Cours 8 Physique - Transport Actif. Bioélectrogénèse 1 PDF

Biophysique celullaire Biophysique celullaire  Le transport actif Bioélectrogenèse Le potentiel de repos de cellules Le potentiel d’action de cellules  Le transport transmembranaire actif L’activité électrique de la cellule est déterminée p ar l e s i o ns d e l ’e sp ac e i nt...

Biophysique celullaire Biophysique celullaire  Le transport actif Bioélectrogenèse Le potentiel de repos de cellules Le potentiel d’action de cellules  Le transport transmembranaire actif L’activité électrique de la cellule est déterminée p ar l e s i o ns d e l ’e sp ac e i ntrac e l l ul ai re e t e x t ra c e l l u l a i r e ( N a + , K + , C l - e t d e s i o n s organiques). Dans le milieu extracellulaire: Na+ , Cl - et K + sont en concentration de 150 mM, 125 mM et respectivement de 5 mM. Dans le milieu intracellulaire: Na + , Cl - et K + sont en concentration de 15mM, 14 mM et respectivement de 150 mM Le transport actif de substances par les membranes biologiques nécessite de l’énergie. La source d’énergie dans ces transports est ATP. Parmi les ATP-ases identifiées sont: ATP-ase (Na + , K + ) ou la pompe de sodium - p o t a ssi um – p ré se nt e d a ns l a m e m b ra ne plasmatique, la plus importante pompe active ATP-ase de Ca2+ - présente spécialement dans la membrane du réticulum endoplasmique ATP-ase (H+/K+) – identif iée 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 model le plus accepté est le model de transporteurs transmembranaires. Milieu extracellulaire Na+ K+ xNa + y yK + Membrane enzyme ATP x Na + x y y K+ Milieu intracellulaire ADP+ P K+ Le transport actif par l’intermédiaire des pompes ioniques va expliquer: l’asymétrie de la distribution des électrolytes sur les deux cotés de la membrane certains processus physiologiques: - la sécrétion et l’absorption au niveau du tracte gastro-intestinal - la création de l’urine par le reins  Bioélectrogenèse Le potentiel de repos des cellules Le potentiel d’action des cellules  Le potentiel de repos des cellules Les ions de Na+, K +, Cl- (diffusibles) dans l’espace intracellulaire et extracellulaire se sont répartis dans des concentrations inégales Les substances macromoléculaires restent à l’intérieur de cellules (dans la cytoplasme) La différence de concentration ionique sur les deux cotés de la membrane va induire une différence de potentiel électrique.  Dans l’état non excitée La cellule présente une différence de potentiel électrique de (-90 , -70) mV nommée le potentiel de repos. La cellule est chargée positif sur la surface externe et négatif sur la surface interne Le potentiel de repos dépends de: - type de cellule investiguée - l’état fonctionnelle de la cellule - la composition du milieu extracellulaire  La distribution de 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’un mol de ions touché par les deux gradients, est donnée par la formule: ci E ec  R T ln  nF E m ce n – valence de l’ion F = 96500 C – constante du Faraday Em – potentiel de membrane ci , ce – les concentrations des ions dans le milieu intracellulaire et respectivement extracellulaire Chaque ion va se déplacer dans un sens ou autre jusqu’au quand E ec = 0

