02-11-19 Physiologie Duriez
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2018-2019 Neurophysiologie Physiologie – UE 7 : – Neurophysiologie (suite) Semaine : n°4 (du 11/02/19 au 15/02/19) Date : 11/02/2019 Heure : de 10h30 à 12h30 Binôme : n°15 Professeur : Pr. Duriez Correcteur : 8 Remarques du professeur : PA = potentiel d'action PM = potentiel membranaire PLAN DU COURS TABLE DES MATIÈRES I)Neurophysiologie......................................................................................................................................2 C) Potentiel d'action ..............................................................................................................................2 1)Dépolarisation..................................................................................................................................2 2)Repolarisation .................................................................................................................................3 3)Hyper-polarisation ...........................................................................................................................4 4)Patch-clamp .....................................................................................................................................4 D)Structure d'un canal sodique ............................................................................................................5 E) Propagation du PA dans les cellules nerveuses ...............................................................................7 1) Axone sans gaine de myéline.........................................................................................................7 2) Axone avec gaine de myéline ........................................................................................................7 1/12 2018-2019 I) Neurophysiologie Neurophysiologie C) Potentiel d'action Le potentiel d'action est le support de l'influx nerveux. Comment l'enregistrer ? Même technique que pour le potentiel de repos : une microélectrode reliée à un oscilloscope, plantée dans une seule cellule : c'est l'électrophysiologie unicellulaire. On a placé un stimulateur électrique (qui envoie une décharge sous forme de différence de potentiel rectangulaire), avec une vitesse d'installation de durée et d'intensité contrôlable. → On a un créneau de stimulation. 1) Dépolarisation Quand il y a suffisamment de charges négatives, il se fait une dépolarisation rapide < 0,1ms + inversion du potentiel (membrane chargée négativement à l'extérieur) suivi d'une repolarisation plus lente puis une courte phase d’hyper-polarisation : de façon transitoire et inférieur à -80 millivolts. 2/12 2018-2019 Neurophysiologie Overshoot : pointe du potentiel : On trouve ensuite une pointe de +35mv c'est l'overshoot, c'est à dire l'inversion de potentiel ou pointe de la décharge. Par la suite, on observe une hyperpolarisation pendant 1 à 2ms à -82mV. L'influx nerveux => succession de PA (train de PA) qui se succèdent avec des fréquences variables. Plus la fréquence de ce train de PA est élevée, plus l'intensité de l'influx nerveux est importante. Il y a un codage en fréquence d'intensité de l’influx nerveux. A quoi est due la dépolarisation rapide ? La dépolarisation rapide est due à l'ouverture soudaine de canaux sodiques voltages dépendants. Lors du potentiel de repos, tous les canaux sodiques sont fermés. Sur un micro-fragment de membrane d’environ 100 canaux sodiques : – potentiel de repos : 99 canaux fermés – 50 canaux ouverts lors de la phase de dépolarisation de 2 ou 3 millivolts. → En dépolarisant la membrane, on augmente la probabilité d'ouverture des canaux sodiques. En quelque millisecondes : 100% des canaux sodiques s'ouvrent. Pourquoi le sodium s'engouffre dans la cellule et provoque cette dépolarisation ? Na+ apporte des charges positives à l'intérieur de la cellule ce qui diminue le potentiel de membrane car la