Propriétés électriques du neurone
1Pr Kahloula.K
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Techniques d’étude de la physiologie du neurones
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La microélectrode:
Constituée d'un petit tube de verre extrêmement effilé dont le
diamètre d'ouverture à la pointe est inférieur à 0,1 µm, elle est
remplie d'une solution conductrice de chlorure de potassium
trois fois molaire (KCl 3M) dans laquelle est plongé un fil
métallique assurant la liaison avec la chaîne d'enregistrement.
Le signal n'excédant pas quelques dizaines de millivolts, il est
ensuite amplifié par un préamplificateur puis envoyé vers un
oscilloscope, dispositif qui présente l'avantage de le visualiser
et de le quantifier tout en suivant son évolution dans le temps,
ce que ne permettrait pas un simple appareil de mesure de
type voltmètre.
Le potentiel du repos
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On le met très facilement en évidence en
descendant une microélectrode à
l'intérieur d'une fibre nerveuse à l'aide d'un
micromanipulateur. Tant que les deux
électrodes se trouvent dans le milieu
extracellulaire, leur différence de potentiel
est nulle mais dès que la microélectrode
perfore la membrane et pénètre à
l'intérieur de la fibre, on observe une chute
du potentiel qui se stabilise aux alentours
de –60 mV.
•C'est cette négativité du milieu intracellulaire par
rapport au milieu extracellulaire qui correspond au
potentiel de repos. Elle est :
•stable au cours du temps,
•constante pour un type cellulaire donné,
•fonction du tissu et de l'espèce concernés
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Origine du potentiel de repos
•Cellules d'eucaryotes, la distribution à travers la MP est inégale. Il y a plus
d'ions K+à l'intérieur de la cellule qu'à l'extérieur. La situation pour les ions Na+,
Ca2+ et Cl-est inverse. Ainsi pour chaque espèce ionique, la condition d'équilibre
ne sera pas nécessairement obtenue par l'égalisation des concentrations pour
chaque espèce ionique. Cette différence de potentiel électrique est le plus
souvent appelée potentiel d'équilibre thermodynamique pour un ion (Eion ou
Ei)et est donnée par l'équation de NERNST.
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•Pour comprendre la valeur de ce potentiel, il faut savoir que
pour un type d'ions donné, une différence de concentration
entre les compartiments intracellulaire et extracellulaire dans
la situation où la membrane ne laisse passer que cet ion
engendre toujours une différence de potentiel dont l'état
d'équilibre, résultant du gradient de concentration et du
gradient électrique, peut être calculé avec la loi de Nernst
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Expérience de NERNST
(t=0), 2 compartiments A et B remplis de solutions de KCl à concentrations
différentes sont séparés par une membrane strictement perméable aux ions
K+.Gradient de concentration (d[K+]A-B)
(t1) à la diminution de d[K+]A-B,un gradient de potentiel électrique (d[E]A-B)
apparaît à travers la membrane ; ce gradient de potentiel résulte de
l’accumulation des ions K+dans B et d’un excédent concomitant de Cl-dans
A.
