CM5 - Physio PDF - Résumé Licence Sciences de la Vie et de la Terre parcours Biologie - Santé PDF

Preview

Summary

cours physio...

Description

Physiologie membranaire – CM5

V. Définition du potentiel d’action : mesure et analyse des courants ioniques sous-jacents Toutes les cellules ont un potentiel de repos mais elles n’ont pas toutes la possibilité de générer un potentiel d’action. 

Potentiel d’action : signal électrique bref qui s’établit dans les cellules dites excitables. Ce signal électrique va se propager le long de la membrane.

Les cellules excitables sont les neurones, les cellules musculaires et les cellules glandulaires (ex : cellules des ilots de Langerhans).

1. Caractéristiques Le potentiel d’action est un phénomène électrique qui présente deux caractéristiques fondamentales : 

Le PA obéit à la loi du tout ou rien : il n’apparait que si la dépolarisation atteint une valeur seuil. Toute augmentation ultérieure de l’amplitude de la stimulation n’apporte aucun changement dans la réponse observée. Si le seuil est atteint, la réponse est maximale d’emblée.



Le PA se propage sans atténuation tout au long de la cellule excitable (axone, fibre musculaire, etc. …).

Dans les nerfs moteurs, la propagation du PA se fait à 60 m/s. Toute diminution de cette vitesse de conduction est le signe d’une démyélisation. Exemple de signal qui s’atténue : la réponse synaptique. Le signal synaptique nait au niveau de la synapse et va être important et plus on s’éloigne de la synapse plus le signal va s’atténuer car les cellules qui diffusent ce signal ne se trouve qu’au niveau de la synapse.

La différence entre une cellule excitable et non excitable est la capacité à générer un potentiel d’action. 1

Physiologie membranaire – CM5

ATTENTION : dans une cellule non excitable, si on injecte un courant, on va quand même pouvoir avoir une variation de potentiel. Quelle que soit la cellule, excitable ou non excitable, une injection de courant va entrainer une variation de potentiel. Dans une cellule excitable, à partir d’un certain seuil de dépolarisation , la cellule excitable va générer un potentiel d’action. En dessous du seuil, on n’a qu’une réponse passive. Dans le cas de la cellule non excitable, c’est une réponse passive (la membrane se charge / se décharge et c’est tout).

2. Les différentes phases du potentiel d’action Le PA est un signal transitoire qui dure quelques millisecondes. On va définir différentes phases en fonction des points de repère :  Le potentiel de repos (barre horizontale)  Phase de dépolarisation : le potentiel va vers le haut, s’éloigne du potentiel de repos  Phase de repolarisation : redescend, rapproche du potentiel de repos

se

 Phase d’hyperpolarisation : phase ou le potentiel de membrane est plus faible que le potentiel de repos Seuil de dépolarisation : seuil minimum et suffisant de potentiel membranaire pour déclencher un potentiel d’action. Pendant le potentiel d’action, au 0, on a une inversion de signe du potentiel de membrane : on passe du négatif au positif. On marque le 0 car en anglais, la différence entre le 0 et le pic du PA est appelé « l’overshoot ». Ce PA est une inversion brutale et transitoire du potentiel de membrane qui obéit à la loi du tout ou rien et se propage sans atténuation de manière autonome, tout au long de la membrane excitée. 3 éléments à retenir : - connaitre la référence - on définit le seuil - notion « overshoot » : inversion du potentiel En tout on a un PA de 5 ms Rq : si le pic du potentiel d’action est proche du potentiel d’équilibre au sodium, ça signifie que la membrane à ce pic est perméable au sodium.

2

Physiologie membranaire – CM5

3. Les courants ioniques transmembranaires à l’origine du PA On mesure les courants par la technique du « voltage clamp », mise au point par Hodgkin et Huxley. Ils imposent un voltage à l’axone géant du calamar, qu’ils repèrent grâce au ganglion étoilé. Cet axone est un cylindre, et le diamètre de ce nerf est de 1 mm (énorme → axone de mammifère fait 2 µm). C’est plus compliqué que pour enregistrer le potentiel de repos. On veut enregistrer des courants. On a une cuve dans laquelle on va fixer l’axone de calamar, que l’on recouvre de bain, solution physiologique. On introduit dans l’axone une électrode d’enregistrement reliée à un voltmètre. On a une autre électrode de référence plongée dans le bain et aussi reliée au voltmètre. Dans la technique du voltage clamp, on va « commander » le potentiel. Ils ont créé un amplificateur de voltage clamp.

