TP-TD 10 Les systèmes de communication de l'organisme

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1. Généralités

Le travail de relation relie des cellules (ou des organes) au milieu ou entre eux. Le terme de communication est plus courant mais moins spécifique à la biologie; pour nous, il a la même signification que relation.

Les cellules et organes ou encore les parties éloignées d'une même cellule sont reliés entre eux par trois types de signaux:
- mécaniques par contact membranaire (par des récepteurs membranaires de reconnaissance)... ce sont essentiellement les cellules immunitaires qui se déplacent dans le sang et la lymphe (voir cours de TS).
- chimiques par des substances chimiques ou médiateurs, délivrées par des cellules sécrétrices et reçues au niveau de récepteurs par des cellules cibles (voir schéma ci-dessous);
les médiateurs peuvent être libérés sur place (médiateurs paracrines et autocrines), soit transportées plus ou moins loin (par le sang : médiateurs endocrines ou hormones), soit enfin délivrées par des cellules qui s'allongent démesurément pour délivrer leurs médiateurs à des distances de l'ordre de la dizaine de centimètre, voire du mètre (cellules nerveuses délivrant des neuromédiateurs)
- électriques, propagés à la surface des cellules excitables (neurones, cellules sensorielles, cellules musculaires, glandulaires et bien d'autres) et parfois transmis directement de membrane à membrane entre ces cellules; Les membranes ne sont pas vraiment en contact car il existe un espace "synaptique". Les neurones sont les cellules très allongées dont les axones ou les dendrites sont capables de transporter des messages électriques sur de longues distances (plusieurs dizaines de centimètres). Le plus souvent le message est transmis par une substance chimique (neuromédiateur des synapses chimiques). Parfois il est transmis de membrane à membrane (synapse électrique).

Remarque:
cette classification est bien incomplète; Les interactions cellulaires mériteraient un chapitre à part qu'il est encore trop tôt pour écrire étant donné le faible développement de la biologie théorique par comparaison à la physique théorique qui a fait des interactions un point clé de sa construction, notamment grâce au concept de champ. En biologie, les champs morphogénétiques ou les champs métaboliques, pour n'en citer que deux exemples, appellent une formalisation. Le concept de champ de vecteurs est essentiel à cette formalisation mathématique même si le niveau nécessaire à sa compréhension est loin d'être négligeable (voir par exemple l'appendice mathématique in Stabilité Structurelle et Morphogenèse, René Thom, 1968, stabilite.pdf, p 483). Le concept de gradient, comme dérivé d'une fonction (vecteur gradient ayant pour composantes les dérivées partielle de la fonction, supposée analytique), est tout aussi applicable en biologie et peut-être plus facilement compréhensible.

Les médiateurs: substances informatives = signaux chimiques

Une substance informative est émise (libérée), transmise (transportée), reçue (réception) et doit être suivie d'un effet .
Tout médiateur pour pouvoir agir implique la présence de récepteurs plus ou moins spécifiques sur les cellules cibles.

On distingue alors :
- les neuromédiateurs : synthétisés par des neurones, libérés sous contrôle nerveux (PA) au niveau des extrémités axonales la plupart du temps synaptiques
- les hormones ou médiateurs endocrines : synthétisés et sécrétés par des cellules endocrines en permanence, libérés dans le milieu intérieur et donc circulants à un certain taux.
- les médiateurs paracrines : substance chimique à diffusion locale, dans le milieu extracellulaire et rapidement inactivé
- les médiateurs autocrines : stimulent à la fois la cellule sécrétrice et les cellules avoisinantes par effet paracrine.

