Chapitre 4 : les relations trophiques dans un milieu naturel
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Mise en situation Activité 1 : Les relations trophiques : le
La notion de réseau trophique Activité 2 : Les réseaux trophiques Le régime alimentaire de la faune saharienne Exploiter les documents 3 et 4 pour : 3- Classer dans un tableau ces espèces selon leurs niveaux trophiques 4-représenter deux cha înes alimentaires de chaque écosystème 5-représenter le réseau trophique pour
4 Les relations interspécifiques affectent le fonctionnement
Exemple dans les prairies : renard, fouine, belette, hermine, rapaces qui mangent des est un élément important pour définir le type de relation trophique 413 1
Les types trophiques des micro-organismes
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LES CELLULES DE SCHWANN : Un exemple glial
leurs cibles (muscles, tendons, peau) La connaissance plus approfondie de la relation trophique entre Schwann et neurones a montrée que les cellules de Schwann produisent des molécules appelés facteurs neurotrophiques qui sont indispensable à la survie des neurone et à la neuritogenèse
Chapitre 4 : Le cycle de la matière, et le flux de l’énergie
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LES CELLULES DE SCHWANN : Un exemple glialCours de Sylvain BARTOLAMI,Université Montpellier II
INTRODUCTION
Les neurones sont parmi les cellules les plus spécialisées de l'organisme. Leur physiologie tend vers un seul but, l'élaboration et la transmission de l'information nerveuse d'un bout à l'autre du SN. Leur différenciation est si poussée que les neurones sont incapables de se développer et de survivre seuls. Ils dépendent de cellules de soutien : les cellules gliales. Les cellules gliales sont donc indispensables à la survie et à la maturation des neurones (rôle trophique). Mais aussi, elles sont impliquées dans le fonctionnement neuronale.Enfin, la glie réagit aux traumatismes neuronaux en participant à la cicatrisation ou la réparation
des lésions. Dans le SNC, ce soutien glial est principalement assuré par 2 types cellulaires (les oligodendrocytes et les astrocytes) alors que dans le SNP, une seule sorte de cellule remplit ces fonctions développementales et fonctionnelles : La cellules de Schwann (qui sera le principal sujet de cet exposé). Cette cellule a une position à part dans le SN car elle est la seule capable de permettre la réparation des fibres nerveuses sectionnées.I LA GLIE CENTRALE
1) les oligodendrocytes
Ils forment les manchons de gaine de myéline autour de plusieurs dizaines d'axones (1oligodendrocyte produit des manchons de myéline pour au moins 40 axones différents), forment les
noeuds de Ranviernécessaire à la propagation rapide du potentiel d'action. Les oligodendrocytes
sont prépondérants dans le soutien fonctionnel que la glie centrale apporte aux neurones. Fig.1 : Représentation schématique d'un oligodendrocyte formant des manchons de myéline avec plusieurs axones centraux.2) les astrocytes
Ces cellules gliales possèdent de nombreux prolongements contactant aussi bien les neurones queles cellules épendymaires (une sous population de cellules gliale qui tapissent les cavités cérébrales
contenant le liquide céphalorachidiens) et les capillaires sanguins. Ainsi les astrocytes assurent
des échanges nutritifs dont dépend le bon fonctionnement neuronale : apports de nutriments(glucose, oxygène) et d'autres molécules trophiques (hormones et autres) et évacuations de déchets
métaboliques. Fig.2 : Un astrocyte émet des pieds astrocytaires permettant les echanges nutritifs et trophiques entre les neurones centraux et la circulation sanguine d'une part et le liquide céphalo-rachidien d'autre part (via les cellules épendymaires Les pieds astrocytaires entourent aussi les synapses afin de participer à l'homéostasie de l'environnement synaptique (pompage des neurotransmetteurs). Enfin, les astrocytes communiquent entre eux par des jonctions gap (jonctions communicantes) qui laissent passer des vagues calciques se superposant à la neurotransmission). Lorsque des traumatismes affectent leSNC, les astrocytes réagissent en formant des cicatrices gliales dont l'inconvénient majeur est de
