Pr SLIMANI.M 1

Université Dr Moulay Tahar-SaidaFaculté des Sciences Département de Biologie

Electrophysiologie

mslimani20@yahoo.fr

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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-, PO3

2- 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’actionLe 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]e140 + 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]i14 + 140 + (2 x 10-4) = 14 + [P]i[P]i = - 140 mEq

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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 : Equilibre osmotique. -Si la pression osmotique des deux milieux n'est pas égale, il se produira des mouvements d'eau (du milieu le moins concentré vers le milieu le plus concentré) qui modifieront le volume cellulaire. Dans ce cas , il s’agit de concentration et non pas de charge et par conséquent le Ca est = 1 mOsm ext et 10-4 mOsm

[IONS]e = [IONS]i en mOsm

[Na]e + [K]e + [Ca]e + [Cl]e = [Na]i + [K]i + [Ca]i + [Cl]i + [P]i 140 + 5 + 1 + 147 = 14 + 140 + 10ˉ⁴ + 14 + [P]i

[P]i = 125 mOsmDonc la Valence de P = - 140 / 125 = - 1,12

Comme P est négative cela implique que la valence moyenne de P = -1.12

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sens du gradient de Concentration des ions 1 ------2

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Sous l’influence du gradient de concentration : [C+]1 > [C+]2 Le travail fourni (W) pour le déplacement des ions du milieu 1 vers le milieu 2 ( sens du gradient de concentration)déplacer un ion le long de son gradient de concentration

W = R. T. ln [C+]2 / [C+]1 R = 8.314 joules / mol./ °K , température absolue T° Kelvin = T° Celsius + 273Le rapport des concentrations : [C+]1 / [C+]2

Le travail électrostatique qui s’oppose aux échanges dus à la différence de concentration .( milieu 2 vers le milieu1 ): gradient électrostatique

W = Z. F. E valence de l’ion Z , F = Faraday = 96 500 coulombs

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-Un flux net d’ions de 1 vers 2 dû à la différence de concentration (C1 > C2), et un flux dû à la différence de potentiel électrique créée par le premier flux : Ces deux flux opposés s’équilibrent. l’égalité des deux flux nets correspond à l’état d’équilibre. , et le déplacement des ions K+ à travers la membrane s’arrête. le potentiel d’équilibre est proche du potentiel K+.l ’équation de Nernst permet de calculer le potentiel d’équilibre : Eion (mV)

A l’ équilibre : Le travail fourni pour déplacer un ion = Le travail électrostatique s’opposant à la diffusion de l’ion: Z. F. E. = R. T. ln [C+]2 / [C+]1 Eion (Volts) = R .T / Z . F . ln [C+]2 / [C+]1

ÉQUATION DE NERNST

Le potentiel de membrane se stabilise quand le flux de tous les ions à travers les différents canaux est nul.

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Potentiel d'équilibre des ions K+ EK = - 87 mV

Potentiel d'équilibre des ions Na+ ENa = + 60 mV

Potentiel d'équilibre des ions Ca2+ ECa = + 120 mV

Potentiel d'équilibre des ions Cl- ECl = - 61 mV

Eion (mV) = [(1 000 x 0.026 x 2.3) / Z] log [ion]e / [ion]i = 60 / Z log [ion]e / [ion]i

Exemple : Soit une membrane neuronale de mammifère :T = 37°C = 37 + 273 = 310 °KR . T / F = (8.314 . 310) / 96 500 = 0.0261 Volt = 1 000 millivolts (mV)

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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 – EionPour 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 : μion , 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 :

gion = μion . Nion . P0

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).

Courant ionique membranaire: (Iion) = gion (Vm - Eion) , exprimé en Ampères : Coulombs/secL’intensité du courant qui traverse un canal : I = V/R (la loi d’Ohm)

Iion= (Vm- Eion)/R canal

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DETERMINATION DU POTENTIEL DE REPOS:

Les gradients de concentration ionique sont établis par l’intermédiaire de deux pompes ioniques situées dans la membrane neuronale : pompe ATPase sodium –potassium dépendante et la pompe ATPase calcium dépendante. -La pompe calcium : qui transporte activement les ions Ca++ en dehors du cytoplasme, à travers la membrane cellulaire.-La pompe sodium –potassium /ATP ase est un enzyme 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 .Ainsi la différence de concentration persiste et le potentiel de membrane également, les flux nets de ces 2 ions au repos sont nuls.

