chapitre 3 : electrophysiologie et potentiel imposé notion de potentiel de repos introduction...
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Chapitre 3 : Electrophysiologie et Potentiel ImposéNotion de potentiel de repos
IntroductionÉquilibre osmotiqueNotion de diffusion
Diffusion simpleDiffusion facilité
Exemple du canal K+Notion de gradient chimiqueNotion de gradient électrique
Rappel sur les condensateursNotion de gradient électrochimique et de conductance
Notion de gradient électrochimiqueNotion de conductance
Rappel sur la conductanceMesure du courant électrique appliqué à un gradient électrochimique
Notion de variation de potentiel de membraneNotion de courant trans-membranbaireMéthode de Potentiel imposé
Gradient électrochimique et potentiel de repos des membranes excitables
www.apteronote.com/revue/neurone/article_79.shtml
La membrane cellulaire peut être considérée comme un circuit électronique. La bi couche lipidique peut agir comme un condensateurLes canaux ioniques peuvent agir comme des résistances variables, Les pompes échangeuses d'ions peuvent agir comme des chargeurs de batterie.
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.
Notion de Potentiel de repos
Expérience fondamentale: Potentiel de repos
++++++++++++++++++++++++- - - - - -- - - - - -- - - - - - - - - - - -
- 60 mV
Introduction
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
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 traversé la membrane par des canaux, des pompes, qui ont la capcité 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…
Notion de Potentiel de repos
Potentiel d’équilibre ou de reposPrincipe d’équilibre osmotique et d’électroneutralité
Equilibre osmotiqueLe nombre de particules en solution situé de chaque côté de la membrane doit être le même,
quelle que soit la charge de ces particules
[IONS]e = [IONS]i en mOsm
[Na]e + [K]e + [Ca]e + [Cl]e = [Na]i + [K]i + [Ca]i + [Cl]i + [P]i140 + 5 + 1 + 147 = 14 + 140 + 10-4 + 14 + [P]i
[P]i = 125 mOsm, Valence de P = - 140 / 125 = - 1,12
Risque de transfert d’eau et de gonflement des cellules par exemple si équilibre osmotique non respecté
Notion de Potentiel de repos
Notion de diffusion
La diffusion simpleAu travers de la membrane Du plus concentré vers le moins concentréLent
La diffusion facilitée
Nécessite une protéine transmembranaireProtéine canal Du plus concentré vers le moins concentré Rapide, spécifique, régulée Transporteur Dans le sens ou contre le gradient de concentration
Wikipedia
Notion de Potentiel de repos
Diffusion Facilitée
Considérons une membrane bicouche lipidiques
K+
Na+
Ca++
Cl-
0 mV
Int
EXT
Diffusion Facilitée
Considérons une membrane bicouche lipidiques
On insère un canal sélectif au K+fermé dans un premier temps
++++ ++++
- - - - - - - -
K+
Na+
Ca++
Cl-
Aucune différence de potentiel n’est mesurée
0 mV
Int
EXT
Notion de Gradient Chimique
Considérons une membrane bicouche lipidiques
On insère un canal sélectif au K+Ouvert dans un second temps et ne
laissant passer que les ions K+
++++ ++++
- - - - - - - -
0 mV
Int
EXT
Un flux net d’ions K+ du milieu Int vers le milieu Ext va s’installer
--- ---
+++ +++
Déficit de charge +
Excès de charges +
Création d’un champ électrique et donc d’une force électrostatique qui s’opposent au flux de K+
Accumulation des Cl- sur la membrane
Notion de Gradient électrique
Rappel à propos du condensateur
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
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 plaques chargée avec ici 2 plaques dont l’une est chargée positivement et l’autre négativement
Rappel Electrostatique
Relation Force et champ
On part du principe qu’une charge Q modifie les caractéristiques de l’espace en émettant un champ électrique
a) - + -
b) - -
c) + - +
d) + +
Un champ électrique produit par une charge + (c et d) à un sens sortant de la charge +Un champ électrique produit par une charge – (a et b) à un sens entrant de la charge –
Le sens de la force qu’exerce le champ est fonction du signe de la charge q et de la direction du champ
EqF
F
