L’activité électrique - Les potentiels d’action PDF

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L’activité électrique - Les potentiels d’action https://cursus.univ-rennes2.fr/pluginfile.php/1857585/mod_resource/content/1/CM%20n%C2 %B03%20laure%20Debure%20semaine%20du%20260923.pdf https://cursus.univ-rennes2.fr/pluginfile.php/1956585/mod_resource/content/2/Dernier%20C M%20sept%2024%20amphi%20du%20lundi%20soir.pdf Potentiel membranaire de repos A - Introduction Les neurones communiquent en utilisant des courants électriques Pour comprendre ce fonctionnement électrique il faut comprendre les propriétés de la membrane cytoplasmique Au repos (=les neurones ne sont pas activés, ni inhibés, ils ne reçoivent pas d’information) la membrane plasmique est polarisée électriquement Nous allons donc décrire les propriétés qui rendent la membrane électriquement polarisée au repos B - Répartition inégale des ions Membrane = double couche de phospholipides (de la graisse) Ces lipides sont une barrière aux substances solubles dans l’eau (comme les ions) Or la répartition des ions de part et d’autre de cette membrane n’est pas homogène Le milieu extracellulaire est riche en Na+ (sodium) tandis que le milieu intracellulaire est riche en K+ (potassium) → une disparité existe aussi pour le Ca2+ et le Cl- Cette répartition est la 1ère propriété nécessaire pour la polarisation de la membrane plasmique. L’unité des concentrations est le mM = millimolaire (1mM = 1/1000ème mole/litre) Il existe des protéines membranaires responsables du gradient des ions. Elles ont un rôle de pompe. L’inégalité de répartition du Na+ et du K+ est causée par le fonctionnement permanent de la pompe à sodium et potassium ATPase. Elle utilise de l’énergie produite par l’ATP - [Na+] = 14mM - [K+] = 140 mM ⇒ en intracellulaire - [Na+] = 140 mM - [K+] = 5 mM  ⇒ en extracellulaire Malgré cette répartition inégale, il y a neutralité électrique des milieux intra- et extracellulaires Cette neutralité des milieux s’explique car on y trouve autant d’ions chargés positivement que d’ions chargés négativement C - Diffusions des ions au travers de canaux membranaires Ce sont des protéines transmembranaires qui ne sont pas des pompes. Ils sont organisées en pores qui laissent passer certains ions On les appelle des canaux ioniques sélectifs à ces ions. Ils n’utilisent pas d’ATP pour fonctionner, contrairement aux pompes. Les ions diffusent simplement à travers ces canaux La diffusion = loi physique, les substances en solution se disséminent (diffusent) selon leur gradient de concentration pour obtenir une concentration homogène - En (a) pas de canaux : pas de diffusion - En (b) canaux sélectifs des ions présents (Na+ et Cl-). Ces ions diffusent du compartiment le plus concentré vers le moins concentré D - Diffusion des ions potassium et potentiel d’équilibre au potassium Que se passe-t-il en réalité dans la membrane plasmique lorsqu’elle est au repos ? La membrane contient des canaux membranaires sélectifs du potassium qui sont ouverts au repos. Ils rendent la membrane perméable au potassium : la membrane est dite semi-perméable Le K+ diffuse de l’intracellulaire vers l’extracellulaire. Les charges positives vont s’accumuler sur la face extracellulaire, laissant la face intracellulaire de la membrane occupée par les charges négatives Les ions K+ (étant chargés +) sont alors attirés par les charges négatives internes, et du K+ entre alors dans la cellule. Un équilibre s’installe entre sortie du K+ et entrée du K+, mais la sortie est quantitativement plus importante que l’entrée  ⇒ Cette pompe a besoin d’ATP pour fonctionner contrairement aux canaux ioniques Des ions K+ sortent poussés par le gradient de concentration (diffusion) Des ions K+ entrent poussés par le gradient électrique (attraction des charges opposées). ⇒ Un équilibre dynamique s’installe entre sortie du K+ et entrée du K+, en faveur de la sortie (la sortie est plus importante que l’entrée d’ions K+) Le courant résultant sortant est dit "courant de fuite". Cela créer une différence de potentiel électrique à travers la membrane appelé potentiel d’équilibre au K+ (-84mv), mesurable avec des électrodes (accumulation de charges + sur la face externe de la membrane et charges – sur la face interne) On dit que la membrane est une pile au potassium, mais pas seulement. En réalité, le potentiel de membrane au repos n’est pas exactement de -84mv. Le potentiel de membrane est aux alentours de -65 mv car  d’autres ions passent aussi la membrane au travers d’autres canaux E - Le potentiel de repos est de -65mv Il existe aussi quelques canaux