différence de charge entre intérieur et extérieur sera moins grande. Les ions sodiums se déplacent en suivant leur gradient de concentration et leur gradient électrique. Gradient de concentration : va du compartiment le plus concentré vers le compartiment le moins concentré. Donc le Na+ va de l'extérieur vers l'intérieur. Gradient électrique : le Na+ entre dans la cellule car il est attiré par les charges négatives situées à l'intérieur de la cellule ( sur la face interne de la membrane). Les charges positives arrivent dans la cellule. A un moment donné, le sodium va être repoussé par les charges positives en excès : gradient électrique en sens opposé que le Na+ a créé. De ce fait, un équilibre s'installe entre les deux gradients. → La pointe du PA correspond au potentiel d’équilibre du sodium. 2) Repolarisation La repolarisation de la cellule est due à la fermeture des canaux sodiques : – rapidement en quelques millisecondes (0,1 ms) les canaux sodiques se referment en conformation fermée inactivable, il n'y a plus de transfert de Na+. Il ne reste que le K+ qui peut encore passer. – On a donc un retour à la situation de départ Les canaux sodiques ont une cinétique rapide. → C'est le premier mécanisme qui provoque la repolarisation. Repolarisation : canaux potassiques dépendants du voltage Dans la membrane, il y a des canaux potassiques ouverts en permanence = canaux de fuite responsables du potentiel de repos. D'autres canaux perméables au K+ voltages dépendants sont fermés quand la membrane est au potentiel de repos. Il suffit de dépolariser la membrane de quelques millivolts pour les ouvrir. Mais ils ont une cinétique d'ouverture et de fermeture lente : 1 milliseconde, 1,5 millisecondes. Plus le temps passe, plus le nombre de canaux voltages dépendants augmente. → c'est le deuxième mécanisme. 3/12 2018-2019 Neurophysiologie Que se passe t-il ? Au niveau de la pointe du PA : tendance importante à la sortie de K+ car la membrane est chargée négativement sur la face externe donc les ions K+ sortent selon leur gradient électrique. Il y a également une sortie de K+ selon le gradient de concentration (plus concentré à l'intérieur de la cellule). A un certain moment, le gradient électrique va s'inverser : le K+ va rentrer dans la cellule en se faisant repousser par les charges positives en excès à l'extérieur de la cellule. → On a donc un retour au potentiel d'équilibre qui amène à la repolarisation. 3) Hyper-polarisation Hyper-polarisation transitoire : les canaux de fuites qui sont ouverts + des canaux potassiques voltages dépendants ouverts ( de cinétique lente). Donc 2 à 3 millisecondes après le PA, les canaux K+ sont encore ouverts donc, la perméabilité est assez forte pour le K+ et on se rapproche de l'équilibre général pour le K+. Ces ouvertures de canaux K+ provoquent l’hyper-polarisation. L’hyper-polarisation est brève car les canaux K+ voltages dépendants finissent par se refermer, il ne reste plus que les canaux de fuite au K+ et on revient au potentiel de repos... → il s'agit d'un double cycle : → Un cycle rapide : courant sodique transitoire très rapide → Un cycle lent : disparition du courant sodique et augmentation du courant potassique (il est maximum quand on atteint les 2/3 de la phase de repolarisation. 4) Patch-clamp Avant 1980, on modélisait les canaux comme des portes, on avait donc une impression de courant global rapide. Aujourd'hui, on utilise une technique de l'ordre du picoampère, le patch-clamp en configuration outsideout. Cela permet d'enregistrer un courant à travers un seul canal. Une microélectrode plantée dans préparation par aspiration puis, on laisse accrocher à l'extrémité de la microélectrode un fragment de membrane. Dans ce fragment : quelque canaux ioniques. 