrent.

• Homéostasie : Un équilibre dynamique essentiel à la vie, permettant de maintenir un fonctionnement satisfaisant malgré les contraintes environnementales.

Hiérarchie du vivant

• Système : Ensemble d'organes/glandes pour une grande fonction physiologique (ex. cardiovasculaire, endocrinien).

• Organe : Structure pluricellulaire assurant échanges matière/énergie/infos (ex. rein, peau).

• Tissu : Premier niveau d'organisation supra-cellulaire = cellules différenciées + matrice extracellulaire (MEC) avec rôles structural, de soutien et d'interaction.

• Cellule : Unité de base, séparée du milieu extérieur par une membrane.

Préfixes, Suffixes et Racines Fréquents (À connaître !)

 I - Organisation du Système Nerveux (SN)

Le SN est crucial pour la communication et la coordination des fonctions corporelles. Il communique avec tous les autres systèmes !

Composantes Majeures

1. Système Nerveux Central (SNC) :

   • Constitué de l'encéphale (cerveau, cerveau postérieur) et de la moelle épinière.

   • Rôle : recevoir, enregistrer, interpréter les informations et élaborer la réponse.

   • Encéphale : Dans la boîte crânienne, responsable des fonctions intellectuelles, émotions, commandes de mouvements, et régulation des fonctions vitales.

     • Substance Grise : Contient les corps cellulaires des neurones (cortex, noyaux profonds, tronc cérébral, moelle épinière).

     • Substance Blanche : Contient les fibres nerveuses = axones myélinisés.

       • Myéline : Membrane grasse (70% lipides, 30% protides) qui isole et accélère la transmission des signaux.

   • Moelle Épinière : Dans la colonne vertébrale, transporte les informations entre les nerfs spinaux et l'encéphale, et gère certains réflexes.

2. Système Nerveux Périphérique (SNP) :

   • Constitué des nerfs crâniens, spinaux et des ganglions.

   • Rôle : transporter les informations entre le SNC et le reste du corps (entrées sensorielles et sorties motrices).

   • Divisé en :

     • Système Nerveux Somatique (SNS) : Fonctions de relation avec l'extérieur (mouvements volontaires, sensations, proprioception).

     • Système Nerveux Autonome (SNA) (ou végétatif) : Fonctions vitales involontaires (digestion, respiration, rythme cardiaque, endocrinien).

       • Autonome, automatique, involontaire, inconscient.

       • Divisé en Sympathique (plutôt activateur) et Parasympathique (plutôt ralentisseur).

Les Cellules du SN

1. Neurones : Unité de travail du système nerveux.

   • Cellules excitables : émettent et propagent des messages nerveux sous forme de potentiels d'action électriques.

   • Grande longévité, ne se reproduisent pas (sauf exceptions).

   • Métabolisme très élevé (20% de la consommation d'énergie corporelle).

   • Comprend :

     • Corps cellulaire (soma) : Contient le noyau, intègre les informations.

     • Dendrites : Pôle récepteur, reçoivent les informations (afférences).

     • Axone : Pôle émetteur, conduit les potentiels d'action sur de longues distances (efférences).

       • Peut être myélinisé pour une conduction saltatoire (plus rapide et économe).

   • Classification fonctionnelle :

     • Neurones sensitifs : Transmettent l'information de la périphérie vers le SNC.

     • Neurones moteurs (motoneurones) : Transmettent les ordres du SNC vers les muscles.

     • Interneurones (neurones d'association) : Font la jonction entre les sensitifs et les moteurs.

2. Cellules Gliales : Assurent le maintien de l'homéostasie des neurones.

   • Rôles : Production de myéline (oligodendrocytes, cellules de Schwann), soutien, protection, apport de nutriments/oxygène, élimination des déchets, défense immunitaire.

   • Types : Astrocytes, Microglie, Oligodendrocytes, Cellules de Schwann, Cellules épendymaires, Cellules choroïdiennes.

Nerfs

• Organes du SNP composés de fibres nerveuses parallèles (axones ou dendrites).

