1. Le potentiel de membrane transmembranaire et diffusion ionique PDF

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Le potentiel de membrane transmembranaire et diffusion ionique enseignée par Benquet
L3 BCGMP...

Description

Le potentiel de membrane transmembranaire et diffusion ionique I)

Notion de potentiel de repos

L’activité des neurones fluctue au cours du temps : potentiel d’action Potentiel de repos : période où il y a pas de potentiel d’action. Env. -70mV

II)

Techniques d’études de l’activité électrique intracellulaire des neurones 1) La microélectrode intracellulaire

Pour mesurer les différences de potentiel entre l’int et l’ext de la cellule, on utilise des électrodes. Pour cela, on utilise des microélectrodes intracellulaire que l’on insert au sein du neurone. La résistance est quasi nulleà pas de différence de potentiel On mesure la diff de potentiel entre l’intérieur et l’extérieur, on se rend compte qu’à l’intérieur du neurone est plus négatif qu’à l’extérieur de -70mV. La microélectrode mesure les fluctuations de potentiel transmembranaire au cours du temps. On prélève des neurones embryonnaires, on met des neurones en culture pour qu’il puisse se développer. On prend un animal, on fait une coupe du cerveau et on refroidit et oxygéné tres fort, du sucre et des nutriments. Comme ça, on peut garder les neurones pendant 10h à on parle de tranches aigues.

2) Le patch clamp On approche une grosse électrode de la cellule, on la pose sur la membraneà on « attache » la cellule en effet la membrane vient se coller à l’intérieur de la pipette. Puis, on aspire à la pipette ainsi on perce la membrane du coup elle vient se coller à la pipette pour s’approcher du neurone. Le patch clamp peut mesurer les variations de potentiel transmembranaire mais aussi peut imposer un potentiel transmembranaire (voltage-clamp ou potentiel imposer) et lire les courants (en μA). Injecter un courant transmembranaire et lire le potentiel (mV). Enregistrer au niveau de toute la cellule ou au niveau d’un seul canal ionique

3) Notions de polarisation membranaire Membrane plasmique = lipides et protéines. Les ions ne peuvent pas traverser cette membrane pour cela il faut des transporteurs et des canaux. La membrane est polarisée lorsqu’il n’y a pas la même répartition des charges entre l’intérieur et l’extérieur de la cellule. (Compartiment intérieur = -, compartiment ext=+) => 70mV. Polarisation = différence de charges Potentiel, voltage : différence /crée une force (mV) -

Si je rajoute des charges + à l’intérieur à dépolarisation. Exemple : -30mV Si je rajoute des charges + à l’extérieur à hyperpolarisation. Exemple : -100mV Si je rajoute des charges – à l’int à hyperpolarisation Repolarisation : dépolarisation et on revient au potentiel de repos. -100mVà-70mV

Si on s’éloigne de la membrane, je suis électriquement neutre aussi bien à l’extérieur qu’à l’intérieur. On a excès positif à l’extérieur de la membrane et un excès négatif à l’intérieur de la membrane Cette répartition est vraie pour tous les compartiments de la membrane. 4) Répartition des ions K+/acides aminés de protéines sont chargées négativement, on les trouve à l’intérieur de la cellule Na+/Cl- àextérieur de la cellule

Na+ K+ Ca2+

Intérieur 10mM 140mM 10nM

Extérieur 140mM 5mM 2mM

5) Les flux ioniques et le gradient éléctrochimique Le canal potassique capable de laisser passer du potassium. Ce potassium va aller du milieu le plus concentré vers le milieu le moins concentré, il va donc sortir de la cellule àon parle d’un gradient chimique. A chaque fois que le potassium sort, il y a une hyperpolarisation. La sortie de potassium va finir par être freiné par la force électrique et rester bloquer. Il y a donc deux forces qui s’opposent : une force chimique (concentration +à-) et une force électrique (pousse l’ion + à aller vers le -). Les forces finissent par se compenser et on parle d’un potentiel d’équilibre.