Les grands types de substances chimiques informatives ou MÉDIATEURS

Trois systèmes revendiquent donc le titre de système de relation: le système immunitaire, le système endocrine et le système nerveux. Actuellement il est clair que l'on ne peut trancher et que chaque système participe plus ou moins, selon la fonction étudiée , aux relations entre cellules et organes.
* le système immunitaire est le système de relation tourné vers l'intérieur, vers la défense de l'intégrité de l'organisme et la stabilité d'un grand nombre de fonctions.(voir cours de terminale)
* le système nerveux est le système de relation tourné vers l'extérieur, c'est lui qui assure la réception et l'exploitation des signaux environnementaux, il intervient de façon majeure dans la locomotion; mais il assure aussi la stabilité de nombreuse fonctions (circulatoires par exemple) par le système végétatif (ortho et parasympathique) (voir cours de seconde).
* le système endocrine est aussi un système de relation tourné vers l'intérieur mais il est nettement moins clair actuellement que les cellules endocrines forment un système à part. Il serait préférable de parler d'activité endocrine pour de nombreux organes comme le cerveau, le pancréas, les gonades....

2. Le système nerveux (Bordas p 176-177)

Compléments sur le système nerveux
Anatomie fonctionnelle
Histologie fonctionnelle = le tissu nerveux

 Le système nerveux est classiquement divisé en:

  • système nerveux central (cerveau et moelle épinière)
  • système nerveux périphérique : plexus (amas diffus), ganglions, nerfs, récepteurs sensoriels...

 


vue très schématique du système nerveux de l'homme

cellule nerveuse = neurone (on estime à 10 milliards le nombre de neurones dans le seul cerveau humain pour un nombre total d'environ 100 milliards de neurones)
cellules de soutien = cellules gliales (formant la glie) dont les cellules de Schwann

Un neurone comprend typiquement :

  • un corps cellulaire contenant le noyau (de diamètre inférieur à 100µm chez les vertébrés) et les ribosomes (et donc la machinerie de synthèse protéique);
  • des prolongements ou fibres très fines (neurites) habituellement de moins de 10 µm de diamètre et pouvant mesurer plusieurs mètres de long. On distingue
    • le ou les axones, où la conduction des messages nerveux, "centrifuge" (en référence au noyau), va du corps cellulaire vers l'extérieur (de par la présence de synapses à leur extrémité), toujours entouré par des cellules gliales;
    • et généralement un grand nombre de dendrites, souvent très ramifiées, où le message nerveux est propagé en direction corps cellulaire ("centripète").

 On distingue aussi les :

  • système nerveux somatique : "volontaire"
  • système nerveux autonome ou végétatif: "involontaire"

Quelques cellules nerveuses en place
(d'après Fig 10,8, Précis de Physiologie, Doin, 1997)

Les neurones sont classés en fonction du diamètre et de la vitesse de conduction de leurs axones (A, les plus gros (3 à 20 µm de diamètre) et rapides (15 à 120 m.s-1 ) à C, les plus petits (0,2 à 1,3 µm) et lents (0,5 et 2,3 m.s-1 ). Pour les fibres sensorielles une classification avec des chiffres a été élaborée: Ia (fibres issues des fuseaux neuromusculaires avec terminaison annulo-spirale), Ib fibres issues des organes neurotendineux de Golgi), II (fibres issues des fuseaux neuromusculaires avec terminaison en bouquet et fibres issues des récepteurs tactiles), III (fibres issues des thermo et nocicepteurs et de certains récepteurs tactiles), IV(fibres issues principalement de nocicepteurs). Les I, II et III correspondent aux A et les IV aux C.
Les cellules gliales (2 à 50 fois plus nombreuses que les neurones) sont réparties en deux ensembles:

