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Neurotransmetteurs et récepteurs

Les différentes classes de neurotransmetteurs, et les types de récepteurs auxquels ils se lient.

Introduction

Saviez-vous qu'il y a des milliards de neurones — et des milliers de milliards de synapses — dans votre incroyable cerveau ?start superscript, 1, end superscript (Pas étonnant donc que l'on puisse apprendre n'importe quoi, y compris la neurobiologie !) La plupart de vos synapses sont des synapses chimiques, ce qui signifie que l'information est transportée par des messagers chimiques, d'un neurone à l'autre.
Dans l'article sur les synapses, on a vu comment fonctionnait la transmission synaptique. Ici, on va se concentrer sur les neurotransmetteurs, les messagers chimiques qui sont libérés par les neurones au niveau des synapses pour "discuter" avec les cellules voisines. On examinera également les récepteurs protéiques qui permettent à la cellule cible "d'entendre" le message.

Les neurotransmetteurs : conventionnels et non conventionnels

Il existe de nombreux types différents de neurotransmetteurs et on en découvre encore de nouveaux ! Au fil des ans, le concept même de neurotransmetteur a changé et s'est élargi. Sa définition étant désormais plus large, certains neurotransmetteurs récemment découverts sont considérés comme "non traditionnels" ou "non conventionnels" (comparativement aux définitions plus anciennes).
On évoquera ces neurotransmetteurs non conventionnels à la fin de l'article.

Les neurotransmetteurs conventionnels

Les messagers chimiques qui agissent en tant que neurotransmetteurs conventionnels partagent certaines caractéristiques fondamentales. Ils sont stockés dans des vésicules synaptiques, libérées lorsque du start text, C, a, end text, start superscript, 2, plus, end superscript entre dans la terminaison axonale en réponse à un potentiel d'action, et ils agissent en se liant à des récepteurs présents sur la membrane de la cellule post-synaptique.
Schéma d'une synapse, montrant des neurotransmetteurs stockés dans des vésicules synaptiques dans la terminaison axonale. En réponse à un potentiel d'action, les vésicules fusionnent avec la membrane présynaptique et libèrent les neurotransmetteurs dans la fente synaptique.
Image modifiée à partir de "The synapse," par OpenStax College, Anatomy & Physiology (CC BY 3.0).
Les neurotransmetteurs conventionnels peuvent être répartis en deux groupes principaux : les neurotransmetteurs à faible poids moléculaire et les neuropeptides.

Les neurotransmetteurs à faible poids moléculaire

Les neurotransmetteurs à faible poids moléculaire comprennent (ce qui n'est pas trop surprenant !) différents types de petites molécules organiques, dont :
  • Les acides aminés neurotransmetteurs comme le glutamate, le GABA (acide γ-aminobutyrique) et la glycine. Ce sont tous des acides aminés, bien que le GABA ne soit pas un acide aminé présent dans les protéines.
    Structures de la glycine, de l'acide glutamique et du GABA. Ce sont tous des acides aminés.
  • Les amines biogènes comme la dopamine, la noradrénaline, l'adrénaline, la sérotonine et l'histamine, qui sont fabriquées à partir de précurseurs d'acides aminés.
Structure de la dopamine
  • Les neurotransmetteurs purinergiques, l'ATP et l'adénosine qui sont des nucléotides et des nucléosides.
    Structure de l'adénosine.
  • L'acétylcholine, qui ne correspond à aucune des autres catégories structurelles, mais constitue un neurotransmetteur clé des jonctions neuromusculaires (où les nerfs se connectent aux muscles), et de certaines autres synapses.
    Structure de l'acétylcholine.

Les neuropeptides

Les neuropeptides sont composés d'au moins trois acides aminés et sont plus grands que les neurotransmetteurs à faible poids moléculaire. Il existe un grand nombre de neuropeptides différents. Certains d'entre eux incluent les endorphines et les enképhalines, qui inhibent la douleur ; la substance P, qui transmet les signaux de douleur ; et le neuropeptide Y, qui stimule l'appétit et peut prévenir les crises.
Séquence d'acides aminés de l'enképhaline : N-Tyr-Gly-Gly-Phe-Met-C.