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la pompe Na+/K+/ATPase se compose de deux protéine globulaires de PM= 100 000Daltons , dont la partie externe aurait 3 sites de liaison : 2 sites pour les ions K+ et un site pour l'ouabaïne (bloquant de la pompe). - la partie interne de la protéine, située vers le cytoplasme de la cellule, porterait le site de liaison de l'ATP et 3 sites de liaison pour les ions Na+. Chaque fois que 3 ions Na+ sont expulsés de la cellule, 2 ions K+ entrent dans la cellule.

cette sortie de Na est bloquée dès que l'on ajoute à la préparation , le dinitrophénol , un inhibiteur du métabolisme ( de la production d'ATP) . Inversement, elle reprend si, à cette même préparation, on ajoute de l'ATP. On dit que la pompe est électrogène

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Les potentiels d'équilibre des ions K+ (EK) et Na+ (ENa) restent donc constants. Le potentiel de membrane (Vm), qui va s'établir, est donc intermédiaire entre les potentiels d'équilibre des deux ions, soit entre EK (-87 mV) et ENa (+ 60 mV).

Le potentiel de membrane de la cellule (Vm) atteindra un état stable quand le flux net des charges (K+ & Na+) passant à travers la membrane sera nul: INa + IK = 0. Iion) = gion (Vm – Eion)

-IK = gK (Vm - EK) ; INa = gNa (Vm - ENa) Quand : INa + IK = 0.

gK (Vm - EK) + gNa (Vm - ENa) = 0 Vm = (gK . EK + gNa . ENa) / (gK + gNa)

Supposons a = gNa/gK : Vm = (EK + a. ENa) / (1 + a)

Vm = -60 mV, EK = -87 mV et ENa = + 60 mV , Vm = (EK + a. ENa) / 1 + a , on a donc a = 0.2, et que a = gNa/gK , a x g K = g Na ;

ce qui signifie que la conductance des ions K+ est 5 fois plus grande que celle des ions Na+ soit : gK = 5. gNa. ( parceque a = 0.2) la membrane neuronale au repos , la conductance membranaire des ions K+ (gK) est plus grande que celle des ions Na+ (gNa).

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Le potentiel d’équilibre EK+ = -87mV , E Na+ = 60mV un rapport de 2 x (-87 ) = 3 x ( + 60 ) a l’équilibre : 2 ions K+ contre 3 ions Na+-La cellule nerveuse aurait tendance à se vider de son K+ et à se remplir de Na+ -la pompe ATPase Na –K dépendante ( transporte 2 K+ contre 3 Na+)

Dans la majorité des cellules au repos, il y a beaucoup plus de canaux K+ que de canaux Na+ ouverts. La membrane neuronale au repos étant essentiellement perméable à K+, le potentiel membranaire est proche de Ek+

le gradient électrochimique potassique (Vm - EK = + 27 mV) est beaucoup moins important que le gradient électrochimique sodique (Vm - ENa = - 120 mV)

la membrane neuronale au repos , la conductance membranaire des ions K+ (gK) est plus grande que celle des ions Na+ (gNa).

Si l’on considère que plusieurs ions sont impliqués (Na+, K+, Cl-, et Ca++), le potentiel de repos (VR) stable de la membrane est obtenu lorsque la somme de tous les courants ioniques est nulle.

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Le Potentiel d’Action Le potentiel de Repos :Le potentiel membranaire est la différence de potentiel ou de tension mesurée entre la face externe et la face interne de la membrane d'un neurone .Cette différence de potentiel est égale à environ -75 mV (millivolts)

Caractéristiques du Potentiel d’action ( P.A) :Lorsqu'un axone se dépolarise, il apparaît un P.A, pour une certaine valeur du potentiel de membrane appelée "valeur seuil . Lorsque la dépolarisation de la membrane dépasse le seuil, elles génère des PA. Si le seuil de dépolarisation n'est pas atteint, le P.A n'apparaît pas. Cette valeur seuil représente le potentiel membranaire auquel un nombre suffisant de canaux sodiques dépendants du potentiel s’ouvrent , de sorte que la perméabilité ionique de la membrane soit en faveur du sodium.

A partir de la valeur seuil de dépolarisation, toute augmentation ultérieure de l'amplitude de la stimulation n'apporte aucun changement dans la réponse observée : le PA obéit à la loi du tout ou rien.

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Déclenchement des potentiels d’action en réponse à des stimulations isolées sur une fibre isolée

Les stimulations sont d’amplitude croissante : S1 < S2 < S3 P.A. : potentiel d’action Cas des stimulations :Si l’intensité de la stimulation est trop faible : S1 et S2 , Leur amplitude est trop faible pour générer un PA , On dit qu’elles sont inefficaces (pas de réponse), la stimulation est dite infraliminaire (car < au seuil).Si l’intensité de la stimulation est suffisamment efficace  : stimulation S3 , Elle est efficaces → genèse d’un PA, la stimulation est dite liminaire (=au seuil) ou supraliminaire (car > au seuil) .Le P.A. garde les mêmes caractéristiques quelle que soit l’amplitude de la stimulation : il répond à la loi du tout ou rien.