  • la macroglie composée d'astrocytes, reliant les autres cellules nerveuses avec les vaisseaux sanguins (ils interviennent dans la nutrition des autres neurones en stockant notamment du glucose sous forme de glycogène, dans la recapture des neurotransmetteurs et sont parfois capables de se diviser pour former un cal bloquant la régénération nerveuse en cas de lésion), et d'oligodendrocytes, dont les peu nombreux prolongements s'enroulent (progressivement entre la naissance et les premières années de vie du jeune) autour des axones de plusieurs cellules (de 20 à 70) qu'ils myélinisent dans le système nerveux central; les cellules de Schwann sont des oligodendrocytes qui myélinisent une seule fibre du système nerveux périphérique en s'enroulant de très nombreuses fois autour d'un axone; les membranes quasiment fusionnées servant d'isolant et permettant une conduction rapide (saltatoire) entre nœuds de Ranvier qui sont les points situés entre deux segments myélinisés. Ces nœuds sont plus écartés dans le système nerveux central que périphérique.
  • la microglie (5 à 10% des cellules gliales) composée de cellules dérivant des monocytes sanguins passés par le cerveau au cours du développement embryonnaire. Ce sont donc des cellules immunitaires (cellules du système réticulo-histiocytaire: voir cours d'immunologie) et comme les phagocytes tissulaires que sont les macrophages elles phagocyteraient les débris cellulaires nerveux.

le schéma ci-dessous vous permet de remplacer le tissu nerveux au sein de la structure de la colonne vertébrale.


Position de la moelle épinière sur une vue latérale de colonne vertébrale avec départ des nerfs rachidiens

Les neurones sont issus de la couche embryonnaire la plus externe : l'ectoderme. Chez les vertébrés ils sont issus d'une invagination en forme de gouttière (tube neural) qui petit à petit se différencie à l'avant en cerveau et vers l'arrière de l'embryon en moelle épinière d'où partent de nombreux prolongements. (film CNDP sur le cerveau présentant quelques séquences du développement embryonnaire de la salamandre). Les neurones cessent de se diviser avant (ou peu après) la naissance (vos neurones ont donc votre âge) et seules la croissance des prolongements cellulaires et la migration des cellules sont responsables de la maturation du système nerveux du petit enfant. Très récemment on a mis en évidence un renouvellement cellulaire dans certaines parties du cerveau humain (cervelet). On sait cultiver in vitro des neurones de vertébrés comme les cellules du cervelet de certains poissons (voir séquences du film cité ci-dessus).

Les neurones semblent être bloqués en phase Go du cycle cellulaire et donc incapables de se diviser alors que les cellules gliales le peuvent. Les neuroblastes embryonnaires se divisent activement. Les cellules filles donnent naissance aux neurones ou aux cellules gliales. Les cellules gliales de la glie radiaire établies entre le futur cortex et les vésicules centrales du tube nerveux forment par exemple une sorte de squelette le long duquel les neurones migrent pour aller coloniser le cortex. Lors de cette migration des reconnaissances chimiques ont lieu entre les cellules migrantes et les cellules déjà en place. La mise en place des connections synaptiques se fait en deux temps: un très grand nombre de connections sont d'abord établies et seules certaines persistent au cours d'une seconde étape qui voit aussi la mort de nombreux neurones. Il semble y avoir une sélection. En tout cas les facteurs contrôlant les connexions interneuronales et le type neurochimique des synapses sont nombreux et sans aucun doute adaptables non seulement au cours de la vie embryonnaire mais bien après la naissance, ce qui concoure sans aucun doute à la plasticité neuronale.

Le cerveau est non seulement protégé mécaniquement par les méninges mais une barrière hématoencéphalique isole le névraxe (cerveau, bulbe, moelle épinière) du reste de l'organisme. En effet, de nombreuses substances chimiques mais aussi les cellules immunitaires sont bloquées par ce que l'on qualifie de barrière et qui est la couche de cellules endothéliales des capillaires du cerveau serrées les unes aux autres (attachées par des tight junctions). Si le système immunitaire est le système de communication de l'organisme, il n'atteint pas le cerveau qui possède son propre système de communication avec le reste de l'organisme. Cet isolement est aussi un problème lorsque le tissu nerveux est infecté. A noter qu'au niveau de la base de l'hypothalamus les capillaires sont fenestrés est que la barrière hématoencéphalique est donc interrompue. L'hypothalamus peut donc à la fois recevoir des messagers chimiques du reste de l'organisme et en diffuser par le sang.