Les effets d'un neurotransmetteur dépendent de son récepteur

Certains neurotransmetteurs sont généralement considérés comme "excitateurs", car ils rendent le neurone ciblé plus susceptible d'émettre un potentiel d’action, tandis que d'autres sont plutôt "inhibiteurs", le neurone ciblé ayant alors moins tendance à émettre un potentiel d'action. Par exemple :
  • Le glutamate constitue le principal signal excitateur du système nerveux central.
  • Le GABA représente le principal neurotransmetteur inhibiteur du cerveau des vertébrés adultes.
  • La glycine est le neurotransmetteur inhibiteur principal de la moelle épinière.
Toutefois, on ne peut pas vraiment classer les neurotransmetteurs en fonction de leur activité "excitatrice" et "inhibitrice", car l'effet d'un neurotransmetteur dépend du contexte.
Comment cela est-ce possible ? Il s’avère qu’il n’y a pas qu’un seul type de récepteur par neurotransmetteur. En fait, un neurotransmetteur donné est généralement capable de se lier à plusieurs récepteurs protéiques différents et de les activer. L'effet excitateur ou inhibiteur d'un certain neurotransmetteur au niveau d'une synapse donnée dépend donc des récepteurs présents sur la cellule postsynaptique (cible).

Exemple : l'acétylcholine

Pour que cela soit plus concret, prenons un exemple. Le neurotransmetteur acétylcholine a un effet excitateur au niveau de la jonction neuromusculaire du muscle squelettique, ce qui provoque la contraction du muscle. À l'inverse, il est inhibiteur dans le cœur, où il ralentit la fréquence cardiaque. Ces effets contraires s'expliquent par la présence de deux différents types de récepteurs de l'acétylcholine à ces deux endroits.
Spécificité de la réponse à l'acétylcholine en fonction du type de cellule.
À gauche : cellule musculaire squelettique. La molécule d'acétylcholine se lie à un canal ionique sensible à un ligand, qui s'ouvre et permet l'entrée d'ions positivement chargés dans la cellule. Cet événement promeut la contraction musculaire.
À droite : cellule musculaire cardiaque. La molécule d'acétylcholine se lie à un récepteur couplé aux protéines G (pas à un canal ionique), déclenchant une réponse en aval qui conduit à l'inhibition de la contraction musculaire.
  • Les récepteurs de l'acétylcholine dans les cellules musculaires squelettiques sont qualifiés de récepteurs nicotiniques. Il s'agit de canaux ioniques qui s'ouvrent suite à la liaison avec l'acétylcholine et qui induisent la dépolarisation de la cellule cible.
  • Les récepteurs de l'acétylcholine dans les cellules musculaires du cœur sont appelés les récepteurs muscariniques. Ce ne sont pas des canaux ioniques, mais ils déclenchent des voies de signalisation dans la cellule cible qui empêchent l'émission d'un potentiel d'action.

Les types de récepteurs des neurotransmetteurs

Comme l'exemple ci-dessus le suggère, on peut diviser les récepteurs protéiques qui sont activés par les neurotransmetteurs en deux grandes catégories :
  • Les canaux ioniques sensibles à un ligand. Ces récepteurs protéiques sont des canaux ioniques transmembranaires qui s'ouvrent directement en réponse à un ligand.
  • Les récepteurs métabotropes. Il ne s'agit pas de canaux ioniques. La liaison d'un neurotransmetteur déclenche une voie de signalisation, qui peut indirectement ouvrir ou fermer des canaux (ou avoir un tout autre effet).

Les canaux ioniques sensibles à un ligand

La première classe de récepteurs des neurotransmetteurs est celle des canaux ioniques sensibles à un ligand, également appelés récepteurs ionotropes. Ils encourent un changement de forme lorsque le neurotransmetteur se lie et entraîne l'ouverture du canal. Cela peut avoir un effet soit excitateur soit inhibiteur, en fonction des ions qui peuvent traverser le canal et de leurs concentrations à l'intérieur et à l'extérieur de la cellule.
Les canaux ioniques sensibles à un ligand sont de grands complexes protéiques. Ils disposent de certaines régions qui sont des sites de liaison au neurotransmetteur, ainsi que de segments transmembranaires qui constituent le canal.
Schéma d'un canal sensible à un ligand. Lorsque le neurotransmetteur se lie au canal, ce dernier s’ouvre et les cations affluent dans la cellule, en descendant leur gradient de concentration, et induisent une dépolarisation.
Les canaux ioniques sensibles à un ligand génèrent surtout des réponses physiologiques très rapides. Le courant circule (les ions commencent à traverser la membrane) dans les dizaines de microsecondes qui suivent la liaison du neurotransmetteur, et s'arrête dès que le neurotransmetteur n'est plus lié à ses récepteurs. Dans la plupart des cas, le neurotransmetteur est éliminé très rapidement de la synapse, grâce à des enzymes qui le décomposent ou aux cellules voisines qui le prennent en charge.

