POTENTIEL DE REPOS ET D ACTION Introduction : Le Potentiel d Action : pour transmettre une info à distance, on utilise un signal électrique qui se propage le long de la membrane cellulaire du neurone. Le signal se propage de proche en proche. Mais ici, pas d électrons libres mais des charges électriques liées aux ions de part et d autre de la membrane. Et il y a perte de charges électriques lors de la diffusion du signal. + capacité à générer le signal de proche en proche = l impulsion nerveuse ou PA, transmise de proche en proche le long des prolongements du neurone (axones et dendrites), du corps cellulaire jusqu aux terminaisons axonales. Le PA résulte des entre membrane, milieu intra et extra cellulaire. Les neurones bipolaires ou multipolaires (des dendrites d un côté + un axone unique de l autre) : la transmission passe généralement par le corps cellulaire. exception : les neurones unipolaires comme le sensoriel périphérique (qui capte l information de la sensibilité cutanée) : l info passe des dendrites à l axone sans passer par le corps cellulaire, un prolongement direct entre les extrémités dendritiques et le début de l axone. De manière expérimentale, observation de l activité électrique d un neurone : On mesure la de charge (= ddp) entre les milieux intra/extra cellulaires grâce à un voltmètre, avec une électrode qu on fait pénétrer dans la membrane. Ddp négative plus de charges à l intérieur. Le Potentiel de Repos (PR) de la mb du neurone = -65mV. Quand on regarde l activité d un neurone in citu, on a essentiellement des neurones au repos stricte. Puis, de -65mV, des variations de potentiel possibles. Grande variation de potentiel => inversion de polarité => PA. 1
I. Le rôle des composants cellulaires : Les acteurs qui participent au PR (idem pour le PA) : 3 composants cellulaires : Les milieux salés Les phospholipides membranaires Les protéines membranaires Particulier au neurone : des protéines membranaires qui permettent de générer l activité électrique. A. Les milieux salés Ils sont composés d eau et d ions en solution. L eau est une molécule polaire dans laquelle les autre molécules se dissoudent. Les ions sont responsables de la ddp de part et d autre de la mb (et donc responsables des PR et PA). Il existe 2 types d ions (=molécules qui possèdent une charge électrique nette) : Les cations (Na+, K+) avec une charge électrique positive Les anions (chlore) B. Les phospholipides membranaires 2è élément = la membrane du neurone et les phospholipides membranaires, avec une tête hydrophile et une queue hydrophobe. AND la mb cellulaire : une bicouche lipidique. Les queues se font face Isole les liquides intra/extra cellulaires Caractéristiques hydrophobe : la membrane cellulaire est imperméable : o ions o protéines. possibilité de passage transmembranaire par diffusion de : o O2, N2 o CO2, urée et H2O. Imperméabilité aux ions = facteur indispensable à l organisation d un PA transmembranaire. 2
C. Les protéines membranaires Spécifiques de la cellule neuronale. 2 types : Les protéines canaux Les protéines porteuses ou transporteuses Les protéines canaux : elles forment des canaux, des pores remplis de molécules d eau qui vont être responsables du passage d ions au travers de la membrane. Les protéines canaux sont complexes : Structure primaire = une chaîne d acides aminés Structure 2 nd R : cette chaîne forme une hélice Structure tertiaire : cette hélice se replie sur elle-même. Ces structures tertiaires sont multiples et se combinent pour former un canal ionique. 4 à 6 molécules protéiques forment un canal. Caractéristiques de ces protéines canaux : 1 - Elles peuvent laisser passer les ions : Le passage se fait à des vitesses variables, jusqu à 100 millions d ions par seconde (haute vitesse) Le passage d ions est un flux passif, se fait selon un gradient électrochimique qui ne nécessite pas d énergie. Ces canaux ioniques ont une capacité à laisser passer les flux ioniques avec saturation, ce qui limite dans certains cas le flux ionique au travers des canaux Le passage d ions peut être transitoire, non permanent (lié aux possibilités d ouverture/fermeture des canaux). 