Sciences Biologiques - La Communication Cellulaire PDF

Sciences Biologiques La biologie cellulaire La communication cellulaire au travers des exemples Dr Ludivine CANIVET [email protected] La communication cellulaire Cellule, notamment eucaryote, est dynamique et s’i...

Sciences Biologiques La biologie cellulaire La communication cellulaire au travers des exemples Dr Ludivine CANIVET [email protected] La communication cellulaire Cellule, notamment eucaryote, est dynamique et s’intègre dans un environnement avec lequel elle communique. Dans le cours en promo complète : La communication cellulaire au niveau cellulaire, au niveau de la membrane plasmique mais aussi le rôle du cytosquelette dans cette communication Communication au niveau de l’organisme Le réflexe myotatique ou mouvement réflexe Le mouvement volontaire Le cerveau, organe clé 2 Le reflexe myotatique ou mouvement réflexe  https://app.wooclap.com/events/SJFQEQ/0 Quelques questions … 4 Quelques questions … 5 Quelques questions … 6 Quelques questions … 7 Quelques questions … 8 Quelques questions … 9 Quelques questions … 10 Quelques questions … 11 L’organisme peut réaliser deux types de mouvements : des mouvements volontaires, qui sont contrôlés et donc générés par le cerveau, et des mouvements réflexes, qui au contraire ne répondent pas à un acte volontaire et qui ne sont donc pas générés par le cerveau. Certains mouvements réflexes permettent de protéger l’organisme. Les réflexes : réalisation de mouvement involontaires en réponse à des stimulations de l’environnement Mouvement réflexe : mise en jeu de la contraction musculaire sous l’effet d’une commande nerveuse Il s’agit d’une réaction involontaire et stéréotypée. Ce réflexe permet à un muscle de s’opposer à son propre étirement et donc de conserver un tonus musculaire, c’est-à-dire un état de contraction permanent et léger. Le tonus musculaire est en particulier indispensable au maintien de la posture. Lors d’un examen de santé, le test des réflexes myotatiques sert d’outil pour apprécier l’intégrité du système neuromusculaire. 12 Quelques définitions … Récepteur sensoriel : perçoit le stimulus, puis élabore un message nerveux sensoriel (ou afférent) Nerf sensoriel : transporte le message nerveux sensoriel (ou afférent) du récepteur sensoriel au centre nerveux (encéphale ou moelle épinière) Centre nerveux : reçoit le message nerveux sensoriel (ou afférent), intègre l’information reçue et élabore un message nerveux moteur (ou efférent) Nerf moteur : transporte le message nerveux moteur (ou efférent) du centre nerveux à l’effecteur (ex. un muscle) Effecteur : reçoit le message nerveux et réagit en fonction de ce message (par exemple : contraction musculaire). 13 Le reflexe myotatique ou mouvement réflexe https://www.youtube.com/watch?v=KyX9OkEVaBY 14 La réalisation du réflexe myotatique : fait intervenir plusieurs structures qui constituent ensemble un circuit nerveux particulier appelé arc réflexe. Celui-ci correspond donc à un circuit nerveux aboutissant à la production d’un réflexe. L’organisation du réflexe myotatique est étudiée à l’échelle cellulaire, dont l’élément de base est la cellule nerveuse, appelée neurone. Un reflexe est un mouvement involontaire déclenché par un stimulus. L’arc reflexe : mise en jeu : d’un récepteur sensoriel (les neurones) véhiculant les messages nerveux Un centre nerveux qui regroupent les corps cellulaires des neurones et un muscle. 15 La réalisation du réflexe myotatique : L’arc reflexe implique : l’élaboration de messages nerveux, leur propagation, leur transmission entre neurones (relais synaptique) entre neurone et cellule musculaire (ou fibre musculaire) 16 La réalisation du réflexe myotatique : Les neurones = cellules capables de générer des messages nerveux Neurone : Structure polarisée 17  La réalisation du réflexe myotatique : Les neurones = cellules capables de générer des messages nerveux Synapse : zone de contact entre un neurone et une autre cellule au niveau de laquelle un message nerveux est transmis par la libération de neurotransmetteurs. 