6) Le potentiel d’équilibre des ions

Gradient chimique

Gradient électrique

Potentiel d’équilibre : valeur de potentiel transmembranaire pour laquelle le gradient chimique est aussi fort que le gradient électrique. Les deux forces sont égales ainsi l’ion ne peut n’y rentrer, n’y sortir de son compartiement Ce potentiel peut être mis en équation. Equation de NERST :

Grace à cette formule, on peut déterminer les potentiels d’équilibre : EK+ -90mV ENa+ +60mV ECa2+ +120mV ECl-80mV L’ion sort jusqu’à ce qu’il atteigne le potentiel de l’équilibre ainsi K+ sort jusqu’à atteindre -90mV Si on a un canal qui laisse passer du Na, le Na rentre dans la cellule d’une part par le gradient chimique puis par le gradient électrique jusqu’à ce que la cellule atteigne +60mV. Une fois que la cellule atteint +60mV, le gradient électrique s’oppose au gradient chimique et le Na+ ne rentre plus. 7) Mécanismes du potentiel de repos a) Canaux K+ de fuite Il existe des protéines transmembranaires qui contiennent un canal. Ce canal est sélectif au potassium, les autres ions ne peuvent pas passer. Ces canaux contiennent 2 pores, ils sont ouverts en continu et ne se ferment pas avec la durée. On parle des canaux TASK et TREK. Le potassium peut fuir la cellule au gré des différents gradients chimiques et électriques. On peut suractiver ces canaux anesthésiques généraux (exemple : anesthésie général). Si on force le fonctionnement de K+, on tend vers -90mV ainsi on éteint les neurones du cortex et on perd le conscient. b) La pompe NA/K ATPasique Il faut une pompe pour permettre de récupérer le potassium et de le ramener à l’intérieur pour maintenir l’équilibre. Cette pompe permet également de faire sortir les ions sodium : 3 sodiums sortent pour 2 ions potassium. On rend la cellule plus négative (hyperpolarisation). Donc, on maintient le potentiel de repos. Il faut de l’énergie pour que cette pompe fonctionne à l’inverse des gradients. => Pompe ATPasique

Pour atteindre le potentiel de repos (-70mV), on met pleins de canal K+ de fuite et très peu de canal de Na+ par conséquent on tend plus vers -70mV. Cet équilibre est maintenu par les pompes Na/K.

Quand il y a un AVC, il y a une dépolarisation à cause du manque de glucose à plus d’ATPà inactivité de l’ATPase. Plus de compensation à le potentiel membranaire Mais pourquoi le potentiel de repos est différent de -90 mV ?

III)

Le potentiel d’action 1) Propriétés du potentiel d’action

Le potentiel va fluctuer au cours du temps. Il va fluctuer autour de -70mV. Il y a un potentiel particulierà -50mV qui correspond au seuil d’excitabilité. C’est un potentiel transmembranaire pour lequel toute dépolarisation inférieure à cette valeur n’engendre pas de potentiel d’action. à Neurone au repos Si je dépolarise de manière suffisante afin de dépasser ce seuil, alors le neurone va déclencher un PA de très grande amplitude à neurone actif

Avec la méthode du patch clamp, on peut imposer un voltage et donc lire des courants (imposer à la membrane d’être à -30mV) qui passent dans la cellule ou alors imposer un courant. Dans ce cas, on peut envoyer un courant positif ou négatif dans la cellule (dépolarisation/hyperpolarisation) et donc lire les fluctuations de potentiel transmembranaire L’amplitude des PA ne s’atténue pas avec la distance

Loi du tout ou rien Soit on est sous le seuil d’excitabilité à pas de déclenchement Soit on est au-dessus du seuil à déclenchement. Les neurones codent en binaire. La fréquence des PA augmente proportionnellement à la dépolarisation. Quand un neurone est très actif, il envoie pleins de PA Fréquence de décharge des neurones : nombre de PA/seconde en Hertz. Le PA est généré avant le premier noeud de Ranvier, on l’appelle le site d’initiation. Il se propage le long de l’axone. Un axone peut être très long (ex : du cortex jusqu’à la moelle épinière). On peut mesurer l’amplitude des PA tout au long de l’axone, on remarque que son amplitude ne s’atténue pas avec la distance parcourue à même amplitude et même durée ainsi il n’y a pas de perte d’information le long de l’axone. Les hautes fréquences permettent de traiter l’information de manière consciente. Ex : lecture (cognition)

On a une phase de très forte dépolarisation de -70mV à +30mV. Cette dépolarisation est due à une entrée d’ion positif àentrée brusque de sodium. Puis, il y a phase de hyperpolarisation ( repolarisation)à sortie de potassium. Cette entrée brusque de sodium et cette sortie brusque de potassium est due au déclenchement de l’ouverture de canaux sodiques voltages dépendant. Ces canaux attirent la membrane vers +60mV puis par l’ouverture retardée de canaux potassiques dépendant qui attire vers -90mV à repolarisation très forte. Le canal sodium doit absolument s’ouvrir en premier puis le canal potassique. Il est nécessaire d’avoir ce décalage temporel

Attention, il ne faut pas confondre ces canaux voltages dépendant n’ont aucun lien avec les canaux de fuite (potentiel de repos) en effet les canaux de fuite ne dépendent pas du potentiel de membrane La dépolarisation induit une fermeture des canaux Na+ 2) Les canaux ioniques à l’origine du PA A) Les canaux sodiques voltage-dépendant

