Transport Membranaire 2 PDF

Transport Membranaire 2 Potentiels – définitions CANAUX IONIQUES Structure Sélectivité et modes d’activation Canaux potassique et potentiel de repos COURANTS IONIQUES Force électromotrice Loi d’Ohm Calcul du potentiel de repos  Définitions Potentiel de membrane: Différence de po...

Transport Membranaire 2 Potentiels – définitions CANAUX IONIQUES Structure Sélectivité et modes d’activation Canaux potassique et potentiel de repos COURANTS IONIQUES Force électromotrice Loi d’Ohm Calcul du potentiel de repos  Définitions Potentiel de membrane: Différence de potentiel électrique entre l’intérieur et l’extérieur d’une cellule. Potentiel d’équilibre (=de Nernst): Potentiel membranaire auquel le flux net d’un ion donné est nul (les flux entrants et sortants sont égaux et de sens opposés). Structure des canaux ioniques Sélectivité des canaux ioniques Canaux sélectifs: transportent Na+, K+ préférentiellement un seul type d’ion Ca++ Cl- Canal sodique: PNa+ >>> PK+ Canaux non-sélectifs: transportent plusieurs ions de même charge et Anions habituellement de même valence Cations Canal cationique: PNa+ = PK+ > PCa2+ >>> PCl-  Activation d’un canal ionique L’ouverture et le fermeture du canal résulte d’un changement de conformation de la molécule. La cinétique d’activation peut être extrêmement rapide (µsec) On distingue trois états: Ouvert, Fermé, et Inactivé (réfractaire)  Activité d’un canal ionique Le flux d’ions à travers un canal génère un courant (I) mesurable électriquement par « patch-clamp » L’ouverture et la fermeture du canal génère des changements abrupts d’amplitude du courant L’amplitude des courants reflète la conductance du canal, leur durée la probabilité d’ouverture du canal  Modes d’activation Voltage (cellules « excitables ») – Canaux activés par des changement du potentiel de membrane Ligands (synapse, jonction neuromusculaire) – Canaux activés par un agoniste extracellulaire (glutamate, acétylcholine) Médiateurs intracellulaires (neurones, coeur) – Canaux activés par des médiateurs intracellulaires (cAMP, protéine G, Calcium, inositol, protéine) Physico-chimique (récepteurs sensoriels) – Canaux activés par la lumière, par une substance chimique, par des changements de tension membranaire ou de température  Rôle des modes d’activation Voltage-activés (cellules « excitables ») – Transport et décodage de l’information Ligand-activés (synapse, jonction neuromusculaire) – Transmission rapide de l’information d’une cellule à une autre Modulés (neurones, coeur) – Transmission lente et intégration de l’information Sensoriels – Détection de signaux  Senseurs Transforment un stimulus en changement de potentiel membranaire détection de signaux Photo-senseurs (vision) Mécano-senseurs (audition, toucher, proprioception) Chimio-senseurs (CO2, pH, goût, olfaction) Osmo-senseurs (osmolarité) Thermo-senseurs (température) Stimulus (input)  signal électrique  Senseurs David Julius Ardem Patapoutian Nobel Prize in Physiology or Medicine 2021 "for their discoveries of receptors for temperature and touch."  