18 La réalisation du réflexe myotatique : Figure 3 : Structure des neurones impliqués dans le reflexe myotatique 19 La réalisation du réflexe myotatique : Les neurones Les fibres nerveuses (les axones très souvent, les dendrites beaucoup plus rarement) sont parfois recouvertes d'une gaine de myéline isolante constituée d'une spirale à tours jointifs de membrane plasmique particulièrement riche en lipides (cholestérol, phospholipides, glycolipides) qui leur permet d'augmenter la vitesse des signaux électriques qu'elles véhiculent. On distingue ainsi : des fibres amyéliniques (dépourvues de myéline) dont la vitesse de conduction n'excède pas 2,3 m/s, des fibres myélinisées dont la vitesse de conduction, proportionnelle à l'épaisseur de myéline, peut atteindre 120 m/s. Le processus de myélinisation démarre au cours de la vie intra-utérine et se poursuit plusieurs années après la naissance ce qui explique que certaines fonctions du système nerveux ne soient matures que tardivement. À l'inverse, il peut s'opérer au cours de la vie un processus de démyélinisation à l'origine de la sclérose en plaques, une maladie neurodégénérative impliquant les cellules gliales. La production de myéline est en effet assurée par les oligodendrocytes au niveau central et par les cellules de Schwann au niveau périphérique. 20 La réalisation du réflexe myotatique : Dans le cadre du réflexe myotatique, le récepteur sensoriel fait partie d’une structure appelée fuseau neuromusculaire. Sensible à l’étirement du muscle, le fuseau neuromusculaire est constitué de cellules musculaires modifiées et à l’extrémité d’un neurone sensitif. 21 La réalisation du réflexe myotatique : La transmission du message nerveux moteur au muscle s’effectue au niveau de la jonction neuromusculaire, qui correspond à une synapse entre un neurone moteur (ou motoneurone) et une cellule musculaire. 22 La réalisation du réflexe myotatique : Le centre nerveux impliqué dans le réflexe myotatique = la moelle épinière Donc réflexe médullaire ou spinal. Le corps cellulaire du neurone sensitif se trouve dans le ganglion rachidien. Le message nerveux sensitif est transmis au neurone moteur au niveau d’une synapse dans la substance grise de la moelle épinière. La substance grise est la partie de la moelle épinière qui contient les corps cellulaires des neurones. 23 La réalisation du réflexe myotatique : Le message nerveux moteur sort de la moelle épinière par la racine ventrale et se propage ensuite le long des motoneurones jusqu’à une synapse neuro-musculaire localisée dans le muscle. Les fibres nerveuses des motoneurones sont également regroupées dans un même nerf (dans ce cas, le nerf rachidien renferme à la fois des fibres sensorielles et des fibres motrices; c’est un nerf mixte). Chaque terminaison axonique d’un motoneurone est en contact avec une seule fibre musculaire contractile au niveau d’une synapse neuro-musculaire appelée plaque motrice. A ce niveau, le message moteur peut provoquer la contraction des fibres musculaires et donc du muscle, ce qui entraîne le rétablissement de sa longueur. Le muscle constitue donc l’effecteur de ce réflexe. Dans cet arc réflexe, le message nerveux ne franchit donc qu’une seule synapse dans la moelle épinière : pour cette raison, l’arc réflexe est qualifié de monosynaptique. 24 La réalisation du réflexe myotatique : 25 Elaboration et propagation des messages nerveux Toute cellule excitable est caractérisée par un potentiel de membrane de repos, d’environ -70 mV (différence de potentiel électrique entre les faces interne (négative) et externe (positive) de la membrane plasmique. Les cellules sensorielles, les neurones et les cellules musculaires sont des cellules excitables : si elles sont suffisamment stimulées, elles peuvent générer des messages nerveux sous la forme de potentiel d’action. 26  Elaboration et propagation des messages nerveux Un potentiel d’action est une inversion transitoire de la polarité de la membrane plasmique = dépolarisation, suivi d’un retour au potentiel de repos. Un potentiel d’action est un signal stéréotypé, qui a toujours la même forme et la même amplitude. Le potentiel d’action obéit à la « loi du tout ou rien » Il faut dépasser la valeur seuil. Au-delà de cette valeur seuil, le potentiel d’action présente toujours la même amplitude, quelque soit l’intensité de la stimulation. L’intensité du message nerveux est codée en fréquence de potentiel d’action. 27 Elaboration et propagation des messages nerveux Un récepteur sensoriel élabore un message nerveux sensitif en générant des potentiels d’action lorsqu’il est soumis à un stimulus. L’intensité de la stimulation est codée en fréquence de potentiels d’action, qui se propagent ensuite sans atténuation le long de la fibre nerveuse. 