Différences entre les versions de « Neurosciences/Les récepteurs sensoriels »

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On a vu dans les chapitres précédents que les neurones peuvent réagir à des stimulus chimiques appelés neurotransmetteurs. Pour cela, ils possèdent des récepteurs synaptiques à leur surface qui réagissent avec des neurotransmetteurs. Les neurones ne sont pas les seules cellules à réagir ainsi à des signaux chimiques : les cellules du foie, des poumons, du cœur, et bien d'autres font pareil. Mais, chose plus intéressante, certains neurones utilisent un mécanisme similaire pour réagir de la même manière à des signaux non-chimiques. Par exemple, les neurones de la rétine peuvent générer un potentiel d'action en réaction non pas à des neurotransmetteurs, mais à de la lumière. Comme vous l'avez peut-être deviné, ces neurones traduisent des stimulus lumineux en potentiels d'action. Sans eux, on ne pourrait pas voir que ce soit : le système nerveux ne peut pas interpréter ce que l'on voit que parce qu'il y a eu traduction en influx nerveux. De manière générale, tout stimulus sensoriel doit être traduit en potentiels d'action pour être compris par le cerveau : c'est vrai pour tous les sens, aussi bien pour la vision que pour l’ouïe ou l'odorat. Pour cela, les neurones possèdent sur leur surface des '''récepteurs sensoriels''', semblables aux récepteurs synaptiques, mais qui réagissent à autre chose qu'un neurotransmetteur.
 
Naturellement, ces récepteurs sont localisés dans les yeux, l'oreille, la bouche et le nez, mais certains sont aussi présents dans le cerveau ! La raison à cela est que le cerveau monitore en permanence le sang ou des fluides auxquels il est en contact. Par exemple, certaines aires cérébrales analysent la qualité du sang, pour détecter des variations de la teneur en oxygène ou du dioxyde de carbone, afin de réguler la respiration : un excès de CO2 et/ou un manque d'O2 stimulera ainsi la respiration. D'autres aires cérébrales analysent la teneur en sel du sang pour contrôler l'alimentation en eau et la sensation de soif. Enfin, des récepteurs chimiques sont localisés dans l'area postrema, une aire impliquée dans le réflexe de vomissement. Quand cette area postrema capte certaines molécules toxiques ou bactériennes, elle avertiavertit l'aire cérébrale du vomissement. Bref, ces récepteurs sensoriels sont non seulement impliqués dans les sensations basiques que sonsont l'ouie, la vision, l'odorat et le gout, mais sont aussi impliqués dans tout un tas de fonctions vitales comme la respiration, l'alimentation, le vomissement, etc. Nous reviendrons sur ces particularités dans des chapitres à part, vers la fin de ce livre? Cependant, nous allons voir ces récepteurs sensoriels dans ce chapitre, plutôt que dans le chapitre sur les différents sens ou sur l'homéostasie.
 
Dans ce chapitre, nous allons voir ces récepteurs sensoriels. Mais avant toute chose, faisons une petite remarque assez importante : le terme récepteur sensoriel a deux sens distincts, mais assez proches. SA première acceptation sert à désigner les neurones qui réagissent à des stimulus sensoriels. Par exemple, un neurone de la rétine qui réagit à la lumière est, formellement, un récepteur sensoriel. Mais le terme récepteur sensoriel désigne aussi les molécules situées à la surface de ces neurones, qui traduisent un stimulus sensoriel en ouverture de canaux ioniques. Par exemple, reprenons l'exemple du neurone rétinien. Celui-ci possède à sa surface des molécules de rhodopsine, des récepteurs aux protéines G qui réagissent à la lumière : ces dernières sont aussi qualifiées de récepteurs sensoriels. Cette précision étant faire, nous allons pouvoir aborder les différentes molécules qui traduisent les signaux sensoriels en potentiels d'action. Nous allons d'abord voir les molécules de l'odorat et du gout, qui sont sensibles à des molécules présentes dans les aliments ou l’environnement. Ensuite, nous allons voir les cellules sensibles à la lumière, utilisées pour la vision. Les récepteurs auditifs et autres seront certainement abordés dans une prochaine révision de ce cours.
Il existe un grand nombre de gènes qui codent les récepteurs olfactifs, chaque gène codant exactement un récepteur. La structure de ces gènes olfactifs (les gènes des récepteurs olfactifs) est la même pour tous les gènes. Quelques séquences de régulations sont suivies par un intron, puis par le gène proprement dit. Le gène est composé d'une séquence ininterrompue de plusieurs milliers de bases/codons, qui code la protéine d'un seul bloc, suivis par une séquence STOP de polyadénylation. On ne retrouve pas d'intron au beau milieu de la séquence codant le gène proprement dit, chose qui est pourtant courante.
 