Senseurs René Descartes, 1664  Senseurs www.nobelprize.org Thermo-senseurs: canaux TRP www.nobelprize.org Le chaud: TRPV1 Caterina et al., (1997) Nature  Le froid: TRPM8 Andersson et al., J. Neuroscience 2004 Caterina et al., (1997) Nature Thermo-senseurs: canaux TRP Ferrandiz-Huertas et al., Membranes, 2014 Le toucher: canaux Piezo www.nobelprize.org  Le toucher: Piezo1 et 2 28 nm! Mouse Piezo 1 (PDB:6B3R) Mouse Piezo 2 (PDB:6KG7) Proprioception: Piezo channels Patients avec perte de PIEZO2 function Chelser al., (2016) NEJM  Canaux potassiques Shaker (Kv 1.2) channel Bacterial (KcsA) channel Roderick MacKinnon Nobel Prize in Chemistry 2003 "for structural and mechanistic studies of ion channels"  Canaux potassiques Potentiel d’équilibre négatif (-90 mV) Stabilisent le potentiel de membrane Diminuent l’excitabilité cellulaire Activité rythmique des cellules excitables Très grande diversité Toutes les cellules  Déterminent le potentiel de repos des cellules  Canaux K+ voltage-activés Kv1.2 Les canaux voltage-activés génèrent un courant dont l’amplitude varie en fonction du voltage  Interrupteurs biologiques  Canaux K+ voltage-activés paddle motif Les segments S4 bougent dans la membrane lorsque le voltage change Ce mouvement de « rame » (paddle) ouvre et ferme la « porte » du canal  Filtre de sélectivité des canaux K+ Canal A filtre membrane membrane B porte Hors du filtre (A): les ions sont liés aux atomes d’oxygène des molécules d’eau par des liaisons électrostatiques dont la distance est spécifique pour chaque espèce ionique (plus l’ion est petit, plus la densité de charge à sa surface est grande et plus les liaisons sont courtes). Dans le filtre (B): les ions potassium perdent leur molécules d’eau et se lient aux atomes d’oxygène du filtre qui sont à la même distance que l’eau. Les ions sodium bien que plus petits ne peuvent pas perdre leurs molécules d’eau et ne passent pas entre les atomes d’oxygène du filtre. Sélectivité des canaux K+ Courants ioniques Vm= -60 mV -+ -+ -+ K+ K+ 10 mM 100 mM - + -+ -+ Ei= -60 mV force générée par la différence de concentration (sortante) force générée par le potentiel électrique transmembranaire (entrante) Vm= Ei: Flux net = 0 Courants ioniques Vm= +60 mV - + - + - K+ + K+ 10 mM 100 mM + - +- +- Ei= -60 mV force générée par la différence de concentration (sortante) force générée par le potentiel électrique transmembranaire (sortante) Vm ≠ Ei: Flux net ≠ 0  courant!  Courants ioniques Loi d’Ohm Ii = (Vm –Ei) x gi Force Electromotrice Ii = courant généré par le flux d’ions i Vm = potentiel de membrane Ei = potentiel d’équilibre de l’ion i gi = conductance de la membrane pour l’ion i Courants ioniques I (pA) V 160 120 80 Ei 40 Ii (mesuré) V (mV) -80 -40 40 80 Vm – Ei -40 Vm (imposé) Force électromotrice  Courants ioniques Ii = (Vm –Ei) x gi Force Electromotrice Le flux d’ions à travers un canal génère un courant (Ii) dont l’amplitude dépend de la force électromotrice et de la conductance du canal (gi) La force électromotrice dépend de la différence de voltage entre le potentiel de membrane et le potentiel d’équilibre de l’ion (Vm-Ei) La conductance dépend du nombre de canaux, de leur conductance unitaire, et de leur probabilité d’ouverture  Courants ioniques I Cl- I K+ I Na+ Courant positif (sortant): mouvement de charges positives de l’intérieur vers l’extérieur (sortie de cations ou entrée d’anions) Courant négatif (entrant): mouvement de charges positives de l’extérieur vers l’intérieur (entrée de cations ou sortie d’anions)  Définitions Potentiel de repos : Etat stable du potentiel de membrane des cellules. Potentiel d'action : Etat dynamique du potentiel de membrane des cellules excitables (neurones et muscles) durant lequel le potentiel augmente puis diminue de façon stéréotypée.  