Biophysique cellulaire CM7-8 PDF

Biophysique =cellulaire CM7  Biophysique Cellulaire I_ Biophysique cellulaire dans la cellule, la membrane et le transport membranaire La cellule La cellule est formée de : la membrane cellulaire le cytoplasme Le noyau Les organes cellulaire : réticulum...

Biophysique =cellulaire CM7  Biophysique Cellulaire I_ Biophysique cellulaire dans la cellule, la membrane et le transport membranaire La cellule La cellule est formée de : la membrane cellulaire le cytoplasme Le noyau Les organes cellulaire : réticulum endoplasmique, mitochondries, appareil de Golgi, lysosomes et peroxysomes. La cellule vivante contient : substances organiques : protides, lipides, glucides. Substances inorganiques : - molécules, ions : en état gazeux (Na+, K+, Cl-, Ca2+) et en état gazeux (O2, N2, H+, O 2-) - eau * Les propriétés physiques de la cellule La pression osmotique : au plantes, elle varie entre 1 et 200 atm Au animaux, l’intervalle de variation est plus court/restreint (pour om 7?6 atm). 3 La densité du cytoplasme : 1,03 - 1,05 g.cm - L’élasticité du cytoplasme : différente de celle du noyau Augmente en présence de sels de potassium (K) diminue en présence de sels de sodium (Na). La viscosité du cytoplasme : η = 10- - 10 32 N.s.m - dépends du : type de cellules, de l’âge de la cellule, la température, l’intensité de la lumière, le pH. Le pH : dépends du type de cellules : - cytoplasme : pH entre 5 et 6 - noyau : pH entre 4 et 5 - vacuoles digestives (chez protozoaires) : pH de 5,5 à 8,5 Les membranes biologiques Ce sont des complexes composés de protéines et lipides qui forment des structures bidimensionnelles (feuilles) avec un rôle dans la compartimentation de la matière vivante. Caractéristiques : épaisseur entre 40 - 130 Å Représentent 10-20% de la masse de la cellule Ont une perméabilité sélective. * Le rôle des membranes biologiques définissent l’espace dans laquelle ont lieu les processus métaboliques (réactions chimiques) Assurent la compartimentation et l’anisotropie de la matière vivante Régulent les échanges de substances des cellules Règlent les propriétés du milieu cytoplasmique par les phénomènes de transport : la tonicité, le pH, la viscosité. Les membranes sont impliquées dans : la conversion d’énergie dans les cellules La réception de stimulus externes La propagation de signaux dans le système nerveux. * La structure de la membrane Le modèle pour la structure de la membrane est celui d’une strate double (bicouche). * La composition de la membrane Lipides et protides (composants majeurs) : le pourcentage de protéines varie : - 25% dans les membranes de la gaine de myéline - 75% dans la membrane interne mitochondriale. Glucides (composant mineur et variable) : 1-2% à 10-15% et peuvent être liés aux lipides (glycolipides) ou aux protéines (glycoprotéines). Eau : environ 20% de la masse totale Ions (Ca 2+, Mg 2+) Dans le plasmalemme, le pourcentage de lipides et de protéines est approximativement égal. * Les protéines donnent la bonne fonctionnalité de la membrane f I Interviennent dans le transport passif et actif Ont des fonctions enzymatiques ou des récepteurs. 2 catégories de protéines membranaires : protéines extrinsèques ou périphériques Protéines intrinsèques ou intégrales Certaines membranes contiennent 1-3 protéines majeures : le segment externe de bâtonnets de la rétine contient une seule protéine majeure - rhodopsine La myéline contient 3 protéines majeures. D’autres membranes ont de multiples protéines différentes : cas des membranes mitochondriales. * Le cytosquelette Il forme un réseau complexe de filaments protéiques constitué de filaments d’actine, filaments intermédiaires (fibres insolubles, résistantes et extrêmement stables) et microtubules, qui s’étend dans tout le cytoplasme et permettant les déplacements d’organites. * Le glycocalyx C’est l’enveloppe cellulaire formée de glycoprotéines et glycolipides de la surface extérieure des membranes. * Les lipides Les lipides comprennent : les phospholipides Le cholestérol Les glycolipides. Le rapport quantitatif entre ces composants est 15 : 5 : 1. Les lipides membranaires sont amphiphiles ou amphipathiques. Amphipathique, amphiphile et amphi polaire (termes synonymes) : désignent une (généralement organique) portant à la fois un groupement hydrophile (pouvant se lier à l’eau) et un groupe hydrophobe ( « qui n’aime pas l’eau »). Les molécules phopholipidiques sont disposés dans une strate double (bicouche) => structure