Les gènes en question sont dispersés dans l'ensemble du génome, sur plusieurs chromosomes. Chez l'humain, tous les chromosomes, à l'exception du chromosome 20 et du chromosome Y, contiennent un ou plusieurs gènes de récepteur olfactif. De plus, les gènes olfactifs sont regroupés en groupes de quelques dizaines de gènes olfactifs, placés les uns à la suite des autres. Les gènes d'un même groupe sont similaires, dans le sens où ils différentdiffèrent par quelques paires de bases les uns des autres, guère plus.
 
Si l'évolution aita permitpermis la multiplication des gènes olfactifs, elle a aussi désactivé certains gènes olfactifs devenus inutiles. Si la plupart des gènes olfactifs sont bel et bien traduits en protéines réceptrices, d'autres sont des vestiges de l'évolution et ne semblent pas pouvoir être traduits en protéines. Ces gènes désactivés sont appelés des ''pseudo-gènes'', leur nom indiquant qu'ils ne correspondent par vraiment à des gènes proprement dits, bien qu'ils fassent partie d'un patrimoine génétique. Pour donner quelques chiffres, les primates ont environ 400 pseudo-gènes dans leur génome, et certains rongeurs en ont plusieurs milliers. Chez les insectes, le nombre de pseudo-gènes sont très faibles, en regard avec leur faible nombre de gènes olfactifs.
 
====La variabilité des récepteurs olfactifs====
Outre la variabilité entre espèces, les récepteurs olfactifs varient beaucoup selon l'individu. Un exemple bien connu chez les humains est celui des récepteurs à l'androsténone, une molécule odorante dérivée de la testostérone, qui n'est perçue que chez une minorité de la population. Environ 50% des humains ne peuvent pas percevoir l'odeur d'androsténone, même si la molécule est présentée à de fortes concentrations. Par contre, les sujets restants sont modérément ou extrêmement sensibles à l'androsténone. Elle procure, chez 15% des sujets, une sensation d’odeur assez agréable, légèrement sucrée. Les 35% restants sont encore plus sensibles et ressentent une odeur désagréable d'urine ou de sueur. Et cela vaut aussi pour d'autres molécules, l'androsténone étant un cas classique, mais pas le seul.
 
La variabilité des gènes olfactifs provient de deux sources différentes : la présence de plusieurs allèles pour un même gène, la présence de copies d'un même gène. Commençons par la présence de copies d'un même gène. Il n'est pas rare qu'un gène olfactif soit présent en plusieurs exemplaires dans le génome. Selon certaines études, environ 15 à 30% des gènes et pseudo-gènes sont présents en plusieurs exemplaires. Fait intéressant, les copies d'un gène ne sont pas dispersées dans le génome, mais sont tous placés dans un même groupe. Mieux : le gène et ses copies forment une sorte de chapelet, une suite de gène identiques placés les uns à la suite des autres. Cela semble indiquer que les gènes olfactifs sont capablecapables de se dupliquer, par un mécanisme tel que la copie se trouve juste à la suite du gène originel. Nous y reviendrons dans ce qui suit.
 
