Sérotonine

Sérotonine


Identification
Nom UICPA	3-(2-aminoéthyl)-1H-indol-5-ol
N^o CAS	50-67-9
N^o EINECS	200-058-9
PubChem	5202
SMILES	c12c([nH]cc1CCN)ccc(c2)O PubChem, vue 3D
InChI	InChI : vue 3D InChI=1/C10H12N2O/c11-4-3-7-6-12-10-2-1-8(13)5-9(7)10/h1-2,5-6,12-13H,3-4,11H2
Propriétés chimiques
Formule brute	C₁₀H₁₂N₂O [Isomères]
Masse molaire^[1]	176,2151 ± 0,0095 g/mol C 68,16 %, H 6,86 %, N 15,9 %, O 9,08 %,
pKa	9.97 (25 °C)^[2]
Propriétés physiques
T° fusion	167,5 °C^[2]
Solubilité	20 g·L^-1 (eau, 27 °C)^[2]
Précautions
Directive 67/548/EEC
Xn Symboles : Xn : Nocif Phrases R : R20/21/22 : Nocif par inhalation, par contact avec la peau et par ingestion. R36/37/38 : Irritant pour les yeux, les voies respiratoires et la peau. Phrases S : S26 : En cas de contact avec les yeux, laver immédiatement et abondamment avec de l’eau et consulter un spécialiste. Phrases R : 20/21/22, 36/37/38, Phrases S : 26,
Écotoxicologie
DL₅₀	60 mg·kg^-1 (souris, oral) 81 mg·kg^-1 (souris, i.v.) 601 mg·kg^-1 (souris, s.c.) 160 mg·kg^-1 (souris, i.p.)^[2]
Unités du SI et CNTP, sauf indication contraire.

La sérotonine, encore appelée 5-hydroxytryptamine (5-HT), est une monoamine de la famille des indolamines (en). C'est un neurotransmetteur dans le système nerveux central et dans les plexus intramuraux du tube digestif, ainsi qu'un autacoïde (hormone locale) libéré par les cellules entérochromaffines et les thrombocytes.

Elle est majoritairement présente dans l'organisme en qualité d'autacoïde. Sa part dans le cerveau où elle joue le rôle de neurotransmetteur ne représente que 1 % du total présent dans le corps^[3], mais elle y joue un rôle essentiel^[4].

Elle est impliquée dans la régulation du cycle circadien^[5] dans le noyau suprachiasmatique (siège de l'horloge circadienne), dans l'hémostase, dans la mobilité digestive et « dans divers désordres psychiatriques tels que stress, anxiété, phobies, dépression ». Elle est ainsi la cible de certains outils thérapeutiques utilisés pour soigner ces maladies mais elle est aussi celle de produits psychotropes qui en modifient l'activité (par exemple l'ecstasy)^[4].

Histoire

La sérotonine a été identifiée en 1946, sous le nom d'entéramine^[6], par le pharmacologue italien Vittorio Erspamer (1909-1999) dans les cellules entérochromaffines du tube digestif^[7]. À peu près à la même époque à Cleveland, Maurice M. Rapport qui s'intéressait aux substances hypertensives du sang, isola (en 1948) une substance vasoconstrictrice qui apparaissait au moment de la coagulation du sang^[8]. Il la dénomma « sérotonine » par la contraction de « serum », sa source et de « tonique », son action sur les vaisseaux sanguins. L'année suivante, il l'analysa comme la 5-hydroxytryptamine. Erspamer identifia peu après l'entéramine à la 5-hydroxytryptamine. La présence de sérotonine dans le système nerveux central fut ensuite caractérisée par B. M. Twarog et I. H. Page^[9], peu après que Gaddum eut montré que le LSD (diéthylamide de l'acide lysergique), un puissant psychotrope hallucinogène, se comportait comme un agoniste de la sérotonine dans les tissus périphériques.

Localisation

Localisation des neurones sérotoninergiques.