2 - Une possible sélectivité : certains canaux peuvent être spécifiques du flux de certains ions, lié : o au diamètre du canal o aux protéines qui constituent le canal Il existe : o des canaux potassiques, sodiques, des canaux calciques o mais aussi des canaux mixtes. Cette sélectivité n est donc pas absolue parfaitement. 3 - Capacité à moduler ouverture et fermeture Schématiquement, un système de porte qui peut s ouvrir de manière plus ou moins brève et se refermer. Important pour des PA avec des modifications très transitoires du potentiel transmembranaire. 3
L ouverture/fermeture des canaux ioniques dépend de plusieurs stimuli : Dépend du voltage (càd de la ddp transmembranaire) Dépend d un ligand = une molécule chimique qui se fixe sur le canal et en commande l ouverture (les protéines canaux sont alors les récepteurs au neurotransmetteur). Possibilité d ouverture mécanique des protéines canaux : si on tire sur la membrane, une traction de la membrane neuronale ouvre le canal comme c est le cas pour les récepteurs sensoriels, cutanés : une pression du récepteur sensoriel ouvre les canaux Modification de potentiel Stimulation des neurones Les protéines canaux sont ubiquitaires et fondamentales pour toutes les étapes du processus du fonctionnement du neurone, responsables de : L Excitabilité neuronale = capacité à émettre une ddp La Réception/Transformation/Intégration des signaux extérieurs, physiques ou chimiques (les protéines canaux constituent alors des récepteurs sensoriels périphériques) La Transmission de l influx nerveux : d une extrémité (dendrite) à l autre (axone) d un neurone d un neurone à l autre, elles interviennent comme récepteur au neurotransmetteur C est une zone à point faible du fonctionnement du neurone, qui peut être inhibée ou déficitaire. L activité des protéines canaux peut être bloquée par : Utilisation de poison Des médicaments utilisés en neurologie et cardiologie qui modifient l activité des protéines canaux Des pathologies maladies génétiques ou auto immunes (le système s attaque lui-même) liées aux protéines canaux Des maladies où on a surtout des manifestations cardiaques et neurologiques, appelées les canalopathies 2è type de protéines membranaires : les protéines porteuses et transporteuses : Permettent des transferts de molécules d une face à l autre de la membrane neuronale. Transfert plus lent plus sélectif que les protéines canaux Transfert actif, qui s oppose au gradient électrochimique Des structures qui utilisent l énergie sous forme d ATP Une activité lente : ils interviennent en dehors des périodes brèves de PA. 4
types de protéines porteuses : Pompes NA/K Pompes à calcium Protéines transporteuses de neuro transmetteurs qui ont une importance pour recapturer les neurotransmetteurs. Rôle fonctionnel : Excitabilité neuronale/transmission de l influx nerveux La transmission synaptique d un neurone à l autre, par le biais de la récupération de ces neurotransmetteurs. II. Le mouvement des ions : Le PR est de -65mV. Il est lié à la distribution des ions de part et d autre de la mb, donc un équilibre va se créer pour ces ions de part et d autre de la membrane, qui dépend du passage ou non au travers des protéines canaux. Le passage des ions intra/extra cellulaire se fait par l intermédiaire de protéines canaux ouverts. Mais les canaux seuls ne suffisent pas : 2 forces interviennent : Le gradient de concentration Le gradient électrique A. Le gradient de concentration C est le fait que les ions dans une solution se répartissent uniformément. La diffusion = mouvement d ions de la forte concentration -> faible concentration. de concentration gradient de concentration Pour qu il y ait diffusion d ions au travers de la membrane neuronale, il faut : des canaux ouverts perméables aux ions une différence de concentration B. Le gradient électrique (=ddp) C est un autre moyen de générer un mouvement des ions = un champ électrique de part et d autre de la membrane. Lorsque l on impose un champ électrique : Les charges de polarité opposée s attirent Les ions chargés + vont vers la cathode (pôle négatif) Les ions chargés vont vers l anode (pôle positif) Les charges semblables se repoussent 5