Si Eec = 0 il résulte l’équation du Nernst; on peut calculer la différence de potentiel (Em) entre deux compartiments qui contient des solutions avec des différents concentrations du même ion. RT ce Em  ln nF ci Conformément à l’équation du Nernst, les valeurs de potentiels électriques données par chaque ion sont: EK+   65 =E - 95  mV; 90 E Cl Na mV; mV. Si la répartition des ions ferait seulement par le transport passif, les potentiels électriques crées par chaque ion auraient déterminé 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 du Nernst. L e s i o ns K + e t C l - o nt l a v al e ur d e l e ur po t e nt i e l s électriques très proche de la valeur du potentiel de repos, contrairement du ion de Na+. Il en résulte que: - l a ré pa r t i t i o n d e i o ns d e K + e t C l - e st d ue exclusivement au transport passif - la distribution de ions de Na + présume aussi l’existence d’un transport actif Le po te ntie l d é te rminé par le io n d e Na + ne va pas correspondre à la valeur déterminée par l’équation du Nernst, cette non concordance n’est pas encore complètement expliquée. Dans le calcul du potentiel membranaire, à la place de l’équation du Nernst, on va utilisé l’équation du Goldman:    RT PK  K  P Na  Na  P Cl  Cl  E  ln  i  e  e P P m nF PK  K   Na  C l  e Na i Cl i  Le potentiel de membrane et les curent électriques véhiculés par les flux ioniques peuvent être décrits en représentant le circuit électrique équivalent de la membrane. Espace extracellulaire RK RNa RC l Cm Em EK ENa ECl Espace intracellulaire Cm- capacitaté spécifique membranaire EK, ENa, ECl – potentiels d’équilibre électrochimique de chaque ion R , R , R – résistances de chaque ion On peut calculer le potentiel de la membrane Em en appliquant les lois de l’Ohm: E m = Rt I t 1 1 1 1    Rt RK R Na R Cl E E E Cl It  K  Na  RK R Na R Cl E E E K  Na  Cl RK R Na R Cl E m  1 1 1   RK R Na R Cl  On remplace le résistances Ri avec les conductances Gi : 1 G i  Ri G   E   G  E  G  E  Em  Na Na Cl Cl G  G Na  G Cl  La mesure du potentiel de la membrane de la fibre nerveuse en utilisant un microélectrode  Le potentiel d’action
(Le phénomène bioélectrique du processus d’excitation biologique) L’excitabilité biologique représente la propriété des structures excitables de répondre à un stimule. Le processus d’excitation serra toujours accompagner 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. 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’une valeur de –55 mV La perméabilité membranaire se modifie La perméabilité augmente en particulier pour les ions de Na+(ions qui vont, en grands nombre, entrer dans la cellule) À un moment donné (la cellule se décharge), la polarisation s’inverse (BC) (jusqu’au +30 mV le point C) par rapport au liquide interstitiel La perméabilité pour les ions de Na+ baisse brusquement dans le point C  La membrane devient perméable pour les ions de K+ qui sortira de la cellule vers le milieu interstitiel La perméabilité de la membrane pour les ions de K+ revient à la valeur normale après la rétablissement de la polarisation initiale de la membrane (CDE) La rétablissement de l’équilibre ionique initial se fait par l’intensification de l’activité des pompes ioniques, Na+ va sortir de la cellule, K+ va être réintroduit dans la cellule Em (mV) C pic de potentiel- (spike potential) +30 0,5 1 1,5 2 t (ms) 0 -55 B D -90 A E F pre- post-potentiel potentiel (negatif) (positif)  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 deuxième stimulus Dans la phase réfractaire relative, la structure excitable peut être stimulée, au début par des forts stimulus, après par des stimulus moins intense. Une petite stimulation/stimulus produit une seule onde électrique et de courte durée. Dans la période d’excitation, les processus métaboliques s’intensifient.  La propagation de l’excitation dans les fibres nerveuses La conductibilité: la propriété des structures excitables de pouvoir propager l’excitation. - dans un tissus excité, il y a une différence de potentiel qui apparait entre la surface de la zone excitée (qui devient électro négative) et la surface de la zone encore en repos (qui est électro positive). - il vont se créer des courants locaux (courants Hermann) avec le sens de la zone positive vers la zone négative, sur les deux cotées de la membranes (interne et externe) - le potentiel de la zone inactive va se réduire - le potentiel de repos se transforme en potentiel d’action au moment ou la dépolarisation arrive au niveau de la production de l’excitation  Liquid interstitial Courants Hermann + + + + + - - - - - + + + + + Zone inactive Zone active+ Zone inactive - - - - - + + + - - - - - axoplasme - - - - - + + + + - - - - - Zone inactive Zone active Zone inactive Liquide + + + + + - - - - + + + + + interstitiel le processus se répète successivement dans chaque point de la membrane le 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 deux directions de la  - La gaine de myéline – isolateur électrique. - Elle est interrompue approximativement toute les 2mm dans les nœuds Ranvier. - La conduction de l’excitation de plus en plus près est remplacé par la conductibilité « sauté » de l’excitation. Nœud Ranvier Liquide interstitiel excité - + Axoplasme + -- -- ++ Gaine de myéline Nœud Ranvier Axone non excité Nœud Ranvier  La fibre musculaire conduit l’excitation avec une vitesse de 0,1 - 0,3 m/s. Les fibre de myéline conduisent l’influx nerveux avec une vitesse qui peut atteindre 20 m/s.  La vitesse de conduction de l’impulsion varie directement proportionnel avec la diamètre de la fibre La vitesse de conduction de l’influx nerveux (v) en fonction de diamètre des fibres (d) Espèce Type de fibre d (μm) v (m/s) chat amyélinique 0,5 0,53 chat myéline 7 22,60  L’évaluation quantitative de l’excitabilité I (mA) 2Rb Rb Cr T t (ms) La courbe intensité-durée 1 1 L’excitabilité E   2 W RI t R – résistance ohmique du courant du circuit I – intensité du courant t - temps de passage du courant  Bio électro- 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 présent une succession de 5 ondulations notés par Eindhoven P,Q,R,S T. P,R,T sont positives Q şi S sont négatives Q n’est pas toujours présente Parfois il y a une 6ème onde qui apparait, l’onde U (petite et positive) après l’onde T P- corresponds à l’activité On trouve 4 intervalles auriculaire P-Q, Q-T - intervalles systoliques Q,R,S – corresponds à la T-P – intervalle diastolique dépolarisation ventriculaire R-R intervalle entre 2 cycles (période T – corresponds à la cardiaque) repolarisation ventriculaire Electrocardiogramme normale Electrocardiogramme normale pour cheval Electrocardiogramme de cheval avec tachycardie Electrocardiogramme de cheval avec arythmie  La Neurogramme est l’enregistrem ent graphique de potentiels d’action dus à l’excitation des nerfs. L’électromyogramme est l’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.  La rétinogramme est l’enregistrement de potentiels électriques qui apparaissent entre la face antérieure et postérieure de l’œil, en réponse à une stimulation lumineuse. L’électroencéphalogramme est utilisé dans l ’anal yse d e l ’ac ti v i té d u c o r te x c é ré b ral p ar l’enregistrem ent des différences de potentiel générés par les cellules cérébrales. On distingues: ondes α avec une fréquence de 8-14 cycles/s ondes β avec une fréquence de 14-60 cycles/s o nd e s δ av e c une f ré q ue nc e i nf e ri e ure à 8 cycles/s ondes γ n’ont pas de signification biologique.  électroencéphalogramme dans différents formes de sommeil Dans le cas ou on enregistre des anomalies de l’activité électrique du cerveau, on peut découvrir des lésions cérébrales.