Etude d'un dysfonctionnement synaptique

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Annales corrigées
Classe(s) : Tle S | Thème(s) : La communication nerveuse
Type : Pratique du raisonnement scientifique 2 | Année : 2016 | Académie : Amérique du Nord

 

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Amérique du Nord • Juin 2016

pratique du raisonnement scientifique

Exercice 2 • 5 points

Étude d’un dysfonctionnement synaptique

Caenorhabditis elegans est un petit ver nématode dont le système nerveux, formé de 302 neurones et 7 000 synapses, est bien connu. Il constitue un animal modèle pour étudier le fonctionnement de la synapse neuromusculaire.

Des études de la synapse sont réalisées sur des vers portant une mutation au niveau du gène unc-13 et présentant une paralysie complète des muscles.

À partir des informations extraites des documents et de vos connaissances, expliquez la paralysie des mutants unc-13 et le rôle possible de la protéine codée par le gène unc-13 chez le ver sauvage.

document 
 de référence Les grandes étapes du fonctionnement synaptique

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Étape 1 : arrivée d’un message nerveux de nature électrique.

Étape 2 : arrimage des vésicules synaptiques sur la membrane présynaptique. Cet arrimage nécessite la participation de nombreuses protéines.

Étape 3 : exocytose des vésicules nécessitant la participation de nombreuses protéines.

Étape 4 : fixation du neuromédiateur sur les récepteurs postsynaptiques.

Étape 5 : naissance d’un potentiel d’action musculaire qui provoquera la contraction.

document 1 Résultats de la stimulation de motoneurones chez un ver sauvage et un ver mutant unc-13

Dispositif expérimental

Il permet :

de stimuler électriquement les motoneurones qui innervent le muscle ;

d’enregistrer des phénomènes électriques au niveau du muscle.

Enregistrements obtenus

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D’après Gracheva E. O et al., J. Physiol, 2007 et Christelle C., Bessereau J.C., Médecine Sciences, 2003

document 2 Nombre de vésicules dans les terminaisons synaptiques après stimulation des motoneurones

Nombre de vésicules présynaptiques

Nombre de vésicules arrimées à la membrane présynaptique

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D’après Richmond J.E. et al., Nature America Inc., 1999

document 3 Contenu des vésicules présynaptiques et réponse électrique du muscle lors de l’injection de nicotine dans la fente synaptique chez le ver sauvage et le ver mutant unc-13

 

Ver sauvage

Ver mutant unc-13

Contenu des vésicules présynaptiques

Acétylcholine

Acétylcholine

Injection de nicotine* dans la fente synaptique

Contraction de la cellule musculaire

Contraction de la cellule musculaire

D’après Boulin T. et al., 2008

* La nicotine est une molécule ayant une structure tridimensionnelle proche de celle de l’acétylcholine.

Les clés du sujet

Comprendre le sujet

Il s’agit d’abord de montrer que la paralysie d’un ver mutant est due à un dysfonctionnement des synapses neuromusculaires chez ce ver.

Ensuite, vous devez rechercher l’origine de ce dysfonctionnement. Le document de référence permet d’imaginer plusieurs hypothèses explicatives.

Puis, vous devez déterminer les hypothèses testées dans chaque document. Dans votre exposé, il est préférable de commencer par les hypothèses réfutées. Par exemple, le document 3 permet de conclure que le versant postsynaptique de la synapse fonctionne bien et que la synthèse du neuromédiateur est normale.

Enfin, vous devez localiser l’origine du dysfonctionnement, ce qui vous permet de proposer une hypothèse concernant le rôle de la protéine codée par le gène unc-13.

Mobiliser ses connaissances

La commande de la contraction de la fibre musculaire met en jeu le fonctionnement de la synapse neuromusculaire. Les connaissances sur ce fonctionnement sont fournies dans le document de référence.

Corrigé

Corrigé

Le mutant unc-13 est paralysé. L’introduction du sujet indique que cette paralysie serait due à un dysfonctionnement de la synapse neuromusculaire.