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la valeur seuil de la dépolarisation initiale qui déclenche la survenue d'un PA peut être atteinte de deux façons :

Au niveau des synapses excitatrices, les neuromédiateurs libérés par les terminaisons pré -synaptiques, qui se lient sur des récepteurs spécifiques post synaptiques (les récepteurs-canaux) induisent des dépolarisations locales (PPSE) dans les éléments post synaptiques. Au niveau des neurones, les PPSE se propagent jusqu'au segment initial , zone particulière où naissent les PA.

Au niveau des récepteurs sensoriels, un stimulus extérieur provoque une variation de potentiel local appelée "potentiel de récepteur", qui, s'il est une dépolarisation d'amplitude suffisante, déclenche la survenue de PA.

Cette dépolarisation initiale est nécessaire à l'ouverture des canaux Na+ Vm dépendants, ouverture qui induit un processus régénératif (phase ascendante du PA). 

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Les différentes phases du P.A

Le potentiel d’action est une variation transitoire du potentiel membranaire déclenchée suite à une stimulation, formée au niveau du cône d’émergence et dont la propagation est axonique, unidirectionnelle, avec une intensité qui ne diminue pas avec la distance.

Au niveau des axones , une grande concentration de canaux sodique voltage dépendant qui sont responsable de la propagation du potentiel d’action. Le potentiel d’action se décompose en différentes phases :

-une phase rapide de dépolarisation durant laquelle le potentiel intracellulaire perd sa négativité et devient positif, suivie par une phase de repolarisation , relativement lente, au cours laquelle la membrane recouvre sa polarité négative.

A la fin de la repolarisation , une phase hyperpolarisation, la membrane atteint temporairement des valeurs plus négatives que la valeur de son potentiel de repos.

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1-La dépolarisation :La phase ascendante du potentiel d'action est due à l'ouverture de canaux Na+ sensibles au voltage . qui entraîne une réduction du potentiel membranaire. L’intérieur de la membrane est moins négatif et le potentiel s’approche de 0.Cette phase est inhibé par l’addition dans le milieu de tétrodotoxine(TTX) , une toxine qui bloque le pore perméable aux ions Na+, en se liant à un site spécifique situé à l’extérieur du canal sodique, supprime le passage des ions Na+ et empêche toute dépolarisation ( pas de P.A) . - Pour une certaine valeur du potentiel de membrane (Vm = - 55 mV , valeur seuil), la dépolarisation membranaire provoque une ouverture rapide des canaux Na+- Vm dépendants ce qui entraîne une entrée brutale de Na+ dans la cellule. Les canaux sodiques sont ouverts ( gNa sup. g k+), une force électromotrice s’exerce sur les ions Na+ qui pénètrent rapidement dans le neurone, ce qui entraîne une variation du Vm qui tend vers ENa+. Le pic du PA n'atteint pas exactement le potentiel d'équilibre des ions Na+(ENa+= + 60 mV) car, très vite, les processus mis en jeu lors de la phase descendante du PA entrent en jeu.

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Deux facteurs limitent la durée du PA : (a) la dépolarisation finit par inactiver graduellement les canaux Na+ (les canaux se referment bien que la membrane reste dépolarisée : ils s'inactivent) ce qui induit, avec un certain délai, (b) l'ouverture de canaux K+ Vm dépendants (> + 20 mV : p0 d'ouverture maximale). Ce délai d'ouverture leur vaut le nom de canaux K+ de la "rectification retardée

Dépolarisation

Entrée de Na+

Hyperpolarisation

tardive

Repolarisation

Sortie de K+

Potentiel de repos

Potentiel d’action

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Les différentes phases du Potentiel d’Action : la conductance ionique

Hyperpolarisation

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2-La repolarisation :Dans un milieu externe contenant du le tétraéthyl ammonium (TEA) à une dose suffisante pour que les canaux potassiques soient bloqués, la repolarisation apparaît beaucoup plus tardivement et la durée du potentiel d’action est fortement augmenté. On observe pas la phase hyperpolarisation car les canaux K+ sont bloqués. La phase descendante revient directement à Vm.Dans un milieu contenant à la fois de la pronase ( empêche l’inactivation des canaux Na+ ) et du TEA , le potentiel de membrane ne revient pas à son niveau de base et la membrane reste dépolarisée. La phase de repolarisation résulte de l'association de l'inactivation des canaux sodiques  et l’activation des canaux K+.  Cet effet conjugué ramène le potentiel de membrane à son niveau négatif de repos, de telle manière que Gk+ sup à g Na+. Pendant cette phase , la membrane est fortement dépolarisée,les canaux sodiques sont inactivés , une puissante force électromotrice pousse les ions K+ hors de la cellule à travers les canaux plus ou moins décalé dans le temps avec un délai de 1ms, et le potentiel de la membrane redevient négatif. La sortie d’ions K+ permet alors d’amener le Vm vers E K+.

