Electrophysiologie et Potentiel imposé

Electrophysiologie et Potentiel imposé
Gradient électrochimique et potentiel de repos des membranes excitables
La membrane cellulaire peut être considérée comme un circuit électronique.
La bicouche lipidique peut agir comme un condensateur.
Les canaux ioniques peuvent agir comme des résistances variables.
Les pompes échangeuses d'ions peuvent agir comme des chargeurs de batterie.
Expérience fondamentale : Potentiel de repos :
Si l'on place l'extrémité d'une microélectrode dans une
cellule nerveuse, il est possible, dès l'entrée dans la
cellule, d'enregistrer une différence de potentiel (ddp)
par rapport au milieu extérieur d'environ 60 mV. Cette
ddp, appelée potentiel de repos, est variable d'une
cellule à l'autre et caractéristique de toutes les cellules
vivantes. L'intérieur de la cellule est négatif par rapport à
l'extérieur, ce qui s'exprime par un potentiel de repos ou
potentiel de membrane (Vm) égal à - 60 mV.
Dans toutes les cellules eucaryotes il existe un gradient de concentration de part et d’autre
de la membrane :

La concentration en ions K+ est + importante à l’intérieur de la cellule qu’à l’extérieur

La concentration en ions Na+, Ca++ et Cl- est + importante à l’extérieur de la cellule
qu’à l’intérieur
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La membrane peut permettre la diffusion de toute ou partie des ions, elle est plus ou moins
sélective
Les ions sont des particules chargées (q+, q-). Ils répondent donc aux lois de l’électrostatique
et leurs déplacements seront influencés par la présence d’un champ électrique
transmembranaire.
Ainsi, les conditions d’équilibre ne seront atteintes qu’après qu’un équilibre soit réalisé entre
diffusion et forces électriques.
Les ions vont traverser la membrane par des canaux, des pompes, qui ont la capacité de
s’ouvrir et de se fermer, on parlera de probabilité d’ouverture et de fermeture qui peut
dépendre des caractéristiques électriques du milieu, de neurotransmetteurs etc…
Potentiel d’équilibre ou de repos :
Principe d’équilibre osmotique et d’électro-neutralité
Equilibre osmotique :
Le nombre de particules en solution situé de chaque côté de la membrane doit être le
même, quelle que soit la charge de ces particules
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Notion de diffusion :
La diffusion simple :
– Au travers de la membrane
- Du plus concentré vers le moins concentré
- Lent
La diffusion facilitée :
Nécessite une protéine transmembranaire
 Protéine canal : du plus concentré vers le
moins concentré (Rapide, spécifique,
régulée)
 Transporteur : dans le sens ou contre le
gradient de concentration
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Rappel à propos du condensateur :
Un condensateur plan est constitué de deux surfaces parallèles et chargées, séparées d'une
distance d, en face l’une de l’autre.
On retrouve la notion précédente d’une plaque chargée avec ici 2 plaques dont l’une est
chargée positivement et l’autre négativement
A l'intérieur d'un condensateur plan, il existe un champ électrique uniforme tel que :
 E est perpendiculaire aux plaques
 Il est dirigé du (+) vers le (-) (le "sens des potentiels décroissants")
 Sa valeur est E = U/d avec U en V, d en m et E en V.m-1
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Relation Force et champ :
Des charges de même signe se repoussent du fait d’un champ électrostatique et donc d’une
force électrostatique
F = qE
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Notion de condensateur
Rappel : un condensateur est composé de 2 surfaces conductrices
appelées armatures qui s’entourent ou se font face et qui sont
séparées par un isolant. Les armatures portent des charges +q et –q
égales en valeur. Il est dit parfait si aucune charge ne traverse
l’isolant
La capacité électrique d'un condensateur se détermine en fonction
de la géométrie des armatures et de la nature du ou des isolants
représente la charge d’un condensateur
La charge d’un condensateur est donc proportionnelle à la tension entre ces bornes
L’intensité d’un courant électrique
La membrane comme un condensateur :
Le principe d’électro-neutralité est violé.
