UE3.2-Biophysique-FC6-Transports e¦ülectriques et transmembranaires PDF

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Paris 13UE3 : BIOPHYSIQUEFICHE DE COURS N°6 :TRANSPORTS ELECTRIQUES ETTRANSMEMBRANAIRES(Thématique abordée en séance 3 et 4) Notion tombée 1 fois au concours  Notion tombée 2 fois au concours  Notion tombée 3 fois ou plus au concoursNouveauté au programme cette annéeINTRODUCTION Types de trans...

Description

Paris 13 UE3 : BIOPHYSIQUE

FICHE DE COURS N°6 : TRANSPORTS ELECTRIQUES ET TRANSMEMBRANAIRES (Thématique abordée en séance 3 et 4)

  

Notion tombée 1 fois au concours Notion tombée 2 fois au concours Notion tombée 3 fois ou plus au concours Nouveauté au programme cette année

1

INTRODUCTION Types de transports membranaires Diffusion (flux de soluté) Passif

Actif Facilité

Osmose (flux de solvant)

→ Produit par une différence de concentration (ΔC) entre deux compartiments

Flux de particules chargées

→ Produit par une différence de potentiel électrique (ΔV)

→ Apport d’énergie (ex : pompe Na +/K+ ATPase) → Transport par des protéines transmembranaires (ex : transport du glucose)

I. MOBILITÉ ÉLECTRIQUE Conductivité λ d’une solution → Déterminée à partir de la densité de courant j et du champ électrique E : - λ en (.m)-1 - j en -1.m-2.V - E en V.m-1 -  : résistivité en .m - ℓ : distance entre les électrodes en m - R : résistance de la solution en  - S : surface des électrodes en m2

j=λ×E Définition

→ Définie par :



1





 RS

- Ceq : concentration équivalente Conductivité équivalente Conductivité ionique additive



 Ceq

Ceq  Z.Ci  Z.Cj ... Z : nombre de charges de l’ion/molécule (valence de l’ion) 

 i

i    

- i : conductivité des anions

 i



- i : conductivité des cations

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Mobilité ionique u d’une solution et équilibre → Caractérise la vitesse d’un ion soumis à un champ électrique E : - u en m2.s-1.V-1 - v : vitesse de l’ion en m.s-1

v u =  E

Définition

Forces s’exerçant sur l’ion

- champ électrique appliqué : E = avec :

- V : différence de potentiel appliquée entre deux électrodes en V - l : distance entre les deux électrodes en m

→ A l’équilibre la vitesse de l’ion est constante car la somme des forces (électrique F et de friction Fr) s’appliquant à l’ion est nulle, d’où : Q.E F = Fr  Q.E  f.v  v  f → La mobilité devient :

A l’équilibre

V l

Expression de la mobilité

u=

v Q = E f

 u=

Q 6πηr



- Q = Ze : charge globale de la particule (C) - e : charge élémentaire = 1,6.10-19 C - f : coefficient de friction (kg.s-1) f = 6πηr (formule de Stockes) - η : viscosité du milieu (kg.m-1.s-1) - r : rayon de la particule (m)

→ Indépendant du champ électrique E  Paramètres → Dépendant de la charge Q et de la géométrie de la particule influençant → La mobilité augmente si Q augmente et si r diminue  ou si η la mobilité diminue  Mobilité u de différents ions (en 10-8 m2.s-1.V-1) : u-

u+

u(H+) = 36,2 u(OH-) = 20,5 + u(Na ) = 5,2 u(Cl-) = 7,9 u(K+) = 7,6 u(HCO3-) = 4,6 + → L’ion Cl est plus mobile que K qui est plus mobile que Na +

Exemple

Coefficient de diffusion et mobilité u Coefficient de diffusion

→ relation d’Einstein

D=

k.T f

- D : coefficient de diffusion (m2.s-1) - k = R/NA : constante de Boltzmann (en J.K-1) (NA : nombre d’Avogadro et R : constante des gaz parfaits en J.K-1.mol-1) - T : température du milieu (K)