d’une membrane cellulaire, montrant 2 couches de molécules amphiphiles. Ces phospholipides ont une partie hydrophile (groupement phosphaté, la tête représenté en jaune) et 2 acides gras hydrophobes (les queues). Dans un milieux aqueux de part et d’autres, ces molécules s’organisent en 2 couches. Sur la base de l’effet hydrophobe de lipides et de protéines, ces structures sont quasi- fluides et déformables. * Déplacement des molécules dans la membrane Dans la mosaïque fluide de protéines de la double couche lipidique : les composants moléculaires peuvent se déplacer dans le même sens de la diffusion dans le plan de la membrane Les protéines peuvent se déplacer en latéral ou elles peuvent tourner autour de l’axe propre, dans les lipides de la double couche. Le modèle explique : les fonctions du transport Les effets de certains médicaments sur la membrane. * La perméabilité de membranes cellulaires Les mécanismes de transport par les membranes dépendante : de la nature de la substance transportée du type de cellules Du grade d’implication active de la cellule dans les mécanismes du transport. Le transport par la membrane * En fonction de la taille de molécules Les grandes particules : avec la rupture locale de l’intégrité de la membrane. Les petites particules : avec la conservation de l’intégrité de la membrane. * En fonction de la consommation énergétique Transport passif : sans aucune dépense énergétique de la part de la cellule Dans le sens du gradient chimique ou électrochimique Transport actif : avec une dépense d’énergie métabolique Contre le gradient chimique ou électrochimique  Le transport de substances par la membrane est assuré par des forces thermodynamiques (gradient de concentration, de pression). Exemple : diffusion, osmose. L’énergie du gradient de concentration : concentrato au niveau des 2 ~ côtés de la membrane Ec = R. T. log(C1 / C2) L’énergie du gradient électrique est : de de Faraday En = m. F. Em entre les valence de lion = de potentiel 2 côtés de la mb La somme des 2 énergies s’appelle potentiel électrochimique. * Le transport de substances par les protéines de transport Systèmes uniports : 1 seule substance est transportée d’un côté à l’autre de la membrane. Systèmes cotransports : le transporteur d’une substance est lié au transport d’une autre substance. - dans le même sens : symport - en sens contraire : antiport Le transport passif Les substances transportées passifs peuvent être : solubles dans les lipides Insolubles dans les lipides Les substances solubles dans les lipides : vont se dissoudre premièrement dans la membrane cellulaire puis dans la phase aqueuse de l’intérieur de la cellule (cytoplasme). Les substances insolubles dans les lipides : sont transportées conformément aux lois de Fick, de l’osmose et au phénomène Donann.  1) la diffusion simple par la bicouche lipidique : les substances liposolubles diffusent conformément au coefficient de partition entre l’huile et l’eau. Les gaz : le flux de substances est donné par la loi de Fick. La vitesse de diffusion : dm = P S(G C). - dt 2) la diffusion facilitée : une substance S est transportée par un transporteur « x » Forme le complexe xS, soluble dans la membrane Le complexe xS peut traverser la membrane par diffusion. Le transport de la substance S se fera dans le sens du gradient de concentration. * Exemple : La diffusion facilitée par les peptides Un ionophore : est une molécule hydrophobe qui s’insère dans la membrane plasmique et augmente sa perméabilité aux ions. On distingue deux types d’ionophores : les transporteurs ioniques mobiles Les ionophores formant un canal. Ils ne sont pas couplés à une source d’énergie donc le transport des ions ne peut se faire que dans le sens de leur gradient chimiosmotique (transport passif facilité). * La protéine membranaire avec rôle transporteur Elles ont des lieux spécifiques de liaison (site de fixation) pour les substances à transporter. La vitesse de transport est maximale quand tous les lieux de liaison sont occupés. Elle sont soumises au phénomène de compétitivité : d’autres molécules semblables à la substance S peuvent être transportés par le même transporteur. Le transport est influencé par la température. * La diffusion simple facilitée par une protéine-canal Les protéines-canal peuvent être : ouvertes en continu Ouvertes ponctuellement (canal porte) L’ouverture et la fermeture d’un canal porte peuvent être déclenchées par : un ligand Le voltage L’augmentation de la concentration intracellulaire de certains ions. * Le transport de gaz, de l’eau, d’électrolytes et de non-électrolytes Transport de gaz : Il se réalise par la diffusion du fait de la différence de pression des 2 côtés de la membrane. Exemple : l’oxygène (O2) passe : - de l’air alvéolaire vers l’air du sang veineux - du sang artériel vers les tissus dans le processus d’oxygénation de tissus. le CO2 passe dans le sens inverse, alors le sang artériel devient sang veineux.  