• Permettent la communication entre le SNC et le reste du corps.

• 12 paires de nerfs crâniens (situés à la base du crâne, innervent tête et cou principalement).

• 31 paires de nerfs spinaux ou rachidiens (mixtes, issus de la moelle épinière, innervent le corps sauf le visage).

Réflexes

• Réflexe monosynaptique : Contraction d'un muscle en réponse à son propre étirement (ex. réflexe rotulien). Une seule synapse entre le neurone sensitif et le neurone moteur.

• Réflexe polysynaptique : Implique un ou plusieurs interneurones. Permet des réponses complexes (ex. retrait rapide d'une main d'une source de douleur, avec inhibition du muscle antagoniste et envoi du message au cerveau).

 II - Transports Transmembranaires

La membrane cellulaire est une bicouche lipidique (barrière pour l'eau et les molécules hydrophiles), mais des mécanismes permettent le passage des substances pour maintenir l'homéostasie.

• Gradient : Différence de concentration ou de potentiel électrochimique de part et d'autre de la membrane.

Types de Transport

1. Transport Actif :

   • Passage contre le gradient de concentration.

   • Nécessite de l'énergie (souvent ATP, via des ATPases comme la pompe Na/K-ATPase).

   • Ex. : La pompe Na/K-ATPase fait passer 3 Na⁺ vers l'extérieur et 2 K⁺ vers l'intérieur en consommant 1 ATP pour maintenir le gradient.

2. Transport Passif :

   • Pas de consommation d'énergie.

   • Molécules passent selon leur gradient (concentration, pression partielle, potentiel électrique).

   • Diffusion Simple : Pour substances lipophiles (sans transporteur).

   • Osmose : Transport de l'eau (solvant).

3. Diffusion Facilitée :

   • Forme de transport passif nécessitant des protéines transmembranaires.

   • Canaux (Pores) : Toujours ouverts ou régulés (voltage-dépendants, ligand-dépendants).

     • Canal de fuite ionique : Permet un passage constant du substrat.

     • Canal voltage-dépendant : S'ouvre/ferme en réponse à un changement de polarisation membranaire.

     • Canal ligand-dépendant : S'ouvre/ferme quand un ligand s'y fixe.

   • Transporteurs (Carriers) : Alternent entre différentes conformations pour déplacer le soluté.

   • La vitesse est limitée par le nombre de transporteurs (transport maximal Tm).

   • Types :

     • Uniport : Transporte une seule molécule.

     • Cotransport : Transporte deux molécules simultanément.

       • Symport : Dans la même direction.

       • Antiport : Dans des directions opposées.

 III - Potentiels Électriques des Membranes

Potentiel de Membrane (PM)

• Différence de potentiel électrique entre les faces extra- et intracellulaire de la membrane.

• Entretenu principalement par la pompe Na/K-ATPase qui maintient le gradient ionique.

• Négatif si la charge totale intracellulaire est plus négative qu'extracellulaire.

• Positif si la charge totale intracellulaire est plus positive qu'extracellulaire.

Potentiel de Repos (PR)

• PM d'une cellule excitable au repos (sans stimulation).

• Toujours négatif (la cellule est polarisée).

• Environ -70 mV pour un neurone.

• Intérieur : Surplus d'ions négatifs (protéines, phosphates) et K⁺.

• Extérieur : Surplus d'ions positifs (Na⁺, Cl⁻).

Potentiel d'Action (PA)

• Modification transitoire et rapide du potentiel de membrane, entraînant une activité cellulaire.

• Phases (pour un neurone) :

  1. Repos : Canaux Na⁺ fermés, quelques canaux K⁺ ouverts.

  2. Dépolarisation : Entrée massive de Na⁺ (ouverture des canaux Na⁺ voltage-dépendants), le PM devient positif.

  3. Repolarisation : Sortie de K⁺ (fermeture des canaux Na⁺, ouverture des canaux K⁺), le PM redevient négatif.

  4. Hyperpolarisation : Sortie prolongée de K⁺, PM plus négatif que le PR avant de revenir à la normale.

Propriétés du Potentiel d'Action

• Loi du Tout ou Rien : Un PA est généré uniquement si le stimulus atteint un certain seuil. En dessous, rien ; au-dessus, le PA est toujours de la même amplitude.