Le système nerveux possède une activité endocrine essentielle par la sécrétion de neurohormones. Par la sécrétion de neuromédiateurs un neurone module l'activité d'autres neurones. Le contrôle du travail de relation réalisé par le système nerveux se fait de façon principale par le contrôle du métabolisme (synthèse, libération, dégradation) de ces médiateurs.

3. Questionnaire sur l'activité endocrine

dont vous trouverez les réponses dans les documents fournis (ci-dessous) et dans votre manuel (Belin, Bordas ou Nathan, 1èreS). Vous devez observer les préparations microscopiques de pancréas et arriver à repérer les îlots de Langerhans.

Des cellules endocrines du pancréas

1

Quelle est la différence entre une sécrétion endocrine et une sécrétion exocrine ?

2

Citer deux glandes exocrines et deux glandes endocrines

3

Faire un schéma du pancréas (à l'aide du livre Bordas p 153, 145, Belin p 335-336 ou Nathan, p 152, 153, 158 et du tronc humain)

4

Citez des cellules exocrines du pancréas et précisez les fonctions de leurs sécrétions. (Bordas p 145)

5

Citez des cellules endocrines du pancréas et précisez les fonctions de leurs sécrétions. (Bordas p 145, 151, 153)

6

Qu'est-ce qu'une hormone ? (encadré et Bordas p 147) - Définition à apprendre

7

Pourquoi un tissu à activité endocrine est-il toujours richement vascularisé* ?

* vascularisé signifie qu'il est irrigué par des vaisseaux sanguins

8

Pourquoi n'est-il pas judicieux de parler de système endocrine ?

Recopiez (pour ceux qui le souhaitent) le schéma sur les substances informatives ou médiateurs

L'activité endocrine

On distingue, parmi certaines invaginations des épithéliums (signifie "tissu superficiel") embryonnaires:

  • les glandes exocrines qui sécrètent des produits vers le milieu extérieur par l'intermédiaire d'un canal excréteur (ex: glande sudoripare)
  • les glandes endocrines qui sécrètent un produit vers le milieu intérieur (sang et lymphe) et qui sont dépourvues de canal (soit parce qu'il a dégénéré soit parce que les cellules de la glande sont des cellules embryonnaires épithéliales qui ont migré pour venir s'insérer dans un autre tissu) ; les cellules endocrines peuvent donc être organisées sous forme d'une glande endocrine séparée soit former des amas de cellules associés à d'autres tissus.

Principales glandes endocrines chez l'homme
le tissu endocrine pancréatique
une glande mixte : le pancréas

le pancréas se développe embryologiquement par une excroissance de l'intestin primitif (on dit qu'il est d'origine endodermique) d'où dérivent des cellules endocrines (sécrétrices d'hormones) regroupées en îlots situés entre les ampoules (acini) exocrines sécrétant des enzymes digestives. C'est pourquoi on dit que la pancréas est une glande digestive mixte. Le pancréas est donc:

  • une glande exocrine lobulée (formée de lobules ou ampoules: les acini) qui déverse ses enzymes (trypsine, chymotrypsine...) dans le duodénum (partie de l'intestin grêle la plus proche de l'estomac) par le canal pancréatique;
  • comportant un tissu endocrine formées par les mêmes cellules embryonnaires qui on donné le pancréas exocrine primitif mais qui ont migré autour des vaisseaux sanguins pour former des amas de cellules ou îlots de Langerhans. Ces îlots sont plus nombreux dans la "queue" (partie effilée) que la "tête" du pancréas.

Le pancréas, tant exocrine qu'endocrine, est innervé.
Si le pancréas exocrine est lui aussi vascularisé, les tissus endocrines sont toujours richement vascularisés. Notez que les îlots de Langerhans se sont individualisés autour des capillaires pancréatiques.

Les hormones sont des substances chimiques sécrétées en permanence à un certain taux par des cellules spécifiques (cellules endocrines) toujours actives (même si leur activité est modulée par des paramètres physiologiques) ; transportées par les liquides internes mais surtout le sang, elles agissent, loin du lieu de sécrétion, sur des cellules-cibles pourvues de récepteurs spécifiques.