La sérotonine a été identifiée dans la muqueuse gastro-intestinale, dans les plaquettes sanguines et dans le système nerveux central^[6]. La sérotonine présente dans la muqueuse gastro-intestinale représente environ 80 % de la sérotonine totale de l'organisme. Elle est synthétisée et stockée au niveau des cellules chromaffines. Celles-ci stockent aussi des médiateurs peptidiques (cholécystokinine, neurotensine, peptide PYY). La libération de sérotonine par exocytose joue un rôle dans la motilité intestinale. Une partie de la sérotonine du tube digestif passe dans le sang où elle est stockée dans les plaquettes sanguines. La sérotonine n'y est pas synthétisée car elle est produite seulement dans les cellules chromaffines, les neurones sérotoninergiques et les ostéoclastes^[10] du tissu osseux. Dans la première étape de la coagulation sanguine, lorsque les plaquettes s'agrègent entre elles, elles libèrent leur sérotonine qui, via les récepteurs 5-HT1 des muscles lisses vasculaires, provoque une vasoconstriction. L'effet global vasculaire est hypertenseur.

Dans le système nerveux central, les corps cellulaires des neurones sérotoninergiques sont localisés dans les noyaux du raphé du tronc cérébral d'où ils se projettent dans l'ensemble du cerveau et de la moelle épinière. On peut dire^[11] que, d'une manière générale : les neurones sérotoninergiques du mésencéphale se projettent rostralement^[12] dans les hémisphères cérébraux ; ceux du pont se ramifient dans le tronc cérébral et le cervelet ; et ceux de la moelle allongée vont à la moelle épinière. Les effets de la sérotonine sur les autres neurones peuvent être excitateurs ou inhibiteurs suivant la nature des récepteurs.

Métabolisme

Synthèse et dégradation de la sérotonine.

Synapse sérotoninergique.

95% de la sérotonine(du corps) est produite dans l'intestin^[13].

La biosynthèse de la sérotonine est réalisée dans les neurones ou les cellules entérochromaffines. Elle est fabriquée à partir du tryptophane (Trp), un acide aminé qui est apporté au cerveau par la circulation sanguine entre autres. Le tryptophane est absorbé par les neurones grâce à un transporteur membranaire non sélectif. Certains neurones du noyau du raphé, situé au sein du tronc cérébral, transforment le tryptophane en 5-hydroxytryptophane (5-HTP) grâce à une enzyme, la tryptophane hydroxylase. L'activité du tryptophane hydroxylase dépend essentiellement de la disponibilité en substrat. Le 5-hydroxytryptophane est ensuite converti en sérotonine (5-HT) par une autre enzyme, une décarboxylase, la 5-hydroxytryptophane décarboxylase (L-amino acide décarboxylase, AADC). Cette enzyme n'est pas sélective car elle assure aussi la décarboxylation de la L-dopa. La sérotonine synthétisée dans le cytoplasme est ensuite stockée dans les granules par l'intermédiaire de transporteurs vésiculaires, nommés VAMT-1 et -2, communs aux diverses monoamines.

L'arrivée d'un potentiel d'action à la terminaison synaptique, provoque la libération de la sérotonine par exocytose, dans la fente synaptique. Elle peut alors suivre quatre voies :

être captée par des récepteurs sérotoninergiques postsynaptiques et assurer la transduction du signal neuronal ;
être recaptée par des récepteurs sérotoninergiques présynaptiques ;
être recaptée par des neurones (ou des plaquettes) par l'intermédiaire d'un transporteur membranaire sélectif SERT ;
être dégradée par la monoamine oxydase MAO ;

La MAO dégrade aussi les catécholamines. L'aldéhyde formé est ensuite oxydé en acide 5-hydroxy-indol-acétique (5-HIAA), éliminé par voie urinaire, grâce à l'aldéhyde déshydrogénase.

Recapture

La sérotonine déversée dans la fente synaptique peut être recapturée par le neurone pré-synaptique grâce à un transporteur (SERT) qui diminue ainsi la concentration de sérotonine synaptique. Cette recapture est inhibée par une classe d'antidépresseurs (inhibiteur sélectif de la recapture de la sérotonine) dont fait partie la fluoxétine (Prozac).