À l’aide des documents proposés, nous allons tester cette hypothèse et préciser le rôle possible de la protéine codée par le gène unc-13.

I. Le dysfonctionnement de la synapse neuromusculaire (document 1)

Remarque

Dans le document 1, ce ne sont pas des potentiels d’action musculaires qui sont enregistrés, mais l’existence de courants dont l’intensité est exprimée en picoampère et qui sont à l’origine du potentiel d’action, dont l’intensité s’exprime en millivolt.

La stimulation des motoneurones d’un ver sauvage entraîne une réponse électrique des fibres musculaires qu’ils innervent. Cette réponse électrique témoigne de la naissance d’un potentiel d’action musculaire et donc du fonctionnement normal de la synapse neuromusculaire.

Remarque

Le terme « muscle » est employé dans le libellé du sujet. C’est une simplification de langage ; il s’agit d’un enregistrement au niveau d’une fibre musculaire.

La stimulation des motoneurones du mutant n’entraîne aucune réponse des fibres musculaires correspondantes.

Si l’on admet que les motoneurones du mutant fonctionnent normalement, cela signifie que, chez lui, les synapses neuromusculaires ne fonctionnent pas. L’origine de ce dysfonctionnement doit être en lien avec le gène unc-13.

II. Le fonctionnement de la région postsynaptique chez le mutant unc-13 (document 3)

Chez le ver sauvage, l’injection de nicotine dans la fente synaptique provoque la contraction de la fibre musculaire, comme le neuromédiateur naturel, l’acétylcholine. En raison de sa structure tridimensionnelle voisine de l’acétylcholine, la nicotine se fixe sur les récepteurs à l’acétylcholine de la fibre musculaire (document de référence) et la contraction de la fibre musculaire est le témoin du bon fonctionnement de la synapse neuromusculaire.

Chez le ver mutant, la nicotine a les mêmes effets que chez le ver sauvage. Cela permet de conclure que le fonctionnement de la synapse au niveau postsynaptique chez le mutant est normal. Le dysfonctionnement de la synapse neuromusculaire chez le mutant se situe donc au niveau présynaptique.

III. Le dysfonctionnement de l’élément présynaptique (document 2)

Chez le ver mutant comme chez le ver sauvage, il existe des vésicules localisées dans la région présynaptique de l’axone du motoneurone et contenant de l’acétylcholine. Le dysfonctionnement ne réside donc pas dans un défaut de synthèse de l’acétylcholine.

À la suite de la stimulation du neurone, le nombre de vésicules présynaptiques est plus de deux fois plus important chez le mutant que chez le sauvage. Comme le fonctionnement de la synapse implique l’exocytose des vésicules, et donc la diminution de leur nombre (document de référence), on peut supposer que cette exocytose a été beaucoup plus faible chez le mutant que chez le sauvage. Cette exocytose libérant l’acétylcholine dans la fente synaptique, cela entraîne une libération insuffisante de ce neuromédiateur dans la fente synaptique, et ainsi un non-fonctionnement de la synapse.

IV. Bilan : le rôle de la protéine codée par le gène unc-3

L’exocytose se déroule en deux grandes étapes :

arrimage des vésicules synaptiques sur la membrane présynaptique ;

exocytose (au sens strict) impliquant la fusion de la membrane des vésicules avec la membrane plasmique.

Le document 2 indique qu’après stimulation du motoneurone, le nombre de vésicules arrimées à la membrane présynaptique est nettement supérieur chez le mutant par rapport au ver sauvage (60 contre 25 environ) et représente 75 % du nombre total de vésicules. L’arrimage fonctionne et, en conséquence, la protéine unc-3 n’intervient pas dans l’arrimage.

C’est donc l’exocytose au sens strict qui est déficiente chez le mutant : le gène unc-3 doit coder pour l’une des protéines membranaires intervenant dans ce processus (document de référence). L’allèle muté du gène semble coder pour une protéine non fonctionnelle ne permettant pas la fusion des membranes des vésicules avec la membrane plasmique, ce qui empêche l’exocytose.