Outre la variabilité génétique liée aux copies, les gènes olfactifs ont en général plusieurs allèles. Dans le détail, chaque gène olfactif peut subir des modifications qui ajouteajoutent, retirent ou remplacent des paires de bases. De telles substitutions de bases, les ''SNP'' (''Single Nucleotide Polymorphism''), vont transformer un gène en un de ses allèles. L’occurrence des ''SNP'' est particulièrement fréquent chez les gènes olfactifs, au point qu'il n'est dépassé que par le polymorphisme des gènes immunitaires ! La plupart des SNP sont de type ''faux-sens'', à savoir qu'elles remplacent une paire de base par une autre, sans fabriquer un codon STOP. Le récepteur olfactif obtenu avec une mutation faux-sens est alors légèrement différent de l'original, ce qui fait qu'il n'est pas exactement sensible aux même odeurs. Les SNP de type ''non-sens'', qui entrainent l'apparition d'un codon STOP au beau milieu d'un gène, sont aussi possibles. Ces dernières tendent à désactiver les gènes olfactifs, à les transformer en pseudo-gènes (des gènes qui ne codent pas une protéine et qui n'ont pas d'effet physiologique notable). Il n'est pas rare qu'un même gène olfactif ait des allèles fonctionnels, et d'autres qui sont des pseudo-gènes. Notons que les pseudo-gènes olfactifs sont conservés : il n'y a pas de sélection qui favorise la réduction du nombre de pseudo-gène.
 
[[File:Point CAA.png|centre|vignette|upright=2.0|Illustration des différents types de ''Single Nucleotide Polymorphism''.]]
====L'évolution des gènes olfactifs====
 
La structure commune des gènes olfactifs, le grand nombre d’allèles des gènes olfactifs, la répartition en groupes des gènes dans les chromosomes, la présence de multiples copies de gènes dans les groupes : tous ces phénomènes seraient liés à l'origine même des gènes olfactifs. L'évolution des gènes olfactifolfactifs est liée à deux phénomènes qui agissent de concert : la duplication des gènes, et l'apparition de mutations de type SNP. Tout semble indiquer que les gènes d'un même groupe se sont formés par duplication d'un gène ancestral, chaque copie ayant muté progressivement de son côté. Ce phénomène n'est pas rare : il arrive fréquemment que certains gènegènes se dupliquent, les deux copies étant voisines les unes des autres. A force de duplication, un gène ancestral aurait fini par donner un groupe de plusieurs gènes voisins. AÀ ce phénomène, il faut ajouter les modifications qui sont survenues sur les copies du gène ancestral. Des mutations aléatoires ont modifié chaque copie, certains gènes ont fusionnésfusionné, d'autres se sont désactivés, etc. Chaque copie du gène ancestral a ainsi évolué indépendamment des autres, donnant naissance à un nouveau récepteur olfactif. Dans le détail, les gènes olfactifs se seraient formés par ''rétrotransposition'', un processus génétique qui déplace/copie un gène en plusieurs exemplaires dans le génome. Les copies auraient accumuléesaccumulé des mutations, donnant naissance à un nouveau gène olfactif, là où le gène original serait resté tel quel.
 
===Les récepteurs des phéromones===
Certains animaux peuvent détecter des '''phéromones''', des molécules particulières impliquées dans le comportement sexuel, le marquage du territoire, et d'autres fonctions utiles pour la survie. Ces phéromones sont en quelque sorte des odeurs particulières, qui engendrent une réaction automatique chez l'animal qui les perçoit. Elles sont émises par un individu afin d'influencer le comportement d'un autre individu, généralement en déclenchant un comportement instinctif. Par exemple, l'odeur de l'urine d'un chat lui permet de marquer son territoire, de dire à un autre membre de son espèce de dégager d'ici de plus vite possible parce que son territoire c'est chez lui et qu'il devient très méchant face à des inconnus. D'autres phéromones permettent de déclencher un comportement reproducteur, comme une parade nuptiale chez certains insectes. D'ordinaire, ces phéromones sont transportées par des liquides et non par l'air.
 
