Communications intercellulaires chez les Métazoaires

Résumé en cinq points

Notions et mécanismes

Trois modalités complémentaires

La communication nerveuse utilise des neurones. Le message parcourt un axone sous forme d'une série de potentiels d'action, puis franchit une synapse sous forme chimique. Le messager est un neurotransmetteur libéré dans une fente synaptique très étroite. La cible est désignée par le câblage anatomique, donc la communication est très précise spatialement. Le transfert est rapide, de l'ordre de quelques millisecondes pour l'ensemble du trajet, et l'effet est bref.

La communication endocrine utilise des cellules endocrines qui libèrent une hormone dans le sang après avoir été stimulées. Le messager est diffusé à tout l'organisme, donc la cible n'est pas désignée par l'anatomie mais par la présence du récepteur. Les concentrations circulantes sont très faibles, souvent de l'ordre du nanomolaire ou moins, ce qui impose des récepteurs de très forte affinité. Le transfert est lent, de la dizaine de secondes à quelques minutes, mais l'effet dure et peut être global.

La communication paracrine utilise un messager libéré dans le milieu interstitiel, qui agit sur les cellules voisines par simple diffusion, sur une distance de quelques dizaines à quelques centaines de micromètres. Elle est locale, sans relais circulatoire, de rapidité intermédiaire. Le monoxyde d'azote produit par l'endothélium vasculaire et relâchant le muscle lisse voisin en est l'exemple type, de même que les facteurs de croissance du développement embryonnaire.

Le tableau comparatif à savoir construire croise quatre critères : nature du messager, codage du message, voie de transfert, vitesse de transfert et de décodage. Un point compte particulièrement. Dans la voie nerveuse, le message est codé en fréquence de potentiels d'action le long de l'axone, puis recodé en concentration de neurotransmetteur dans la fente. Dans les voies endocrine et paracrine, le message est codé directement en concentration du messager. Le codage en fréquence est nécessaire parce que le potentiel d'action est un signal en tout ou rien, dont l'amplitude ne peut pas porter d'information.

Messager, récepteur, compétence de la cellule cible

Quelle que soit la modalité, un messager chimique n'agit que sur une cellule qui possède un récepteur spécifique. La liaison messager-récepteur est non covalente, réversible, saturable, et suit une relation de fixation semblable à une cinétique de saturation. Elle provoque un changement de conformation du récepteur, c'est-à-dire une transition allostérique, qui déclenche la suite.

La notion centrale est celle de compétence de la cellule cible. Un même messager peut provoquer des réponses différentes selon la cellule, parce que le récepteur exprimé n'est pas le même, parce que les relais intracellulaires en aval diffèrent, ou parce que l'état d'expression génétique de la cellule diffère. C'est l'un des points que le programme demande d'illustrer. L'acétylcholine libérée à la jonction neuromusculaire provoque une dépolarisation de la fibre musculaire squelettique par un récepteur canal. La même acétylcholine, libérée par le nerf parasympathique sur les cellules du nœud sinusal, ralentit la fréquence cardiaque via un récepteur couplé à une protéine G. Même molécule, deux récepteurs, deux réponses opposées en apparence. Autre exemple, la noradrénaline provoque une vasoconstriction sur un muscle lisse artériolaire portant des récepteurs alpha et accélère le cœur sur des cellules nodales portant des récepteurs bêta.

L'extinction du signal est aussi importante que son déclenchement. Elle repose souvent sur la dégradation du messager. À la synapse neuromusculaire, l'acétylcholinestérase, enzyme fixée dans la fente, hydrolyse l'acétylcholine en choline et acétate en moins d'une milliseconde. Sans elle, le récepteur resterait stimulé et la fibre musculaire ne pourrait plus répondre à une commande suivante. C'est ce qui explique l'effet des molécules anticholinestérasiques, qui bloquent l'enzyme et provoquent une paralysie par stimulation permanente. On voit ici l'importance physiologique de la dégradation : elle rend le signal transitoire, donc répétable et informatif.