Ce déplacement des ions déclenché par un gradient électrique constitue un courant électrique. On donne l intensité du déplacement des ions en Ampères (symbole I). De manière générale, un courant est positif dans le sens de déplacement des charges +. 2 facteurs pour mesurer l amplitude du courant : Le voltage = l importance de l amplitude de la ddp = de charges anode/cathode. Unités = volts Symbole = V La conductance = la capacité de passage de la charge électrique d un point à un autre. Unité = Siemens Symbole = G Elle dépend du nombre de particules disponibles et de leur faculté à se déplacer dans les milieux. La conductance est l inverse de la résistance (symbole R, unité de mesure = l Ohm), qui représente la difficulté d une molécule à se déplacer dans les milieux. Intensité du déplacement des ions Amplitude du courant Lois : Unité Intensité (Ampères) Voltage (Volts) Conductance (Siemens) Résistance (Ohms) Symbole Remarques courant est positif dans le sens de A déplacement des charges + V G R différence de potentiel force exercée sur une particule chargée reflète la différence de charge entre l anode et la cathode plus cette différence est grande et mieux le courant passera = capacité de passage de la charge électrique d un point à un autre. Dépend : Du nombre de particules De leur faculté à se déplacer = la difficulté d une molécule à se déplacer dans les milieux G = 1/R Intensité = Conductance par Voltage (I=G.V) En résumé : Les ions chargés d électricité sont en solution de part et d autre de la membrane neuronale Les ions ne peuvent passer la membrane qu au travers de canaux ioniques Les canaux ioniques peuvent être sélectifs Le déplacement des ions dépend du gradient de concentration et du gradient électrique. 6
III. Les bases ioniques du PR : A. Le potentiel d équilibre (=Peq) 1 er cas de figure : une cellule hypothétique avec un milieu externe avec des ions potassium et chlore un milieu interne avec les mêmes ions et une concentration 10 fois moindre Si la mb est imperméable au passage ionique, pas de possibilité de passage malgré la différence de concentration. Et dans cette situation, on a un rapport entre ions chargés positivement et négativement qui est égal dans le milieu intra cellulaire et extra cellulaire pas de ddp de part et d autre de la mb (ddp=0) 2è situation : Sur une même cellule mais une membrane de neurone mais avec des canaux ioniques spécifiques du potassium perméabilité au potassium Le gradient de concentration induit un déplacement des ions K vers le milieu extra cellulaire. Mais au fur et à mesure que les ions K vont vers la MEC, on induit une différence de polarité entre le milieu intra et extra cellulaire, avec une charge positive qui passe du milieu intra vers le milieu extra cellulaire. le voltmètre enregistre une variation de potentiel de mb avec plus de charges négatives à l intérieur. Ce passage des ions K créé un gradient électrique de part et d autre de la mb qui va mettre en jeu des forces les ions K ont tendance à revenir vers la zone -, le MIC (milieu intra cellulaire). Le gradient de concentration s oppose ici au gradient électrique, opposition de forces A un moment, on aboutit à un équilibre parfait entre ces deux forces arrêt du flux d ions au travers de la mb. Cet état d équilibre AND la membrane correspond à un potentiel membranaire particulier, enregistrable, le potentiel d équilibre. Pour une membrane sélectivement ouverte sur le potassium, ce potentiel d équilibre est de -58mV. Le nombre d ions nécessaires à créer la ddp électrique est très faible. Au total, on a une de variation de concentration faible. Au moment de l équilibre, les concentrations de part et d autre de la membrane sont discrètement variées, et macroscopiquement, ça ne se voit pas Pas de modification majeure du gradient de concentration 7