gêner les tentatives de rétablissement des contacts synaptiques par les neurones survivants. II LA GLIE PERIPHERIQUE : LES CELLULES DE SCHWANNN1) le développement et différentiation
les Cellules de Schwann proviennent d'une cellule progénitrice présente dans la crête neurale : la
cellule souche. Avant de devenir une cellule de Schwann, celle-ci passe par plusieurs étapes de maturation, au cours desquelles elles se multiplient avant d'atteindre leurs stades finaux dedifférenciation. Ainsi la cellule souche donne d'abord naissance à un précurseur de cellule de
Schwann dont la particularité principale est de dépendre complètement du contact avec les axones
des neurones pour survivre. Ce précurseur évolue ensuite en cellule de Schwann embryonnaire qui peut survivre sans être en contact avec les neurones mais dépend de ceux-cipour poursuivre sa différenciation. En effet, selon la taille des axones avec qui elles sont en contact,
les cellules de Schwann embryonnaires vont se différencier de deux manières distinctes : en cellules
myélinisantes si elles sont en relation avec des axones de diamètre d'au moins 1 mm, sinon elles
deviennent des cellules de Schwann non-myélinisantes qui englobent dans leur cytoplasmeplusieurs axones de petit calibre. Une fois différenciées, les cellules gliales arrêtent de proliférer. La
différenciation des cellules de Schwann est réversible lorsque le contact Schwann/neurone est perdu, comme c'est le cas dans les traumatismes touchant les nerfs. A ce moment là, elles sedédifférencient vers un phénotype proche de celui des cellules de Schwann embryonnaires et se
multiplient pour favoriser la réparation du nerf lésé.Fig.3 : Schéma de la genèse des cellules de Schwann à partir des cellules souches des crêtes
neurales et de leurs différenciations en cellules myélinisantes et non-myélinisantes sous l'effets de
signaux neuronaux. Notez que la différenciation est réversible lorsque l'interaction neurone/Schwann est perdue (flèches doubles). En résumé, la maturation de la glie périphérique est sous l'influence des neurones qui soutiennent la survie des précurseurs schwanniens, la prolifération, la différenciation et le maintien du phénotype différencié.2) le soutien trophique
La relation entre Schwann et neurones est bidirectionnelle car les cellules de Schwann sont indispensable à la survie des neuroblastes et des neurones des ganglions rachidiens et des motoneurones (SNC), ainsi qu'à la pousses des fibres nerveuses (neuritogenèse) comme le montrent l'examen du système nerveux de souris portant des mutations provoquant la disparitiondes cellules gliales (mutants erbB2/3). Ces mutants sont dépourvus de précurseurs de cellules de
Schwann (la détermination des cellules souches neurales vers la lignée schwannienne estdéfaillante). Il en résulte une absence totale de cellules de Schwann embryonnaires qui provoque,
dans la période prénatale, la mort des neurones des ganglions rachidiens et des motoneurones de la
corne ventrale de la moelle épinière. De plus, les neurones survivants sont incapables d'innerver
leurs cibles (muscles, tendons, peau). La connaissance plus approfondie de la relation trophique entre Schwann et neurones a montrée que les cellules de Schwann produisent des molécules appelés facteurs neurotrophiques qui sont indispensable à la survie des neurone et à la neuritogenèse.Fig.4 : L'effet trophique des cellules
de Schwann sur les neurones est mis en évidence par l'études de souris mutantes " erbB2/3 » dont
la mutation empêche l'engagement des cellules souches dans la voie de différenciation des cellules
de Schwann. Il en résulte d'abord l'absence de précurseurs schwanniens le long des nerfs périphériques embryonnaires (comparez la figure du haut de l'innervation normal avec celle dumilieu montrant les nerfs embryonnaires du mutant dépourvus de précurseurs). Ensuite, l'absence
de cellules gliales prive les neurones de leur soutien trophique, la majorité d'entre eux meure et les