28 Elaboration et propagation des messages nerveux Les fibres nerveuses sont regroupées au sein des nerfs, qui relient les différentes parties du corps aux centres nerveux. 29 Transmission des messages nerveux Synapse La transmission de l’information est assurée par des molécules messagères particulières appelées neurotransmetteurs ou neuromédiateurs. Il en existe une grande diversité : acétylcholine, adrénaline, noradrénaline, sérotonine, dopamine, enképhaline, endorphine, etc … Les molécules de neurotransmetteurs jouent le rôle de stimulus chimique pour la cellule post-synaptique. Selon la nature des neurotransmetteurs et des récepteurs, on distingue deux types de synapses : dans une synapse excitatrice, les neurotransmetteurs libérés (ex : Ach, adrénaline, dopamine …) peuvent générer l’apparition de potentiels d’action dans la cellule post-synaptique. S’il s’agit d’une cellule nerveuse, un nouveau message nerveux peut apparaître; s’il s’agit d’une cellule musculaire, celle-ci peut se contracter dans une synapse inhibitrice, les neurotransmetteurs libérés (ex : GABA ….) empêchent l’apparition de P.A. dans la cellule post-synaptique. Le sens de la transmission synaptique est imposé par la localisation des vésicules synaptiques et des récepteurs membranaires post-synaptiques. 30 Transmission des messages nerveux Relais synaptique dans le centre nerveux Dans le cas du réflexe myotatique, le neurone sensitif transmet le message nerveux au neurone moteur au sein de la moelle épinière = synapse neuro-musculaire. La transmission est chimique : l’arrivée du message nerveux au niveau de l’arborisation terminale du neurone sensitif déclenche la libération de neurotransmetteur. Ils se fixent sur des récepteurs spécifiques situés sur la membrane du neurone moteur, ce qui entraine la naissance d’un nouveau message nerveux. 31 La réalisation du réflexe myotatique : Les neurones = cellules capables de générer des messages nerveux https://www.youtube.com/watch?v=oK3esXMQxaI 32 Transmission des messages nerveux Synapse neuromusculaire Le message nerveux moteur arrivé à l’arborescence terminale du neurone moteur, est transmis aux cellules musculaires au niveau de la jonction neuromusculaire. Le neurotransmetteur libéré est l’acétylcholine. Les molécules d’acétylcholine se fixent sur leurs récepteurs spécifiques, situés sur la membrane de la cellule musculaire, ce qui entraine une dépolarisation qui évolue en un potentiel d’action musculaire. 33 Contraction de la cellule musculaire Le potentiel d’action musculaire se propage le long de la membrane de la cellule musculaire. Par une cascade de réaction, le potentiel d’action musculaire a pour effet l’ouverture de canaux calciques situés au niveau de la membrane d’un organite contenant des ions Ca2+ : le réticulum sarcoplasmique. Les ions Ca2+ diffusent alors dans le hyaloplasme ce qui entraine la contraction de la cellule musculaire. 34 Contraction de la cellule musculaire 35 Contraction de la cellule musculaire Chaque neurone moteur innerve un ensemble de cellules musculaires formant une unité motrice. La contraction de l’ensemble de ces cellules contribue à la contraction du muscle. Dans le cas du réflexe myotatique achilléen, la contraction du muscle extenseur entraine l’extension du pied, ce qui constitue la réponse au stimulus initial (étirement du muscle extenseur au niveau du tendon d’Achille). 36 Récapitulatif 37 Le mouvement volontaire Quelques questions … https://app.wooclap.com/events/DKCJBC/0 39 Quelques questions … 40 Quelques questions … 41 Quelques questions … 42 Lors d’un mouvement volontaire, en réponse à une stimulation environnementale (par exemple, on appelle une personne qui tourne alors la tête vers son interlocuteur), une suite d’étapes impliquant des structures nerveuses particulières sont mises en jeu. https://www.youtube.com/watch?v=rXpIcsg5Vcc 43 Le réflexe myotatique aboutit à un contraction automatique des muscles, sans intervention du cerveau. Les muscles peuvent également être contractés volontairement : la commande nerveuse part du cerveau. Lors d’un mouvement volontaire, en réponse à une stimulation environnementale (par exemple, on appelle une personne qui tourne alors la tête vers son interlocuteur), une suite d’étapes impliquant des structures nerveuses particulières sont mises en jeu. 44 Aires cérébrales de la motricité volontaire Le cerveau = neurones + cellules gliales Les cellules gliales forment l’environnement des neurones et assurent leur bon fonctionnement : apport de nutriments et de dioxygène, défense contre les pathogènes … L’exploration fonctionnelle du cortex cérébral met en évidence sa spécialisation. La commande du mouvement volontaire est permise par l’aire motrice primaire. 