Cet amplificateur est un amplificateur de feedback, capable :  D’imposer un potentiel à la membrane  De mesurer instantanément la différence entre le potentiel de commande et le potentiel de mesure  Injecte un courant, mesure la différence, puis injecte dans l’axone un courant qui va annuler cette différence. Vmesuré – Vcommandé = 0 Vm = Vc But : maintenir le potentiel de membrane au potentiel de commande. Ex : le seuil est autour de -45 mV. A partir de ce seuil, la membrane est autonome. Si la commande est à -20, donc au-dessus du seuil, la mb va déclencher un PA. Mais nous on ne veut pas ça. L’amplificateur mesure la différence entre le potentiel de commande et mesuré et va annuler cette différence.

3

Physiologie membranaire – CM5  Le courant que j’ai injecté pour annuler la différence entre Vc et Vm correspond (s’oppose) au courant qui s’est établi à travers la membrane au potentiel de commande Vc. Cette technique permet de connaitre pour chaque voltage le courant qui s’établit pour entrainer ce potentiel. On peut établir des courbes qui indiquent la relation entre courant et voltage : des courbes I/V. Depuis, cette technique a évolué. D’autres variantes ont été développées pour observer ces phénomènes chez les cellules de mammifères Même principe mais on remplace les électrodes de platine par des microélectrodes Pointe dont le diamètre est de 0,1 µm 1 – On porte le potentiel de membrane à un potentiel choisi : le potentiel imposé (potentiel de commande) 2 – Ce potentiel va entraîner l’ouverture de canaux ioniques sensibles au voltage et créer un courant ionique capable de changer VM 3 – Pour éviter que Vm ne change et donc faire en sorte que la membrane soit maintenue au potentiel que l’on impose, il faut annuler le courant qui s’établit. 4 – Pour y arriver, on injecte un courant identique et de sens opposé 5 – Le courant que l’on injecte correspond au courant qui s’est établi à Vm. Ainsi, on peut imposer un potentiel et enregistrer un courant. Conclusion : On peut donc par la technique du voltage-clamp établir la relation entre Vm et Im, et savoir quels sont les courants ioniques qui sont à l’origine du PA. En TP, sur les courbes I/V, on étudie la dépendance au voltage des courants ioniques. Concrètement, pour chaque voltage, on observe les canaux mis en jeu et leur fonctionnement. NB : Vc = Vclamp = Vm = Vimposé Quand on change le potentiel de membrane, on a des canaux fermés qui sentent la variation de voltage et vont s’ouvrir et se mettre dans une conformation de canal ouvert : ce sont des canaux voltagedépendants (sensibles au voltage ou voltage-gated) : ils ne s’ouvrent qu’en cas de dépolarisation membranaire en dépassant le seuil. 4

Physiologie membranaire – CM5

Quand on parle d’une variation de potentiel, on part d’un potentiel de référence, en général proche du potentiel de repos, appelé potentiel de maintien. A partir de là, on envoie une commande rectangulaires (schéma en haut) : pendant 20 ms, on envoie une commande de x mV (potentiel imposé Vm). Attention, la valeur du potentiel imposé V m peut être exprimée en saut de potentiel ! Dans ce cas, Vm = potentiel de maintien + valeur du saut de potentiel. Exemple : Si le Vhold (potentiel de maintien) est de -60 mV et le saut de potentiel de +60 mV, alors le Vm sera : Vm = - 60 + 60 = 0 mV Protocole de Vclamp : 1. On détermine Vhold 2. On détermine un incrément = saut de potentiel élémentaire 3. On détermine un potentiel final Dès qu’on a un courant imposé rectangulaire, on a un courant capacitif en début et en fin de rectangle. 

Cas du courant faible imposé :

NB : comme on a des canaux toujours ouvert, on aura des courants de fuite mais faibles.

Itotal = Icapacitif + Ide fuite



Cas du courant plus fort imposé :

Si on active avec la commande l’ouverture des canaux ioniques sensibles au voltage, alors :

Itotal = Ic + If + Iionique

Ic = C x

∆𝑡 ∆𝑣

C = Ic ×

∆𝑡 ∆𝑣

C = 1 µ / cm2 5

Physiologie membranaire – CM5

En calculant C, on peut déduire la surface de la membrane, et donc déterminer des densités de courants. Rappel : courant entrant vers le bas et sortant vers le haut.

ATTENTION : calcul de conductances à l’examen. Une conductance n’a pas de signe.

