La transmission synaptique chimique racontée par les expériences : calcium, vésicules, récepteurs et poisons

À la synapse, le message électrique devient chimique puis redevient électrique : chaque étape a été démontrée par une expérience qu'on peut bloquer, et c'est en la bloquant qu'on la comprend.

Objectifs

Décrire dans l'ordre les étapes de la transmission chimique : arrivée du potentiel d'action, entrée de \(\ce{Ca^2+}\), exocytose, diffusion, fixation sur les récepteurs, potentiel postsynaptique (PPS).
Relier chaque étape à l'expérience qui la prouve.
Interpréter des enregistrements électriques pré et postsynaptiques.
Expliquer l'action de quelques substances qui perturbent la synapse.

1. Le point de départ : un message qui change de nature

Ce que montre l'observation

Au microscope électronique, une synapse chimique comprend :

l'élément présynaptique : la terminaison (bouton) de l'axone, remplie de vésicules contenant un neurotransmetteur ;
la fente synaptique, de quelques dizaines de nanomètres ;
l'élément postsynaptique (dendrite, corps cellulaire d'un neurone, ou fibre musculaire) dont la membrane porte des récepteurs spécifiques.

Pourquoi le message ne peut-il circuler que dans un sens à travers une synapse chimique ?

Parce que la fente est plus large d'un côté
Parce que seuls les boutons présynaptiques contiennent des vésicules et seule la membrane postsynaptique porte les récepteurs
Parce que le potentiel d'action est plus fort à l'aller

La libération (vésicules) et la réception (récepteurs) sont réparties de chaque côté : l'organisation de la synapse impose le sens de passage.

2. Les étapes, une par une, avec leur preuve

Étape 1 : un potentiel d'action arrive dans le bouton présynaptique et dépolarise sa membrane.

Étape 2 : cette dépolarisation ouvre des canaux à calcium voltage-dépendants ; les ions Ca²⁺, plus concentrés dehors, entrent dans le bouton.

Étape 3 : l'entrée de Ca²⁺ déclenche la fusion des vésicules avec la membrane présynaptique : c'est l'exocytose, qui libère le neurotransmetteur.

Étape 4 : le neurotransmetteur diffuse à travers la fente synaptique.

Étape 5 : il se fixe sur des récepteurs spécifiques qui sont des canaux ioniques ; la fixation les ouvre.

Étape 6 : des ions traversent la membrane postsynaptique et modifient son potentiel : c'est le potentiel postsynaptique.

Le tableau des preuves

Étape	Expérience	Résultat et conclusion
Rôle du \(\ce{Ca^2+}\)	On supprime le calcium du milieu extracellulaire, puis on stimule l'axone présynaptique.	Le potentiel d'action présynaptique existe toujours, mais aucun PPS n'apparaît : l'entrée de \(\ce{Ca^2+}\) est nécessaire à la libération du neurotransmetteur.
Rôle du \(\ce{Ca^2+}\) (bis)	On injecte du \(\ce{Ca^2+}\) directement dans le bouton présynaptique, sans potentiel d'action.	Un PPS apparaît : le calcium suffit à déclencher l'exocytose.
Nature chimique du message	On dépose le neurotransmetteur (par exemple l'acétylcholine) dans la fente, sans stimuler le neurone présynaptique.	Un PPS apparaît : c'est bien une substance chimique qui transmet le message.
Rôle des récepteurs	On ajoute une substance qui occupe les récepteurs sans les ouvrir, puis on stimule.	Plus de PPS : le neurotransmetteur doit se fixer sur ses récepteurs pour agir.
Exocytose	Observation au microscope électronique après une stimulation intense.	Les vésicules sont moins nombreuses et on voit des images de fusion avec la membrane.

Exemple résolu 1 : lire un enregistrement

On place une électrode dans le bouton présynaptique (enregistrement E1) et une dans le neurone postsynaptique (E2). On stimule. E1 montre un potentiel d'action ; E2 montre une petite dépolarisation qui commence environ 0,5 ms plus tard. On recommence dans un milieu sans calcium : E1 est inchangé, E2 reste plat. Interprète.

Cherche d'abord, puis vois la solution

Dans le milieu normal, le message passe : E2 enregistre un PPS excitateur (dépolarisation).

Le décalage entre E1 et E2 est le délai synaptique : il correspond au temps de l'entrée du calcium, de l'exocytose, de la diffusion et de l'ouverture des récepteurs. Il prouve que la transmission n'est pas électrique directe.

Sans calcium, le potentiel d'action présynaptique arrive toujours (E1 inchangé) mais rien n'est transmis (E2 plat).

Conclusion : l'entrée de \(\ce{Ca^2+}\) dans le bouton est indispensable à la libération du neurotransmetteur.

Quel est l'ordre correct des événements ?

PA présynaptique, entrée de Ca²⁺, exocytose, diffusion, fixation sur les récepteurs, PPS
PA présynaptique, exocytose, entrée de Ca²⁺, fixation, diffusion, PPS
Entrée de Ca²⁺, PA présynaptique, diffusion, exocytose, PPS, fixation

Le calcium entre parce que le PA a dépolarisé le bouton ; l'exocytose vient ensuite ; le neurotransmetteur doit diffuser avant de se fixer, et c'est la fixation qui provoque le PPS.