Transport de l’eau : Il se réalise par osmose du fait de la différence de pression osmotique due aux substances macromoléculaires). Transport de non-électrolytes : Il se fait en fonction de leur grade de solubilité. Transport d’électrolytes : Les électrolytes se dissocient en ions dans le milieu aqueux. Les ions qui en résultent ont des différences de mobilités dues au phénomène d’hydratation. La membrane est imperméable pour les anions organiques avec de grande molécule. Il y a séparation des charges électriques sur les 2 côtés de la membrane et il apparaît un gradient de potentiel. Le gradient de potentiel et le gradient de concentration déterminent le déplacement des ions. * La diffusion avec présence d’ions non-diffusible : équilibre de membrane Donnan Si les solutions 1 et 2 contiennent seulement des ions diffusibles : Les ions diffusibles vont se distribuer de manière que le produit de concentration des ions sur les 2 côtés de la membrane soit égal : phénomène d’équilibre de membranes de Donnan. Exemple : solutions de NaCl avec concentrations C1 > C2  À l’équilibre, le travail mécanique est 0 ( le transfert des ions cesse). Conformément à l’équation de Nernst (en considérant le travail mécanique de diffusion purement de nature chimique) : À l’équilibre, le produit de concentrations des ions diffusibles sur les 2 côtés de la membrane est égal. Si dans les 2 compartiments, on ajoute un macro ion (pour lequel la membrane est imperméable) : Il se produit une distribution inégale des ions diffusibles. Dans l’état initial, le système est neutre du point de vue électrique. Le gradient de concentration en ions diffusibles va déclencher la diffusion des ions du compartiment 1 vers le compartiment 2.  Avec x = la quantité d’ions Na+ et Cl- qui ont diffusés => la diffusion se fait par pair, pour ne pas détruire l’électro-neutralité des phases. Compartiment 1 : Compartiment 2 : À l’équilibre osmotique : Mais : Avec la présence de macro-ions colloïdaux : les ions diffusibles vont avoir une répartition inégale sur les 2 côtés de la membrane. Du côté des macro-ions, il y aura une concentration des ions diffusibles de signe contraire à celui de macro-ion. Ce processus s’appelle le phénomène Gibbs-Donann et il explique le rôle de la membrane dans les processus bio-électriques. Le transport actif * L’activité électrique L’activité électrique de la cellule est déterminée par les ions de l’espace intracellulaire et extracellulaire (Na+, K+, Cl- et des ions organiques). Dans le milieu extracellulaire : Na+, Cl- et K+ sont en concentration de 150 mM, 125 mM et de 5 mM respectivement. Dans le milieu intracellulaire : Na+, Cl- et K+ sont en concentration de 15 mM, 14 mM et 150 mM respectivement. * Nécessite de l’énergie Le transport actif de substances par les membranes biologiques nécessite de l’énergie. La source d’énergie dans ces transport est l’ATP. Parmi les protéines membranaires ATP-ases identifiées, il y a : ATP-ase (Na+, K+) ou la pompe sodium-potassium : présente dans le membrane plasmique, c’est la pompe active la plus importante ATP-ase de Ca 2+ : présente spécialement dans la membrane du réticulum endoplasmique ATP-ase (H+, K+ ) : identifiée dans les cellules de la muqueuse gastrique ATP-ase de H+ ou la pompe à protons : dans la membrane mitochondriale. La théorie la plus acceptée est la théorie du transport actif basé sur l’hypothèse de pompes ioniques. Le modèle le plus accepté est le modèle de transporteurs membranaires. * Par l’intermédiaire des pompes ioniques Le transport actif par l’intermédiaire des pompes ioniques va expliquer : l’asymétrie de la distribution des électrolytes sur les 2 côtés de la membrane Certains processus biologiques : - la sécrétion et l’absorption au niveau du tracte gastro-intestinal - la création de l’urine par les reins II_ Bioélectrogenèse Le potentiel de repos des cellules * Principe Les ions de Na+, K+, Cl- (diffusibles) dans l’espace intracellulaire et extra cellulaire se sont répartis dans des concentrations