Le polymorphisme du gène SLC6A4 codant pour le transporteur de la sérotonine a très possiblement un lien avec la démonstration de traits psychopathiques. Les allèles dits longs sont associés avec une transcription accrue du transporteur et les homozygotes de cet allèle démontre des similarités importantes avec les psychopathes^[14].

Récepteurs sérotoninergiques

Article détaillé : Récepteur sérotoninergique.

Les neurones du raphé dorsal sont connectés à la plupart des régions du système nerveux central (cerveau, tronc cérébral, moelle épinière). La sérotonine est libérée dans des synapses et se lie à des récepteurs localisés sur la membrane de l'élément post-synaptique. Par l'intermédiaire de leurs axones, les neurones du noyau du raphé libèrent la sérotonine sur d'autres neurones du système nerveux central et, en se liant à des récepteurs spécifiques, modulent leurs propriétés électriques. La sérotonine agit en se liant à des récepteurs spécifiques situés dans la membrane des cellules cibles. On connaît au moins 14 gènes codant ces récepteurs sérotoninergiques 5-HT, capables de donner (par épissage alternatif) au moins 30 protéines réceptrices différentes^[15].

Les différents types de récepteurs ont été répartis conventionnellement en sept groupes différents, notés 5-HT₁ à 5-HT₇, en fonction des analogies de structure des gènes.

La liaison de la sérotonine au récepteur-canal 5-HT₃ permet une entrée de charges positives dans la cellule postsynaptique produisant un potentiel d'action postsynaptique excitateur (PPSE).

On peut aussi distinguer :

récepteurs ionotropes : les récepteurs 5-HT₃ sont des récepteurs canaux à perméabilité cationique. Leur stimulation provoque une entrée d'ions sodium Na⁺ et calcium Ca⁺⁺ qui diminuent rapidement la charge négative intracellulaire (soit une dépolarisation) du neurone postsynaptique et déclenchent un potentiel d'action postsynaptique excitateur (PPSE). Ils sont donc excitateurs.

5-HT₃ → entrée de Na⁺ et Ca⁺⁺ → dépolarisation → potentiel d'action PPSE

Ces récepteurs 5-HT₃ sont situés sur l'extrémité des fibres sensitives extrinsèques vagales et splanchniques. Leur stimulation envoie un signal par la moelle épinière jusqu'au centre de contrôle du vomissement qui induit une sensation de nausée et provoque le vomissement. Les antagonistes sélectifs du récepteur 5-HT₃ de la famille des sétrons sont utilisés pour combattre les nausées et vomissements postopératoires ou ceux induits par les traitements anticancéreux.

récepteurs couplés aux protéines G : les récepteurs 5-HT_{1, 2, 4, 5, 6} sont tous heptahélicoïdaux (protéine à sept hélices transmembranaires) couplés aux protéines G. Ces récepteurs modulent l'activité neuronale en augmentant ou diminuant les potentiels d'action postsynaptiques.

La famille des récepteurs 5-HT₁ comporte cinq membres, nommés 5-HT_1A, 5-HT_1B, 5-HT_1D, 5-HT_1E, 5-HT_1F. Ils ont pu être identifiés grâce la spiperone, une molécule à haute affinité pour les récepteurs 5-HT_1A et faible affinité pour 5-HT_1D.

L'activation du récepteur 5-HT1A (couplé à une protéine G) par la sérotonine provoque une ouverture de canaux potassiques et une fuite de K⁺ et donc hyperpolarisation de la cellule.

La fixation de la sérotonine sur un récepteur 5-HT_1A (ou 5-HT_1B) provoque une modification de sa configuration spatiale, ce qui active la protéine Gi à laquelle il est couplé. Il s'ensuit une cascade de réactions^[6] :

5-HT_1A → Gi → AC inhibé → cAMP ↓ → PKA inactive → sortie de K⁺ → hyperpolarisation → PA ↓

L'inhibition de l'adénylate cyclase (AC) entraîne une diminution d'AMP cyclique et une inactivation de la protéine kinase A (PKA). Celle-ci permet une augmentation de l'ouverture d'un canal potassique et une sortie importante d'ions K⁺ de la cellule provoquant une augmentation de la charge négative intracellulaire. Finalement, le neurone portant le récepteur se retrouve hyperpolarisé, ce qui entrave la propagation de l'influx nerveux (PA ↓). La sérotonine en activant ces récepteurs 5-HT_1A joue ainsi un rôle inhibiteur. Les corps cellulaires et les dendrites des neurones sérotoninergiques, situés dans les noyaux du raphé, l'hippocampe, l'amygdale et les noyaux de la base, expriment en quantité importante des autorécepteurs 5-HT_1A et des canaux potassiques. Plus il y aura de sérotonine émise par le neurone, plus il y en aura de recaptée par les autorécepteurs pour freiner toute nouvelle libération. On a donc un mécanisme de rétroaction négative.