La perception des phéromones est différente de l'olfaction, ces deux sens étant indépendants. Ce ne sont pas les mêmes structures anatomiques qui captent et analysent des phéromones et les odeurs. Déjà, les structures cérébrales qui s'occupent des odeurs et des phéromones ne sont pas les mêmes, bien qu'elles soient assez proches. De plus, les phéromones ne sont pas perçues par l'épithélium nasal proprement dit, mais par une zone précise de la cavité nasale : l'organe voméronasal, ou organe de Jacobson. Celui-ci contient quelques neurones sensoriels, dont les récepteurs captent les phéromones. Et ces récepteurs aux phéromones, aussi appelés '''récepteurs voméronasaux''', sont très différents des récepteurs olfactifs ! Ce sont tous des récepteurs aux protéineprotéines G, comme les récepteurs olfactifs.
 
Les récepteurs voméronasaux sont classés en plusieurs types principaux : les récepteurs V1R et V2R sont les plus anciens à avoir été découverts, les récepteurs V3R sont plus récents et moins bien connus. Les '''récepteurs V1R''' sont les plus courants. Ils sont présents chez la majorité des espèces vertébrées, mais leur nombre dépend fortement de l'espèce. Pour donner quelques chiffres, on ne trouve que 7 récepteurs de ce type chez le chien, encore moins chez l'homme, 150 chez la souris et près de 450 chez l'opossum. On en trouve près de 150 chez la souris, qui sont classés en 15 sous-classes. Précisons que certaines de ces sous-familles sont absentes chez le rat (et inversement), ce qui montre tout change selon l'espèce. On observe la même chose pour les '''récepteurs V2R''', si ce n'est que l'on ne les trouve pas chez les mammifères. Contrairement à ce qu'on observe pour les récepteurs V1R, assez nombreux chez les mammifères, assez rares sont les mammifères qui ont des récepteurs V2R. On peut enfin citer les '''récepteurs à peptide formylé''', qui sont un troisième type de récepteurs voméronasaux. Ils sont beaucoup moins connus que les deux types précédents.
===Les récepteurs gustatifs===
 
Le gout des aliments est capté par des récepteurs sensoriels situés sur les neurones des bourgeons du gout : les '''récepteurs gustatifs'''. Chaque récepteur du gout réagit à une saveur particulière. Vous le savez peut-être, les humains peuvent percevoir plusieurs saveurs, les plus connues étant les gouts salé, sucré, amer, acide. AÀ ces derniers, il faut ajouter la perception de l'umami, la saveur du glutamate et de ses dérivés, qui est clairement moins connu que les autres. Naturellement, il existe des récepteurs différents pour le sucré, le salé, l'amer, l'acide et l'umani.
 
Comme pour l'odorat, la perception du gout varie grandement selon les individus et ces variations sont fortement liées à la quantité de récepteurs gustatifs. Certaines personnes sont d'ailleurs insensibles à certaines molécules, voire à certaines saveurs, parce qu'elles n'ont pas les récepteurs nécessaires. Par exemple, le saccharose est perçu à des degrés divers entre les individus : certains y sont très sensibles, d'autres beaucoup moins, rares sont ceux qui y sont insensibles. Et quelques travaux ont montré une corrélation avec des modifications dans un récepteur du gout sucré. De même, on sait que la perception gustative du phénylthiocarbamide dépend de l'individu, en raison de la présence ou absence d'un récepteur, assez rare chez l'humain. De plus, la présence de ce récepteur est héritable, transmise à la descendance.
====Les voies de transduction du sucré, de l'amer et de l'umami (récepteurs TAS1R et TAS2R)====
 