Le départ des charges + liées au K+ provoque une augmentation de la concentration en ions
– autour du canal en Int et une accumulation de charges + autour du canal en Ext (10°A
autour du canal).
Ceci constitue un espace étroit entre ces charges + et – séparé par la membrane qui peut
être assimilé à un isolant.
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Un isolant et des charges + et – de parts et d’autres constituent un condensateur virtuel. Ce
condensateur virtuel membranaire à une capacité ou capacité membranaire :
Représente la quantité de charge transférée
La capacité membranaire = 10.10-10 F
La ddp induite entre Int et Ext
La quantité de charge transférée est donc de 84.10-13 C
Equation de Nernst pour une membrane perméable à un seul ion par exemple
le canal potassium :
A l’équilibre il existe donc une différence de potentiel. Dans le cadre d’une membrane
perméable à un seul ion cette différence de potentiel est appelée potentiel d’équilibre de
l’ion donné.
V= -84mV = potentiel d’équilibre du K
Le gradient électrochimique et la conductance :
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Dans la réalité les membranes cellulaires sont perméables à plusieurs ions. Elles sont
couvertes de canaux différents qui peuvent être ouverts quand la membrane est au repos.
Ceci implique un flux d’ions au repos.
Si on enregistre la membrane d’une cellule au repos, selon le type de cellule le potentiel de
repos sera compris entre -40 et -60 mV
Ce qui signifie que le potentiel de repos ne correspond à aucun potentiel d’équilibre pour les
ions.
On aura donc un gradient électrochimique tel que
On en déduira le flux d’ions lié au gradient électrochimique
Pour le K+
-60-(-85) = +25 Par convention, le signe + signifie que l’ion quitte la cellule :
c’est donc un flux sortant.
Pour le Na+
-60-(+58) = -118 l’ion entre dans la cellule : c’est donc un flux entrant
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Notion de conductance :
Le flux d’ion ne dépend pas seulement du gradient électrochimique mais aussi de la
conductance.
C’est l’inverse de la résistance
Notion de tension :
Une tension est mesurée entre 2 points d’un circuit et correspond à une différence de
potentiel entre les deux bornes
tension aux bornes de AB
les potentiels aux bornes de A et de B
Notion d’additivité des tensions :
Les tensions s’additionnent (Loi de Charles) voir
Notion de masse :
Les potentiels peuvent être mesurés entre une borne A et la masse, souvent la terre
Notion de conductance :
On a vu que la conductance était l’inverse de la résistance.
C’est donc la facilité avec laquelle le courant se déplace ou encore, la facilité avec laquelle les
ions vont traverser la membrane.
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Unité SI en Siemens
La conductance de la membrane est donc proportionnelle à:
 La conductance d’un canal pour un ion
 Le nombre de cet ion
 La probabilité d’ouverture de ces canaux
Représentation schématique d’un canal ionique et d’une membrane sous
forme d’un circuit électrique :
Cas d’une membrane avec plusieurs canaux :
Dans un premier temps considérons une membrane perméable au Na+ et au K+.
Le potentiel d’équilibre sera atteint quand le flux des charges + sera nul
Ou encore quand :
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Au repos, le potentiel de membrane ne sera égal à aucun potentiel d’équilibre d’un canal K+
ou Na+, c’est-à-dire ni -84, ni+58 mais quelque chose d’intermédiaire.
→ Le flux d’ion à travers une membrane cellulaire est donc le résultat du produit du gradient
électrochimique par la conductance
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Le gradient électrochimique est la résultante du gradient de concentration et du gradient
électrique
Le canal du Ca2+ est voltage dépendant, il est donc fermé à l’équilibre.
Notion de Variation du potentiel de membrane :
Lorsque le potentiel de membrane se déplace vers des valeurs plus négatives, on dit que la
cellule s’hyperpolarise.
Lorsque le potentiel de membrane se déplace vers des valeurs plus positives, on dit que la
cellule se dépolarise.
