– UE : 7 Système nerveux PLAN DU COURS

2016-2017
physiologie : le système nerveux
Physiologie
– UE : 7
Système nerveux
Semaine : n°18 (du 06/02/17 au
10/06/17)
Date : 06/02/2017
Heure : de 9h00 à
10h00
Binôme : n°9
Professeur : Pr. Duriez
Correcteur : n°38
Remarques du professeur :
PLAN DU COURS
I)
Le potentiel de repos
A) Les ions
1)
le sodium NA+
2)
l'ion potassique K+
3)
Le calcium Ca++
B) Déséquilibre de concentration ionique
C) La différence de potentiel
D) Équation de Goldman
II) Le potentiel d'action
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Suite du cours
I)
potentiel de repos
Quand une micro électrode pénètre dans une cellule : -80 mV entre extérieur et intérieur de la cellule
Quels sont les conditions qui permettent un potentiel de repos ?
–
Caractéristique de la membrane cellulaire :
formé d'une double couche de PL imperméable aux ions (= laisse pas passer électricité).
Néanmoins les ions (l'électricité) peuvent passer grâce à la présence de canaux ioniques = protéine qui
traverse la membrane (en rouge) de conformation particulière dans l'espace et libère un canal qui laisse
passer des ions.
Des canaux sont spécifiques, en général ces canaux laissent passer qu'un seul type d'ion.
Par exemple : un canal calcique qui laisse passer que le Na+
–
Les canaux ioniques : ouvert ou fermé
Quand le canal est ouvert en permanence on appelle cela les canaux de fuite. L'ion pourra passer en
permanence
Beaucoup de canaux ioniques sont soient ouvert soient fermé : quand les canaux sont fermés les ions ne
passent pas et inversement quand les canaux sont ouverts les ions peuvent passer.
Condition d'ouverture des canaux :
–
Canaux ioniques voltage dépendant : quand la différence de potentiel (ddp) varie entre la face externe et
interne de la membrane le canal s'ouvre ou se ferme. Pour une certaine valeur de ddp le canal sera fermé
et une autre valeur le canal sera ouvert.
–
Canaux avec récepteur : Nous verrons d'autres canaux ionique qui sont constitués de récepteur sur
lesquels les neurotransmetteur se fixent et ouvrent le canal
Dans le cadre de l'étude du potentiel de repos on prend en compte que les canaux ionique voltage
dépendants.
Condition qui permet l'existence d'un potentiel de repos et de potentiel d'action (activité électrique) :
–
La membrane : double couche de phospholipide qui laisse passer les ions grâce aux canaux.
–
La différence de concentration entre les ions à l'intérieur de la cellule et les ions à l'extérieur de la
cellule. Les concentrations en ions entre les deux faces sont différentes. Différente dans le liquide EC par
rapport au liquide IC
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A) Les ions
Concentration en mmol/L :
Intracellulaire
Extra-cellulaire
I/E
Na+
12
145
1/12,1
K+
155
4
39/1
Ca++
10^-5 – 10^-4
2
Cl-
4
120
1/30
HCO3-
8
27
1/3,4
Anions
155
5
1)
le sodium Na+ :
A l’intérieur de la cellule il y a peu de sodium, la concentration est de l'ordre de 12 mmol/L
A l'extérieur par contre 145 mmol/L
2)
l'ion potassique K+ :
A l’intérieur il y a beaucoup de potassium 150 mmol/L mais peu à l'extérieur: 4mmol/L
Nous verrons que cette concentration de potassium doit rester à un niveau stable à l'extérieur de la cellule sous
peine de bloquer l'activité électrique de la cellule.
3)
le calcium Ca++ :
A l'extérieur de la cellule : 2mmol/L (2mEq) à l'intérieur de la cellule, dans le cytoplasme, la concentration de 10^5/10^-4 mM ;
il existe un ratio de 10^5 entre extérieur et intérieur de la cellule
Attention pour le calcium ici il s'agit du calcium libre à l'intérieur de cytoplasme.
Remarque : Dans les organites de la cellule le calcium est aussi présent mais en concentration différente. Dans le
réticulum et les mitochondries les concentrations en calcium sont plus importante, de l'ordre du millimolaire.
Dans chaque compartiment externe et interne les charges + sont compensées par les charges négatives.
Par exemple : A l'extérieur de la cellule les ions chlore vont neutraliser l'essentiel des charges positives (peu d'ion
chlorure à l'intérieur de la cellule.
Les protéines vont aussi jouer ce rôle de neutraliser des charges : à l'intérieur se sont les protéines sous forme
protéinate chargé négativement qui vont neutraliser les charges positives.