Les récepteurs 5-HT_1A sont aussi largement distribués dans le système limbique où ils sont la cible privilégiée de nombreux anxiolytiques et antidépresseurs. Les récepteurs 5-HT_1B et 5-HT_1D sont surtout présents au niveau présynaptique dans les ganglions de la base où ils forment une boucle de rétroaction négative. Les récepteurs 5-HT₂ n'ayant qu'une affinité modérée pour la sérotonine ne sont stimulés que lorsque les récepteurs 5-HT₁ sont saturés. Les récepteurs 5-HT_2B/C, couplés à une protéine Gq, entraînent une production de monoxyde d'azote NO et une relaxation des muscles lisses et donc une vasodilatation. Par contre, la stimulation des récepteurs 5-HT₄, 5-HT₆, 5-HT₇, entraine à une augmentation de l'activité de l'adénylate cyclase (AC) et la cascade réactionnelle :

5-HT4 → Gs → AC → cAMP ↑ → PKA activée → blocage des sorties de K⁺ → dépolarisation → PA ↑

La diminution de la conductance potassique produit une lente dépolarisation susceptible d'amplifier le potentiel d'action (PA). Les récepteurs 5-HT₄ sont exprimés (avec les récepteurs 5-HT₃) dans le tractus intestinal où ils contrôlent le péristaltisme du tube digestif. Dans le cerveau, on en trouve en position présynaptique dans le striatum où ils exercent un effet facilitateur sur la libération de l'acétylcholine et ainsi de renforcement des performances cognitives.

Rôles physiologiques

Vue tridimensionnelle.

On trouve la sérotonine dans le cerveau (où elle joue le rôle de neurotransmetteur ou de neuromédiateur) et dans le système digestif. Elle est impliquée dans la régulation de fonctions telles que la thermorégulation, les comportements alimentaires et sexuels, le cycle veille-sommeil, la douleur, l'anxiété ou le contrôle moteur. La sérotonine de la mère joue un rôle important dans le développement de l'embryon^[16]. Un déséquilibre de sérotonine expliquerait 50 % des cas de mort subite du nourrisson^[17].

L'activité des neurones du raphé est liée au cycle veille-sommeil. Au cours du sommeil, les neurones du raphé sont silencieux et ne libèrent donc pas de sérotonine. Lorsque le sujet est éveillé, les neurones du raphé produisent des potentiels d'action à intervalles très réguliers. La fréquence des influx nerveux est corrélée à l'activité motrice, ce qui suggère que la quantité de sérotonine libérée dans le système nerveux central est augmentée avec l'activité motrice. Comme la sérotonine joue un rôle important dans les changements d'état émotionnel, on pense que certaines molécules analogues à la sérotonine peuvent modifier ces états émotionnels. Les inhibiteurs sélectifs de la recapture de la sérotonine (des substances qui bloquent la recapture de la sérotonine, par exemple la fluoxétine), sont utilisés en médecine pour soigner les symptômes liés à la dépression ou aux troubles obsessionnels compulsifs et aussi pour la boulimie.

Douleur et sérotonine

Neurone nociceptif stimulé par la sérotonine.

Voie facilitatrice descendante de la sérotonine (Millan 2002).

Voie inhibitrice descendante de la sérotonine (Millan 2002).

La sérotonine est impliquée aux divers niveaux des voies de transmission et de contrôle de la douleur.

