BICH 4943 Thèmes choisis en biochimie Mécanismes moléculaires de la conduction nerveuse PRINCIPES GENERAUX Conduction nerveuse 2008

Cone axonal { int/gration des signaux venant de plusieurs dentrites Volatage-gated nomm/s d[apres la s/elctivit/ Lignand gated: d[apres le ligand: recepteur Conduction nerveuse 2008

BICH 4943 Thèmes choisis en biochimie Mécanismes moléculaires de la conduction nerveuse Structure des neurones Conduction nerveuse 2008

Schéma d'une neurone typique Conduction nerveuse 2008

Exemples de divers types de neurones Conduction nerveuse 2008

Gaine de myéline Enroulement autour de l'axone Membrane riche en myéline Isole l'axone Nœuds de Ranvier: petits espaces libres entre deux cell Schwann Conduction nerveuse 2008

Synapse Espace entre bouton synaptique d'une axone (présynaptique) et (généralement) celui d'une dendrite (post-synaptique) Transmission d'un signal chimique qui propage le signal électrique de l'axone vers la dendrite Conduction nerveuse 2008

Réseau de neurones Signaux peuvent s’additionner se soustraire, se moduler, etc. Propagation du signal peut se faire entre plusieurs neurones avec série de transmission électriques (dans les neurones) et chimiques (entre les neurones) Conduction nerveuse 2008

Corps neuronal contient l'essentel des organites Noyau Mitochondries Réticulum endoplasmique Golgi Axones sont enrichis en filaments du cytosquelette Microtubules Boutons synaptiques sont enrichis Vésicules de sécrétion Qq mitochondries Conduction nerveuse 2008

BICH 4943 Thèmes choisis en biochimie Mécanismes moléculaires de la conduction nerveuse Potentiel membranaire Conduction nerveuse 2008

Membrane et gradient électrochimique Membrane biologique imperméable aux ions Canaux de transport spécialisés (ouverts ou fermés) difusion des ions de part et d'autre de la membrane Gradient chimique: ∆ de concentration Gradient électrique: attraction des charges Charges diffusibles vs non diffusibles Conduction nerveuse 2008

Gradient eléctrochimique Il y a déplacement (si canaux ouverts) jusqu'à ce que potentiel chimique = potentiel électrique => équilibre Conduction nerveuse 2008

Potentiel d'équilibre ou de repos (d'un ion) Potentiel où il y a équilibre d'un ion de part et d'autre de la membrane: f0 pas de déplacement net Donné en mV (généralement) f0 Na= + 60, f0 K= - 80 Équation de Nerst: calcul du potentiel d'un ion Conduction nerveuse 2008

Si pour un ion donné dans des conditions données > 0 => tendance à entrer dans la cellule < 0 => tendance à sortir de la celllule Situation hypothétique car il y a plus d’un ion dans une cellule En pratique il faudrait se baser sur le potentiel de repos de la membrane Conduction nerveuse 2008

Concentrations ioniques typiques d'une cellule Conduction nerveuse 2008

Potentiel membranaire de repos (Y0) Potentiel stable de la membrane qui existe quand tous les canaux ioniques sont fermés Pas de mouvements ioniques sgnificatifs Maintenu par Na-K ATPase ("pompe à Na-K) Différents de tous les potentiels d'équilibre de tous les ions Déterminé par potentiels d'équilibre de tous les ions Présence des ions non diffusibles Normalement négatif (autour de - 60 mV) Conduction nerveuse 2008

Calcul du potentiel de repos d'une cellule Equation de Goldman Somme pondérée des f de chaque ion diffusible Au potentiel membranaire de repos ( Y0 = - 60) Na+ (fNa = + 60) tend à entrer dans la cell K+ (fK = -80) tend à sortir de la cell Conduction nerveuse 2008

Dépolarisation et hyperpolarisation Changements subis de Y causés par entrée ou sortie massive d'ion dans la cellule Y0 => Y typique des nouvelles [ ] ioniques calculable avec équation Goldman Dépolarisation: Y est plus positif ou moins négatif - 60 mV => - 20 ou +15 Hyperpolarisation Y est plus négatif ou moins positif: - 60 mV => - 80 Conduction nerveuse 2008

Cas du Na dans une cell normale Na = + 60 mV tend à entrer cell si ouverture des canaux Na => entrée massive de Na dans la cell passe à des valeurs plus élevées que 0 -> …..- 20 -> + 60 (max.) dépolarisation Conduction nerveuse 2008

Cas du K dans une cell normale K = - 80 mV tend à sortir cell si ouverture des canaux K => sortie massive de K de la cell, Y passe à valeurs plus basses que Y0 -> 80 mV (max.) hyperpolarisation Conduction nerveuse 2008