→ La mobilité est proportionnelle à D et peut s’exprimer : Mobilité ionique

u=

ZeD kT

 ou u 

ZFD RT

- F = NA.e : constante de Faraday (en C.mol-1)

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Charge Q d’une particule/macromolécule Charge Q en fonction du pHi

→ Le signe de la charge Q d’une particule (et donc sa direction de migration) dépend de la différence entre le pH de la solution et son pH isoélectrique (pHi) : - pH > pHi : la charge nette est négative (anion) : migration vers le pôle + - pH < pHi : la charge nette est positive (cation) : migration vers le pôle - pH = pHi : la charge nette nulle = pas de migration électrique

→ Pour une macromolécule (ex : protéine), la différence pH-pHi détermine l’intensité de sa charge Q. Intensité de la → Plus cette différence est grande plus cette particule/macromolécule : charge Q - est chargée, - est mobile (mobilité u plus grande) Flux ionique Je Définition Expression

Paramètres influençant Je

→ Nombre de moles traversant une surface S pendant un temps dt

Je =

dn = Ci × v S.dt

- Ci : concentration de la particule - v : vitesse de la particule

→ Dépend du nombre de charges Z de la particule et du gradient de potentiel V  appliqué  :  x  Je = Ci.u.E = Ci.u.

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V V ZF =  D × Ci × RT x x

II. TRANSPORT TRANSMEMBRANAIRE DE PARTICULES CHARGEES Potentiel de jonction ΔV Définition

→ Correspond à la différence de répartition des charges entre deux solutions (entre deux compartiments)

Équation de NernstPlanck Conditions nécessaire à l’existence de ΔV

ΔV = V2  V1 =   

RT C × ln 2 ZF C1



différence de concentration d’un électrolyte différence de mobilité des ions dissociés différence de nature des électrolytes Flux électro-diffusif, Jt

Définition

→ Correspond à la somme du flux électrique Je (flux ionique) et du flux diffusif Jd

 Ci ZF  V  Jt  Je  Jd   D  Ci    x RT  x  Expression

- Je : flux électrique, dépendant du gradient de potentiel :

V x

- Jd : flux de diffusion, dépendant du gradient de concentration :

Définition

 Ci -4  (mol.m ) x

Potentiel d’équilibre d’un on Viéq → A l’équilibre, le flux électro-diffusif est nul (Jt = 0), d’où : Jd = - Je → La différence de potentiel électrique appliquée entre les 2 compartiments correspond au potentiel d’équilibre de l’ion : RT C ΔV = V2  V1 = × ln 2  Viéq  ZF C1

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III. PHÉNOMÈNE DE DONNAN

Expression de la pression osmotique π

Paramètre influençant π

Pression osmotique et protéine neutre (≠ Donnan) → En présence d’une protéine neutre et d’ions diffusibles, la pression osmotique (oncotique) est donnée par : - π : pression oncotique (Pa) - T : température (K) C - C : concentration molaire de la protéine  = C.R.T = pond .R.T (mol.m-3 ou mmol.L-1) M - Cpond : concentration massique de la protéine (g.m-3 ou mg.L-1) → Plus la masse molaire de la protéine est grande, plus π est faible → Plus la protéine est hydrophile, plus la protéine attire des molécules d’eau  et plus la pression oncotique est grande  (inversement pour les protéines hydrophobes). Phénomènes DONNAN → 2 compartiments séparés par une membrane dans lesquels sont reparties une protéine chargée non-diffusible et des ions diffusibles.

Conditions

→ Existence d’une différence de potentiel ΔV car les concentrations ioniques dans chaque compartiments sont différentes Phénomènes

Remarque : Un composé neutre qui diffuse librement, aura à l’équilibre sa concentration identique dans chaque compartiment 

→ Existence d’une pression oncotique (imposée par la protéine)  → Le signe du compartiment est imposé par celui de la protéine. 