F
F
F
E
E
E
E
Rappel
Rappel Electrostatique
Relation Force et champ
On part du principe qu’une charge Q modifie les caractéristiques de l’espace en émettant un champ électrique
a) - + -
b) - -
c) + -+
d) + +
Un champ électrique produit par une charge + (c et d) à un sens sortant de la charge +Un champ électrique produit par une charge – (a et b) à un sens entrant de la charge –
Le sens de la force qu’exerce le champ est fonction du signe de la charge q et de la direction du champ
EqF
F
F
F
F
E
E
E
E
Rappel
Rappel Electrostatique
Relation Force et champ
On part du principe qu’une charge Q modifie les caractéristiques de l’espace en émettant un champ électrique
a) - + -
b) - -
c) + -+
d) + +
Un champ électrique produit par une charge + (c et d) à un sens sortant de la charge +Un champ électrique produit par une charge – (a et b) à un sens entrant de la charge –
Le sens de la force qu’exerce le champ est fonction du signe de la charge q et de la direction du champ
EqF
F
F
F
F
E
E
E
E
Rappel
Rap
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ctro
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Rel
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EqF
F FF F
E
E
E
E
Rap
pel
Des charges de même signe se repoussent du fait d’un champ électrostatique et donc d’une force éléctrostatique
F=qE
--- ---
+++ +++
Déficit de charge +
Excès de charges +
Création d’un champ électrique et donc d’une force électrostatique qui s’opposent au flux de K+
Accumulation des Cl- sur la membrane --- ---
+++ +++
Rap
pel
Ele
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mp
EqF
F FF F
E
E
E
E
Rap
pel
--- ---
+++ +++
Déficit de charge +
Excès de charges +
--- ---
+++ +++
Création d’un champ électrique et donc d’une force électrostatique qui compense le flux de K+
Accumulation des Cl- sur la membrane
EqF
L’équilibre est atteint quand le flux net d’ions est nul Càd quand le champ électrique compense le flux de K+ lié au gradient de concentration
La ddp entre Int et Ext est alors de -84 mVForce
électrostatique qui s’opposent au flux de K+
-84 mV
Int
EXT
--- ---
+++ +++
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
C= capacité qui s’exprime en Farad (F) dans le SI
U
qC
x xi
q qA B
ABU
ou )()( tt ABA CUq
)( tAq 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 =
t
electriqueechdedebit
.arg..
t
qi A
La capacité électrique d'un condensateur se détermine en fonction de la géométrie des armatures et de la nature du ou des isolants
avec S : surface des armatures en regard, d distance entre les armatures et ε la permittivité diélectriqued
Sε=C
La membrane comme un condensateur
Le principe d’électroneutralité 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.
Un isolant et des charges + et – de part et d’autres constitue un condensateur virtuelle Ce condensateur virtuel membranaire à une capacité ou capacité membranaire
VCQ m.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
Or le nombre d’ions = = ions K+ transférés
de Int vers Ext ce qui est négligeable au regard des 1020 ions de K dans Int
Q
mC
V
0e
Q 719
13
10.510.602.1
10.84
-- --
++ ++
Force électrostatique qui s’opposent au flux de K+
-84 mV
Int
EXT
--- ---
+++ +++Force électrostatique qui s’opposent au flux de K+
-84 mV
Int
EXT
-84 mV
Int
EXT
--- ---
+++ +++
Equation de Nernst pour une membrane perméable à un seul ion par exemple le canal potassium
i
enK Ion
Ionl
ZF
RTE
V=-84mV = potentiel d’équilibre du K
R= constante des gaz parfaitT= température absolueZ= valence de l’ionF= Constante de Faraday
2025mVàZF
RT
mVEK 84mVENa 58
mVECa 116mVECl 58
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 appelé potentiel d’équilibre de l’ion donné
Le gradient électrochimique et la conductance
Dans la réalité les membranes cellulaires sont perméables à plusieurs ions. Elles sont couvertes de canaux différents qui peuvent être ouvert 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 0 cationm EV
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
)( ionmion EVj
mV
++
++
++
++
- -
- -
-
- -
-
Ext Int
[K+]=5 [K+]=140