Transduction et amplification

La transduction est la conversion du signal extracellulaire en un signal intracellulaire. Le programme demande de présenter une voie à second messager et de la comparer à une voie à récepteur intracellulaire.

La voie des protéines G et de l'AMP cyclique est la voie de référence. Le messager se fixe sur un récepteur membranaire à sept segments transmembranaires. Le récepteur change de conformation et active une protéine G hétérotrimérique fixée à la face interne de la membrane, en provoquant l'échange d'un GDP contre un GTP sur sa sous-unité alpha. Cette sous-unité se détache et active une adénylate cyclase membranaire. L'enzyme convertit de l'ATP en AMP cyclique, le second messager, qui diffuse dans le cytosol. L'AMP cyclique active une protéine kinase A, qui phosphoryle des protéines cibles et modifie leur activité, par exemple des canaux ioniques ou des enzymes du métabolisme. Le signal s'éteint par hydrolyse du GTP par la sous-unité alpha elle-même, et par dégradation de l'AMP cyclique en AMP par une phosphodiestérase.

L'amplification est la propriété remarquable de cette cascade. Un seul complexe messager-récepteur active plusieurs protéines G, chaque adénylate cyclase produit un grand nombre de molécules d'AMP cyclique, chaque protéine kinase phosphoryle de nombreux substrats. À chaque étage catalytique, le nombre de molécules engagées est multiplié. C'est pourquoi quelques molécules d'hormone dans le sang suffisent à modifier le comportement d'une cellule entière. Il faut savoir dire où se situe l'amplification : à chaque étape enzymatique, pas au niveau de la fixation sur le récepteur.

La voie à récepteur intracellulaire fonctionne autrement. Le programme se limite à mentionner le cas des hormones stéroïdes de la reproduction. Ces hormones sont lipophiles, elles traversent la membrane plasmique et se fixent sur un récepteur situé dans le cytosol ou le noyau. Le complexe hormone-récepteur agit alors comme un facteur de transcription et modifie l'expression génétique de la cellule. La comparaison est nette : récepteur membranaire contre récepteur intracellulaire, second messager contre action directe sur l'ADN, réponse rapide et transitoire contre réponse lente et durable, puisqu'il faut transcrire et traduire.

Les cellules excitables et le potentiel d'action neuronal

Une cellule excitable est capable de générer un potentiel d'action, c'est-à-dire une inversion transitoire et régénérative de son potentiel de membrane. Neurones, cellules musculaires et cellules nodales cardiaques en font partie.

Le potentiel d'action du motoneurone sert de support. Au repos, le potentiel transmembranaire vaut environ moins 70 millivolts. Si une dépolarisation atteint le seuil, vers moins 55 millivolts, des canaux sodiques voltage-dépendants s'ouvrent massivement. La conductance sodique augmente fortement, les ions sodium entrent selon leur gradient électrochimique, le potentiel monte jusqu'à une valeur positive de l'ordre de plus 30 millivolts. C'est la phase de dépolarisation. Les canaux sodiques s'inactivent ensuite spontanément et des canaux potassiques voltage-dépendants s'ouvrent avec retard. La sortie de potassium ramène le potentiel vers sa valeur de repos, c'est la repolarisation, souvent suivie d'une brève hyperpolarisation due à la fermeture retardée des canaux potassiques. L'ensemble dure une à deux millisecondes.

Deux conséquences importantes. Le potentiel d'action obéit à la loi du tout ou rien : sous le seuil rien ne se passe, au-dessus la réponse est maximale et stéréotypée. L'inactivation des canaux sodiques crée une période réfractaire, qui empêche le retour en arrière du message et plafonne la fréquence de décharge. Le message nerveux est donc codé en fréquence de potentiels d'action, un stimulus intense donnant une fréquence élevée.