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Equilibre de Donnan → Neutralité électrique dans chaque compartiment  : Electroneutralité Egalité des produits des concentrations ioniques Constante de Donnan, a

 Pr     Cl    Na   et  Cl    Na    1  1  1  2  2 → Pour les ions diffusibles :

Cl     Na     Cl     Na     1  1  2  2 → A l’équilibre, la protéine attire les ions de signe opposé et « repousse » ceux de même signe qu’elle :

 Na      1 Cl 2   a   Na   Cl    2  1   RT Cl  2 RT  Na 2 ln    V  V2  V1  ln   F F Na  Cl 

Potentiel de Donnan, ΔV Différence de concentration, ΔC

Pression osmotique, π

1

1

RT RT 1 V  V2  V1  ln   ln a F a F

→ Les concentrations ioniques sont différentes entre les compartiments :

ΔC2-1

 Cl   2  =  Cl    Na    Cl    Na    (1 a)² 2 2 1 1 a 



  RT (C osm  C ) 

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



- Cosm : Concentration des particules non diffusibles (ici : protéine) - ΔC : différence de concentrations ioniques des ions diffusibles

IV. TRANSPORT IONIQUE A TRAVERS UNE MEMBRANE CELLULAIRE Membranes biologiques → → → →

Généralités

Structure spatiale d’une membrane plasmique

Elles séparent deux milieux différents Elles contrôlent les échanges plasmiques, mitochondriale et nucléaire La membrane plasmique sépare le milieu extracellulaire du hyaloplasme Constituée d’une bicouche lipidique : double couche moléculaire englobant : - lipides dont les pôles hydrophiles (têtes des lipides) sont en périphérie de la membrane et les chaines hydrophobes à l’intérieur de la membrane. - protéines (de poids moléculaire PM, compris entre 22 et 260 kD (kiloDalton)) - un peu de glucides Transport membranaire passif

→ 2 phénomènes interviennent dans le transport membranaire passif (flux passif) : Types de transport

Substance diffusible

- transport par diffusion de Fick : J d  D

Ci x

V - transfert par gradient de potentiel électrique : Je  u .Ci x

Jpassif = Je + Jd

→ Pour chaque substance diffusible à l’équilibre : - µ ext = µ int : Δµ =0 (la différence de potentiel électrique Δµ est responsable de la force thermodynamique donnant naissance aux flux de diffusion Jd et électrique Je) - J = 0 : flux passif (flux de diffusion + flux électrique) est nul

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Origine

Potentiel membranaire ΔVm → Il existe un potentiel membranaire (différence de potentiel électrique (ddp) entre les milieux intra- et extracellulaire) stable dû à une inégalité de répartition des ions (différence de concentration ionique) de part et d’autre de la membrane. → Ceci s’explique par une perméabilité sélective et par l’effet Donnan. → La quasi-totalité des cellules vivantes sont polarisées avec un potentiel de membrane au repos ΔVm = Vint - Vext < 0 → Na+, K+ et Cl- sont les principaux ions diffusibles → Répartition des ions entre les compartiments intracellulaire et extracellulaire :

Inégalité de répartition des ions

→ pH normaux : intracellulaire (= 7) plus acide que le pH extracellulaire (= 7,4) → Expression du potentiel membranaire en fonction des pH normaux : Expression en fonction du pH

 VH +  Vintra  Vextra

 H   H  RT i   ln    62log  i F  H   H  e

e

VH+  62 pHi  pHe   25mV (Ln x = 2,3 log x et 2,3RT/F = 62 mV)

Paramètres pris en compte dans l’équation

Equation de Goldman

Expression simplifiée

Comparaison des perméabilités

- la perméabilité sélective (p) des ions - la nullité des courants ioniques (respect de l’électroneutralité macroscopique) - équilibre passif du Cl- (flux électrodiffusif nul) et donc qui ne participe pas à l’élaboration de ΔVm    RT pNa   Na  i  pK   K  i ln Vm  Vint  Vext  F p Na  Na  e  p K  K  e

→ Si la perméabilité d’un ion est grande devant les autres, son terme dans l’équation de Goldman devient prépondérant. → Au repos, pK  >> pNa  , d’où le potentiel membranaire au repos qui est proche du potentiel électrique d’équilibre de K+  :