GNa = INa / V - ENa On mesure la conductance sodique et la conductance potassique. A chaque instant T, on mesure le courant et on en déduit la conductance. -

-

En orange : voltage imposé En vert : courants enregistrés o Courant entrant (creux) = courant Na o Courant sortant (pic) = courant K En violet : conductances mesurées

Les courbes du bas sont des courbes de conductance. Les canaux potassium restent ouverts et les canaux Na son transitoires (se referment lors de la dépolarisation). Baisse de GNa pendant la dépolarisation :

CAS DES CANAUX Na+

→ INACTIVATION du canal Na+

Hausse de GNa :

→ fermeture des canaux Na+ PENDANT la dépolarisation

→ Ouverture des canaux Na+

Ouverture transitoire grâce à ce phénomène d’inactivation

→ ACTIVATION

RECAPITULATIF : Canaux Na+ pendant la dépolarisation : activation et inactivation

6

Physiologie membranaire – CM5

CAS DES CANAUX K+ Au retour au potentiel de maintien, chute de Gk

Activation des canaux K+

→ Fermeture des canaux K+

Activation soutenue qui dure pendant toute la dépolarisation

→ DEACTIVATION

ATTENTION : ne pas confondre l’inactivation et la déactivation. La déactivation correspond à la fermeture du canal à la repolarisation au retour au Vhold RECAPITULATIF K+ : Canal activé → activation → pendant la dépolarisation Canal déactivé → Déactivation → pendant la repolarisation

4. Evolution des conductances GNa et GK au cours du temps RETENIR : un canal sent et change en fonction du voltage et pour le même voltage, ca va changer au cours du temps. Evolution propre à chaque canal.

a.

Le courant sortant potassium

On explique ces comportements par des portes (structures moléculaires) au sein des canaux ouvertes ou fermées en fonction du voltage. Pour que le canal soit ouvert, il faut que toutes les portes soient ouvertes. Les portes N sont au nombre de 4.

7

Physiologie membranaire – CM5

Les courbes ont une forme sigmoïde. A partir du moment où un phénomène met en jeu une exponentielle, il survient de façon aléatoire. Si on a plusieurs exponentielles différentes, chaque porte va évoluer de façon aléatoire. On va donc parler de courbe sigmoïde (ex). On a bien e4 (4 portes à la fois). On a donc 4 portes n qui constituent les 4 portes d’activation qui permettent l’ouverture des canaux K+. Quand la porte est fermée, elle barre le passage des ions. On a démontré que comme on a 4 portes, le canal peut avoir plusieurs états : on a 5 états, 4 états fermés et un état ouvert : -

F4 : tous les 4n sont fermés F3 : 3n fermés, 1n ouvert F2 : 2n fermés et 2n ouverts F1 : 1n fermé, 3n ouverts O : tous les n ouverts → seul cas où le canal est ouvert

Déactivation : les portes vont se fermer. Il en suffit d’une seule fermée pour que le canal soit fermé (alors que les 4 doivent être ouvertes pour qu’il soit activé). 8

Physiologie membranaire – CM5

Donc les configurations fermées sont F1, F2, F3 et F4.

Evolution de la conductance au cours du temps : La conductance évolue au cours du temps et du voltage.   

Plus la dépolarisation augmente, plus le pic de conductance K augmente Plus la dépolarisation est forte, plus le canal K s’active vite. Les cinétiques (évolution au cours du temps) d’activation s’accélèrent donc avec la dépolarisation Le canal K de la repolarisation retardée ne s’inactive pas.

CONCLUSION : Plus on augmente la dépolarisation, plus le nombre de canaux ouvert est important et plus cette augmentation est rapide.

b. Le courant entrant sodium

Même principe sauf qu’on n’a pas le même nombre de portes, différents noms de portes et différents types :  portes m d’activation : 3 portes (e3) → m3  porte h : porte d’inactivation 9

Physiologie membranaire – CM5

Au repos (Vm négatif vers – 70 – 90 mV), les portes m sont fermées et la porte h est ouverte. A la dépolarisation, les portes m et la porte h sont ouvertes : le canal est activé. Pour l’activation, il y a 2 différences importantes entre Na et K : - le K+ a 4n et Na+ a 3m - Les portes m du Na+ s’ouvrent plus rapidement et à des seuils d’activation plus faibles que les portes n La porte h reste ouverte au repos. Quand on active le canal elle s’ouvre mais va avoir tendance à se refermer rapidement pendant la dépolarisation. Sa fermeture entraine l’inactivation du canal. Il est dans un état imperméant. Si on envoie un signal sur un canal inactivé, il ne se passe rien. Dans le cas d’un canal fermé, si on envoie la dépolarisation, il va s’ouvrir. Pour provoquer l’ouverture de la porte d’inactivation h, il faut repolariser : les portes m se referment et la porte h s’ouvre. RAPPEL : toute fermeture de porte d’activation (n ou m) correspond à un e déactivation (a lieu lors de la repolarisation). NB : on passe rarement de I à O mais on passe par F.