4/12 2018-2019 Neurophysiologie Dépolarisation de ce fragment tout en mesurant le courant électrique qu'il faut envoyer en sens inverse. Le modèle de la porte ne fonctionne pas : quand un canal s'ouvre c'est avec une vitesse infinie, son ouverture a une durée qui est donnée en fonction du canal, et sa fermeture se fait avec une vitesse infinie. → Courants qui correspondent à l'ouverture et la fermeture du canal. 1) Fragment de membrane mis en contact avec une substance : TEA (triéthylamine) qui se colle dans le canal potassique pour le bloquer. Dépolarisation de membrane : 1 ouverture du canal sodique voltage dépendant. Le canal sodique ne s’ouvrira plus malgré le maintien de la stimulation. 2) Même chose mais avec ajout de TTX (tétrodotoxine) qui se met dans le canal sodique pour le bloquer. Créneau en sens inverse : ouverture du canal potassique voltage dépendant. Ce phénomène dure quelques millisecondes avec une vitesse infinie. Ici, si on maintient la stimulation, on voit réapparaître une seconde ouverture du canal. → Loi du tout ou rien. 3) Aucune substance donc deux types de courant liés au canal K+ et Na+ D) Structure d'un canal sodique C'est une protéine qui traverse la membrane avec 4 domaines identiques et 6 sous-unités. Cette protéine est disposée en rosace, avec au centre le canal qui selon la conformation de la protéine peut être ouvert ou fermé. Si un de ces domaines bougent légèrement, cela change la conformation de la protéine. Il existe un potentiel de membrane où statistiquement, la probabilité de bonne position des domaines permet l'ouverture du canal. La sous-unité S4 qu'on retrouve dans les 4 domaines est chargée. C'est cette sous-unité qui bouge lorsque le potentiel de membrane varie, ce qui va entraîner une déformation complète de la protéine. 5/12 2018-2019 Neurophysiologie Période réfractaire absolue et relative Après le 1er stimulus, (déclenchement PA) il existe 2 périodes réfractaires : – période réfractaire absolue : si on envoie un 2e stimulus (extra-stimulus). S'il est trop proche du 1er, il n'y aura aucune modification du tracé du PA (aucun signal malgré stimulation). Période qui sépare le premier PA du moment où on voit apparaître la plus petite modification du PM. – période réfractaire relative : si on envoie un 2e stimulus (plus éloigné) on a une modification du potentiel de membrane qui s'ajoute au potentiel initial mais l’installation est lente et faible (50mV). Période qui sépare la PRA du moment où on a un potentiel identique au premier. Si le stimulus est encore retardé, on aura un signal qui ressemble plus au PA initial. Quand on sort de ces périodes, après un stimuli le PA est identique à l'initial. → Les périodes réfractaires sont liées à la nature des canaux sodiques voltages dépendants. La période réfractaire absolue correspond à la durée pendant laquelle les canaux Na+ sont ouverts + la durée où ils sont dans la position fermée in-activable. Les canaux sodiques redeviennent activables progressivement. Le début de la période réfractaire relative correspond à environ 10 canaux fermés mais activables d’où le courant faible en intensité. Puis 20 canaux de nouveaux activables Puis 30 …. Jusqu'à 100% des canaux sodiques qui redeviennent activables d’où la récupération d'un PA identique au 1er. Cycle des canaux sodiques 1) Dépolarisation de la membrane 2) augmentation de la probabilité d'ouverture des canaux sodiques 3) ouverture des canaux sodium 4) entrée d'ions sodium dans la cellule 5) fermeture des canaux sodium en conformation non activable 6) canaux sodique fermés en conformation activable Entre 4 et 5 : période réfractaire absolue Entre 5 et 6 : période réfractaire relative 6/12 2018-2019 Neurophysiologie E) Propagation du PA dans les cellules nerveuses Sur une fibre sans gaine de myéline, le PA se propage identique À lui même, le long des axones avec une vitesse donnée. Expérience : tous les millimètres, on met une électrode puis stimulation. On enregistre sur un oscilloscope le passage d'un PA. On connaît le temps et la distance donc on peut calculer la vitesse de conduction le long de l'axone. Ou le long du nerf qui correspond à la moyenne des vitesses de conductions des différentes fibres qui le constituent. Localement on créé une modification du PM donc on augmente la probabilité d'ouverture des canaux voisins = mode de déplacement. Le PA se déplace de proche en proche tout le long de la membrane, de façon continue. 