• Périodes Réfractaires :

  • Absolue : Aucun nouveau PA ne peut être déclenché.

  • Relative : Un stimulus plus fort peut déclencher un PA, mais d'amplitude réduite.

• Propagation du PA :

  • Le changement de polarité se transmet le long de l'axone.

  • Dans les axones myélinisés, la conduction est saltatoire : le PA "saute" de nœud de Ranvier en nœud de Ranvier.

    • Buts : accélérer la conduction, économiser de l'énergie et de l'espace.

 IV - Transmission de l'Influx Nerveux : Synapses

Le passage de l'influx nerveux d'un neurone à l'autre se fait via des synapses.

Synapses Chimiques

• Signal unidirectionnel.

• Impliquent des neuromédiateurs (neurotransmetteurs) libérés dans la fente synaptique.

• Étapes :

  1. Arrivée du PA au bouton présynaptique → dépolarisation.

  2. Ouverture des canaux Ca²⁺ voltage-dépendants → entrée de Ca²⁺.

  3. Augmentation du Ca²⁺ intracellulaire → libération des neurotransmetteurs par exocytose.

  4. Diffusion des NT dans la fente synaptique.

  5. Fixation des NT aux récepteurs sur la membrane postsynaptique.

  6. Ouverture de canaux ioniques postsynaptiques (ligand-dépendants) → génération de potentiels postsynaptiques.

Neurotransmetteurs

• Molécules chimiques qui transmettent le signal.

• Exemples : Acétylcholine, GABA, Glutamate, Dopamine, Sérotonine, Noradrénaline, etc.

Potentiels Postsynaptiques

• PPSE (Potentiel Postsynaptique Excitateur) : Dépolarisation de la membrane postsynaptique, favorise le déclenchement d'un PA. Souvent dû à l'entrée de Na⁺.

• PPSI (Potentiel Postsynaptique Inhibiteur) : Hyperpolarisation de la membrane postsynaptique, rend plus difficile le déclenchement d'un PA. Souvent dû à l'entrée de Cl⁻ ou sortie de K⁺.

Intégration et Sommation des PPSE et PPSI

• Un neurone reçoit des centaines de stimuli excitatoires et inhibiteurs simultanément.

• Le soma intègre tous ces signaux :

  • Si la somme des excitations l'emporte sur les inhibitions et atteint le seuil → déclenchement d'un PA.

  • Si l'inhibition l'emporte → pas de PA.

• Sommation temporelle : PPSE successifs d'une même synapse s'additionnent.

• Sommation spatiale : PPSE de plusieurs synapses différentes s'additionnent.

Devenir des Neurotransmetteurs

• L'action des NT est très courte.

• Élimination de la fente synaptique par :

  • Dégradation enzymatique.

  • Recaptage par les cellules gliales ou le bouton présynaptique.

  • Diffusion hors de la fente.

  • Élimination par les astrocytes.

Synapses Électriques

• Les cellules sont connectées par des jonctions communicantes (nexus, gap junctions).

• Transmission bidirectionnelle et rapide de la dépolarisation.

• Pas de neurotransmetteurs ni de temps de latence.

• Permettent la synchronisation de l'activité électrique de populations de cellules (ex. muscle cardiaque, muscle lisse).

 V - Communication Intercellulaire (Approches Générales)

Le fonctionnement de tout organisme repose sur la communication entre les cellules.

Modes de Communication

1. Contact Direct :

   • Via les jonctions communicantes (passage direct d'ions, petites molécules).

   • Via les molécules d'adhérence cellulaire (CAM).

2. Molécules de Signalisation (Premiers Messagers) :

   • Nature variée : chimiques (cytokines, hormones, neurotransmetteurs), gazeuses (NO), etc.

   • Nécessitent des récepteurs (membranaires ou intracellulaires).