Al’équilibre les 2 gradients de potentiel et de concentration sont de même
intensité mais dirigés en sens contraire : il en résulte que les ions K+soumis
à 2 forces de même intensité dirigées en sens contraire ne se déplacent plus
à travers la membrane bien qu’ils soient toujours plus concentrés dans le
compartiment A que dans le compartiment B, et en excès par rapport aux
ions Cl-dans le compartiment B. Cette situation d'équilibre des ions K+est à
l’origine de la polarisation de la membrane. 10
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La courbe bleue représente les variations de EKcalculées par l’équation de
Nernst en fonction de [K+]B , en prenant comme valeur de [K+]A 140mM
Généralisation de la notion de potentiel de membrane et propriétés électriques
passives de la membrane
1) Cas où la membrane est perméable à un seul ion: pile de concentration (équation de Nernst)
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Si la perméabilité de la membrane cytoplasmique pour une espèce ionique iaugmente, le potentiel de
membrane devient égal au potentiel d’équilibre thermodynamique de cet ion idonné par l’équation de Nernst:
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DISTRIBUTION IONIQUE TRANSMEMBRANAIRE DU NEURONE
Composition ionique en mmoles/l des milieux extra- et intracellulaire rencontrée au
niveau d ’un neurone des mammifères, in vivo ou en culture. L'intérieur de la cellule
contient des molécules organiques chargées négativement P z)qui assurent
l'électroneutralité du milieu intracellulaire. Le milieu extracellulaire ne contient pas ou très
peu (sauf plasma) de molécules organiques. Le potentiel de membrane de ce neurone
est de -60 mV
L’intérieur du neurone
L’extérieur du neurone
Composition ionique des milieux intra et extracellulaire
-la répartition des ions de part et d’autre de la membrane d’un neurone
est inégale
Extracell. (mM/L)
[Na+] = 140
[K+]= 5
[Ca2+]=1
[Cl-] = 147
[P-] = 0
P-=Molécules organiques chargé négativement comprennent les ions HCO3-, PO32- et aussi des protéines (par leur groupe COO-) ,
des acides nucléiques
[Na+]=14
[K+]=140
[Ca2+]= 10-5
[Cl-]=14
Intracell. (mM/L)
[P-]
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L’intérieur du neurone est négatif par rapport à l’extérieur.
Cette différence constante représente le potentiel de repos et se maintient tant que le neurone ne génère pas de
potentiel d’action
Le potentiel négatif ( Vm) : indispensables au fonctionnement du système nerveux
Extérieur de la membrane :
Ions positifs = surtout Na+
Ions négatifs = Cl- surtout
Intérieur de la membrane :
Ions positifs = surtout K+
Ions négatifs = protéines et ions phosphates
Surplus d’ions négatifs Surplus d’ions positifs
Potentiel de Repos
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Les solutions ioniques à l’intérieur et l’extérieur de la membrane sont électriquement neutres. Le nombre de charge +
est égale au nombre de charge -. Il y a électroneutralité.
Milieu Extra cellulaire:
[CATIONS]e = [ANIONS]e en mEq
[Na]e + [K]e + 2 x [Ca]e = [Cl]e
140 + 5 + (2 x 1) = 147
Milieu Intra cellulaire :
[CATIONS]i = [ANIONS]i en mEq
[Na]i + [K]i + 2 x [Ca]i = [Cl]i + [P]i
14 + 140 + (2 x 10-4) = 14 + [P]i
[P]i = - 140 mEq
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Le gradient électrochimique
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La différence (Vm- Eion)est appelée gradient électrochimique
Le potentiel de membrane (Vm) d'une cellule au repos varie entre -20 et -90 mV
suivant le type cellulaire. Il est situé le plus généralement entre -40 et -60 mV, et n'est
égal à aucun des potentiels d'équilibre d'une espèce cationique. C'est-à-dire qu'en
définitive, aucun cation n'est en équilibre, et (Vm- Ecation) est différent de 0. On appelle
cette différence (Vm- Ecation): gradient électrochimique (ou driving-force).
En première approximation, le flux net d'une espèce ionique, Jion, sera proportionnel à
ce gradient:
POTENTIEL D'EQUILIBRE
GRADIENT ELECTRO
-CHIMIQUE
FLUX NET
EK =
- 87 mV
Vm
- EK = -60 - (-87) = + 27 mV
SORTANT
ENa
= + 60 mV
Vm
- ENa = -60 - (+60) = - 120 mV
ENTRANT
ECa
= + 120 mV
Vm
- ECa = -60 - (+120) = - 180 mV
ENTRANT
ECl
= - 61 mV
Vm
- ECl = -60 - (-61) = + 1 mV
ÉQUILIBRE
LE GRADIENT ÉLECTROCHIMIQUE : Vm –Eion
Pour traverser la membrane, un ion est soumis à un gradient électrochimique (ou
"driving-force" ), qui s'exprime par la différence entre le potentiel de membrane (Vm)
de la cellule et le potentiel d'équilibre de l'ion considéré (Eion).
le flux net d'une espèce ionique, Jion , sera proportionnel à ce gradient:
Jion. = (Vm. - Eion.)
