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Chapitre 3 : Electrophysiologie et Potentiel Imposé Notion de potentiel de repos Introduction Équilibre osmotique Notion de diffusion Diffusion simple.

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1 Chapitre 3 : Electrophysiologie et Potentiel Imposé Notion de potentiel de repos Introduction Équilibre osmotique Notion de diffusion Diffusion simple Diffusion facilité Exemple du canal K+ Notion de gradient chimique Notion de gradient électrique Rappel sur les condensateurs Notion de gradient électrochimique et de conductance Notion de gradient électrochimique Notion de conductance Rappel sur la conductance Mesure du courant électrique appliqué à un gradient électrochimique Notion de variation de potentiel de membrane Notion de courant trans-membranbaire Méthode de Potentiel imposé

2 Gradient électrochimique et potentiel de repos des membranes excitables La membrane cellulaire peut être considérée comme un circuit électronique. La bi couche 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.

3 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 mV

4 Introduction Dans toutes les cellules eucaryotes il existe un gradient de concentration de part et dautre de la membrane - La concentration en ions K+ est + importante à lintérieur de la cellule quà lextérieur - La concentration en ions Na+, Ca++ et Cl- est + importante à lextérieur de la cellule quà lintérieur 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 lélectrostatique et leurs déplacements seront influencés par la présence dun champ électrique transmembranaire Ainsi, les conditions déquilibre ne seront atteintes quaprès quun équilibre soit réalisé entre diffusion et forces électriques. Les ions vont traversé la membrane par des canaux, des pompes, qui ont la capcité de souvrir et de se fermer, on parlera de probabilité douverture et de fermeture qui peut dépendre des caractéristiques électriques du milieu, de neurotransmetteurs etc… Notion de Potentiel de repos

5 Potentiel déquilibre ou de repos Principe déquilibre osmotique et délectroneutralité 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 [IONS]e = [IONS]i en mOsm [Na]e + [K]e + [Ca]e + [Cl]e = [Na]i + [K]i + [Ca]i + [Cl]i + [P]i = [P]i [P]i = 125 mOsm, Valence de P = / 125 = - 1,12 Risque de transfert deau et de gonflement des cellules par exemple si équilibre osmotique non respecté Notion de Potentiel de repos

6 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 Wikipedia Notion de Potentiel de repos

7 Diffusion Facilitée Considérons une membrane bicouche lipidiques K+ Na+ Ca++ Cl- 0 mV Int EXT

8 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 nest mesurée 0 mV Int EXT

9 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 mV Int EXT Un flux net dions K+ du milieu Int vers le milieu Ext va sinstaller

10 Déficit de charge + Excès de charges + Création dun champ électrique et donc dune force électrostatique qui sopposent au flux de K+ Accumulation des Cl- sur la membrane Notion de Gradient électrique

11 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 lune de lautre. On retrouve la notion précédente dune plaques chargée avec ici 2 plaques dont lune est chargée positivement et lautre négativement

12 Rappel Electrostatique Relation Force et champ On part du principe quune charge Q modifie les caractéristiques de lespace 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 quexerce le champ est fonction du signe de la charge q et de la direction du champ Rappel

13 Des charges de même signe se repoussent du fait dun champ électrostatique et donc dune force éléctrostatique F=qE

14 Déficit de charge + Excès de charges + Création dun champ électrique et donc dune force électrostatique qui sopposent au flux de K+ Accumulation des Cl- sur la membrane

15 Déficit de charge + Excès de charges Création dun champ électrique et donc dune force électrostatique qui compense le flux de K+ Accumulation des Cl- sur la membrane

16 Léquilibre est atteint quand le flux net dions 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 mV Force électrostatique qui sopposent au flux de K+ -84 mV Int EXT

17 Notion de condensateur Rappel: un condensateur est composé de 2 surfaces conductrices appelées armatures qui sentourent 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 lisolant C= capacité qui sexprime en Farad (F) dans le SI x x A B ou représente la charge dun condensateur La charge dun condensateur est donc proportionnelle à la tension entre ces bornes Lintensité dun courant électrique = 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 diélectrique