Force selon le gradient de concentration
Force selon le gradient électrique
Flux net d’ions
K+
Notion de gradient électrochimique
++
++
++
++
- -
- -
-
- -
-
Ext Int
[K+]=5 [K+]=140
Force selon le gradient de concentration
Force selon le gradient électrique
Flux net d’ions
K+
++
++
++
++
- -
- -
-
- -
-
Ext Int
[Na+]=140
[Na+]=14
Na+
Notion de gradient électrochimique
++
++
++
++
- -
- -
-
- -
-
Ext Int
[K+]=5 [K+]=140
Force selon le gradient de concentration
Force selon le gradient électrique
Flux net d’ions
Cl-
++
++
++
++
- -
- -
-
- -
-
Ext Int
[Na+]=140
[Na+]=14
Ca2+
Notion de gradient électrochimique
Le flux d’ion ne dépend pas seulement du gradient électrochimique mais aussi de la conductance
Notion de conductance
Notion de 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 masseLes potentiels peuvent être mesurés entre une borne A et la masse, souvent la terre
RG
1
BAVV
ABUBAAB VVU
BCABAC U+U=U
Rappel
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 encorela facilité avec laquelle les ions vont traverser la membrane
ionion r
1
Unité SI en Siemens
= conductance d’un canal
= résistance d’un canal
ion
ionr
iongLa conductance de la membrane pour un ion est
ionionionion PNg **
La conductance de la membrane est donc proportionnelle à:La conductance d’un canal pour un ionLe nombre de cet ionLa probabilité d’ouverture de ces canaux
RG
1
Rappel
Mesure de courant électrique ou loi d’Ohm appliquée à un gradient électrochimique
La loi d’Ohm
)(
)(
1
ionmionion
ionm
EVgi
donc
EVU
et
GUIGR
etR
UI
où
RIU
Et pour une cellule entière comportant plusieurs canaux le courant transmembranaire pour un ion avec plusieurs canaux s’écrit
ionionionion PNiI **
Ou iion est l’intensité du courant traversant un canal ionique ou courant élémentaire
Représentation schématique d’un canal ionique et d’une membrane sous forme d’un circuit électrique
ionE
ion
mC
V
int
ext
VV
mV
ionm
ionion
ionmionion
ion
ion
ionion
ionm
EV
i
donc
EVi
donc
iV
donc
Vi
or
EVV
)(
Pour le K+ avec un courant de 1pA pSiemensK 24
1
8460
1
Le gradient de concentration peut être assimilé à une pile avec une force électromotrice égale au potentiel d’équilibre
Le canal à une résistance
La membrane a une capacité
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
KNa
KKNaNa
KKNaNaKNa
KKKNaNaNa
KKNaNa
KNa
KKK
NaNaNa
KNa
gg
gEgEV
gEgEgVgV
gEgVgEgV
EVgEVg
II
Comme
EVgI
EVgI
or
II
..
....
....
)()(
)(
)(
0
)( ionmionion EVI
Rappel
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
KNa
KKNaNar gg
gEgEV
..Si deux canaux
Si n canaux
.............
................
CaClKNa
CaCaClClKKNaNar gggg
gEgEgEgEV
Nag Cag Kg Clg
CaENaEKE ClE
mCPompe N+K+ et Ca++Transport actif
Ext
Int
0 NaK II
0 CaClNaK IIII
rV
Le flux d’ion à travers une membrane cellulaire est donc le résultat du produit du gradient électrochimique par la conductance
)(
*
tan
.
ionmionion
ionionion
ionm
EVgI
donc
Ng
ceConduc
EV
miqueélectrochiGradient
Ext
Int
Na+
Na+
+++
- - -
Gradient Concentration
Électrique
GradientElectrochimique
Conductance
ionionion Ng *X = )( ionmionion EVgI
NaNaN *
Ext
Int
K+
K+
+++
- - -
KKN *
Ext
Int
Cl-
Cl-
+++
- - -
0 ClClN * 0
Ext
Int
Ca2+
Ca2+
+++
- - -
Ca*0 0
X
X
X
x
=
=
=
=
+++
+
Pour Vm=-60mV
Notion de Variation du potentiel de membrane
Lorsque le potentiel de membrane se déplace vers des valeurs plus négative on dit que la cellule s’hyperpolariseLorsque le potentiel de membrane se déplace vers des valeurs plus positive on dit que la cellule se dépolarise
+58
0
-60
-84
NaE
KE
Potentiel de repos
t
Hyperpolarisation
Dépolarisation
+58
0
-60
-84
NaE
KE
Potentiel de repos
t
Hyperpolarisation
Dépolarisation
ionionionion PNig **KNa
KKNaNar gg
gEgEV
.. Dépend de l’ouverture des canaux
Du nombre et de la probabilité d’ouverture des canaux
Et de la concentration ionique de part et d’autre de la membrane i
enK Ion
Ionl
ZF
RTE
Notion de variation de potentiel
Les courants transmembranaires
2 types d’expériences1- On modifie le potentiel de membrane : Courant imposé2- On modifie le nombre de canaux ouverts
Modification du Potentiel de membrane. Le cas de la dépolarisation.