survivants sont incapables de produire des neurites innervant leurs organes cibles. Le soutien trophique que les cellules de Schwann apportent aux neurones s'étend aussi à la maturation des axones car les cellules de Schwann myélinisantes sont indispensables à la concentration des canaux ioniques au niveau des noeuds de Ranvier. De plus, la myéline compacte induit une augmentation du calibre de l'axone en modulant l'état de phosphorylation du cytosquelette axonique. Ces deux aspects de la maturation des axones sont très important pourassurer, à maturité, la conduction rapide du potentiel d'action en permettant d'une part l'apparition
du potentiel d'action uniquement au niveau des noeuds de Ranvier et en augmentant la conductance électrique des segments internodaux de l'axone. Ainsi ces deux derniers effets gliaux participent aussi au soutien fonctionnel qu'exercent les cellules de Schwann sur les neuronesFig.5 : Vue en microscopie
électronique à transmission d'un noeud de Ranvier. La présence des manchons de myéline (M1 et
M2) permet la concentration des canaux Na+ directement au niveau du noeud, alors que les canauxK+ sont distribués dans la zone paranodale. Cette zone correspond à l'extrémité de la gaine de
myéline où les terminaisons des spires membranaires contiennent du cytoplasme. Ces sortes de languettes cytoplasmiques participeraient à l'attachement du manchon de myéline sur l'axone.Notez que le diamètre de l'axone est supérieur sous la gaine de myéline qu'au niveau du noeud de
Ranvier
3) le soutien fonctionnel
Comme les oligodendrocytes, les cellules de Schwann (du phénotype myélinisant) forment la gaine
de myéline et des noeuds de Ranvier indispensables à la propagation rapide dupotentiel d'action. La myéline est constitué de membrane plasmique composée essentiellement de
lipide (70-85%) (ce qui signifie qu'il n'y a que 15 à 30 % de protéines). Les manchons de myéline
sont formés par plusieurs centaines (au moins 200 tours) de tour de membrane fortement serrée : la
myéline compacte ainsi formé est totalement dépourvue de cytoplasme si ce n'est aux extrémités de
chaque spires qui forme la zone paranodale (voir figure 4). Dans cette zone paranodale, à coté du
noeud de Ranvier, la myéline est moins compacte. Les spires de myéline enserrent du cytoplasme et
les languettes ainsi formée sont en contact direct avec l'axone et participeraient à l'encrage du
manchon sur la fibre.Fig.6 : Représentation du processus de
myélinisation d'un axone par une cellules de Schwann. Cette cellule produit une énorme quantité
de membrane qui s'enroule autour de la fibre plusieurs centaine de fois. Pendant cet enroulement,le cytoplasme est éliminé des spires déjà réalisées conduisant ainsi à la formation de la myéline
compacte. Fig.7 : (en haut) Vue en microscopie électronique à transmissiond'une cellule de Schwann et de son axone myélinisé. La myéline apparaît comme un gros cercle
noir autour de l'axone. Notez sur la droite, des axones de plus petites tailles non myélinisé mais
isolés par le cytoplasme d'une cellule de Schwann non-myélinisante. (en bas) Vue à très fort
grossissement de l'empilement des couches de membrane composant la myéline compacte. Dans le noeud de Ranvier, la concentration des canaux Na+ associée à l'isolation électrique de l'axone par la myéline compacte et l'accroissement du calibre de l'axone assurent la conduction rapide de l'influx nerveux. La vitesse de propagation du PA est de 50-100m/sec pour les fibres myélinisées mais seulement de 1m/sec pour les fibres non-myélinisées (fibres entourées par des extensions cytoplasmiques des cellules de Schwann non-myélinisantes).Fig.8 : Schématique de la propagation du
potentiel d'action (PA). Sur les 3 première images, la propagation le long d'une fibre nonmyélinisée est décrite. Le PA est obligé de se propager de proche en proche car les canaux
ioniques sont uniformément distribués sur la fibre. La propagation sur une fibre myélinisée est
présenté sur l'illustration du bas. Les canaux ionique sont présents uniquement au niveau des
noeuds de Ranvier. Grâce à l'isolation électrique par la myéline et la conductance accrue de