18 La membrane comme un condensateur Le principe délectroneutralité 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 dautres constitue un condensateur virtuelle Ce condensateur virtuel membranaire à une capacité ou capacité membranaire Représente la quantité de charge transférée La capacité membranaire = F La ddp induite entre Int et Ext La quantité de charge transférée est donc de C Or le nombre dions = = ions K+ transférés de Int vers Ext ce qui est négligeable au regard des ions de K dans Int -- ++

19 Equation de Nernst pour une membrane perméable à un seul ion par exemple le canal potassium V=-84mV = potentiel déquilibre du K R= constante des gaz parfait T= température absolue Z= valence de lion F= Constante de Faraday A léquilibre il existe donc une différence de potentiel. Dans le cadre dune membrane perméable à un seul ion cette différence de potentiel est appelé potentiel déquilibre de lion donné

20 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 dions au repos Si on enregistre la membrane dune 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 déquilibre pour les ions. On aura donc un gradient électrochimique tel que On en déduira le flux dions lié au gradient électrochimique Pour le K+ -60-(-85) = +25 Par convention, le signe + signifie que lion quitte la cellule. Cest donc un flux sortant. Pour le Na -60-(+58) = -118 lion entre dans la cellule, Cest donc un flux entrant

21 Ext Int [K+]=5 [K+]=140 Force selon le gradient de concentration Force selon le gradient électrique Flux net dions K+ Notion de gradient électrochimique

22 Ext Int [K+]=5 [K+]=140 Force selon le gradient de concentration Force selon le gradient électrique Flux net dions K Ext Int [Na+]= 140 [Na+] =14 Na+ Notion de gradient électrochimique

23 Ext Int [K+]=5 [K+]=140 Force selon le gradient de concentration Force selon le gradient électrique Flux net dions Cl Ext Int [Na+]= 140 [Na+] =14 Ca2+ Notion de gradient électrochimique

24 Le flux dion ne dépend pas seulement du gradient électrochimique mais aussi de la conductance Notion de conductance

25 Cest linverse de la résistance Notion de tension Une tension est mesurée entre 2 points dun 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 dadditivité des tensions Les tensions sadditionnent (Loi de Charles) voir Notion de masse Les potentiels peuvent être mesurés entre une borne A et la masse, souvent la terre Rappel

26 Notion de conductance On a vu que la conductance était linverse de la résistance. Cest donc la facilité avec laquelle le courant se déplace ou encore la facilité avec laquelle les ions vont traverser la membrane Unité SI en Siemens = conductance dun canal = résistance dun canal La conductance de la membrane pour un ion est La conductance de la membrane est donc proportionnelle à: La conductance dun canal pour un ion Le nombre de cet ion La probabilité douverture de ces canaux Rappel

27 Mesure de courant électrique ou loi dOhm appliquée à un gradient électrochimique La loi dOhm Et pour une cellule entière comportant plusieurs canaux le courant transmembranaire pour un ion avec plusieurs canaux sécrit Ou i ion est lintensité du courant traversant un canal ionique ou courant élémentaire

28 Représentation schématique dun canal ionique et dune membrane sous forme dun circuit électrique int ext V V Pour le K+ avec un courant de 1pA Le gradient de concentration peut être assimilé à une pile avec une force électromotrice égale au potentiel déquilibre Le canal à une résistance La membrane a une capacité

29 Cas dune membrane avec plusieurs canaux Dans un premier temps considérons une membrane perméable au Na+ et au K+. Le potentiel déquilibre sera atteint quand le flux des charges + sera nul Ou encore quand Rappel

30 Au repos le potentiel de membrane ne sera égal à aucun potentiel déquilibre dun canal K+ ou Na+ Cest-à-dire ni -84, ni+58 mais quelque chose dintermédiaire Si deux canaux Si n canaux Pompe N+K+ et Ca++ Transport actif Ext Int