L équation de Nernst : Détails : A température normale, le facteur est de 58. Le Potentiel d équilibre dépend de : z = la valence = la charge électrique (positive, négative, une ou plusieurs charges) Les rapports de concentrations entre MIC et MEC : Variation de la différence de concentration le Peq change. Dans le cas d une différence de concentration entre milieu intra et extra cellulaire de 10, on a observé que le Peq est de -58mV. De manière physiologique, la de concentration entre milieu intra cellulaire et extra cellulaire du potassium dans le neurone humain est de 20 Peq du Potassium = -75mV Le Na a une concentration 10 fois plus élevé dans le milieu extra cellulaire que le milieu intra cellulaire. Peq du Sodium = +58mV Peq du chlore = -58mV. Ca2+ : en concentration 1000 fois plus élevée dans le MEC Peq du Calcium = +116mV Ion Intra Cellulaire (1) Extra cellulaire (2) Peq K+ 20 1-75mV Na+ 1 10 +58mV Cl- 1 10-58mV Ca2+ 1 10000 +116mV L équation de Nernst permet de calculer, pour un seul ion, le passage trans mbr. Dans une cellule neuronale, il y a des ions multiples et des canaux ioniques multiples. B. Perméabilité ionique relative de la membrane au repos L équation de Goldman : donne chacun des ions, ici le K, le Peq correspondant aux différences de concentration et tient compte des autres ions en présence. Ce n est plus une trace linéaire 8
Pour le potassium, pour une différence de concentration de 20, avec l équation de Nerms, on trouve Peq = -75mV. Alors qu en condition physiologique, qui tient compte des autres ions en présence avec l équation de Goldman, pour une ddp de 20, Peq = -65mV. C. Distribution des ions de part et d autre de la membrane Le potentiel de repos du neurone correspond au Peq du Potassium en conditions physiologiques. Le PR repose sur une ouverture permanente de canaux potassiques. Sur un neurone, les fortes concentrations de Na sont à l extérieur de la cellule et les fortes concentrations de K à l intérieur. Intervention de protéines porteuses, actives comme la pompe Na/K Rôle = faire passer des ions Na+ intra -> extra cellulaire et les ions potassium dans le sens inverse. Pour chacun des ions, passage contre le gradient de concentration. La pompe Na/K est fondamentale : elle utilise 70% de l énergie du cerveau Mise en place des différences de concentration pour les PR et PA. On charge le milieu externe avec des pompes à Ca2+ qui transportent le Ca2+ à l extérieur??? On fait sortir plus d ions positifs Gradient électrique + intervention dans le système nerveux de neurones accompagnés de cellules gliales : plusieurs types dont les astrocytes qui aident à la physiologie du neurone. AND jonctions avec les astrocytes, on trouve des pompes potassiques : la répartition des astrocytes aide donc à répartir le K. Les pompes potassiques absorbent le potassium dans certaines zones et le diffusent dans d autres zones du cerveau Uniformisent la concentration potassique et imbibent le MEC de potassium. Résumé : Le PR des neurones a donc pour origine : Sur un neurone au repos, on a des canaux potassiques ouverts => une membrane du neurone au repos plus perméable aux ions K+ : Attention! tous les canaux potassiques sont ouverts, tous les canaux sodiques sont fermés, mais une majorité de canaux potassiques sont ouverts par rapport aux canaux sodiques. Le PR est lié à une différence de concentration de potassium de part et d autre de la mb grâce aux pompes et au rôle des astrocytes. 9
Le Potentiel d Action : Il existe types de neurones qui ont une fonction différente. Mais tous les neurones utilisent de façon ubiquitaire un même signal nerveux, le PA qui correspond à un renversement rapide et bref de la répartition du potentiel de mb. Pendant un temps très court : l intérieur de la mb devient plus positif que l extérieur Ddp positive I. Les modifications du PR : Le PR est qqch d observé sur neurone in vitro. Mais en conditions physiologiques, très peu de neurones sont en permanence sur activité de repos. Exemple in vitro d un neurone qu on active AND cône de l axone : on mesure les variations du PR liées à l injection d un courant électrique AND la mb neuronale. Si on fait passer un courant électrique AND la membrane neuronale : Courant negatif => la ddp mbr augmente sa négativité : on parle d hyper polarisation. 