Structure et fonction Les canaux sont des protéines transmembranaires constituées de 4 grands domaines constitués de 6 segments transmembranaires La grosse protéine principale est la protéine alpha, celle-ci a un canal qui fait passer les ions de part et d’autre de la membrane. Ces canaux sont des hétérotrimères αβ1β2. La sous-unité α : contient pore et le voltage- sensor β stabilisent le canal. Ces canaux ont un filtre de sélectivité c’est à dire qu’ils ont des aa dont les propriétés permettent la filtration des ions ( +/-). Une porte permet l’ouverture des canaux. On a un système d’inactivation des canaux. Ces canaux possèdent une sous unité sensible au potentiel de membrane qui induit un changement de conformation à fermeture/ouverture. Si une dépolarisation arrive et permet de franchir le seuil àcanal ouvert (le sodium rentre) puis on passe au mode inactivé. Si une autre dépolarisation arrive, le canal restera bloquer. Il faut du temps pour que les canaux reviennent à une conformation fermée activable. (Repolarisation). Dans le canal, il y a une boule qui possède des charges + donc quand on est au repos l’intérieur est négatif la boule est attirée par l’intérieur. Si l’intérieur devient plus positif que l’extérieur (dépolarisation) alors la boule va vouloir sortir et ainsi boucher le canal

Segments S4 On a dans le segment S4, un voltage sensor, un ensemble d’ion d’aa chargé positivement. Si le neurone est au repos S4 est attiré par l’intérieur de la cellule. Mais s’il y a une dépolarisation, on repousse le segment S4 vers l’extérieur. Si S4 sort il va tirer physiquement sur les autres segments et donc il change la forme du canal. En changeant la forme du canal, il provoque son ouverture.

Du canal unitaire au courant en cellule entière Chaque canal a une probabilité d’ouverture Plus on dépolarise fort, plus la probabilité d’ouverture des canaux augmente. Le canal se ferme même si on maintient la dépolarisation

Courbe courant potentiel

On trouve de la ttx au niveau du foie et des ovaires des fugus. (Poisson pour sushis ). Cette ttx a la capacité de se fixer dans les canaux voltage dépendant de manière irréversible. Il y a plus de PA parce que les nerfs cardiovasculaire et respiratoire deviennent inactifs.

Beaucoup de venins contiennent des toxines qui ciblent les canaux voltages dépendants —> bloque le système nerveux de l’adversaire. Par exemple, le venin de tarentule bloque le pore des canaux et le venin du scorpion bloque le voltage sensor. Le BTX que l’on retrouve chez une grenouille empêche le canal de s’inactiver. Cela bloque le codage du PA, on active en permanence les bloque et provoque la tétanisation des muscles

La vitesse d’ouverture du canal potassique est plus lente que celle du sodium voltage dépendant.

B) Les canaux potassiques Structure et fonction

Les PA font une dépolarisation très forte des neurones, cette dépolarisation est capable de déclencher l’ouverture des canaux calciques voltage dépendant. Ce calcium va se fixer aux sondes fluorescentes et induit un flash lumineux. On peut enregistrer seulement un neurone à la fois, avec l’imagerie on met des sondes dans tous les neurones que l’on veut visualiser. A chaque fois qu’il est actif, on peut visualiser des milliers de signaux calciques fluorescents.

3) Mécanismes du PA

Si on prend une enzyme qui mange la chaine et la boule, le canal ne peut plus d’activer. Si on met un bloqueur du canal potassique dépendant (TEA)à pas de repolarisation. Si on combine les deux, phase de dépolarisation mais de repolarisation

Un phénomène explosif et régénératif L’inactivation du canal permet qu’aucune polarisation ne peut rouvrir le canal. Les PA sont toujours être unidirectionnels. Ils vont du site d’initiation vers les synapses.

Le site d’initiation du PA ? C’est au niveau du site d’initiation que l’on retrouve les canaux voltages dépendants. On y trouve une très forte concentration de ces canaux par conséquent cela induit un phénomène explosif et cela évite d’avoir des failles dans le codage. Certaines ondes lumineuses sont capables de provoquer des changements conformationnels de canaux chez certaines algues et donc de faire rentrer et sortir les ions. Il a importé les gènes responsables de cette caractéristique dans le génome de certaines sous types de neurones. Puis, on va cibler les neurones que l’on a transfecté. Ces neurones expriment les canaux ioniques sensibles à la lumière. A chaque pulse lumineux, on génère l’activation d’un PA. On peut donc contrôler la fréquence de décharge des neurones...