   • L'interaction ligand-récepteur entraîne des modifications cellulaires (perméabilité, activité enzymatique, transcription).

Transduction du Signal

• Processus par lequel le message du premier messager est interprété par le récepteur et transmis à l'intérieur de la cellule par des cascades de signalisation.

• Implique souvent des réactions de phosphorylation/déphosphorylation et des seconds messagers.

Phosphorylation et Déphosphorylation

• Phosphorylation : Addition d'un groupe phosphate (PO₃²⁻) à une protéine (via kinases) ou un composant cellulaire, utilisant l'ATP.

• Déphosphorylation : Retrait d'un groupe phosphate (via phosphatases).

• Rôle capital : modifier l'activité (activation/désactivation) des protéines, déplacement, interactions, dégradation.

• Forme des cascades de phosphorylation pour amplifier et diversifier le signal.

Récepteurs Couplés aux Protéines G (RCPG)

• La plus large famille de récepteurs à ligands variés (hormones, neurotransmetteurs, photons...).

• Activation du RCPG par un ligand → activation d'une protéine G trimérique (sous-unité α liant le GDP/GTP + dimère β/γ).

• L'échange GDP/GTP sur la sous-unité α active la protéine G.

• Les sous-unités α-GTP et β/γ se dissocient et activent des effecteurs différents, qui produisent des seconds messagers.

Seconds Messagers

• Petites molécules intracellulaires qui relient le récepteur aux cibles, voyageant rapidement dans le cytoplasme.

• Exemples :

  • Nucléotides cycliques : AMP cyclique (AMPc), GMP cyclique (GMPc).

    • Biosynthèse de l'AMPc : via Adénylyl cyclase (activée par prot Gs).

    • Biosynthèse du GMPc : via Guanylyl cyclase.

  • Ions : Calcium (Ca²⁺), Magnésium (Mg²⁺).

  • Molécules lipidiques/glucidiques : Inositol 1,4,5-triphosphate (IP₃), 1,2-diacylglycérol (DAG).

    • Biosynthèse d'IP₃ et DAG : via Phospholipase C (activée par prot Gq) à partir de PIP₂.

    • IP₃ active les canaux calciques du réticulum endoplasmique.

    • DAG active la protéine kinase C.

Facteurs de Transcription

• Protéines intracellulaires qui contrôlent l'activation ou l'inhibition de la transcription des gènes dans le noyau.

• Peuvent être activés par des cascades de phosphorylation (ex. MAP kinases).

• Exemples : NF-κB (inflammation), AP-1 (inhibition des récepteurs des corticoïdes).

Éléments de Réponse Nucléaires (RE)

• Courtes séquences nucléotidiques dans l'ADN (promoteur) reconnues et liées par les facteurs de transcription. */

• Permettent la régulation de l'expression des gènes.

• HRE (element de réponse aux hormones) : Sous-type de RE spécifique aux hormones lipophiles (stéroïdes), qui se lient à des récepteurs intracellulaires puis au HRE pour activer/inhiber la transcription.

Réponse Cellulaire

• Chaque cellule intègre un profil complexe de voies de signalisation (crosstalk) pour produire une réponse spécifique et adaptée aux multiples informations reçues.

Introduction à la Physiologie et à l'Homéostasie

La physiologie (du grec phusis, la nature/vie, et logos, la connaissance) est la science qui étudie le fonctionnement normal des organismes vivants et de leurs composants. Elle analyse les mécanismes mécaniques, physiques et biochimiques qui permettent à un organisme de vivre, de croître et de se reproduire, en s'intéressant également aux interactions avec son environnement.

Le Concept d'Homéostasie

Proposé par Claude Bernard au XIXe siècle, le concept d'homéostasie est fondamental en physiologie. Il décrit la capacité d'un organisme à maintenir la stabilité relative de son milieu intérieur (température corporelle, pH sanguin, glycémie, etc.) malgré les variations constantes de l'environnement extérieur.