Le bicarbonate, régule le ph, il est plus présent à l'extérieur qu'à l'intérieur.
B) Déséquilibre de concentration ionique
Puisqu'on vient de voir un déséquilibre de concentration ionique il faut au départ et en permanence un mécanisme
qui permet de créer une déséquilibre de concentration ionique entre l'extérieur et l'intérieur de la cellule.
Pour le sodium et le potassium : il existe une pompe: sodium potassium ATP dépendant : Na/K ATPase
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La pompe Na/K ATPase :
C'est un système enzymatique qui est ancré dans la membrane de la cellule.
Ce système enzymatique est constitué de deux sous unités : bêta et alpha.
Ce système enzymatique va avoir pour substrat de l'ATP
L'ATP est une réserve d’énergie pour la cellule. Le métabolisme oxydatif (glucose ou AG) a pour fonction de
produire de l’énergie, produit et consommé en permanence.
L'énergie est stocké, la forme de stockage est l'ATP :
ATP : 3 groupements phosphates reliés par des liaisons phosphate hautement énergétique.
Quand l'activité ATPase agit, il va couper ATP pour libérer un groupement phosphate et transformer l'ATP en ADP.
Cette liaison phosphate est très riche en énergie.
La rupture libère l'énergie qui va être transmise à ce complexe protéique et agir comme une pompe au niveau de la
membrane.
A chaque fois une molécule ATP hydrolysé il y a 3 NA+ qui sortent (de l'intérieur vers l'extérieur de la
cellule) et 2 K+ qui rentrent dans la cellule, passage de l'extérieur a l'intérieur.
Il existe donc un système qui permet de faire entrer du potassium de la cellule et de faire sortir de sodium.
Ce transfert sodium potassium, se fait contre les gradients de concentration.
En effet : il y a plus de sodium à l'extérieur de la cellule, spontanément le sodium rentre. Ici la pompe faire sortir le
sodium, il agit donc contre le gradient de concentration
Ce système agit contre le gradient de concentration : il doit donc consommer de l'énergie. Ce système permet
de créer le déséquilibre sodium et potassium entre les deux faces de la membrane.
Dès que le métabolisme de la cellule diminue (ex : cellule privé d'oxygène) le métabolisme s’arrête et
instantanément la quantité d'ATP diminue à l'intérieur de la cellule.
Le stock est suffisant pour fonction quelques10aines de secondes, en environ 10 sec la quantité totale ATP a
disparu/consommé. La pompe Na/K ne fonctionne donc plus, les ions vont donc se répartir de façon égale de part
et d'autre de la cellule ; la cellule sera paralysée, et la cellule meurt si l'absence d'oxygène se poursuit.
=> Ce système Na/K fonctionne qu'en présence d'énergie.
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En résumé :
Pour qu'il est possibilité d'avoir un potentiel de repos, il faut :
–
Une membrane avec canaux ionique
–
Une asymétrie de concentration ionique
–
Un système qui permet de créer l'asymétrie de concentration
C) La différence de potentiel
Qu'est ce qui permet de créer la différence de potentiel ?
Nous avons vu qu'il y avait plus de potassium à l'intérieur de la cellule et peu a l'extérieur de la cellule. Quand on
est au niveau du potentiel de repos (quand la cellule n'est pas excitée) les seuls canaux ouverts en permanence à la
surface membranaire sont des canaux perméables au potassium. (présence de canaux de fuites de potassium)
Les canaux perméables de sodium sont virtuellement tous fermés (impossibilité pour le sodium de passer la
membrane).
Il y a donc beaucoup de potassium à l'intérieur de la cellule, ces ions potassium sont agités en permanence :
agitation brownienne.
Ces ions vont avoir tendance à se déplacer, naturellement. Comme il y a une « porte ouverte », canaux de fuite, les
ions K+ étant plus nombreux à l'intérieur vont avoir tendance a y sortir. Il y a donc un flux d'ion potassium qui va
sortir de la cellule grâce à un gradient de concentration.
A chaque ion potassium qui sort , il amène une charge + supplémentaire sur la face externe.
La face externe de la membrane se charge donc progressivement positivement. On peut calculer le flux sortant
d'ion potassium : ce flux sortant sera proportionnelle à la différence de concentration des ions potassiums de
l'intérieur par rapport à l'extérieur.
Plus le ratio sera important plus le flux sera important.
D'autres facteurs viennent moduler le flux :
–
R (agitation brownienne): constante des gazs parfaits.
–
T: temps absolue.
Le flux est calculé en biophysique
Chaque fois qu'un ion K+ vient s'ajouter à l'extérieur de la cellule, la membrane se charge de plus en plus
positivement
Est ce que indéfiniment il est possible dans ces conditions que les ions potassium sortent ? NON !!