inégales. Les substances macromoléculaires restent à l’intérieur de cellules (dans le cytoplasme). La différence de concentration ionique sur les 2 côtés de la membrane va induire une différence de potentiel électrique. * Le potentiel de repos Dans l’état non excité : Les cellule présente une différence de potentiel électrique de -90 mV à -70 mV nommée le potentiel de repos. La cellule est chargée positivement sur la surface externe et négativement sur la surface interne. Le potentiel de repos dépend : du type de cellule investit De l’état fonctionnelle de la cellule De la composition du milieu extracellulaire. * Le potentiel électrochimique La distribution des ions est la conséquence du transport ionique transmembranaire passif ou actif. Le transport passif est déterminé par : les gradients de concentration Le potentiel électrique transmembranaire L’énergie totale (potentiel électrochimique = Eec) d’une mole des ions touchés par les 2 gradients, est donnée par la formule : concentration des ions valence de l'on dans milieu intracellulaire & Exc = RT en. (). f Em + n potentie dem concentration des ions/ de de fanaday 96500C dans milieu extracellulaire = Chaque ion va se déplacer dans un sens ou un autre jusqu’à Eec = 0. Si Eec = 0, il résulte de l’équation de Nernst : on peut calculer la différence de potentiel (Em) entre 2 compartiments qui contient des solutions avec des différences de concentration du même ion. Em =RT en ( Conformément à l’équation de Nernst, les valeurs de potentiels électriques données par chaque ions sont : E (K+) = - 95 mV E (Cl-) = - 90 mV E (Na+) = + 65 mV  Si la répartition des ions se fait seulement par le transport passif, les potentiels électriques crées par chaque ion détermineraient une différence de potentiel de repos différente de celle calculée par l’expérimentation. Pour les anions organiques (qui ne peuvent pas se déplacer), on ne peut pas appliqué l’équation de Nernst. Les ions K+ et Cl- ont la valeur de leur potentiel électrique très proche de la valeur du potentiel de repos, contrairement aux ions Na+. Il en résulte que : la répartition des ions K+ et Cl- est due exclusivement au transport passif La distribution des ions Na+ présume aussi l’existence d’un transport actif Le potentiel déterminé par les ions Na+ ne va pas correspondre à la valeur déterminée par l’équation de Nernst. Cette non concordance n’est pas encore complètement expliquée. On utilise l’équation de Goldman pour le calcul du potentiel membranaire : Em =RT. InPeen 1 * Le circuit électrique de la membrane Le potentiel de membrane et les courants électriques véhiculés par les flux ioniques peuvent être décrits en représentant le circuit électrique équivalent de la membrane. Cm = capacité spécifique membranaire E(K), E(Na), E(Cl) = potentiels d’équilibre électrochimiques de chaque ion R(K), R(Na), R(Cl) = résistance de chaque ion On peut calculer le potentiel de la membrane Em en appliquant les lois d’Ohm :  On remplace les résistances Ri par les conductances Gi : Gr xER + + GNa + X ENat +o Gce-XEce- D’où : + Em = Gr + + GNat + Gce- La mesure du potentiel de membrane de la fibre nerveuse en utilisant une microélectrode Le potentiel d’action * Phénomène bioélectrique du processus d’excitation biologique L’excitabilité biologique : représente la propriété de structures excitables de répondre à un stimulus. Le processus d’excitabilité sera toujours accompagné par un phénomène bioélectrique. Cette fonction : est réalisée par les impulsions nerveuses produites par des stimulations. se manifeste par la production du potentiel d’action * Action d’un stimulus Sous l’action d’un stimulus : dans la zone excitée, après une période de latence (AB), il y a une dépolarisation de la membrane qui se produit, jusqu’à - 55 mV La perméabilité membranaire se modifie La perméabilité augmente en particulier pour les ions Na+ (ions qui vont , en grand nombre, entrer dans la cellule) À un moment donné (la cellule se décharge), la polarisation s’inverse (BC) jusqu’à + 30 mV (point C) par rapport au liquide interstitiel La perméabilité pour les ions Na+ diminue brusquement dans le point C. La membrane devient perméable aux ions K+ qui sortiront de la cellule vers le milieu interstitiel La perméabilité de la membrane pour les ions K+ revient à la valeur normale après le rétablissement de la polarisation initiale de la membrane (CDE) Le rétablissement de l’équilibre ionique initial se fait par l’intensification de l’activité