Vm  Vint  Vext

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RT  ln F

 K  i  K  e

Transports membranaires actifs → Si on tient compte uniquement de la diffusion passive, la tendance serait à l’équilibre

Origine

Exemple : pompe Na+/K+

des concentrations ioniques de part et d’autre de la membrane et donc à la disparition du potentiel de membrane. Or, ΔVm est non nul et stationnaire (concentrations ioniques intra- et extra-cellulaires constantes). Ceci s’explique par le fait que la cellule produit de l’énergie et maintient les concentrations ioniques constantes et donc ΔVm stationnaire par transport actif.  → Phénomènes couplés au métabolisme énergétique de la cellule (« pompe ») déplaçant activement et en permanence les différents ions qui diffusent par les phénomènes passifs → L’hydrolyse de l’ATP en ADP fournit l’énergie nécessaire à la sortie de 3 Na+ et l’entrée de 2 K+ → Ce phénomène permet de garder des concentrations ioniques (intra- et extra-cellulaire) constantes et donc un potentiel de membrane au repos ΔVm stationnaire Equilibre des flux

→ Pour le sodium et le potassium, le flux actif annule le flux passif (flux électrodiffusif) : Jactif + Jpassif = 0 → Pour le chlore, le flux passif électrodiffusif est nul d’où l’absence de flux actif : dans ce cas (uniquement) : Vm = V

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Transport membranaire facilité (exemple : les glucides) Définition

Caractéristiques du transport facilité Limites du transport facilité

→ Transport passif réalisé par une protéine transmembranaire sans apport d’énergie externe  → Dépend du gradient de concentration → Utilisation de protéines de transport transmembranaires → Phénomène :  sélectif  dépendant de la concentration  Modifie le potentiel de membrane  → Le transport facilité peut :  être saturé quand la concentration augmente  (Jmax)  être inhibé (phénomène de compétition)

Potentiel d’action (PA) Type de cellules associées au PA

→ Cellules excitables : tissus nerveux ou musculaire → Modification des perméabilités ioniques sous l’effet d’un stimulus (électrique, chimique ou physique) → 3 phases : repos, action, récupération → Perméabilité : - au Na+ : très faible (échange difficile malgré le potentiel de diffusion) - au K+ : importante (équilibre entre potentiel de diffusion Repos et champ électrique) → potentiel membranaire de repos ΔVm :  K  i Vm  Vi  Ve  62.log  62 log 20  80 mV  K 

Les différentes phase du PA

e

Action

Récupération

→ Perméabilité : - au Na+ augmente - au K+ quasi-nulle → Dépolarisation de la membrane (inversion de la polarité) : (-) à l’extérieur et (+) à l’intérieur. → potentiel membranaire ΔV augmente → Perméabilité : - au Na+ quasi-nulle - au K+ augmente → Repolarisation de la membrane par diffusion de K+ → potentiel membranaire ΔV diminue jusqu’à revenir à son potentiel de repos (grâce à la pompe Na+/K+ ATPase)

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Bilan des différents flux moléculaires perméable à tous - homogénéisation des concentrations les solutés - pas de pression osmotique (oncotique) Membrane - homogénéisation des concentrations des solutés diffusibles imperméable à un dialysante - flux de solvant dû au(x) soluté(s) non diffusible(s) : existence ou plusieurs d’une pression oncotique (osmotique) solutés présents (Exemple : membrane capillaire) - flux de solvant tendant à réduire (annuler) la différence Membrane d’osmolarité imperméable à strictement (Exemple : membrane cellulaire (inégalement perméable aux tous les solutés hémiperméable ions et au glucose)) - flux ionique vers le compartiment de charge opposée (en tenant En présence d’une différence de compte de la perméabilité sélective) potentiel électrique

V. APPLICATIONS BIOMEDICALES L’ultrafiltration rénale : filtration glomérulaire Localisation du → Au niveau du rein qui contient 106 néphrons (glomérule + tubule) et plus phénomène précisément au niveau de la membrane du glomérule (membrane dialysante) d’ultrafiltration → La membrane glomérulaire ne laisse pas passer les solutés (protéines) dont le poids moléculaire est supérieur à 69 kDa (1 Da = 1 g/mol) (ex : albumine) : phénomène Notion de de tamisage tamisage → Les protéines plasmatiques induisent une pression oncotique π : flux du tubule vers le glomérule  → Lié à la pression efficace de filtration Peff :