« L’homéostasie est l’équilibre dynamique qui nous maintient en vie. » - Claude Bernard

Cet équilibre n'est pas statique mais dynamique, impliquant des ajustements constants via des mécanismes de régulation (principalement des rétroactions négatives) pour maintenir les paramètres physiologiques dans une fourchette de valeurs compatibles avec la vie.

Niveaux d'Organisation du Vivant

• Cellules : Unités fondamentales de la vie, de formes variées, spécialisées dans des fonctions précises (ex: neurones, hépatocytes). Elles sont délimitées par une membrane plasmique qui régule les échanges avec le milieu extérieur.

• Tissus : Ensembles de cellules similaires et de leur matrice extracellulaire (MEC), organisés pour accomplir une fonction commune. Il existe quatre grands types de tissus : épithélial, conjonctif, musculaire et nerveux.

• Organes : Structures composées d'au moins deux types de tissus (souvent quatre) travaillant en coordination pour réaliser des fonctions spécifiques et complexes (ex: le cœur, le rein, le foie).

• Systèmes : Ensembles d'organes qui collaborent pour assurer les grandes fonctions vitales de l'organisme (ex: système nerveux, système cardiovasculaire, système digestif).

Terminologie Médicale Courante (Préfixes, Suffixes, Racines)

La compréhension de certains termes récurrents est essentielle pour l'étude de la physiologie.

I. Organisation du Système Nerveux

Le système nerveux est le centre de contrôle et de communication de l'organisme. Il perçoit les changements (stimuli) internes et externes, les interprète et y répond en activant des muscles ou des glandes. Il est en communication constante avec tous les autres systèmes du corps.

Divisions structurelles et fonctionnelles

Le système nerveux est divisé en deux grandes parties structurelles :

• Le Système Nerveux Central (SNC) : Composé de l'encéphale (cerveau, cervelet, tronc cérébral) et de la moelle épinière. Il est le centre d'intégration et de commande : il reçoit les informations sensorielles, les analyse et élabore une réponse motrice.

• Le Système Nerveux Périphérique (SNP) : Composé des nerfs (crâniens et spinaux) et des ganglions qui relient le SNC au reste du corps. Il assure le transport des informations entre le SNC et les organes, muscles et récepteurs sensoriels.

Le SNP se subdivise fonctionnellement en :

• Voie sensitive (afférente) : Transporte les informations depuis les récepteurs sensoriels (peau, yeux, etc.) vers le SNC.

• Voie motrice (efférente) : Transporte les ordres du SNC vers les effecteurs (muscles et glandes). Elle se divise elle-même en :

  • Système Nerveux Somatique (SNS) : Contrôle les mouvements volontaires des muscles squelettiques.

  • Système Nerveux Autonome (SNA) ou végétatif : Régule les fonctions vitales involontaires et inconscientes (rythme cardiaque, digestion, respiration). Il comprend les divisions sympathique (souvent excitatrice, "combat ou fuite") et parasympathique (souvent inhibitrice, "repos et digestion").

1. Les Cellules du Système Nerveux

Les Neurones

Le neurone est l'unité fonctionnelle fondamentale du système nerveux. Ces cellules excitables sont spécialisées dans la génération et la transmission de signaux électriques, appelés potentiels d'action. Le corps humain en compte près de 100 milliards.

Un neurone typique est composé de :

• Corps cellulaire (soma) : Contient le noyau et les organites. C'est le centre métabolique de la cellule.

• Dendrites : Prolongements courts et ramifiés qui constituent la principale surface de réception des signaux provenant d'autres neurones.

• Axone : Prolongement unique et long qui prend naissance au niveau du cône d'émergence. Il conduit l'influx nerveux du corps cellulaire vers d'autres cellules (neurones, muscles, glandes) via ses terminaisons axonales.

Le flux d'information est unidirectionnel : il va des dendrites (pôle récepteur) vers l'axone (pôle émetteur).

La Substance Grise et la Substance Blanche

• La substance grise est principalement constituée des corps cellulaires des neurones, des dendrites et des axones non myélinisés. C'est le lieu de traitement de l'information (synapses). Elle se trouve dans le cortex cérébral et les noyaux profonds du SNC.