l'axone sous la myéline compacte, les courants locaux passent d'un noeud de Ranvier à l'autre. Ils provoquent dans le noeud suivant la dépolarisation locale indispensable à l'ouverture des canaux Na+ générateurs du PA. C'est la propagation rapide du PA due à conduction saltatoire de la dépolarisation. Les cellules de Schwann ont jouent d'autres rôles dans le soutien fonctionnel des neurones : Auniveau de la zone paranodale, où les languettes cytoplasmiques font face aux canaux K+ de l'axone,
il est possible que la cellule de Schwann contrôle les concentrations ioniques extracellulaires. De
plus, Elles réduisent l'amplitude de l'hyperpolarisation en fin de potentiel d'action. Cet effet est
surtout le fait des cellules ne formant pas de myéline. Lors du passage du potentiel d'action le long
de l'axone, les cellules de Schwann détectent l'influx nerveux et réagissent en sécrétant des
molécules modulatrices. Celle-ci activent des courants ioniques complexes, au travers de l'axone, afin de réduire l'amplitude de l'hyperpolarisation. Fig.9: Enregistrement d'un potentiel d'action : lesphases de dépolarisation et de repolarisation sont suivies d'une étape d'hyperpolarisation pendant
laquelle le neurone est incapable de répondre à une nouvelle stimulation. En absence de cellules de
Schwann, l'hyperpolarisation deviendrait si excessive que le neurone aurait de grandes difficultés à
retrouver son potentiel membranaire de repos, indispensable à la genèse d'un nouveau potentiel d'action.D'autre part, il est maintenant établit que les cellules de Schwann modulent de la libération des
neurotransmetteurs au niveau de la plaque motrice. Au niveau de ces jonctions neuromusculaireson trouve des cellules de Schwann particulière : les cellules péri-synaptiques ou terminales. Ce sont
des cellules apparentées au phénotype non-myélinisant qui recouvrent complètement la synapse
entre la terminaison axonique du motoneurone et la fibre musculaire. Ces cellules de Schwannpossèdes des récepteurs sensibles à l'acétylcholine (récepteurs muscariniques) libérée par le
motoneurone. L'activation de ces récepteurs gliaux active une machinerie intracellulaire complexe,
basée sur l'élévation de la concentration intracellulaire en calcium, qui conduit à la sécrétion d'une
molécule qui traverse la membrane du motoneurone pour moduler la libération d'acétylcholine.
Fig.10: Représentation schématique d'une cellule deSchwann terminale recouvrant la jonction neuromusculaire. L'acétylcholine (Ach) libérée par le
motoneurone, afin de déclencher la contraction musculaire, agit aussi sur la cellule de Schwann.Celle-ci y répond en produisant un messager moléculaire "membrane-perméant» qui modifiera, en
retour, le taux de libération d'acétylcholine au niveau de la plaque motrice.Enfin, comme il l'a été mentionné pour les astrocytes, les cellules de Schwann éliminent des
neurotransmetteurs présents dans la fente synaptique. Ceci est absolument nécessaire pour la transmission synaptique ait lieu normalement. Tout excès de neurotransmetteurs dans l'espacesynaptique est délétère pour la synapse (tant sur le plan fonctionnel que structural). Ces cellules
gliales participent donc activement au nettoyage de la fente synaptique, de concert avec les processus de dégradation enzymatique extracellulaire et de recapture du neurotransmetteur par la présynapse.Fig.11: Cycle du neurotransmetteur dans la
fente synaptique. Une fois libérés, les neurotransmetteurs stimulent les récepteurs postsynaptiques
afin de permettre le passage de l'influx nerveux. Afin que cette stimulation soit appropriée, lesneurotransmetteurs doivent être éliminé de l'espace synaptique. Ils sont donc soit directement
dégradés par des enzymes présents dans la fente synaptique, soit recapter par le neuroneprésynaptique pour les recycler ou les détruire, soit enfin capturés puis dégradés par les cellules
gliales (astrocytes ou Schwann).4) la restauration fonctionnelle
Si les lésions neurologiques (traumatisme cranien, accident cardio-vasculaire cérébrale, tumeur...)
provoque la formation de cicatrices astrocytaires défavorables à la restauration des connections
neuroniques dans le SNC, les cellules de Schwann réagissent aux lésions en créant autour des
axones périphériques sectionnés un microenvironnement favorisant la réparation des neurone. Ces
réparations peuvent avoir deux aspects : la régénérescence axonique et la réparation synaptique.