 

Plus la dépolarisation augmente, plus le pic de conductance Na augmente Plus la dépolarisation est forte, plus le canal Na s’active puis s’inactive vite. Les cinétiques d’activation et d’inactivation s’accélèrent donc avec la dépolarisation.

La décroissance aura une allure mono exponentielle car elle met en jeu une seule porte d’inactivation. La croissance a une allure sigmoïde (poly exponentielle) car on a 3 portes qui décident.

5. Evolution des conductances GK et GNa en fonction du Voltage Pour analyser la variation d’une conductance G ou d’un courant I en fonction du voltage, on ne s’intéresse qu’à la valeur maximale au plateau pour K et au pic pour Na. A -50 on a une très légère variation de la conductance : c’est le seuil d’activation du canal → voltage auquel on observe la 1e modification de conductance. Au maximum (palier ou pic), on a une phase où tous les canaux sont ouverts → voltage pour lequel la conductance est maximale et n’augmentera pas plus. 10

Physiologie membranaire – CM5

Même principe mais la pente du Na est plus raide que le K+. Le Na est à son maximum pour un voltage plus bas ! Ces valeurs varient selon les tissus. La pente de la courbe apporte des informations sur la sensibilité au voltage.

GNa GK a. Cas du potassium Courbes de courant voltage ou de dépendance au voltage des courants ioniques. Plus ça va vite, plus le voltage appliqué est positif. L’étude du maximum ne suffit pas à déterminer le voltage. On obtient des tracés superposés : le courant augmente avec le voltage : les courants sont sortants ici. Quand ça va vers le haut, courant sortant +, quand ça va vers le bas les courant sont entrants - . Le courant dépend de la conductance et de la driving force :

IK = GK (Vm-EK) E se lit sur l’axe des abscisses : plus je dépolarise, plus la driving force augmente. Plus j’augmente ma driving force (Vm-EK). J’ai donc G et DF qui augmentent donc IK augmente. Au final, IK évolue comme GK.

11

Physiologie membranaire – CM5

b. Cas du sodium Le courant sodium va augmenter avec le voltage puis va diminuer quand le voltage arrive à un certain seuil jusqu’à inverser. Donc on ne peut pas se baser sur le pic.

INa = GNa (Vm-ENa) On place ENa à + 60 mV Attention quand le courant (se lit sur l’axe des ordonnées) s’éloigne du 0 il augmente, même s’il va vers le bas. Ici, plus je dépolarise, plus ma DF diminue : elle est négative jusqu’à ENa et devient positive quand Vm > ENa donc ici Vm > + 60mV. Quand Vm est à – 60 mV, ma DF est très importante et négative Quand Vm est à + 50 mV, ma DF est très faible et négative Quand Vm est à + 70 mV, ma DF est faible et positive

I entrant → I sortant

Dans ce cas, les deux facteurs DF et G ne vont pas dans le même sens. La courbe en cloche s’explique par une augmentation du courant puis une diminution du courant jusqu’à inversion et ceci s’explique par l’action de la driving force qui diminue avec l’augmentation de la dépolarisation. Le potentiel d’équilibre ou d’inversion est visible : il s’agit du point où I = 0 NB : ce qui donne l’aspect de a courbe en cloche du canal Na+ est la driving force. 2 types de toxines : -

-

TETRODOTOXINE : TTX synthétisée par le poisson Globe. Elle bloque I entrant (courbe bleue) démontre qu’il s’agit d’un courant Na+. En TP, on utilisera la STX (saxitoxine). TETRA ETYLAMONIUM (TP) : TEA (ou on peut utiliser les AMINOPYRIDINE) ce sont des bloquant potassiques, bloquent les I sortant.

On prouve que ce qui disparait est d’origine potassique ou sodique mais on ne démontre pas le courant qu’il reste !!!

12

Physiologie membranaire – CM5

Réactions d’auto amplification de l’activation des canaux des canaux sodium.

L’augmentation du PA correspond à l’augmentation de la conductance sodique uniquement. La repolarisation est due à 2 choses : - inactivation des canaux Na+ - mise en jeu retardée des canaux K+ : accélère la repolarisation membranaire c’est à dire le retour du potentiel de membrane au potentiel de repos Pour la phase d’hyperpolarisation, il n’y a plus que le K+ qui intervient : on va donc vers EK. NB : le pic du PA correspond au potentiel d’équilibre du Na

13...