• La substance blanche est composée d'axones myélinisés. La myéline, une gaine lipidique isolante, donne sa couleur blanche et permet une conduction beaucoup plus rapide de l'influx nerveux. Elle forme les voies de communication (faisceaux) dans le SNC.

Les Cellules Gliales (ou Névroglie)

Plus nombreuses que les neurones, les cellules gliales ne transmettent pas d'influx nerveux mais assurent le soutien, la nutrition, la protection et l'isolation des neurones.

• Astrocytes : En forme d'étoile, ils forment la barrière hémato-encéphalique, régulent la composition du milieu extracellulaire et recaptent les neurotransmetteurs.

• Oligodendrocytes (SNC) et Cellules de Schwann (SNP) : Forment la gaine de myéline autour des axones.

• Microglie : Rôle immunitaire, elles phagocytent les débris cellulaires et les pathogènes.

• Cellules épendymaires : Tapissent les cavités du SNC (ventricules) et participent à la production du liquide céphalo-rachidien.

2. Nerfs et Réflexes

Un nerf est un regroupement d'axones (fibres nerveuses) dans le SNP. Il assure la liaison entre le SNC et la périphérie. On distingue les nerfs crâniens (12 paires, issus de l'encéphale) et les nerfs spinaux (31 paires, issus de la moelle épinière).

La plupart des nerfs sont mixtes, c'est-à-dire qu'ils contiennent à la fois des fibres sensitives (afférentes) et motrices (efférentes).

Les Réflexes

Un réflexe est une réponse motrice rapide, prévisible et involontaire à un stimulus. Le circuit neuronal impliqué est appelé arc réflexe.

• Réflexe monosynaptique : Le plus simple et le plus rapide. Le neurone sensitif est directement connecté au neurone moteur dans la moelle épinière (une seule synapse). L'exemple classique est le réflexe myotatique (ex: réflexe rotulien), où l'étirement d'un muscle provoque sa propre contraction.

• Réflexe polysynaptique : Implique un ou plusieurs interneurones entre le neurone sensitif et le neurone moteur. Cela permet des réponses plus complexes, comme le réflexe de retrait (ex: retirer sa main d'une surface chaude), qui implique la contraction des muscles fléchisseurs et l'inhibition simultanée des muscles extenseurs antagonistes.

II. Physiologie de la Membrane et Transports

La membrane plasmique est une bicouche lipidique semi-perméable qui sépare le milieu intracellulaire (cytoplasme) du milieu extracellulaire. Sa perméabilité sélective est cruciale pour le maintien de l'homéostasie cellulaire et pour la fonction des cellules excitables.

1. Transport Passif

Ne nécessite pas d'énergie (ATP). Le mouvement se fait selon le gradient de concentration (du plus concentré vers le moins concentré).

• Diffusion simple : Passage direct à travers la bicouche lipidique de petites molécules non polaires et liposolubles (O₂, CO₂, stéroïdes).

• Diffusion facilitée : Passage de molécules polaires ou d'ions (glucose, acides aminés, K⁺) via des protéines transmembranaires spécifiques.

  • Canaux protéiques : Forment un pore hydrophile. Certains sont toujours ouverts (canaux de fuite), d'autres sont régulés (voltage-dépendants, ligand-dépendants).

  • Transporteurs (carriers) : Changent de conformation pour faire passer la molécule de l'autre côté. Ce type de transport est saturable (vitesse maximale, Tm).

• Osmose : Mouvement de l'eau à travers une membrane semi-perméable, du milieu le moins concentré en solutés vers le plus concentré.

2. Transport Actif

Nécessite de l'énergie (généralement sous forme d'ATP) pour déplacer des substances contre leur gradient de concentration.

Exemple clé : La Pompe Sodium-Potassium (-ATPase)

Cette protéine de transport est essentielle au fonctionnement de toutes les cellules animales, en particulier les neurones.

À chaque cycle, elle hydrolyse une molécule d'ATP pour expulser 3 ions sodium () hors de la cellule et importer 2 ions potassium () à l'intérieur.