Notion de variation de potentiel
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Les courants transmembranaires
2 types d’expériences :
 On modifie le potentiel de membrane : Courant imposé
 On modifie le nombre de canaux ouverts
Modification du Potentiel de membrane. Le cas de la dépolarisation.
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3: La charge de la capacité ouvre le circuit et fait passer Vm de -60 à -50 mV du fait de la
conductance membranaire (10-8S)
Ce courant charge rapidement le condensateur puis décroissance progressive
Si on maintient le courant (100pA)
Au niveau du potentiel de membrane
Puis V-EK passe à V’-EK
Comme IK=gK(V-EK)
Si V-Ek augmente alors Ik augmente
L’état stationnaire est atteint quand Ik dans la membrane est égale au courant imposé alors
V’ sera dans un état stationnaire
Méthode du potentiel imposé :
On impose un voltage
On maintient le voltage (générateur extrêmement réactif)
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Méthode du potentiel imposé :
On impose un voltage
On maintient le voltage (générateur extrêmement réactif)
Méthode du potentiel imposé :
On impose un voltage
On maintient le voltage (générateur extrêmement réactif)
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T1: On maintient Vm à -50mV Pas de canaux Na voltage dépendant
ouvert
L’ampli doit délivrer un courant continu = au courant porté par les ions
au travers de la membrane
Ce courant = If ou courant de fuite
En effet, L’accumulation de charges positives sous la membrane va
charger la capacité membranaire ce qui induit un courant IC sortant
Ce courant Ic est observé à l’instauration du stimulus
T2: Dès que dV ne varie plus Ic=0
La somme des 2 courants Ic + IF = IM
Quand Ic= 0 alors Im=If
C’est-à-dire le courant de fuite appliqué par l’expérimentateur est alors
égal au courant transmembranaire
T1: On passe à 0mV les canaux Na Voltage dépendant s’ouvre
et Na va entrer dans la cellule ce qui crée un courant positif
entrant.
L’ampli doit alors enlever immédiatement des charges
positives correspondant au Na+ qui est entré pour maintenir le
potentiel sinon autres phénomènes de régénération et Vm
varie.
T2:On a donc Im=Ic+If+Ina
On mesure Im quand Ic=0
If ayant été mesuré au départ
On a donc Ina
On peut ainsi mesurer :
 la probabilité d’ouverture des canaux.
 Leur duré d’ouverture (indépendant du potentiel)
 Leur caractéristique de fermeture ou d’inactivation
(automatique pour Na)
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Expérience en potentiel imposé :
Exemple du canal Na :
- En A : on impose répétitivement des sauts de potentiels d’amplitude croissante
On obtient les courbes A1 ou l’on remarque un courant entrant de Na
(ouverture de canaux Na voltage dépendant).
On remarque que ce canal s’inactive alors que le potentiel est maintenu
- En A2 : la perfusion de pronase bloque l’inactivation du canal sodium qui reste ouvert : on a
- En B : on construit la courbe Ina en fonction de V à partir du pic de la réponse pour chaque
valeur de V (*)
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Interprétation : le courant entrant augmente jusqu’a -20 mV puis décroît progressivement
pour changer de sens au-delà de + 50 mV proche de ENa
La conductance élémentaire reste constante
En dessous de -50mV canaux fermés, au-delà de +40 mV canaux ouverts
Application au potentiel d’action :
- Il va y avoir une séquence d’ouverture et de fermeture pour les différents canaux (plus
particulièrement pour Na et K).
- Les canaux Na sont voltage-dépendants : lors de la dépolarisation, ils s’ouvrent ce qui va
induire un flux entrant de Na au sein de la cellule
- Les canaux K vont s’ouvrir à partir d’un certain voltage induit par les Na, ce qui va induire un
flux sortant de K.
- Quand les K s’ouvrent et que les Na se ferment, on a une dépolarisation de la membrane
- A partir d’un seuil, les canaux K se ferment également : on a une hyper-polarisation.
Les pathologies des canaux existent (épilepsie) : on va donc avoir des médicaments
spécifiques comme la pronase qui vont forcer les canaux à fonctionner.
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