La forte sortie des ions K+ conduit temporairement le potentiel à des valeurs plus polarisées que le potentiel de repos.

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3-hyperpolarisation :

les canaux potassiques , ouverts sous l’influence de la dépolarisation, augmentent la perméabilité de la membrane au K+.Le potentiel de membranaire tend vers EK+ ce qui entraîne une hyperpolarisation par rapport au potentiel de repos, jusqu’à ce que les canaux K+ se referment . Le nombre de canaux K+ ouverts diminue progressivement et le potentiel de membrane revient à son niveau initial .Il y a dès lors intervention des pompes Na+/K+ pour rétablir les concentrations ioniques et le potentiel de membrane revient à son niveau initial.

Période réfractaire absolue : Les canaux sodiques ont été inactivés pendant la repolarisation, leur réactivation et la génèse d’un autre P.A ne sont plus possibles tant que le potentiel de la membrane n’est pas suffisamment négatif pour réactiver ces canaux

Période réfractaire relative : Le potentiel membranaire est hyperpolarisé tant que les canaux potassiques sont ouverts., un stimulus peut produire un second potentiel d’action seulement si son intensité est nettement plus grande que le seuil

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La conduction du Potentiel d’Action :

Les ions Na+ entrant dans le cytoplasme vont chasser les cations intra-cytoplasmiques les plus abondants (en l'occurrence les ions K+ : 2 charges de même signe se repoussent), qui vont conduire le courant à l'intérieur de l'axone, entraînant, à distance du point où est né le PA, une dépolarisation membranaire locale.

Si, à ce niveau, les canaux Na+ Vm dépendants sont en concentration suffisante et que la dépolarisation locale est assez forte, il y aura émission d'un autre PA ("conduction régénérative"). Le P.A se propage et ne peut revenir en arrière du fait de l'inactivation des canaux Na+. Emis en un point de l’axone ,  le PA se propage sans atténuation tout au long de la fibre. La propagation de la dépolarisation locale dépend donc du diamètre de l'axone.

Nœud de Ranvier

Il existe sous la myéline, des canaux potassiques, normalement peu fonctionnels, mais qui, en cas de démyélinisation, bloquent la conduction nerveuse , d’autant qu’il n’existe pas de canaux sodiques entre les nœuds de Ranvier. Les Noeuds de Ranvier constituent les seuls endroits où le transfert d'ions  (canaux Na+ Vm dépendants : plusieurs milliers par µm2) .Tous les canaux Na+ sont concentrés dans les Nœuds de Ranvier, et le potentiel d’action se régénère au niveau de chaque étranglement de Ranvier et leur propagation s’effectue en sautant d’un nœud à l’autre (conduction saltatoire).

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Si un potentiel d'action est émis au niveau du corps cellulaire d'un neurone, il va se propager sans s'atténuer tout le long de l'axone vers les arborisations terminales où le potentiel d’action peut être transmis, à travers la synapse, à un autre neurone ou à un effecteur, et éventuellement pouvoir provoquer la libération d'un neuromédiateur à la terminaison axonale.

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-la charge minimale qui déclenche un PA (stimulation dite liminaire),.- Un échelon de courant de durée très longue doit avoir une intensité minimale pour permettre d’atteindre le seuil de dépolarisation = rhéobase Chronaxie = durée minimale pour provoquer l’apparition d’un potentiel d’action d’un échelon de courant d’intensité double à la rhéobase

Relation intensité-durée de stimulation

courant sous liminaire

courant supra liminaire déclenchant Pot Action

Références bibliographiques :-Sylvain BARTOLAMI,-LES CELLULES DE SCHWANN : Un exemple glialUniversité Montpellier II.

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-J. Le Houelleur, Cours de NEUROBIOLOGIE CELLULAIRE(Université Montpellier II) Chapitre I - LA NEUROPHYSIOLOGIE CELLULAIRE.

- Hammond.C et Tritsch.D, Neurobiologie cellulaire, DOIN Editeurs, 1990.

-J-M MIENVILLE), NEUROBIOLOGIE .

-Jean-Sebastien SCHONN, Mécanismes de la sécrétion régulée des hormones et des neurotransmetteurs ; UNIVERSITE PIERRE & MARIE CURIE (Paris VI) Ecole Doctorale Inter///Bio ,mémoire de THESE , 2003).

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