Les récepteurs métabotropes

L'activation de la deuxième classe de récepteurs des neurotransmetteurs n'affecte qu'indirectement l'ouverture et la fermeture des canaux ioniques. Dans ce cas, la protéine à laquelle le neurotransmetteur se lie – le récepteur de neurotransmetteurs – n’est pas un canal ionique. La signalisation à travers ces récepteurs métabotropes dépend de l'activation de plusieurs molécules au sein de la cellule et implique souvent un messager secondaire. Étant donné qu'elle nécessite plusieurs étapes, la signalisation à travers les récepteurs métabotropes est beaucoup plus lente que celle par le biais des canaux ioniques sensibles à un ligand.
Schéma illustrant un exemple d'action d'un récepteur métabotrope. Le ligand se lie au récepteur, ce qui déclenche une cascade de signalisation à l'intérieur de la cellule, qui induit l'ouverture du canal ionique. Ceci permet à des cations de descendre leur gradient de concentration et de pénétrer dans la cellule, entraînant une dépolarisation.
Certains récepteurs métabotropes ont des effets excitateurs lorsqu'ils sont activés (ce qui rend la cellule plus susceptible d'émettre un potentiel d'action), tandis que d'autres ont des effets inhibiteurs. Souvent, ces effets se produisent parce que le récepteur métabotrope déclenche une voie de signalisation qui ouvre ou ferme un canal ionique. Alternativement, un neurotransmetteur qui se lie à un récepteur métabotrope peut changer la manière dont la cellule répond à un deuxième neurotransmetteur qui agit par le biais d'un canal ionique sensible à un ligand. La transmission de signaux à travers les récepteurs métabotropes peut également avoir des effets sur la cellule postsynaptique, qui n'impliquent pas du tout les canaux ioniques.

Les neurotransmetteurs conventionnels et leurs types de récepteurs

NeurotransmetteurRécepteur(s) = canal ionique sensible à un ligand ?Récepteur(s) metabotrope(s) ?
Acides aminés
GABAOui (inhibiteur)Oui
GlutamateOui (excitateur)Oui
GlycineOui (inhibiteur)
Amines biogènes
DopamineOui
NoradrénalineOui
AdrénalineOui
SérotonineOui (excitateur)Oui
HistamineOui
Purinergique
AdénosineOui
ATPOui (excitateur)Oui
AcétylcholineOui (excitateur)Oui
Neuropeptides (nombreux)Oui
Ce tableau ne constitue pas une liste complète, mais il couvre certains des neurotransmetteurs conventionnels les plus connus.

Les neurotransmetteurs non conventionnels

Tous les neurotransmetteurs dont on a parlé jusqu’à présent peuvent être considérés comme des neurotransmetteurs "conventionnels". Plus récemment, plusieurs classes de neurotransmetteurs qui ne respectent pas toutes les règles habituelles ont été identifiées. On les considère comme des neurotransmetteurs "non conventionnels" ou "non traditionnels".
Citons deux classes de neurotransmetteurs non conventionnels : les endocannabinoïdes et les neurotransmetteurs gazeux (gaz solubles tels que le monoxyde d'azote, start text, N, O, end text, et le monoxyde de carbone, start text, C, O, end text). Ces molécules ne sont pas conventionnelles dans la mesure où elles ne sont pas stockées dans des vésicules synaptiques et peuvent transmettre des messages du neurone postsynaptique au neurone présynaptique. De plus, au lieu d'interagir avec les récepteurs de la membrane plasmique des cellules cibles, les neurotransmetteurs gazeux traversent la membrane et agissent directement sur des molécules à l'intérieur de la cellule.
D'autres messagers non conventionnels seront probablement découverts au fur et à mesure que l'on en apprendra davantage sur le fonctionnement des neurones et on devra peut-être encore faire évoluer le concept de neurotransmetteur.