2è observation : si on fait varier l intensité du courant => variation de l intensité de la ddp. Relation linéaire. Plus on augmente l intensité du courant entrant, plus le Peq ou PR sera augmenté. Si dans le sens de l hyper polarisation : pas de limite. Mais si un courant positif passe dans la mb neuronale, diminution de la négativité de la ddp (jusqu à 0) = la dépolarisation. Idem : si augmentation de l intensité du courant positif, augmentation de l intensité de dépolarisation. Mais la relation linéaire s arrête AND potentiel seuil où on observe inversion brutale et transitoire du potentiel de mb : on observe un PA. Cette variation du potentiel de membrane conduit à partir d un potentiel seuil à l émission du PA. A partir du seuil, quelle que soit l intensité du courant donné à la mb neuronale, on a toujours la même réponse. On n augmente pas l intensité du PA, mais le nombre de PA. La réponse neuronale est la même que pour une intensité inférieure. 10
II. Les différentes phases du PA : Il dure environ 2 millièmes de sec et est composé de 3 phases : Une phase ascendante la dépolarisation A partir de 0 : période d inversion de polarité ( un dépassement ) Une phase descendante, qui est caractérisée par une repolarisation, un retour vers le PR suivi par une période d hyper polarisation et retour vers le PR. Ce qui déclenche le PA : Stimuli électriques : un courant électrique AND la membrane neuronale déclenche à partir d un seuil le PA Stimuli thermiques Stimuli mécaniques Stimuli chimiques Principe : tous les stimuli dépolarisant la mb neuronale peuvent conduire à l émission d un PA. La dépolarisation est le plus souvent obtenue par l ouverture de canaux sodiques. Exemple : en pratique, dans les muscles il y a des petits récepteurs = les fuseaux neuromusculaires sensibles à l étirement du muscle. Si étirement du muscle Réflexe : augmentation de la contraction du muscle (ex du réflexe rotulien, quand on tape avec un marteau sous la rotule). Ce réflexe rotulien met en jeu ces neurones, qui s enroulent autour des fibres musculaires. Les canaux ioniques (ici canaux sodiques) sont reliés mécaniquement les uns aux autres. Tirer sur la fibre musculaire => ouverture mécanique des canaux sodiques. Ouverture des canaux sodiques de la membrane neuronale : différence de concentration de part et d autre de la mb ([Na+] est plus élevée dans la MEC) Diffision du Na+ vers le MIC Dépolarisation de la mb neuronale. En pratique, il y a d autres canaux ioniques. Mais la plupart du temps, ce sont les canaux sodiques qui quand ils sont ouverts => dépolarisation de la mb neuronale. Et quand elle arrive AND potentiel seuil, elle déclenche le PA. L initiation de PA est liée à l ouverture de canaux sodiques avec une dépolarisation suffisante pour atteindre le potentiel seuil. Après ce potentiel seuil, on a toujours un même aspect de potentiel d action de même intensité, de même durée, indépendant de la stimulation elle-même et qui suit la loi du tout ou rien. Le principe est le même pour les récepteurs chimiques, thermiques 11
III. Le déclenchement du PA : Le potentiel seuil (à partir duquel se déclenche le PA) n est pas identique sur toute la surface du neurone. Le potentiel seuil est relativement élevé sauf dans une zone où il est bas, à -40mV : c est le cône axonique. Le Potentiel Seuil est variable sur la surface du neurone mais plus bas AND cône de l axone (-40mV). Rq : Dans le cas d un neurone unipôlaire, avec des prolongements dendritiques directement en lien avec l axone, qui ne passent pas par le corps cellulaire (il n y a pas de cône axonique), la zone où le potentiel seuil est le plus bas est la zone terminale de cet axone (la terminaison nerveuse sensorielle). Puis, transmission le long de l axone. Il faut une dépolarisation qui atteigne le potentiel seuil, plus bas AND cône de l axone. Lors de la