31 Le flux dion à travers une membrane cellulaire est donc le résultat du produit du gradient électrochimique par la conductance

32 Ext Int Na Gradient Concentration Électrique Gradient Electrochimique Conductance X= Ext Int K+K+K+K Ext Int Cl Ext Int Ca XXXxXXXx ======== Pour V m =-60mV

33 Notion de Variation du potentiel de membrane Lorsque le potentiel de membrane se déplace vers des valeurs plus négative on dit que la cellule shyperpolarise Lorsque le potentiel de membrane se déplace vers des valeurs plus positive on dit que la cellule se dépolarise Potentiel de repos t Hyperpolarisation Dépolarisation

34 Potentiel de repos t Hyperpolarisation Dépolarisation Dépend de louverture des canaux Du nombre et de la probabilité douverture des canaux Et de la concentration ionique de part et dautre de la membrane Notion de variation de potentiel

35 Les courants transmembranaires 2 types dexpériences 1- On modifie le potentiel de membrane : Courant imposé 2- On modifie le nombre de canaux ouverts Modification du Potentiel de membrane. Le cas de la dépolarisation. V Pipette denregistrement : on injecte le courant 2: libération de K+ 3: Accumulation de charges Augmentation de Cm Courant capacitif 4: Les charges traversent Courant de fuite 4

36 V 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 -8 S) Ce courant charge rapidement le condensateur puis décroissance progressive Si on maintient le courant (100pA) Au niveau du potentiel de membrane Vm=-50 Vm=-60

37 V Equivalent électrique Puis V-E K passe à V-E K Comme I K =g K (V-E K ) Si V-Ek augmente alors Ik augmente Létats stationnaire est atteint quand Ik dans la membrane est égale au courant imposé alors V sera dans un état stationnaire

38 Vm=-50 Vm=-60 V Equivalent électrique i ic im Capacité et résistance sont placés en parallèle Donc i=ic+im Ic + Im = i 63% Dans un premier temps la capacité se charge Une fois chargé le courant passera progressivement par le canal

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40 Méthode du potentiel imposé On impose un voltage On 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

41 Vm Ic IF Im T1: On maintient Vm à -50mV Pas de canaux Na voltage dépendant ouvert Lampli 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, Laccumulation de charges positives sous la membrane va charger la capacité membranaire ce qui induit un courant IC sortant Ce courant Ic est observé à linstauration 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 Cest-à-dire le courant de fuite appliqué par lexpérimentateur est alors égale au courant transmembranaire T1 T2 0 mV Sortant Entrant

42 Vm Ic IF INa Im T1: On passe à 0mV les canaux Na Voltage dépendant souvre et Na va entrer dans la cellule ce qui crée un courant positif entrant. Lampli 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. T1 T2 0 mV Sortant Entrant 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 douverture des canaux Leur duré douverture (indépendant du potentiel) Leur caractéristique de fermeture ou dinnactivation (automatique pour Na)

43 + - Vm Potentiel imposé -50 mV Im + - Vm Potentiel imposé 0mV Im ++++ Courant capacitif + courant de fuite = courant sortant Courant capacitif + courant de fuite = courant sortant (faible) +Ouverture des canaux Na voltage dépendant Entrant (élevé) Au total Courant entrant élevé

44 Experience en potentiel imposé Exemple du canal Na En A on impose répétitivement des sauts de potentiels damplitude croissante On obtient les courbes A1 ou lon remarque un courant entrant de Na (ouverture de canaux Na voltage dépendant). On remarque que ce canal sinactive alors que le potentiel est maintenu En A2 la perfusion de pronase bloque linactivation du canal sodium qui reste ouvert

45 * * * Interprétation: le courant entrant augmente jusquà -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 Exemple dexpérience en potentiel imposé Exemple 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

46 Application au potentiel daction

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