Après avoir vu les deux types de récepteurs, TAS1R et TAS2R, il est temps de passer aux voies de transduction (ce qui se passe dans la cellule quand le récepteur est activé). Qu'il s'agisse des récepteurs de l'amer ou du sucré, leur réaction entraine à peu-près les mêmes réactions intracellulaires. Comme dit plus haut, les récepteurs gustatifs métabotropes sont des récepteurs aux protéineprotéines G. Dans les neurones gustatifs, la protéine G est de la ''gustducine''. Quand la molécule sapide se lie au récepteur, la gustducine se dissocie, se brise en deux fragments. L'un de ces fragments (la partie alpha de la gustducine) se détache du récepteur et enclenche plusieurs séries de réactions chimiques particulières. La principale est celle de l'AMP cyclique, la seconde passe par l'intermédiaire de l'enzyme DAG, et une troisième voie passe par l'enzyme IP3. Les trois voies finissent de la même manière : elles entrainent une augmentation de la concentration en calcium dans le neurone, ce qui induit la fusion des vésicules synaptiques avec la membrane du neurone, et donc la libération de neurotransmetteurs.
 
La voie de l'IP3 est mal connue, mais on suppose qu'elle mobilise les réserves intracellulaires de calcium. Les deux autres voies entrainent l'activation de Phosphorylase Kinase : une Phosphorylase Kinase A (PKA) pour la voie de l'AMPc, une Phosphorylase Kinase C (PKC) pour la voie DAG. Ces deux Phosphorylase Kinases accrochent un groupe phosphate aux canaux ioniques potassium. Une fois phophorylsé ainsi, les canaux potassium se ferment, ce qui entraine une augmentation de la quantité de potassium dans le neurone. La tension de la membrane neuronale augmente donc, ce qui peut dépolariser le neurone. La dépolarisation ouvre les canaux voltage-dépendant du calcium, ce qui permet une entrée de calcium dans le neurone. Ces trois voie sont décrites dans le schéma ci-dessous.
Dans l'obscurité, la concentration en GMPc est maximale et le neurone a ses canaux sodium ouverts : le sodium rentre dans le neurone comme dans un moulin. L'entrée d'ions sodium est compensée par l'expulsion d'ions potassium, jusqu’à atteindre un point d'équilibre électrochimique. Une fois exposé à la lumière, la production de GMPc est fortement réduite. La teneur en GMPc n'est plus suffisante pour garder les canaux sodium ouverts, ce qui fait qu'ils se ferment. Les ions sodium étant chargés positivement, cela fait moins d'entrée de charges positives dans le bâtonnet et donc une augmentation des charges négatives. Le résultat est que le neurone se polarise donc encore plus qu'il ne l'était déjà : sa tension devient encore plus négative qu'à l'obscurité.
 
Le processus d'activation des photorécepteurs est le même pour toutes les molécules d'opsines, mais nous allons l'aborder dans le cas particulier de la rhodopsine. Ce qui va être vu sera aussi valable pour les autres photorécepteurs. Dans ces molécules, le rétinal peut exister sous deux formes, nommées trans et cis. Lorsque la rhodopsine absorbe un photon, le rétinal passe de la forme cis à la forme trans, ce qui déclenche l'activation du récepteur auà la protéine G. La molécule, devenue instable, va alors se scinder en deux : une molécule d'opsine, et une molécule de rétinal de forme trans. Cette réaction catalyse la fabrication d'une molécule appelée transducine, qui elle-même catalyse la dégradation de la GMPc. Cette réaction est extrêmement efficace : l'absorption d'un seul photon permet de dissocier plusieurs milliers de molécules de GMPc, ce qui permet d’empêcher l'entrée de plusieurs millions d'ions sodium.
 
[[File:Activation de la phototransduction.pdf|centre|vignette|upright=3.0|Déroulement de la phototransduction.]]
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