Définitions Dépolarization: Déviation transitoire du potentiel de membrane vers des valeurs positives ou moins négatives (ex: de –70 mV à –40 mV). Hyperpolarization: Déviation transitoire du potentiel de membrane vers des valeurs plus négatives (ex. de –70 mV à –80 mV) Repolarisation: retour du potentiel de membrane au potentiel de repos suite à une dépolarization ou hyperpolarization (ex: de +30 mV à -70 mV)  Potentiel de repos Au potentiel de repos, la somme des courants générés par tous les canaux ioniques est nulle. IK+ + INa+ + ICl- = 0 Dans une cellule typique, la plus grande conductance est celle des canaux potassiques Conductance totale (Gtot) = gK++ gNa++ gCl- 80% 15% 5%  Potentiel de repos Avec la loi d’Ohm, on peut calculer le potentiel de repos: Vm = EK+ x 0.8 + ENa+ x 0.15 + ECl- x 0.05 Vm = (-90 mV) x 0.8 + (+65 mV) x 0.15 + (-35 mV) x 0.05 Vm = -72 mV + 10 mV -2 mV Vm = -64 mV  Le potentiel de repos est proche de EK+  Potentiel de repos I, pA V 160 120 Conductance des canaux potassiques: 80 pS Cell, 100pS sodiques: 15pS 80 chlore: 5 pS K+:80pS 40 Cl-:5 pS EK + ECl V, mV -80 -40 40 80 -40 Na+:15pS ENa Vm=-64.4mV  Vm ne peut pas dépasser ENa+  Transport Membranaire 2 CANAUX IONIQUES Canaux sodiques et potentiel d’action Canaux calciques et contraction musculaire TRANSPORTEURS ATP DEPENDENTS POMPES IONIQUES (ATPases) Pompes de type P (Na+/K+-ATPase, Ca2+-ATPase, H+/K+-ATPase) Pompes de type V (H+-ATPase) Pompe de type F (H+-ATP Synthase) TRANSPORTEURS ABC (ATP-Binding-Cassette) Cystic fibrosis transmembrane regulator (CFTR) Multidrug resistance receptor (MDR)  Canaux sodiques Potentiel d’équilibre positif (+60 mV) Canaux voltage-activés (Nav) – Neurones, cœur – Propagation des potentiel d’action Canaux amiloride-sensibles (ENaC) – Epithéliums (rein, colon, poumon) – Transport vectoriel de sodium Propagation des potentiels d’action, transport vectoriel de sodium Canaux sodiques voltage-activés (Nav) Canaux sodiques voltage-activés (Nav) beta pore spider subunit toxin Voltage TTX sensing human NaV1.7 channel (PDB: 6J8J) Paralysie périodique Migraine Nav mutations causent: Arythmies cardiaques Neuropathie périphérique Épilepsie Douleurs chroniques  Potentiel d’action Le potentiel d’action des neurones est dû à l’activation extrêmement rapide (µsec) de canaux sodiques voltage-dépendent (Nav) Vm s’approche de ENa+ (dépolarisation) L’activation transitoire (40 transporteurs Activés par la liaison d’ATP Grande variété de molécules transportées (ions, lipides, acides biliaires, drogues, fer…) Mucoviscidose (CFTR) Chimiothérapie (MRP-1) Cystic fibrosis transmembrane regulator (CFTR)  Résumé Transport 3Na+ Na+, K+ - ATPase Primairement actif ATP de Na+ et K+ 2K+ Na+ Na+ channel Transport K+ K+ channel passif Glucose Glucose uniporter Transport 3Na+ Secondairement actif 3Na+ - Ca++ antiporter Ca++ de Ca+ Concentrations Concentrations Extracellulaires Intracellulaires Na+ : 145 mEq/L Na+ : 12 mEq/L K+ : 4 mEq/L K+ : 120 mEq/L Glucose : 5 mmol/L Glucose : 2 mmol/L Ca++ : 2.5 mEq/L (ionisé) Ca++ : 0.001 mEq/L (ionisé) Berne & Levy Physiology, 6th edition Vm=-60mV