3. Excitateur ou inhibiteur : tout dépend des ions qui passent

PPS excitateur (PPSE) : les récepteurs ouverts laissent entrer surtout des ions \(\ce{Na+}\) ; la membrane postsynaptique se dépolarise. Exemple : acétylcholine à la jonction neuromusculaire.
PPS inhibiteur (PPSI) : les récepteurs ouverts laissent entrer des ions \(\ce{Cl-}\) (ou sortir des \(\ce{K+}\)) ; la membrane s'hyperpolarise. Exemple : le GABA sur certains neurones.

Un PPS est local et gradué : son amplitude dépend de la quantité de neurotransmetteur libérée. Il ne se propage pas comme un potentiel d'action ; c'est seulement si la dépolarisation atteint le seuil, au niveau du segment initial de l'axone, qu'un nouveau potentiel d'action naît.

Le codage du message

Plus la fréquence des potentiels d'action présynaptiques est élevée, plus il entre de \(\ce{Ca^2+}\), plus de vésicules libèrent leur contenu, et plus le PPS est ample. Le message, codé en fréquence de potentiels d'action sur l'axone, est codé en concentration de neurotransmetteur dans la fente.

Une stimulation fait apparaître une hyperpolarisation du neurone postsynaptique. Qu'en conclut-on ?

La synapse est électrique
Des ions Na⁺ sont entrés
C'est un PPS inhibiteur, dû par exemple à une entrée d'ions Cl⁻

Une hyperpolarisation éloigne le potentiel du seuil : c'est un PPSI, qui s'explique par l'entrée de charges négatives (Cl⁻) ou la sortie de charges positives (K⁺).

4. Arrêter le message, et ce qui arrive quand on ne l'arrête pas

Pour que la synapse puisse transmettre un nouveau message, le neurotransmetteur doit disparaître rapidement de la fente :

par dégradation enzymatique : l'acétylcholinestérase coupe l'acétylcholine en acétate et choline ;
par recapture : le neurotransmetteur (ou ses morceaux) est repris par le bouton présynaptique et recyclé.

flowchart LR
A[PA presynaptique] --> B[Entree de calcium]
B --> C[Exocytose]
C --> D[Diffusion dans la fente]
D --> E[Fixation sur recepteurs]
E --> F[PPS]
D --> G[Degradation ou recapture]
G --> H[Fin du message]

Exemple résolu 2 : deux substances, deux effets

Le curare, utilisé autrefois sur des pointes de flèches de chasse en Amérique du Sud, se fixe sur les récepteurs à acétylcholine du muscle sans les ouvrir. Certains insecticides organophosphorés bloquent l'acétylcholinestérase. Prévois l'effet de chacun sur le muscle.

Cherche d'abord, puis vois la solution

Curare : l'acétylcholine est libérée normalement mais ne peut plus se fixer. Pas de PPS sur la fibre musculaire, donc pas de contraction : le muscle est paralysé, relâché.

Organophosphoré : l'acétylcholine n'est plus détruite et reste dans la fente. Les récepteurs restent activés : le muscle se contracte de façon prolongée, avec des spasmes.

Leçon : une substance peut agir sur la synapse en bloquant le récepteur ou en empêchant l'élimination du neurotransmetteur. C'est pourquoi on manipule les pesticides avec gants et masque dans les champs.

Une substance empêche la recapture d'un neurotransmetteur excitateur. Quel effet attend-on ?

Une disparition du PPS
Un PPS prolongé, car le neurotransmetteur reste plus longtemps dans la fente
Aucun effet

Si le neurotransmetteur n'est plus repris, il continue à activer les récepteurs : l'effet postsynaptique dure plus longtemps.

Erreurs fréquentes

Dire que le potentiel d'action « saute » la fente : non, c'est une molécule qui la traverse.
Oublier le calcium entre le PA et l'exocytose : c'est l'étape la plus souvent testée.
Dire que le neurotransmetteur entre dans le neurone postsynaptique : il reste dehors et agit en se fixant sur des récepteurs membranaires.
Confondre PPS (gradué, local) et potentiel d'action (tout ou rien, propagé).
Croire qu'une synapse est toujours excitatrice : certaines sont inhibitrices.

Récapitulatif

Le PA arrive au bouton présynaptique.
Les canaux à \(\ce{Ca^2+}\) s'ouvrent, le calcium entre.
Les vésicules libèrent le neurotransmetteur par exocytose.
Le neurotransmetteur diffuse dans la fente.
Il se fixe sur des récepteurs-canaux spécifiques qui s'ouvrent.
Les ions qui passent créent un PPSE (dépolarisation) ou un PPSI (hyperpolarisation).
Le neurotransmetteur est dégradé ou recapté : le message s'arrête.

Rôle du Ca²⁺

Son entrée dans le bouton présynaptique déclenche l'exocytose ; sans lui, pas de libération.

Exocytose

Fusion des vésicules avec la membrane présynaptique, qui libère le neurotransmetteur dans la fente.

Délai synaptique

Temps de passage à travers la synapse, de l'ordre de 0,5 ms : preuve d'une étape chimique.

PPSE / PPSI

PPSE : dépolarisation (entrée de Na⁺). PPSI : hyperpolarisation (entrée de Cl⁻ ou sortie de K⁺).

Codage

Fréquence de PA sur l'axone, concentration de neurotransmetteur dans la fente.

Arrêt du message

Dégradation enzymatique (acétylcholinestérase) ou recapture du neurotransmetteur.