L'inflammation consécutive à une lésion tissulaire libère un grand nombre de médiateurs qui vont activer les terminaisons des fibres afférentes primaires (FAP) de type C et Aδ (dont les corps cellulaires sont situés dans les ganglions des racines dorsales) chargés de transmettre l'information nociceptive au cerveau par la voie spino-thalamique. Les terminaisons de ces FAP nociceptives comportent une large panoplie de récepteurs et canaux^[18]. Les fibres C déchargent lorsque de la sérotonine se lie aux récepteurs ionotropes 5-HT₃ qu'elles expriment. Ces terminaisons comportent aussi des récepteurs couplés à une protéine G, comme les récepteurs sérotoninergiques 5-HT_2A et aussi à un moindre degré 5-HT_1A, et des récepteurs aux autres molécules algogènes comme la bradykinine, de l'histamine, etc.

La sérotonine provient principalement des plaquettes sanguines mais aussi des mastocytes, lymphocytes et macrophages. Elle permet (via ces récepteurs couplés à une protéine G) une sensibilisation^[19] des nocicepteurs aux substances algogènes comme la bradykinine, l'ATP ou les ions H⁺ qui génèrent l'influx dans les FAP. Quand les fibres C sont elles-mêmes lésées, leur contenu en sérotonine augmente et provoque une forte activation et sensibilisation pouvant expliquer l'hypersensibilisation périphérique des douleurs neuropathiques.

Action au niveau de la moelle épinière : le premier relais de la transmission des informations nociceptives se trouve dans la corne dorsale de la moelle épinière. Le premier neurone des fibres Aδ ou C libère dans l'espace synaptique de ce relais des neurotransmetteurs excitateurs (glutamate, aspartate) et des neuropeptides (substance P, neurokinine A, CGRP, somatostatine, CCK et VIP). Le deuxième neurone qui croise la ligne médiane et monte vers le deuxième relais situé dans le thalamus, capte ces médiateurs ainsi que de nombreux médiateurs d'origines diverses : des peptides opioïdes (enképhaline, bêta-endorphine, dynorphine) émis par des interneurones inhibiteurs, eux-mêmes stimulés par les neurones de la voie descendante du raphé magnus ; la sérotonine émise par les neurones sérotoninergiques qui descendent des noyaux du raphé magnus.

Les neurones du raphé magnus, à l'origine de la majorité des projections sérotoninergiques, ont un rôle qui peut être pro-nociceptif, ou anti-nociceptif, suivant le contexte physiologique et pharmacologique(Millan^[20] 2001). L'explication tient à la présence en des lieux différents de récepteurs sérotoninergiques différents pouvant activer ou ralentir l'activité neuronale. Millan propose les deux voies illustrées ci-contre.

Lors de stimulations nociceptives intenses, la voie rétro-active inhibitrice entraîne la suppression des messages nocicepteurs au niveau de la moelle. On peut observer chez le rat, que la stimulation électrique du raphé provoque la libération de la sérotonine au niveau médullaire avec inhibition des fibres C, stimulation des interneurones GABAergiques et enképhalinergiques bloquant complètement la transmission du message nocicepteur au niveau du deuxième neurone de la voie spino-thalamique. La voie facilitatrice descendante serait principalement mise en jeu par la stimulation soutenue à la périphérie des fibres afférentes primaires se projetant dans la corne dorsale sur des cellules exprimant le récepteur NK1 de la substance P. Ces cellules activent par une voie indirecte les noyaux du raphé magnus^[21]. La facilitation implique la présence des récepteurs 5-HT₃ et 5-HT_2A.

Contrôle de l'agressivité

La sérotonine (en lien avec la dopamine) semble impliquée dans certains suicides, certaines formes de dépression et la genèse de comportements agressifs^[22]^,^[23]. Un faible taux de sérotonine dans le fluide cérébrospinal, et plus encore de 5-HIAA (son principal métabolite) sont associés à une augmentation de l'agressivité impulsive^[24]. Chez l'adulte, le faible fonctionnement sérotonergique est nettement associé à une agressivité augmentée^[25], mais les études sur les enfants semblent plus contradictoires, l'histoire psychosociale et familiale (plus ou moins riche en adversité et conflits) modulerait cet effet^[26]. Des causes ou facteurs de risques génétiques semblent parfois en cause^[27].