des pompes ioniques, Na+ sort de la cellule et K+ va être réintroduit dans la cellule. * Propriétés L’amplitude totale du potentiel d’action est : 120 - 130 mV La durée : 0,5 - 2 ms Les post-potentiels positifs et négatifs sont l’expression électrique du métabolisme cellulaire de reconstitution. Dans la phase réfractaire absolue, la structure excitable ne répond plus à l’action d’une 2e stimulus. Dans la phase réfractaire relative, la structure excitable peut être stimulée, au début par des forts stimulus, après par des stimulus moins intenses. Une petite stimulation/stimulus produit une seule onde électrique et de courte durée. Dans la période d’excitation, les processus métaboliques s’intensifient. * Propagation de l’excitation dans les fibres nerveuses La conductibilité : propriété des structures excitables de pouvoir propager l’excitation. Dans un tissu excité, il y a une différence de potentiel qui apparaît entre la surface de la zone excitée (qui devient électronégative) et la surface de la zone encore en repos (qui est électropositive). Ils vont se créer des courants locaux (courants Hermann) avec le sens de la zone positive vers la zone négative, sur les 2 côtés de la membrane (interne et externe) : le potentiel de la zone inactive va se réduire Le potentiel de repos se transforme en potentiel d’action au moment où la dépolarisation arrive au niveau de la production de l’excitation.  le processus se répète successivement dans chaque point de la membrane potentiel d’action se propage de plus en plus près, dans toutes les directions avec une vitesse constante. La propagation du potentiel d’action dans les 2 directions de la fibre. Le neurone : la gaine de myéline = isolateur électrique Elle est interrompue approximativement tous les 2 mm dans les noeuds Ranvier. La conduction de l’excitation de plus en plus près est remplacé par conductibilité « sauté » de l’excitation.  La fibre musculaire conduit l’excitation avec une vitesse de 0,1 à 0,3 m/s. Les fibres de myéline conduisent l’influx nerveux avec une vitesse qui peut atteindre 20 m/s. La vitesse de conduction de l’impulsion varie directement proportionnellement avec le diamètre de la fibre. La vitesse de conduction de l’influx nerveux (v) en fonction du diamètre des fibres (d) * L’évaluation quantitative de l’excitabilité La courbe intensité - durée L’excitabilité : =? E tempsdepasen résistance ohmique du courant du circuit intensité du courant * Bioélectro-genèse des tissus et organes L’électrocardiogramme : enregistre les potentiels d’actions générés par l’activité du cœur. Dans la représentation graphique, chaque cycle cardiaque présente une succession de 5 ondulations notés par Eindhoven P, Q , R, S, T : P, R, T sont positives Q et S sont négatives Q n’est pas toujours présente Parfois il y a une 6e onde qui apparaît, l’onde U (petite et positive) après l’onde T.  Électrocardiogramme normale P = activité auriculaire Q , R, S = dépolarisation ventriculaire T = repolarisation ventriculaire On trouve 4 intervalles : P-Q et Q-T = intervalles systoliques T-P = intervalle diastolique R-R = intervalle entre 2 cycles (période cardiaque)  Électrocardiogramme normale pour le cheval Électrocardiogramme de cheval avec tachycardie Électrocardiogramme de cheval avec arythmie  Lé neurogramme : enregistrement graphique de potentiels d’action dus à l’excitation des nerfs. L’électromyogramme : enregistrement de l’activité électrique des muscles squelettiques produite pendant la contraction musculaire. L’électromyographie enregistre aussi la réponse de l’activité bioélectrique à l’application d’un stimulus : stimule détection, utilisée dans le cas d’atrophie musculaire. On peut mesurer la vitesse de conduction d’une impulsion nerveuse/d’influx nerveux. Le rétinogramme : enregistrement de potentiels électriques qui apparaissent entre la face antérieure et postérieure de l’œil, en réponse à une stimulation lumineuse. L’électroencéphalogramme : utilisé dans l’analyse de l’activité du cortex cérébral par l’enregistrement des différences de potentiels générés par les cellules cérébrales. On distingue : ondes α avec une fréquence de 8 à 14 cycles/s ondes β avec une fréquence de 14 à 60 cycles/s ondes δ avec une fréquence inférieure à 8 cycles/s ondes γ n’ont pas de signification biologique.  Électroencéphalogramme dans différentes formes de sommeil Dans le cas où on enregistre des anomalies de l’activité électrique du cerveau, on peut découvrir des lésions cérébrales.