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Sachant que chaque ion qui sort apporte une charge supplémentaire à l'extérieur de la cellule cela va créer un
champs électrique de plus en plus important.
Il y a accumulation de charge positive à la face extérieure. Les ions potassiums à l'intérieur de la cellule vont être
repoussé par l'excès de charge positive à l'extérieur de la cellule. (Deux charges positives se repoussent)
Sortie de charge positive vers l'extérieur MAIS en même temps l'excès de charge vers l'extérieur vont repousser la
sortie des ions potassium : il y aura donc équilibre entre l'entrée et la sortie.
Calcule le flux = n (valence de l'ion potassium = 1) * F (constante de faraday) eq (différence de potentiel entre
extérieur et intérieur)
Gradient électrique : Flux = n F Eq
Le flux électrique : flux repoussent les ions
Un moment le flux entrant repousse le flux sortant, quand on a atteint l’équilibre les deux flux sont égaux.
On arrive à l'équation : autant d'ion entrant que sortant : On peut en déduire quel est le potentiel de membrane où
on a atteint l'équilibre ; Flux = -RT/N * Log Xi / XE
=> Equation de Nernst
On peut calculer connaissant les concentrations de potassium à l'extérieur et intérieur quel est le potentiel
théorique d'équilibre par l'équation de Nernst.
On a ainsi le potentiel théorique d’équilibre
Ce potentiel théorique d'équilibre = au potentiel de repos
Avec l'hypothèse que seul le potassium peut traverser la membrane quand cellule est au repos.
Potentiel théorique =-92mv
Remarque : proche du potentiel mesuré par la microélectrode : -80 mv
Pour le sodium : on calcul un potentiel d'équilibre grâce a l'équation de Nernst de +63mV, ce qui est donc éloigné
du potentiel d'équilibre mesuré.
On en conclue donc que le potassium va créer le potentiel de repos (et pas de le sodium). Au repos la valeur du
potentiel de repos dépend du potassium pratiquement uniquement. Le potentiel de repos théorique, en ne
considérant que le potassium, est proche du potentiel de repos mesuré expérimentales
les ions peuvent traverser la membrane grâce
–
A des canaux
–
A la différence de potentiel
–
A la facilité avec laquelle les ions peuvent traverser la membrane
Quand la cellule est au repos :
–
Les canaux potassique sont totalement ouverts : passage libre.
–
Les canaux sodium sont fermés : pas de passage de sodium.
En électricité on peut calculer l'intensité d'un courant : Loi d'ohm
la différence de potentiel mu est égale la Résistance (qu'a le courant pour traverser le câble) x l'intensité
U = R.I
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Calcul de l'intensité :
en électrophysiologie : on ne parle pas de résistance (la difficulté qu'a l’électricité à franchir le câble, la
membrane) mais on parle de conductance, c'est l'inverse, la facilité avec laquelle l'électricité traverse la
membrane
Quand les ions passent facilement la membrane : la conductance est élevé et inversement quand le passage des
ions est difficile la conductance est faible.
On utilise en électrophysiologie, la conductance : g
l'intensité = g . U (différence de potentiel de part et d’autre de la membrane)
On pourra calculer à tout moment l'intensité des courants qui traverse la membrane. (exemple courant porté par les
ions sodium, par les ions potassium ou par les ions chlorure)
L'intensité du courant = g .(Em-Ena)
avec g la perméabilité qui correspond à la conductance
Rappel : Quand l'ion traverse la membrane facilement = la membrane perméable = canaux ouverts et ions peuvent
traverser la membrane.
L'intensité du courant potassium : la conductance gK est élevé au repos, par convention = 1, par contre la
différence entre le potentiel d'équilibre (-92) et potentiel de membrane = 0, car par définition le potentiel de repos
correspond au potentiel d’équilibre.
L'intensité de courant potassique est nulle.
Remarque la conductance : entre 0 et 1, perméable = 1
L'intensité du courant sodium := perméabilité (ou conductance) * différence de potentiel entre le potentiel
d'équilibre et le potentiel de membrane.
Le potentiel d'équilibre = +63mv par contre le potentiel de repos, -90
donc (-90) - (+ 63) : différence de potentiel non nul.
Normalement il devrait avec cette différence de potentiel non nul avoir des ions sodiums qui traversent la
membrane.
Néanmoins le sodium ne rentre pas dans la cellule pendant le potentiel de repos car la conductance gNA = 0 ; tous
les canaux sodiques sont fermés, la membrane est imperméable, les ions ne rentrent pas, donc le nombre d'ion
sodique qui rentre est nul au repos.