Cette pompe est cruciale car elle :

• Maintient les gradients de concentration de (faible à l'intérieur) et de (élevé à l'intérieur).

• Crée une différence de potentiel électrique à travers la membrane, contribuant au potentiel de repos.

• Fournit l'énergie potentielle (gradient de ) nécessaire aux transports actifs secondaires (cotransport).

III. Potentiels de Membrane et Potentiel d'Action

Les cellules excitables (neurones, cellules musculaires) peuvent générer des signaux électriques rapides en modifiant la perméabilité de leur membrane aux ions.

1. Le Potentiel de Repos

Le potentiel de repos est la différence de potentiel électrique à travers la membrane d'une cellule excitable lorsqu'elle est inactive. Il est négatif (environ -70 mV dans un neurone), signifiant que l'intérieur de la cellule est plus négatif que l'extérieur.

Il résulte de deux facteurs principaux :

1. Une répartition inégale des ions : L'intérieur est riche en et en protéines chargées négativement, tandis que l'extérieur est riche en et .

2. Une perméabilité membranaire différentielle : Au repos, la membrane est beaucoup plus perméable aux ions qu'aux ions , grâce aux nombreux canaux de fuite au potassium ouverts. La sortie nette d'ions positifs () rend l'intérieur négatif.

La pompe -ATPase maintient activement ces gradients sur le long terme.

2. Le Potentiel d'Action (PA)

Le potentiel d'action est une inversion rapide, brève et de grande amplitude du potentiel de membrane, qui se propage le long de l'axone. C'est l'unité fondamentale de l'information nerveuse.

Le PA obéit à la loi du "tout ou rien" : si un stimulus atteint un certain seuil de dépolarisation (environ -55 mV), un PA de même amplitude est déclenché. En dessous du seuil, rien ne se passe.

Phases du Potentiel d'Action :

1. Dépolarisation : Un stimulus initial provoque une légère dépolarisation. Si le seuil est atteint, les canaux voltage-dépendants s'ouvrent massivement. L'entrée rapide d'ions rend l'intérieur de la membrane positif (jusqu'à +30 mV).

2. Repolarisation : Les canaux s'inactivent et les canaux voltage-dépendants, plus lents, s'ouvrent. La sortie massive d'ions ramène le potentiel de membrane vers sa valeur de repos négative.

3. Hyperpolarisation : Les canaux restent ouverts un peu plus longtemps, ce qui provoque une brève hyperpolarisation (potentiel plus négatif que le repos). Le potentiel de repos est ensuite restauré par les canaux de fuite et la pompe -ATPase.

Périodes Réfractaires

• Période réfractaire absolue : Pendant la dépolarisation et la majeure partie de la repolarisation, un nouveau PA ne peut absolument pas être déclenché, car les canaux sont déjà ouverts ou inactivés. Cela assure la propagation unidirectionnelle du PA.

• Période réfractaire relative : Pendant l'hyperpolarisation, un PA peut être déclenché, mais seulement par un stimulus plus fort que la normale.

Propagation du PA

Le PA ne se déplace pas, il est régénéré de proche en proche le long de l'axone. Dans les axones myélinisés, la propagation est beaucoup plus rapide et efficace. La myéline agit comme un isolant, et le PA "saute" d'une interruption de la gaine (nœud de Ranvier) à la suivante. Ce mécanisme est appelé conduction saltatoire.

IV. Transmission Synaptique

Une synapse est la jonction fonctionnelle entre un neurone (présynaptique) et une autre cellule (postsynaptique, qui peut être un autre neurone, une cellule musculaire ou glandulaire). C'est là que l'information est transmise.

1. Synapses Chimiques

Les plus courantes. Le signal électrique (PA) est converti en signal chimique (neurotransmetteur) pour traverser l'espace synaptique (fente synaptique).