Les effets comportementaux d'hallucinogènes comme le LSD, la psilocybine, ou la mescaline sont liés à l'activation des récepteurs 5-HT_2A. Toutefois, les récepteurs 5-HT_1A et 5-HT_2C et les récepteurs de la dopamine joueraient aussi un certain rôle. Les premières hypothèses sur la relation du LSD avec les récepteurs de la sérotonine datent des travaux de Gaddum (1953) au milieu du XX^e siècle. Pourtant, le mécanisme précis d'action n'est toujours pas complètement établi. Le consensus actuel veut que l'ensemble des hallucinogènes stimulent les récepteurs 5-HT₂ et particulièrement le 5-HT_2A. Un bon appui à cette hypothèse vient de nombreuses études faites sur les rongeurs et plusieurs études cliniques sur l'homme. Dans une étude sur trois groupes de sujets volontaires, Vollenweider et al.^[28] (1998) ont montré que des antagonistes sélectifs des 5-HT_2A (kétansérine, ritansérine) bloquaient les effets hallucinogènes de la psilocybine. L'hypothèse que certaines perturbations psychiques induites par le LSD et la psilocybine sont proches de la schizophrénie a reçu de nouveaux soutiens ces dernières années. L'expérience a montré que les effets psychomimétiques de la psilocybine s'obtenaient par une suractivation des récepteurs 5-HT_2A. D'autre part, les patients schizophrènes ont une densité réduite de ces récepteurs dans le cortex préfrontal^[29].

Augmentation de production

Alimentation

L'alimentation a un effet sur le taux de sérotonine. Cependant, la sérotonine ne traverse pas la barrière hémato-encéphalique^[30], seul le tryptophane peut le faire. La banane, par exemple, bien qu'elle contienne de la sérotonine, n'a en revanche pas d'effet sur l'humeur lié à sa teneur en ce neurotransmetteur. La dinde n'a pas non plus d'effet sur l'humeur (pas, en tous cas, par ce mécanisme), contrairement à une idée répandue^[30]. L'α-lactalbumine, contenue en faible quantité dans le lait, contient relativement plus de tryptophane que la plupart des protéines.

La production de sérotonine dans le cerveau varie directement en fonction du transport du tryptophane dans le cerveau (au travers de la barrière hémato-encéphalique). Le taux de transport est lui-même inversement proportionnel aux concentrations des autres grands acides aminés neutres (leucine, isoleucine, valine, tyrosine, phénylalanine) qui lui font compétition à l'entrée du cerveau. Les concentrations de ces derniers, enfin, varient en fonction de la proportion en glucides et en protéines consommées. C'est ainsi que la consommation de sucre ou de repas sucrés aura pour effet d'augmenter indirectement (et momentanément) les concentrations de tryptophane dans le cerveau, tandis qu'un aliment très protéiné (qui, paradoxalement, contient plus de tous les acides aminés, y compris le tryptophane), aura pour effet de diminuer les concentrations cérébrales de tryptophane et, probablement, de sérotonine^[31].

Humeur

La sérotonine serait liée à l'humeur dans les deux sens. C'est-à-dire que le taux de sérotonine influencerait l'humeur, et que les pensées positives ou négatives influenceraient à leur tour le taux de sérotonine^[30]. Relativement à l'état mental, il a été observé chez des individus dépressifs une diminution de l'activité d'amines biogènes, principalement la sérotonine^[32].

Activité physique

La pratique régulière de l'activité physique augmente la sécrétion naturelle de sérotonine^[30].

Lumière

L'exposition à la lumière du jour ou la luminothérapie évitent la transformation de la sérotonine en mélatonine^[30].

Carences

Il semblerait que l'ecstasy augmente fortement la production de sérotonine de façon temporaire, causant après coup une carence de l'ordre de 50 à 80 % du niveau normal de sérotonine chez un utilisateur régulier^[33]. La consommation d'une formule contenant tous les acides aminés sauf le tryptophane amène à une rapide et brutale baisse de sérotonine dans le cerveau. Ce protocole, appelé Acute Tryptophan Depletion, est utilisé à des fins diagnostiques^[30].

Notes et références

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