Au potentiel de repos, l'intensité du flux d'ion potassique et sodique est nulle, mais pas par le même phénomène.
–
pour le potassium : le potentiel de membrane = potentiel de repos donc la différence est de 0
–
pour le sodium, il existe bien une force qui tend à faire rentrer les ions mais la conductance est nulle
Utile pour comprendre le fonctionnement de médicament cardiaque.
D) Équation de Goldman :
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Dans l'équation de Nernst on prend en compte que le potassium, car considère que les autres perméabilités, des
autres ions, sont nulles.
La perméabilité du potassium = 1
La perméabilité des autres ions = 0
Remarque : En réalité la perméabilité des autres ions n'est pas un 0 absolu, mais vaut 0,01/0,001.
Il existe un léger décalage entre ce qu'on mesure en terme de potentiel de membrane avec une microélectrode,
quand on fait varier la concentration de potassium dans le liquide qui entoure la cellule, le potentiel évolue. En
effet par l'ajout de potassium on diminue la différence de potentiel entre intérieur et l'extérieur de la cellule : le
potentiel de repos diminue.
Rappel : Équation de Nernst : -RT/nF log XI / XE
Quand on augmente la concentration en EC on diminue le potentiel de membrane
Les points rouges correspondent à ce qu'on mesure quand on augmente la quantité de potassium à l'extérieur de la
cellule
En jaune: c'est ce qu'on calcul avec équation de Nernst (qu'avec le potassium) ; on observe une différence entre
l'observation et le calcul.
Avec l'équation de Goldman on prends en compte les autres perméabilités ; on prends en compte donc le
potassium, le sodium, le chlore …
On obtient donc grâce à cette équation la courbe rouge.
Il n'y a plus de différence entre les points calculés et mesurés.
Il faut retenir que :
Au repos la cellule fonctionne comme une pile de concentration au potassium selon la loi de Nernst et le potentiel
de membrane au repos est imposé par le potassium
Jusqu’à présent nous avons un potentiel de repos, tant que la cellule est vivante, quand on plante microélectrode
dans la cellule on observe un potentiel de repos stable.
Or ce n'est pas le potentiel de repos qui transmet un influx nerveux. Il faut un signal qui va être transmis d'une
cellule à une autre. Le message transmis qui va former l'influx nerveux = le potentiel d'action.
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II) Le potentiel d'action
Mis en évidence sur une cellule nerveuse :
–
On prend du tissus nerveux EX : l'axone de calmar
–
On place ce tissu dans une cuve, avec un liquide de survie et de l'oxygène.
–
Technique de la microélectrode. Une microélectrode reliée à un oscilloscope et une microélectrode qui
baigne dans le liquide de l'environnement de la cellule ; permet le calcul du potentiel de repos
–
On ajoute à cela deux électrodes de stimulation à la surface de la cellule. Ces deux électrodes envoient une
différence de potentiel entre les deux électrodes de façon brutal.
On envoie brutalement une charge électrique suffisante, on charge négativement : va accumuler les
charges négatives à la surface de la membrane, cela vient diminuer la ddp entre la face externe et interne
de la membrane
Si on diminue la différence de potentiel : localement on dépolarise la membrane de quelques millivolts. Si on
dépolarise suffisamment la membrane et suffisamment rapidement : création d'un potentiel d'action.
Décomposition d'un potentiel d'action d'une cellule nerveuse :
–
Une dépolarisation très rapide :
-80 a + 30/40 mV, on inverse la polarité
La face interne est maintenant chargé positivement (alors qu'au repos la face interne est chargé
négativement), inversement de la polarité, c'est la phase de dépolarisation qui dure une fraction de
milliseconde.
–
Sur la courbe on arrive à un sommet.
–
Puis la cellule se repolarise. En repassant par le 0 électrique et retour vers le potentiel de repos. On
constate même un court moment où la membrane passe en dessous du potentiel de repos (-85mV)
–
retour au potentiel de repos : -80mV = phase de repolarisation
La durée totale du potentiel : 1 à 2 ms et constitue le potentiel d'action
Un influx nerveux correspond à une succession de potentiel d'action qui se succède dans le temps et qui va se
propager le long de l'axone, on parle de train de potentiel d'action
Plus l'intensité de la stimulation est importante, et l'influx nerveux intense, plus le nombre de potentiel d'action par
unité de temps sera élevé, et donc plus la fréquence des potentiels d'action sera élevé. Quand l'intensité est plus
faible : potentiel d'action se succède avec fréquence moins importante.
L'intensité d'un influx nerveux est codé en fonction de l'intensité des potentiels d'actions qui le créée.
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