1) Axone sans gaine de myéline Le PA se propage sur toute la longueur = désavantage : – vitesse de propagation lente – Entrée de sodium sur toute la longueur, sortie de K+ sur toute la longueur – Les entrées et sorties sont permises par pompe Na+/K+ donc consommation de beaucoup d'ATP 2) Axone avec gaine de myéline Manchons de gaines de myéline = imperméable aux ions. Le PA se propage de nœud de Ranvier en nœud de Ranvier = conduction saltatoire. Au niveau des nœuds de Ranvier : présence de beaucoup de canaux sodiques donc la dépolarisation créée une forte entrée de Na+ dans la cellule : accumulation de charges + au niveau de la membrane. Les charges + sont mobiles et diffusent latéralement en intracellulaire jusqu'au nœud de Ranvier suivant. Au niveau du nœud suivant : ces charges créent une nouvelle dépolarisation qui ouvre de nouveaux canaux Na+. Ce qui génère un PA. Le PA est régénéré à chaque nœud. Avantages : Mouvements d'ions dans le liquide intracellulaire est plus rapide que la somme de l'ouverture/ fermeture des canaux sodiques entraînants le PA. De plus, on a besoin de pompe Na+/K+ uniquement au niveau des nœuds de Ranvier : donc économie d'énergie et de temps. La vitesse de propagation du potentiel d'action est fonction : – De la présence ou non de la gaine de myéline – Diamètre de l'axone : plus c'est épais, plus la vitesse est grande donc la résistance est plus faible. Pour les fibres de motricité et les infos sensitives (100m/s) → utilisation de fibres épaisses avec gaine de myéline. Donc la vitesse de conduction est élevée. Quand le message n'est pas urgent, les fibres sont fines, sans gaine de myéline (ex : douleur pour rage de dents). 7/12 2018-2019 Neurophysiologie Neurophysiologie – UE VII : Physiologie– Synapse PLAN DU COURS TABLE DES MATIÈRES I)Potentiel post-synaptique excitateur .....................................................................................................2 II)Les potentiels post-synaptiques inhibiteurs ........................................................................................3 III)synthèse et catabolisme de l'ACH .......................................................................................................4 8/12 2018-2019 Neurophysiologie L'influx nerveux porte les informations qui doivent être transmises à d'autres cellules nerveuses ou effectrices par des jonctions = synapses. Il existe 2 types de synapses : – – Synapses électriques : on a un contact physique entre l'extrémité axonale du 1er neurone et d'autres cellules. Des canaux permettent le passage d'ions et donc de courants électriques. Cette synapse est minoritaire chez les mammifères. Synapses chimiques : les membranes ne se touchent pas, on a un espace synaptique. Le 1er neurone libère une substance chimique dans cet espace, substance qui entre en contact avec la membrane du second neurone. Cette substance va stimuler chimiquement des influx nerveux sur le second neurone. Ce sont les synapses les plus présentes chez les mammifères. La substance libérée par le 1er neurone = neuromédiateur. Ex : La synapse qui fonctionne avec le récepteur nicotinique ayant comme neuromédiateur l'ACH. Le récepteur nicotinique est le 1er récepteur isolé dans les années 1970 en France à l'institut Pasteur à Paris à partir d'un poisson torpille. Ce poisson présente sur le ventre une plaque électrique. Quand il entre en contact avec un autre poisson, il envoie une décharge électrique violente et peut ainsi manger sa proie. La décharge est liée à la présence de récepteurs nicotiniques. Pourquoi on l'appelle le récepteur nicotinique : lorsque qu'on fume, la nicotine se fixe sur ce