Étapes de la transmission :

1. Arrivée du PA : Le PA atteint la terminaison axonale du neurone présynaptique.

2. Ouverture des canaux calciques : La dépolarisation ouvre des canaux voltage-dépendants.

3. Entrée de Calcium : Des ions calcium () entrent dans la terminaison axonale.

4. Libération des neurotransmetteurs : L'augmentation du provoque la fusion des vésicules synaptiques (contenant les neurotransmetteurs) avec la membrane présynaptique et leur libération par exocytose dans la fente synaptique.

5. Liaison aux récepteurs : Les neurotransmetteurs diffusent et se lient à des récepteurs spécifiques sur la membrane postsynaptique.

6. Génération d'un potentiel postsynaptique : Cette liaison ouvre ou ferme des canaux ioniques, provoquant un changement local du potentiel de membrane de la cellule postsynaptique.

2. Potentiels Postsynaptiques (PPS)

• Potentiel Postsynaptique Excitateur (PPSE) : Si le neurotransmetteur provoque une dépolarisation (généralement par ouverture de canaux ), il rapproche le neurone postsynaptique du seuil d'excitation. Ex: Glutamate.

• Potentiel Postsynaptique Inhibiteur (PPSI) : Si le neurotransmetteur provoque une hyperpolarisation (généralement par ouverture de canaux ou ), il éloigne le neurone du seuil, le rendant moins susceptible de déclencher un PA. Ex: GABA, Glycine.

3. Intégration Synaptique

Un seul neurone peut recevoir des milliers de signaux PPSE et PPSI simultanément. Il doit intégrer ces signaux. Cette intégration, appelée sommation, se produit au niveau du cône d'émergence.

• Sommation temporelle : Des PPSE/PPSI successifs et rapides provenant d'une seule synapse s'additionnent.

• Sommation spatiale : Des PPSE/PPSI provenant de synapses différentes et se produisant en même temps s'additionnent.

Si la somme de toutes les dépolarisations et hyperpolarisations atteint le seuil, le neurone postsynaptique déclenche un PA. Sinon, aucun PA n'est émis.

4. Devenir des Neurotransmetteurs

L'action du neurotransmetteur doit être brève. Il est éliminé de la fente synaptique par :

• Recapture : Par des transporteurs sur le neurone présynaptique ou les cellules gliales.

• Dégradation enzymatique : Par des enzymes dans la fente synaptique (ex: acétylcholinestérase pour l'acétylcholine).

• Diffusion : Hors de la fente synaptique.

V. Communication Cellulaire et Transduction du Signal

Les cellules communiquent via des molécules de signalisation (premiers messagers) qui se lient à des récepteurs. Pour les messagers qui ne peuvent pas traverser la membrane (hydrosolubles), le signal doit être "transduit" à l'intérieur de la cellule via des cascades de signalisation intracellulaire.

1. Phosphorylation et Déphosphorylation

Un mécanisme de régulation cellulaire fondamental. La phosphorylation est l'ajout d'un groupe phosphate () à une protéine, catalysée par une kinase. La déphosphorylation est le retrait de ce groupe, catalysée par une phosphatase.

Cet ajout/retrait agit comme un interrupteur moléculaire, modifiant la conformation de la protéine et donc son activité (activation ou inactivation).

2. Récepteurs Couplés aux Protéines G (RCPG)

Une très grande famille de récepteurs membranaires. Lorsqu'un ligand (premier messager) se lie à un RCPG, celui-ci active une protéine G intracellulaire.

Cycle d'activation :

1. Le ligand se fixe, le récepteur change de forme et active la protéine G.

2. La protéine G échange sa molécule de GDP contre une molécule de GTP, ce qui l'active.

3. La sous-unité activée se détache et va activer (ou inhiber) une enzyme effectrice (ex: adénylate cyclase).

4. L'enzyme effectrice produit un second messager.

5. L'activité s'arrête lorsque la sous-unité hydrolyse le GTP en GDP et se réassocie avec les autres sous-unités.

3. Seconds Messagers

Petites molécules non protéiques qui diffusent rapidement dans la cellule pour relayer et amplifier le signal initial.

4. Réponse Cellulaire Finale

La cascade de signalisation aboutit à une réponse cellulaire, qui peut être :

• Une modification de l'activité enzymatique (réponse rapide).