Peff  Part  Ptub   oncotique  - Part : pression hydrostatique artérielle au niveau du glomérule - Ptub : pression hydrostatique dans le tubule - π oncotique : pression oncotique glomérulaire

Description du phénomène

→ Caractérise le débit de filtration volumique

dV .S : dt

dV S  K f SPeff dt - Kf : perméabilité hydraulique - S : surface

Problème

→ Si le débit volumique de filtration :

dV < 0,5 ml/sec, l’urée s’accumule (danger). dt

Le patient aura besoin d’une épuration extra-rénale

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Les phénomènes de Starling → Le phénomène de Starling permet d’apporter les nutriments (acides aminés, glucose, O2) contenus dans le sang artériel jusqu’aux cellules et d’éliminer leur déchets (CO2) qui seront reversés dans le sang veineux

- Pf : Pression de filtration - Pr : Pression de retour - Pint : Pression du milieu interstitiel - Pa : Pression artérielle - PV : Pression veineuse - π : Pression oncotique

But du phénomène de Starling

Œdème

→ Accumulation d’eau dans l’espace interstitiel (Δ > 0) crée une hypovolémie circulante qui entraine : → L’activation de la glande surrénale : augmentation de la sécrétion d’aldostérone → Augmentation de la réabsorption d’eau et de sel : l’eau reste séquestrée dans les tissus → Majoration de l’œdème : cercle vicieux car l’eau reste séquestrée dans les tissus → 2 causes possibles : - compression veineuse Augmentation - défaillance cardiaque de PV  - diminution du retour lymphatique - carence d’apport protéique Diminution de π - syndrome néphrotique  - défaut de synthèse hépatique L’électrophorèse

Principe

Application de l’électrophorèse

→ Déplacement de particules chargées (protéines, peptides, acides aminés, acides nucléiques et nucléotides) sous l’effet d’un champ électrique Migration en fonction de la taille et de la charge des protéines Exemple : l’albumine plus légère et plus chargée que la γ globuline migre plus loin et plus vite. → Technique utilisée pour séparer différentes particules chargées selon leur charge (car leur mobilité sera différente)

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ANNALES CLASSEES CORRIGEES  

[Notion non traitée dans ce chapitre et corrigée sur la base du cours de l’année précédente] Item modifié pour correspondre au programme du concours de cette année

2015 QUESTIONS A COMPLEMENT SIMPLE QUESTION N°17 Soit 2 cations A+ et B3+ sphériques en solution diluée dans l'eau. Le rayon de B3+ étant le triple de celui de A+, quel est le rapport des mobilités ioniques u (B3+) / u (A+) ? A. 1/3 B. 1/2 C. 1 D. 2 E. 3

QUESTION N°18 Lors d'une expérience d'électrophorèse, la vitesse de déplacement d'une protéine est égale à 0,1 m.s-1 en présence d'un champ électrique de 10-1 V.cm-1. Quelle est la mobilité (en m2.V-1.s-1) de cette protéine ? A. B. C. D. E.

0,0001 0,001 0,01 0,1 1

QUESTIONS A COMPLEMENTS MULTIPLES QUESTION N° 25 Concernant le potentiel de repos d'une cellule neuronale : A. B. C. D. E.

sa valeur est proche du potentiel électrique d'équilibre de K+ sa valeur est proche du potentiel électrique d'équilibre de Na+ il est dû à une perméabilité de la membrane plus importante de Na+ vis-à-vis de K+ il est dû à une perméabilité de la membrane plus importante de K+ vis-à-vis de Na+ sa stabilité nécessite un transport actif de la cellule

QUESTION N°27 D'après le schéma de Starling, l'œdème interstitiel peut être provoqué par : A. B. C. D. E.

une pression veineuse trop élev...