récepteur et provoque son ouverture et entraine les effets addictifs du tabac. II) Potentiel post-synaptique excitateur Influx nerveux arrive le long de l'axone sous forme de PA. Ce PA se propage sur la membrane au niveau de l'extrémité axonale. Sur cette membrane, il y a des canaux calciques voltages dépendants. Quand la membrane est au niveau de son potentiel de repos, ces canaux sont fermés. Quand il y a l'arrivée d'un influx nerveux → dépolarisation de la membrane qui augmente la probabilité d'ouverture des canaux calciques. Extérieur de la cellule Cytoplasme [Ca2+] = 10-3 [Ca2+] = 10-9 On a donc un gradient de 106 entre extérieur et intérieur, donc le flux est entrant. Le calcium est soumis au gradient de concentration et électrique : il entre massivement dans la cellule. Dans le cytoplasme, le calcium se fixe sur des protéines qui entrent en contact avec des vésicules de stockage qui sont entourées d'une membrane qui contient l'Acétylcholine (ACH). Dès que le Ca2+ complexé aux protéines entre en contact avec ces vésicules : migration des vésicules qui entrent en fusion avec la membrane de l'extrémité axonale. → ACH envahit l'espace synaptique. 9/12 2018-2019 Neurophysiologie Le second neurone possède les récepteurs nicotiniques, récepteur canaux et sans nicotine, le canal est fermé. Dès que la nicotine se fixe sur un site de réception du canal : changement de conformation → ouverture du canal, le canal est perméable aux ions sodium. Donc il y a entrée de sodium dans le 2e neurone : accumulation de Na+, donc de charges positives, sur un fragment de membrane, sur la face interne, donc diminution de différence de charges + entre intérieur et extérieur de la cellule. Puis, apparition de dépolarisation locale sur la membrane du 2e neurone → PPSE : potentiel post-synaptique excitateur. → PPSE correspond à une faible différence de potentiel de membrane au niveau du corps cellulaire. Chaque PPSE pris isolément est incapable à lui seul d’amener le potentiel de membrane au seuil du seuil de déclenchement de PA au niveau du cône d'émergence (zone entre le corps cellulaire et l'axone). Il y a des milliers de synapses autour du neurone, on a donc un chevauchement entre ces PPSE. L'addition des PPSE dans l'espace peut être suffisant pour amener la membrane du 2e neurone au niveau du seuil de déclenchement des PA. → On a une synapse excitatrice qui fonctionne grâce aux PPSE. Une faible dépolarisation espacée dans le temps est insuffisante pour déclencher un PA, mais si l'action est répétitive et rapprochée, la sommation de ces PPSE amène à un PA. → On a un phénomène de sommation dans l'espace et dans le temps. Mais si la sommation est trop faible, il n'y a pas d'influx nerveux. III) Les potentiels post-synaptiques inhibiteurs Il existe d'autres canaux ioniques qui ne sont pas perméables au sodium mais qui vont être perméables au Cl- : Récepteurs GABA. Les récepteurs GABA permettent l'entrée ions Cl- dans la cellule, or il sont chargés négativement donc, augmentation de charges négatives à l'intérieur, la différence s’accroît entre intérieur et extérieur → hyperpolarisation locale de la membrane = PPSI → Ce sont des potentiels locaux qui ne se propagent pas. Ils ont les mêmes propriétés que le PPSE : addition des PPSI dans l'espace et le temps. NB : si 3 synapses fonctionnent en même temps, le PM est de -80 à -85mV. Pourquoi cela créé une inhibition de la synapse ? A partir du moment où notre membrane est de -80 à -85mV, si on veut exciter le second neurone, il faudra que les 10/12 2018-2019 Neurophysiologie neurones excitateurs soient très actifs pour envoyer suffisamment de neuromédiateurs capables d'activer les récepteurs afin de dépolariser la membrane et l'emmener au seuil de déclenchement. Dans la plupart du temps, un corps cellulaire est entouré de milliers de synapses ( excitatrices + inhibitrices). Ce corps cellulaire intègre en permanence les PPSE + PPSI. Il faut que la somme soit