La régénérescence axonique. La section d'un axone (axotomie) induit la dégénérescence de la
partie distale de l'axone et la réaction des cellules de Schwann qui se dédifférencient en dégradant
leur propre myéline pour atteindre un état de différenciation comparable à celui des cellules de
Schwann embryonnaires. Les cellules de Schwann, qui sont capable de survivre en absence ducontact axonique, se multiplient et s'allongent pour boucher la lésion ainsi que les anciens noeuds de
Ranvier. Ce processus postlésionnel s'appelle la dégénérescence Wallérienne qui conduit à
l'établissement d'un tube continu de cellules de Schwann : le tube endoneurial (ou bande de Bungner). Ce tube est véritable microenvironnement propice à la repousse axonique, riche enparticulier en facteurs neurotrophiques sécrétés pas les cellules gliales. La réponse "pro-
régénératrice » des cellules de Schwann doit être accompagnée d'un bouleversement majeur de la
physiologie du neurone blessé. Ce dernier doit passer d'un mode de fonctionnement mature, axé sur
la transmission de l'influx nerveux, à un mode de fonctionnement reproduisant le processusdéveloppemental de pousse neuritique (cette modification est basée sur l'activation et la répression
de deux groupes de gènes). La repousse axonique accomplie, le neurone se "repositionne» en mode
fonctionnel de transmission. Les cellules de Schwann de la région lésée, retrouvent le contact
neuronal qui induit leurs différenciation vers le phénotype myélinisant. Une fois différenciée, elles
reforment la gaine de myéline et les noeuds de Ranvier. La restauration fonctionnelle est achevée.
Fig.12: Illustration de la régénération d'un axone sectionné. Le soma du neurone est représenté
par le cercle. Les rectangles gris sont les cellules de Schwann myélinisantes. Suite à ladégénérescence du segment distal de l'axone (pointillés), elles se dégradent leurs myélines pour se
dédifférencier (rectangles blancs). Ensuite, les cellules de Schwann prolifèrent, s'allongent pour
rejoindre la partie proximale de la fibre sectionnée et refermer les noeuds de Ranvier. Le tubeendoneurial, appelé aussi bande de Bungner, est formé. Il délimite un microenvironement glial
favorable à la repousse de la fibre. Une fois celle-ci réalisée, les cellules du tube endoneurial
retrouve le contact avec l'axone qui induit, comme au cours du développement, leur différenciation
en cellules myélinisantes.Si la lésion nerveuse est trop importante ou que les conditions nécessaires à la régénération
axonique ne sont pas rassemblées, il reste l'espoir d'une certaine récupération fonctionnelle grâce
à la réparation synaptique. Cette dernière a lieu au niveau de l'innervation musculaire. La mort
d'un motoneurone et la dénervation de la plaque motrice qui y est associée provoque une réaction
vaine des cellules de Schwann du nerf : dégénération Wallérienne et formation du tube endoneurial.
Par contre, les cellules de Schwann terminales qui recouvraient la jonction neuromusculaire vontessayer de rétablir cette synapse. Pour cela, elles émettent des prolongements en direction d'autres
plaques motrices. Une fois le contact établi avec une plaque motrice saine (innervée), le pontage
schwannien provoque le bourgeonnement de la terminaison du motoneurone. La branche collatéralenéoformée de l'axone pousse le long du pont glial vers la plate motrice dénervée. Arrivé dans cette
dernière, le bourgeon axonique la ré-innerve et reconstitue donc une jonction neuromusculaire.Parallèlement à cette néo-synapstogenèse, les cellules de Schwann terminales résorbent leurs
extensions. Seul demeure le pontage schwannien entre les 2 plaques motrices. Elles se trouvent alors sous le contrôle du même motoneurone qui forme une jonction neuromusculaire polysynaptique. Fig.13: La réparation de la plaque motrice. (A) deux fibres musculaires sont innervées par deux motoneurones (traits noirs). (B) La mort d'unmotoneurone provoque la réaction des cellules de Schwann du nerf et de la plaque. (C) Alors que la
formation du tube endoneurial ne permet pas la repousse axonique, les cellules de Schwannterminales émettent des prolongements vers la plaque motrice innervée pour créer un pontage entre
les deux plaques. (D) La terminaison axonique du motoneurone sain bourgeonne pour produire une branche collatérale qui pousse le long du pont schwannien. (E) Ainsi guidé la branche axoniquerejoint la plaque motrice lésée et la ré-innerve. (F) Les cellules de Schwann terminales résorbent
leurs prolongements cytoplasmiques et la néosynaptogenèse résulte en l'apparition d'une jonction
neuromusculaire polysynaptique.