- un flux net est positif lorsqu'un cation a tendance à sortir de la cellule et négatif
lorsqu'il a tendance à entrer.
- Ainsi, les ions Na+et Ca2+ vont avoir tendance à entrer dans la cellule et les ions
K+à en sortir.
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LA CONDUCTANCE IONIQUE MEMBRANAIRE
la conductance électrique (exprimée en Siemens, S) : représente la facilité avec
laquelle un courant se déplace entre deux points : c'est l'inverse de la résistance
(exprimée en ohms, W).
gion = 1 /rion
Dans le cas d'un canal ionique: La conductance caractérise la facilité avec laquelle les
ions traversent le canal.
La conductance de toute la membrane d'une cellule pour un ion (conductance ionique
membranaire), gion, est proportionnelle à la conductance élémentaire d'un canal
ionique : γion , mais aussi au nombre total de canaux de l'espèce ionique considérée
dans la membrane : Nion et à la probabilité p0 pour que ces canaux soient à l'état
ouvert :
LES COURANTS IONIQUES :
L’intensité du courant qui traverse un canal ionique est fonction de la conductance ( gion) du
canal et du gradient électrochimique de l’ion (Vm-Eion).
: ,
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L’électrophysiologiste mesure des courants. Transposition de la loi d'Ohm à un
gradient électrochimique
On peut écrire que l'intensité du courant (iion) traversant un canal ionique est
égale à:
le courant transmembranaire (Iion) transporté par une espèce ionique à travers tous
les canaux ioniques de la membrane d'une cellule, est égal à :
expriméen Ampères Coulombs/sec
Or, il se trouve qu'au repos, très peu de canaux au sodium et au calcium sont ouverts. Il en résulte que le
potentiel de repos est principalement du àune sortie de potassium de la cellule, ce qui apour effet de négativer
le milieu intracellulaire aux abords de la membrane.
Il reste maintenant à expliquer pourquoi le potentiel est stable au cours du temps. En effet, si le potassium sort
en permanence de la cellule, il finira par annuler son gradient de concentration. Il faut donc concevoir un
mécanisme faisant entrer du potassium à l'intérieur de la cellule contre son gradient de manière à maintenir son
équilibre ionique.
Un tel mécanisme existe : il s'agit de la pompe membranaire à activité ATPasique découverte en 1955, la pompe
Na-K qui transporte activement, contre leurs gradients, trois ions Na+ du milieu intracellulaire vers le milieu
extracellulaire en échange de deux ions K+ du milieu extracellulaire vers le milieu intracellulaire.
•La preuve en fut apportée en chargeant une fibre avec du sodium radioactif (22Na+ ou 24Na+) et
en mesurant l'efflux de la radioactivité au cours du temps. On constate que le *Na+ quitte la fibre
contre son gradient de concentration de manière continue et régulière mais que cette sortie est
bloquée dès que l'on ajoute à la préparation un inhibiteur du métabolisme (donc de la production
d'ATP) tel que le dinitrophénol ou le cyanure. Inversement, elle reprend si, à cette même
préparation, on ajoute de l'ATP. De même, en utilisant du potassium radioactif (42K+), on constate
que le *K+ pénètre dans la fibre contre son gradient et que cet influx est également bloqué par le
dinitrophénol ou le cyanure. Les mesures ayant par ailleurs montré que trois *Na+ sortaient pendant
que deux *K+ entraient, il s'ensuit un flux net de cations de l'intérieur vers l'extérieur ce qui
contribue à négativer le milieu intracellulaire. On dit que la pompe est électrogène.
•Les ions potassium étant alors en plus grand nombre à l'intérieur de la cellule qu'à
l'extérieur, ils ressortent passivement selon leur gradient de concentration. Quant aux
ions sodium, ils ont tendance à réintégrer le milieu intracellulaire mais la membrane au
repos étant bien moins perméable aux ions sodium qu'aux ions potassium, ils rentrent
beaucoup moins facilement que ne sortent les ions potassium. C'est donc finalement
l'ensemble de ces flux qui permet d'expliquer la valeur du potentiel de repos.