suffisante pour amener le PM au seuil d'excitation. Il existe un autre moyen de provoquer le PPSI : c'est la sortie de K+ Cela consiste à faire sortir du K+, grâce à des récepteurs muscariniques à l'ACH. Ces récepteurs possèdent 7 domaines trans membranaires et quand ils sont stimulés, ils envoient un message dans la cellule, c'est ce type de récepteur qui ouvre des canaux K+. Le K+ diffuse vers l'extérieur et amène des charges + à l'extérieur provoquant une hyper-polarisation → PPSI. PPSI c'est soit : – entrée d'ions chlorure – sortie d'ions potassium Inhibition pré synaptique : système qui fonctionne avec 3 neurones 1) neurone excitateur 2) neurone effecteur 3) neurone inhibiteur : il établit une synapse avec l'extrémité axonale du neurone 1 ce qui empêche le fonctionnement de la synapse entre 1 et 2 en agissant par création de synapse entre 1 et 3. Quand le neurone inhibiteur ne fonctionne pas, on stimule le neurone excitateur ce qui libère un neuromédiateur, 11/12 2018-2019 Neurophysiologie qui stimule le neurone effecteur → création d'un PA et d'influx nerveux. Quand le neurone inhibiteur est stimulé, il libère le neuromédiateur (GABA) et le récepteur GABA est sur le neurone excitateur. Donc il y a fixation de GABA qui créé l'ouverture du canal et l'entrée de Cl- qui aboutit à une hyper-polarisation. L'influx arrive sur le neurone excitateur bute sur une membrane hyper-polarisée. Le courant local de l'influx n'est donc plus suffisant pour dépolariser la membrane (seuil de déclenchement plus fort du à l'hyper-polarisation). Donc pas de transmission car il n'y pas d'ouverture des Ca 2+ → La synapse est bloquée. Pour éviter qu'un système s'emballe, on utilise des cellules inhibitrices pré-synaptiques et post-synaptiques. IV) Synthèse et catabolisme de l'Acétycholine Acétylcholine= AcétylCoA + choline (alcool estérifié). La synthèse biochimique se fait sous le contrôle de la choline acétyltransférase. Si l'ACH stagne, on a une paralysie du système. Dès qu'elle est libérée, elle est éliminée par l'ACH estérase en acétate+ choline. Beaucoup d'insecticides sont des inhibiteurs à estérase donc capables de bloquer les cholines estérases des insectes. Les armes chimiques sont des inhibiteurs des cholines estérases humaines → paralysie du SN, donc mort instantanée car ça paralyse les centres respiratoire et cardio-vasculaire du à un excès d'ACH dans l'organisme. Certains médicaments sont des inhibiteurs de choline estérases utilisés dans le traitement de l’Alzheimer, cela retarde la dégradation de l'ACH et retarde la maladie mais l'effet est discuté. Le récepteur à l'ACH est un assemblage de protéines composées de 5 sous unités (2 su alpha, bêta, gamma, delta). Pour que le canal s'ouvre, il faut la fixation d'ACH sur deux sous unité alpha. Le récepteur à l'ACH fonctionne exactement pareil que les canaux voltages dépendants, avec la même cinétique d'ouverture . Quand le récepteur nicotinique s'ouvre, le signal en Patch Clamp en créneau avec ouverture et entrée de sodium instantanée pendant un certain temps puis fermeture. De façon statistique, sur des fragments de membrane, on aura une sommation des courants avec une courbe amortie de cinétique d'ouverture et de fermeture apparente. Quand on inverse le courant entrant de sodium, on obtient alors le courant de potentiel de membrane : c'est la dépolarisation = PPSE. Les récepteurs nicotiniques ne sont pas tous les mêmes au niveau des muscles, du cerveau... Ils sont présents à la jonction des motoneurones et des muscles → Le mouvement de contraction musculaire est déclenché par l'influx nerveux provenant de fibres motrices : il y a une synapse neuromusculaire entre les fibres motrices et le muscle dont le neuromédiateur est ACH et le récepteur est nicotinique. Le récepteur au GABA laisse passer les ions chlorures : ce sont des protéines formants un canal. Quand le neuromédiateur se fixe sur la protéine, il y a ouverture ou pas du canal. 12/12