Mécanismes moléculaires de la conduction nerveuse BICH 4943 Thèmes choisis en biochimie Mécanismes moléculaires de la conduction nerveuse Canaux ioniques Conduction nerveuse 2008

Canaux ioniques Structures transmembranaires pouvant laisser passer un ion par un pore (tunnel) interne selon Selon gradient électrochimique (Y et ) Spécificité: ex. cation monovalent sélectivité: ex. Na vs K Conduction nerveuse 2008

Différents signaux déclenchent l'ouverture Signal d'ouverture Différents signaux déclenchent l'ouverture Canaux voltaïques (potentiel-dépendants) Y Transmission électrique (neurone) Canaux ligand-dépendants Substance chimique du milieu extra-cell. (neurotransmetteur) Transmission chimique (synapse) Autres Conduction nerveuse 2008

Inhibiteurs: bloque canal en configuration O, F ou R Canaux voltaïques Spécifiques très sélectifs : très taille des ion (avec/sans coquille d'hydratation) Inhibiteurs: bloque canal en configuration O, F ou R Nom: canal à <ion transporté> Conduction nerveuse 2008

Cycle d'un canal voltaïque Fermé (F) : aucun passage d'ion Peut être ouvert si Y est atteint Ouvert  (O): passage ion Réfractaire (inactif)  ( R): aucun passage d'ion Ne peut s’ouvrir même si Y est atteint Retour à F après un certain temps Conduction nerveuse 2008

Détecteur de voltage + barriere Structure générale Tunnel interne Passage des ions: Sélectivité par taille Détecteur de voltage + barriere Mouvement de charges induit par dépolarisation membranaire => changement conformationel Pas nécessairement de seuil d'ouverture précis Bouchon d'inactivation (état réfractaire) Conduction nerveuse 2008

Exemples de canaux voltaïques Canal à Na+: dépolarisation -> potentiel d'action? Canal à K+: hyperpolarisation retour a la normale Canal à Cl-: Inhition/régulation du signal Canal à Ca2+ Relargage des neurotransmetteurs Conduction nerveuse 2008

Canaux ligand-dépendants Spécifiques tres sélectifs : plus ou moins Cycle: généralement pas Ouverture: liaison du ligand sur un site extracellulaire Nom: récepteur du <ligand> Conduction nerveuse 2008

Agonistes et antagonistes analogues structuraux du ligand Affinité pour le site liaison > ligand Agoniste: se lie sur le site et l'active Antagoniste: se lie sur le site mais ne l'active pas Ligand/agoniste ne peut se lier Force ouverture ou bloque ouverture du canal Conduction nerveuse 2008

Exemple de canaux ligand-dépendant Récepteur acétylcholine (nicotinique) Récepteur GABA (g-aminobutyrate) Récepteur du glutamate Conduction nerveuse 2008

Etudes des canaux Dispositifs pour mesurer la polarisation des cellules et le fonctionnement des canaux Micro-électrodes Conduction nerveuse 2008

Micro électrode simple Mesure les potentiels membranaires selon les situations Changer milieu externe Effet ligand inhibiteurs Conduction nerveuse 2008

Clampage de zone (Patch clamp) Electrode = micropipette Fixe potentiel à un niveau Maintien potentiel par compensation avec électrons (courrant) Mesure du courant prop. Mouvements des ions Mesure entree/sortie ion Entrée cations/sortie d'anions => entrée e- Entrée anions/sortie cations => sortie e- Conduction nerveuse 2008

Labo avec système de clamplage Microscope Table anti-vibration Ordi Potentiomètre Micromanipulateur Syst. optiques Conduction nerveuse 2008

Diagramme d'un montage de base Contrôler composition milieu d'incubation Conduction nerveuse 2008

Patch clamp d'un neurone Conduction nerveuse 2008

Variantes d'isolement de zones Conduction nerveuse 2008

Changer milieu extracellulaire Cellule entiere Changer milieu extracellulaire Effet indirect produits dans le milieu extracell. Conduction nerveuse 2008

Effet produits intracell. Zone renversée "intside-out" traction Effet produits intracell. Conduction nerveuse 2008

Effet produits millieu extracell Zone normale "outside-out" Traction + succion Fermeture de la zone Membrane se reforme Effet produits millieu extracell Conduction nerveuse 2008

Exemple d'enregistrement obtenu Etude canal a Na a - 60 mV 1 pA durant environ 1 msec Presque 10,000 ions Na durant 1 msec Conduction nerveuse 2008

Exemple d'expérimentation Montage Pipette de clampage: NaCl, pas de Cl dans milieu intracell. Clampée à -45 mV Quelques ouvertures du canal et courant positif Si pipette de clampage: KCl Aucun courant => slnt Na passe par ce canal Conduction nerveuse 2008