stimulation d un neurone, si la stimulation persiste : des séries successives de PA. Intensité (amplitude) codée par la fréquence des potentiels d action Durée de la stimulation codée par la durée de la série de potentiels d action Limitation physio : fréquence max de PA = 100 Hz. Dans le réflexe rotulien, L intensité de la stimulation, l amplitude est directement liée à la variation du potentiel de membrane, à la dépolarisation observée. Quand on tire sur les fibres => ouverture des canaux sodiques => dépolarisation. Puis cette dépolarisation diffuse jusqu au cône de l axone, avec un potentiel seuil suffisamment bas pour que la dépolarisation induise un PA. Si on augmente l amplitude de la stimulation, on augmente l amplitude de la dépolarisation mais on ne peut pas augmenter l amplitude du PA. Mais l amplitude de l étirement est codée différemment par le système nerveux : c est la fréquence à laquelle sont émis les PA qui varie, augmente. Le SN code l intensité par la fréquence des PA. Et va coder la durée de la stimulation par la durée de la série de PA. IV. Les bases ioniques du PA : On devine que ce PA = inversion de polarité = redistribution massive des charges électriques de part et d autre de la mb. Au repos, -65mV. Stimulation => début de dépolarisation du neurone. Et sur la mb neuronale, des canaux sodiques dépendants du voltage qui vont s ouvrir à partir du potentiel seuil de -40mV AND cône axonique. Quand la dépolarisation arrive AND potentiel seuil ouverture de canaux sodiques : on créé un canal avec passage d ions Na selon le gradient de concentration de l extérieur vers l intérieur de la cellule. 12
Sur le neurone au repos, on retrouve des canaux potassiques ouverts, et des canaux sodiques relativement fermés. Lors du PA, le PR du neurone qui est proche du potentiel d équilibre potassique va brutalement aller vers le Peq du Sodium. (+58mV) La phase ascendante du PA correspond à une ouverture des canaux sodiques et un flux massif d ions sodium qui entrent dans la cellule. Plus on ouvre de canaux sodiques, plus on dépolarise la membrane et plus on ouvre de ces canaux voltage dépendants une amplification extrêmement rapide avec une ouverture quasi simultanée de tous les canaux sodiques voltage dépendants AND cône axonique. Cette phase d ouverture des canaux sodiques voltage dépendants dure 1 ms. Ces canaux s ouvrent immédiatement à partir du potentiel seuil, pendant une durée brève d une ms puis fermeture par un mécanisme automatique (qui ne dépend plus du voltage) La variation du potentiel de membrane n atteint pas le Peq du sodium, s arrête avant. Suite à la phase ascendante, on arrive à l extrême de la réaction de polarité. La 2è phase de ce PA = la phase descendante, qui correspond à l ouverture de canaux potassiques, voltage dépendants. Les canaux potassiques s ouvrent au moment de l extrémité de la phase ascendante, avec un délai d ouverture de 1ms. La différence de concentration de part et d autre de la mb induit une sortie d ions K repolarisation de la membrane neuronale jusqu au Peq du potassium. Ces canaux potassiques s ouvrent avec un délai d une ms et restent ouverts plus longtemps Période d hyper polarisation avec plus de canaux potassiques ouverts que sur la membrane au repos. En pratique, on observe 2 phases du PA : un cycle positif rapide, immédiat d ouverture des canaux sodiques qui va induire cette dépolarisation massive de la membrane neuronale, cette inversion de polarité puis un cycle négatif lent, qui se passe avec un délai par rapport au premier cycle et qui dure plus longtemps : ouverture des canaux potassiques qui implique aussi cette période d hyper polarisation de la mb neuronale. 13
Dans ce PA, la phase descendante est réfractaire absolue : les canaux sodiques ne peuvent pas s ouvrir durant cette phase et restent totalement inactifs pendant 1ms on ne peut générer un PA pendant cette phase descendante, il faut en attendre la fin. La phase d hyper polarisation est réfractaire relative car il faut une stimulation supérieure pour arriver au potentiel seuil. 14