La propagation est régénérative : chaque portion de membrane dépolarisée dépolarise la suivante au-delà du seuil, ce qui régénère un potentiel d'action identique. L'amplitude ne décroît donc pas avec la distance. Elle est unidirectionnelle grâce à la période réfractaire de la portion qui vient de s'activer. La vitesse dépend de deux facteurs. Un diamètre plus grand diminue la résistance interne du cytoplasme et augmente la vitesse. La gaine de myéline isole électriquement l'axone entre les nœuds de Ranvier, ce qui force la régénération à sauter d'un nœud à l'autre, c'est la conduction saltatoire. Les fibres amyélinisées fines conduisent à quelques mètres par seconde, les grosses fibres myélinisées jusqu'à une centaine de mètres par seconde.

La comparaison avec le potentiel d'action des cellules pacemaker du nœud sinusal est explicitement demandée. Le motoneurone a un potentiel de repos stable, une phase montante due au sodium par des canaux rapides, une durée de l'ordre de la milliseconde. La cellule pacemaker n'a pas de potentiel de repos stable, sa dépolarisation diastolique lente l'amène spontanément au seuil, sa phase montante est due à des canaux calciques plus lents, et sa durée est de l'ordre de la centaine de millisecondes. Dans les deux cas, la même logique s'applique : chaque phase du tracé correspond à une variation de conductance ionique identifiable.

La synapse chimique

La synapse transmet l'information d'une cellule excitable à une autre. Dans une synapse chimique, l'élément présynaptique contient des vésicules de neurotransmetteur, la fente synaptique mesure quelques dizaines de nanomètres, et la membrane postsynaptique porte les récepteurs.

L'arrivée d'un potentiel d'action dans le bouton présynaptique ouvre des canaux calciques voltage-dépendants. L'entrée de calcium déclenche l'exocytose des vésicules, donc la libération de neurotransmetteur dans la fente. Point essentiel du programme : la concentration de neurotransmetteur libérée est déterminée par la fréquence des potentiels d'action du message nerveux. Le codage en fréquence est ainsi converti en codage en concentration.

Le neurotransmetteur se fixe sur des récepteurs ligand-dépendants de la membrane postsynaptique. Ce sont des protéines membranaires intrinsèques, dont les segments transmembranaires sont riches en acides aminés hydrophobes, ce que révèle un profil d'hydropathie. Elles portent un site de fixation extracellulaire spécifique du ligand et se comportent de façon allostérique : la fixation du ligand change la conformation et ouvre un canal ionique. Il en résulte une variation locale du potentiel transmembranaire de la cellule cible, graduée et proportionnelle à la quantité de neurotransmetteur fixée, contrairement au potentiel d'action.

Ces variations locales se somment, dans le temps si les stimulations se succèdent rapidement, dans l'espace si plusieurs synapses sont actives simultanément. Si la somme atteint le seuil au niveau d'une zone riche en canaux voltage-dépendants, un potentiel d'action postsynaptique naît. L'exemple traité par le programme est le potentiel d'action musculaire : le motoneurone libère de l'acétylcholine, le récepteur canal postsynaptique laisse entrer du sodium, la fibre musculaire se dépolarise jusqu'au seuil et engendre son propre potentiel d'action, qui se propage le long du sarcolemme. Enfin, la dégradation du neurotransmetteur par l'acétylcholinestérase éteint le signal et rend la synapse à nouveau disponible.

Le message hormonal

La cellule endocrine libère son hormone à la suite d'une stimulation, qui peut être nerveuse, hormonale ou métabolique. L'hormone gagne le sang et circule à très faible concentration. Seules les cellules cibles, définies par l'expression du récepteur spécifique et des relais de la voie de signalisation, produisent une réponse biologique. Le programme s'appuie ici sur les contrôles de l'activité cardiaque et de la vasomotricité, déjà rencontrés dans la circulation sanguine. On retrouve la logique générale : un signal diffusé à tout l'organisme, mais une réponse restreinte par la compétence cellulaire.