•Ajoutons pour terminer qu'on connaît aujourd'hui un inhibiteur spécifique de la pompe Na-
K, l'ouabaïne, qui produit les mêmes effets que le dinitrophénol à la différence qu'elle
n'interfère pas avec le métabolisme énergétique et qu'elle ne bloque donc pas la
production d'ATP. Il s'agit d'un petit hétéroside (C29H44O12) extrait de l'ouabaïo (un
arbre qui pousse en Éthiopie)
Exercice d'application N°1
•Question1
•Quelles remarques pouvez-vous faire sur ces concentrations ?
•Question2
•Sachant que les concentrations de K+ extracellulaire et de K+ intracellulaire
sont respectivement de 20 et 400 mmol.l–1, calculez le potentiel d'équilibre
pour cet ion à 20 °C.
•Question3
•On mesure alors le potentiel de repos de cette fibre in situ qui est de –77 mV.
Pourquoi cette valeur est-elle différente de celle que vous venez de calculer ?
•Question4
•Le même potentiel enregistré in vitro est de –68 mV. Comment expliquez-
vous cet écart de quelques millivolts
Solution 1
Les concentrations sont constantes au cours du temps. Par ailleurs, le fait que la
concentration de potassium soit supérieure à celle de sodium montre que l'axone
renferme beaucoup plus de potassium que de sodium.
Solution 2
Ek = 58 log (20/400) = -75,459 mv
Solution 3
La différence vient du fait que le potentiel de repos est du à l'ensemble des flux
ioniques en présence et pas exclusivement aux mouvements de potassium
Solution 4
Malgré tous les soins apportés aux préparations in vitro, il est impossible de
reconstituer complètement les paramètres physiologiques et métaboliques du
milieu in situ. Ceci explique les quelques millivolts de différence entre les deux
mesures.
Exercice d'application N°2
•Un axone amyélinique géant de calmar est chargé en sodium radioactif
(24Na+). On mesure alors l'apparition de la radioactivité dans le milieu
extracellulaire en conditions normales, puis en ajoutant un inhibiteur de la
synthèse d'ATP : le 2,4 dinitrophénol ou DNP.
•Question1
•Pourquoi utilise-t-on du sodium radioactif ?
•Question2
•Quel est l'effet du DNP et comment l'expliquez-vous ?
•Question3
•Que pouvez-vous en conclure quant au mécanisme régulant la sortie
de sodium ?
•Question4
•Quelle(s) autre(s) drogue(s) aurait-on pu utiliser pour mettre en
évidence le phénomène. Indiquez pour chacune d'elle le mode
d'action spécifique.
Solution 1
Tout simplement pour pouvoir le détecter et donc savoir ce qu'il devient une fois introduit dans l'axone.
Solution 2
Au début de l'expérience, on s'aperçoit que le flux sortant de sodium radioactif diminue régulièrement avec le temps.
Cela montre que le 24Na+ introduit dans l'axone est progressivement évacué de la cellule de sorte que plus le temps
passe, moins il en reste dans la cellule et moins le flux sortant est important. En revanche, après ajout de DNP, on
constate une nette diminution de ce flux qui n'est que temporaire puisqu'une fois la préparation rincée et le DNP retiré
du milieu, le flux sortant de sodium retrouve sa pente initiale. C'est donc qu'en conditions normales du sodium sort de la
cellule et que cette sortie nécessite de l'ATP puisqu'elle est bloquée par un inhibiteur du métabolisme.
Solution 3
La sortie de sodium nécessitant de l'ATP, il s'agit d'un mécanisme de transport actif et on peut penser qu'il s'agit de la
pompe Na-K.
Solution 4
Le cyanure, un autre inhibiteur du métabolisme, aurait exactement le même effet que le DNP en bloquant la production
d'ATP. Par contre, l'ouabaïne, un inhibiteur spécifique de la pompe Na-K, bloquerait également le flux sortant de sodium
mais sans empêcher la production d'ATP.