V
Pipette d’enregistrement
ClAgeAgCl
MKCL3
K
1
2
3
1: on injecte le courant2: libération de K+3: Accumulation de chargesAugmentation de CmCourant capacitif4: Les charges traversentCourant de fuite
4
KK K K
V
Pipette d’enregistrement
ClAgeAgCl
MKCL3
K
++ + +
+
+
1
2
3
1: on injecte le courant2: libération de K+3: Accumulation de charges4: Les charges traversent
4
V
Pipette d’enregistrement
ClAgeAgCl
MKCL3
K
++ + +
+
+
1
2
3
1: on injecte le courant2: libération de K+3: Accumulation de charges4: Les charges traversent
4E
g
V-
+
-
++ -
0
+10
-60
-50
1
2
3
44
Equivalent électrique
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
V’m=-50
Vm=-60
dt
dqIc
mVVS
pA
g
iV 1010
10
10.100
10
100 28
12
8
E
g
V
Pipette d’enregistrement
ClAgeAgCl
MKCL3
K
++ + +
+
+
1
2
3
1: on injecte le courant2: libération de K+3: Accumulation de charges4: Les charges traversent
4
V
Pipette d’enregistrement
ClAgeAgCl
MKCL3
K
++ + +
+
+
1
2
3
1: on injecte le courant2: libération de K+3: Accumulation de charges4: Les charges traversent
4
V-
+
-
++ -
0
+10
-60
-50
1
2
3
44
Equivalent électrique
Puis V-EK passe à V’-EK
Comme IK=gK(V-EK)
Si V-Ek augmente alors Ik augmente
L’états stationnaire est atteint quand Ik dans la membrane est égale au courant imposé alors V’ sera dans un état stationnaire
V’m=-50
Vm=-60
E
g
V-
+
-
++ -
0
+10
-60
-50
1
2
3
44
Equivalent électrique
iicim
Capacité et résistance sont placés en parallèleDonc i=ic+im
Ic+
Im
=
i
63%
Dans un premier temps la capacité se chargeUne fois chargé le courant passera progressivement par le canal
Méthode du potentiel imposé
On impose un voltageOn maintient le voltage (générateur extrêmement réactif)
+ -
Vm
Potentiel imposé
On injecte un courant et on le maintient quelque soit les échanges au travers de la membrane et on mesure Im le courant transmembranaire dans une condition stable de potentiel imposé donc connu
Im
-50
-60
Vm
Ic
IF
Im
T1: On maintient Vm à -50mV Pas de canaux Na voltage dépendant ouvertL’ampli doit délivrer un courant continu = au courant porté par les ions au travers de la membraneCe courant = If ou courant de fuiteEn 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 égale au courant transmembranaire
dt
dVCI mc
T1 T20 mV
Sortant
Entrant
-50
-60
Vm
Ic
IF
INa
Im
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.
dt
dVCI mc
T1 T20 mV
Sortant
Entrant
T2:On a donc Im=Ic+If+Ina
On mesure Im quand Ic=0If ayant été mesuré au départ on a donc Ina
on peut ainsi mesurer
La probabilité d’ouverture des canauxLeur duré d’ouverture (indépendant du potentiel)Leur caractéristique de fermeture ou d’innactivation (automatique pour Na)
+ -
Vm
Potentiel imposé -50 mV
Im
+ -
Vm
Potentiel imposé0mV
Im
++++
++++Courant capacitif+ courant de fuite = courant sortant
Courant capacitif+ courant de fuite= courant sortant (faible)+Ouverture des canaux Na voltage dépendantEntrant (élevé)Au total Courant entrant élevé
Experience en potentiel imposéExemple du canal Na
En A on impose répétitivement des sauts de potentiels d’amplitude croissanteOn 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
**
*
Interprétation: le courant entrant augmente jusqu’à -20 mV puis décroît progressivement pour changer de sens au-delà de + 50 mV proche de ENaLa conductance élémentaire reste constante En dessous de -50mV canaux fermés, au delà de +40 mV canaux ouverts
Exemple d’expérience en potentiel imposéExemple du canal Na
En B on construit la courbe Ina en fonction de V à partir du pic de la réponse pour chaque valeur de V (*)
E Na=+58mV
Application au potentiel d’action
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