Exemples et ordres de grandeur

• Potentiel de repos d'un neurone, environ moins 70 millivolts. Seuil, environ moins 55 millivolts. Pic, environ plus 30 millivolts. Durée d'un potentiel d'action, une à deux millisecondes.
• Vitesse de propagation, de l'ordre du mètre par seconde dans une fibre fine amyélinisée, jusqu'à une centaine de mètres par seconde dans une grosse fibre myélinisée.
• Largeur de la fente synaptique, quelques dizaines de nanomètres. Délai synaptique, de l'ordre de la milliseconde.
• Concentration plasmatique d'une hormone, souvent de l'ordre du nanomolaire ou inférieure.
• Portée d'un facteur paracrine, de quelques dizaines à quelques centaines de micromètres.
• Hydrolyse de l'acétylcholine par l'acétylcholinestérase, de l'ordre de la milliseconde.

Deux schémas sont à savoir refaire. Le premier est la voie protéine G puis adénylate cyclase puis AMP cyclique puis protéine kinase A, avec les points d'amplification indiqués et les deux mécanismes d'extinction. Le second est la synapse chimique en coupe, avec vésicules, canaux calciques voltage-dépendants, fente, récepteurs ligand-dépendants et enzyme de dégradation, accompagné du tracé du potentiel d'action et de ses phases.

Méthodes et savoir-faire

Le patch-clamp est la technique clé. Le programme demande d'en présenter le principe sans exiger le détail des montages. Une micropipette de verre à pointe très fine est appliquée contre la membrane, et une aspiration crée un contact électriquement étanche. On impose alors un potentiel à la membrane et on mesure le courant qui traverse la portion de membrane isolée. Si cette portion ne contient qu'un canal, on enregistre des créneaux de courant tout ou rien, d'amplitude constante et de durée variable. L'interprétation attendue est celle d'un modèle moléculaire : le canal existe dans deux états, ouvert ou fermé, il passe de l'un à l'autre de façon probabiliste, la probabilité d'ouverture dépendant du potentiel imposé. L'amplitude du créneau donne la conductance unitaire, la proportion de temps en position ouverte donne la probabilité d'ouverture. En sommant de nombreux canaux, on retrouve le courant macroscopique et donc les phases du potentiel d'action.

Deux autres savoir-faire sont attendus. D'abord, relier une variation de potentiel à une variation de conductance, dans les deux sens, en lisant un tracé de potentiel et en proposant les mouvements ioniques correspondants. Ensuite, relier la structure d'une protéine membranaire à sa fonction, en utilisant un profil d'hydropathie pour localiser les segments transmembranaires, un site de fixation pour la spécificité, et la notion d'allostérie pour le couplage entre fixation et ouverture.

À mobiliser en colle et à l'écrit

1. Construire le tableau de comparaison des trois modalités selon les quatre critères du programme, avec des ordres de grandeur.
2. Dessiner et commenter une voie à second messager complète, en désignant les étapes d'amplification et les deux voies d'extinction.
3. Comparer point par point récepteur membranaire et récepteur intracellulaire, en concluant sur la cinétique et la durée de la réponse.
4. Tracer le potentiel d'action neuronal et associer chaque phase à des conductances ioniques précises.
5. Comparer potentiel d'action du motoneurone et potentiel d'action de la cellule pacemaker du nœud sinusal.
6. Expliquer la conversion du codage en fréquence en codage en concentration au niveau de la synapse.
7. Justifier l'importance physiologique de la dégradation d'un messager à partir de l'acétylcholinestérase.
8. Pièges fréquents : confondre potentiel d'action, qui est tout ou rien, et potentiel postsynaptique, qui est gradué. Parler d'amplification au niveau du récepteur alors qu'elle est enzymatique. Croire qu'une hormone agit sur toutes les cellules qu'elle atteint.