45 Aires cérébrales de la motricité volontaire L’aire motrice primaire collabore avec : d’autres aires corticales (aire pré-motrice et aire motrice supplémentaire) formant le cortex moteur. Les aires pré-motrice et motrice supplémentaires permettent la planification et l’organisation du mouvement. Le cortex pariétal : les intentions du mouvement y sont élaborés. L’aire motrice primaire contrôle la réalisation des mouvements suite à l’intégration des messages nerveux provenant du cortex pariétal, de l’aire pré-motrice et de l’aire motrice supplémentaire. 46 Aires cérébrales de la motricité volontaire 47 Aires cérébrales de la motricité volontaire Les muscles de chaque région du corps sont contrôlés par une zone particulière de l’aire motrice primaire : représentation sous forme d’un Homunculus moteur sur lequel chaque région du corps est associé à une zone de l’aire motrice primaire la contrôlant plus la surface est grande dans l’aire motrice primaire, plus la précision des mouvements est importante. 48 Aires cérébrales de la motricité volontaire représentation sous forme d’un Homunculus moteur 49 Organisation des voies motrices Les neurones de l’aire motrice projettent leurs axones dans la moelle épinière et transmettent ainsi les messages nerveux moteurs. Les terminaisons axoniques de ces neurones établissent des synapses, avec des neurones moteurs (ou motoneurones) de la moelle épinière. A chaque instant, le corps cellulaire d’un neurone moteur est soumis à l’influence de nombreuses synapses. Ces synapses sont mises en place par un neurone de l’aire motrice primaire et des neurones sensoriels. Le neurone moteur intègre tous ces messages nerveux = sommation. 50 Organisation des voies motrices Le neurone moteur effectue une sommation temporelle et spatiale des informations reçues : la sommation temporelle = intégration des informations nerveuses provenant d’un même neurone à différents instants très rapprochés dans le temps la sommation spatiale = intégration des informations nerveuses provenant de différents neurones à un même instant Les messages nerveux reçus peuvent être stimulateurs ou inhibiteurs. 51 Organisation des voies motrices 52  Organisation des voies motrices L’intégration par le neurone moteur de l’ensemble des informations reçues permet l’envoi d’un message moteur unique en direction des fibres musculaires. Chaque fibre musculaire reçoit le message d’un seul neurone moteur. Le muscle est constitue d’un ensemble de cellules nommées fibres musculaires 53 Plasticité cérébrale Apprentissage L’étude des cartes motrices montre des variations entre les individus. Ces différences sont le résultat d’un apprentissage différent. Ainsi, le cerveau n’est pas une structure figée. Il est au contraire capable de modifier son organisation en réponse à une stimulation environnementale : on appelle cela la plasticité cérébrale. La zone de l’aire motrice primaire affectée aux mouvements des mains occupe plus de surface chez un pianiste que chez une personne ne jouant pas au piano. Cette différence anatomique s’explique par une différence d’apprentissage. 54  La zone de l’aire motrice primaire affectée aux Plasticité cérébrale mouvements des mains occupe plus de surface chez un pianiste que chez une personne ne jouant pas au piano. Cette différence anatomique s’explique par une Apprentissage différence d’apprentissage. L’étude des cartes motrices montre des variations entre les individus. Ces différences sont le résultat d’un apprentissage différent. Ainsi, le cerveau n’est pas une structure figée. Il est au contraire capable de modifier son organisation en réponse à une stimulation environnementale : on appelle cela la plasticité cérébrale. 55 Plasticité cérébrale Récupération suite à un dysfonctionnement du système nerveux Le système nerveux est un système fragile. Des lésions ou certaines maladies dysfonctionnements du système nerveux : modification du comportement : ex : difficulté voir impossibilité à réaliser certains mouvements conséquences sur la santé. Récupération de la fonction cérébrale après un accident repose sur la plasticité cérébrale 56  Plasticité cérébrale Récupération suite à un dysfonctionnement du système nerveux Récupération de la fonction cérébrale après un accident repose sur la plasticité cérébrale Ex : un accident vasculaire cérébrale (AVC) peut perturber la réalisation de mouvements. AVC = obstruction ou rupture d’un vaisseau sanguin ce qui entraine un arrêt de l’apport d’O2 dans la zone Ex : Lors d’un AVC affectant une partie de l’aire motrice primaire, la récupération des fonctions motrices est permise par un remaniement de l’organisation de l’aire motrice primaire. L’aire motrice primaire se réorganise dans les zones non affectées par l’AVC. 57 Récapitulatif 58 Le cerveau un organe fragile  Rappel Codage en fréquence de PA 60 Conséquences de la prise de molécules exogènes La prise de molécules exogènes : alcool, drogues; certains médicaments… Perturbation du message nerveux Certaines molécules : similitude de leur structure moléculaire avec celle des neurotransmetteurs du cerveau : ils s’y substituent et se fixent sur les récepteurs des neurones post-synaptiques. Ex : LSD : capable de se fixer sur les récepteurs à la sérotonine (Neurotransmetteur) et la nicotine sur ceux à l’acétylcholine (NT) 61 Conséquences de la prise de molécules exogènes La prise de molécules exogènes : alcool, drogues; certains médicaments… Perturbation du message nerveux Certaines molécules : similitude de leur structure moléculaire avec celle des neurotransmetteurs du cerveau : ils s’y substituent et se fixent sur les récepteurs des neurones post-synaptiques. Ex : LSD : capable de se fixer sur les récepteurs à la sérotonine (Neurotransmetteur) et la nicotine sur ceux à l’acétylcholine (NT) 62 Conséquences de la prise de molécules exogènes La prise de molécules exogènes : alcool, drogues; certains médicaments… Perturbation du message nerveux Certaines molécules : empêchent la recapture des NT sécrétés au niveau de la fente synaptique : augmentation de l’effet des NT Ex : cocaïne empêche la recapture de la dopamine (NT) et l’ecstasy celle de la sérotonine. 63 Conséquences de la prise de molécules exogènes La prise de molécules exogènes : alcool, drogues; certains médicaments… Perturbation du message nerveux Certaines molécules : empêchent la recapture des NT sécrétés au niveau de la fente synaptique : augmentation de l’effet des NT Ex : cocaïne empêche la recapture de la dopamine (NT) et l’ecstasy celle de la sérotonine. empêchent le fonctionnement normal des récepteurs spécifiques des NT Ex : l’alcool réduit le pouvoir excitateur du glutamate (NT) sur certains récepteurs 64 Conséquences de la prise de molécules exogènes Dans le cerveau : neurones faisant partie d’un système « circuit de la récompense » Ce circuit est complexe mais le noyau accumbens et l’aire tegmentale ventrale jouent rôle important. L’activation des neurones de la récompense : sensation de plaisir. Les molécules exogènes augmentent l’activité générale du circuit de la récompense : Renforcement du comportement et comportement addictif L’augmentation artificielle d’un NT peut conduire à une diminution de sa production naturelle par le corps. Quand l’apport ext de la drogue cesse, l’organisme est en état de manque, ce qui conduit à consommer de nouveau. 65 Conséquences de la prise de molécules exogènes Dans le cerveau : neurones faisant partie d’un système « circuit de la récompense » Ce circuit est complexe mais le noyau accumbens et l’aire tegmentale ventrale jouent rôle important. L’activation des neurones de la récompense : sensation de plaisir. Les molécules exogènes augmentent l’activité générale du circuit de la récompense : Renforcement du comportement et comportement addictif L’augmentation artificielle d’un NT peut conduire à une diminution de sa production naturelle par le corps. Quand l’apport ext de la drogue cesse, l’organisme est en état de manque, ce qui conduit à consommer de nouveau. 66 Récapitulatif 67 Bibliographie https://blogpeda.ac-bordeaux.fr/svtpapeclement/terminale-s/partie-6- la-communication-nerveuse/ Cauchois M. & Corbin M., 2020, Objectif BAC Tle, spécialité SVT, Hachette éducation, ISBN 978-2-01-787351-8. 68