sodiques membranaires ouverts au repos (une minorité des canaux sodiques présents dans la membrane) Le courant sodique qu’ils laissent passer participe et modifie légèrement le potentiel membranaire de repos pour l’amener à -65 mv Lorsque les ions Na+ passent à travers la membrane, ils entrent dans la cellule car ils sont beaucoup plus concentrés à l’extérieur qu’à l’intérieur Ils ont donc tendance à générer un potentiel électrique inverse à celui qui est généré par les ions potassium : charges + sur la face interne de la membrane et charges – sur sa face externe Dans la réalité, la membrane au repos contient une grande quantité de canaux K+ ouverts et une toute petite quantité de canaux Na+ ouverts. C’est donc le courant K+ sortant qui est dominant et la membrane est donc chargée négativement en interne La membrane est chargée négativement sur sa face interne, une électrode pourra mesurer une différence de -65 mv entre la face interne et la face externe: c’est le potentiel de membrane au repos (Vm de repos). Tout changement du potentiel de membrane, constituera un signal pour la cellule (ex le Potentiel d’Action) 2 - Les potentiels d’action des neurones A - Les potentiels d’action Dans certaines conditions, les neurones développent une activité électrique transitoire. Cette activité électrique transitoire est appelée : Potentiel d’Action (PA) Suite à une stimulation identique, l’activité neuronale peut être différente d’un neurone à l’autre: la fréquence des PA (nbre de PA/sec) peut être différente et le rythme est plus ou moins cyclique. On parle de signature électrique des neurones Malgré les différences de fréquence et de rythme, les PA sont toujours identiques entre eux quelque soit les neurones (même amplitude, même durée) Dans quelles conditions un neurone génère-t-il des PA ? Sous stimulation électrique expérimentale (électrode stimulatrice) Après transmission synaptique si le neurone est excité Sous stimulation sensorielle des neurones sensoriels Les PA sont aussi générés spontanément sans aucune stimulation dans de nombreux neurones  En effet, les neurones sont rarement silencieux, même s’ils ne sont pas stimulés. Lorsqu’une structure cérébrale est suractivée, les neurones concernés vont alors émettre des PA pour coder une information, leur fréquence dépendra de cette information et sera supérieure à la fréquence basale initiale Après stimulation électrique expérimentale d’un neurone avec une électrode, on peut enregistrer avec une autre électrode placée en un point de l’axone, un signal électrique transitoire d’1 à 2ms : c’est une modification transitoire du potentiel de membrane Au repos, le potentiel de membrane (Vm) est d’environ -60 à -70mv. Après la stimulation, on voit qu’il est passé à pratiquement + 40mV Utilisation d’électrodes intracellulaires pour la stimulation électrique et l’enregistrement du PA Les électrodes utilisées sont des micropipettes remplies d’un liquide conducteur plantées dans le neurone. Ces micropipettes sont des électrodes intracellulaires La stimulation électrique se fait grâce à une électrode intracellulaire qui injecte des charges positives dans le neurone. Pour cela, elle est reliée à une pile ou un générateur de courant. L’enregistrement du potentiel de membrane se fait grâce à une électrode intracellulaire : elle est reliée à un voltmètre qui mesure la différence de potentiel entre cette électrode intracellulaire et une électrode de référence extracellulaire (appelée la terre) Description du PA Si la stimulation électrique est suffisamment forte, on pourra mesurer un potentiel d’action Le potentiel d’action correspond à une inversion transitoire de la polarité membranaire: au repos, le potentiel membranaire est à -65mv (0 donc) Description du PA mesuré par une électrode intracellulaire dans un axone: - Zone où la membrane est au potentiel de repos : la membrane est polarisée - Zone où la membrane est dépolarisée - Zone où la membrane est hyperpolarisée (face interne encore plus négative qu’au repos) Seuil de genèse des PA et fréquence des PA On peut faire varier l’intensité de stimulation (l’intensité du courant électrique injecté en intracellulaire) 1. Si l’intensité de stimulation est trop faible, seul un petit courant dit "passif" apparaît à travers la membrane, il a l’amplitude du courant injecté ⇒ aucun PA n’apparaît 2. Si l’intensité de stimulation dépasse un certain seuil, il y a genèse des potentiels d’action ⇒ le PA apparaît 3. Les PA qui naissent ont tous la même amplitude quelque soit la stimulation ⇒ le PA est toujours identique = tout ou rien 4. Si l’intensité de stimulation augmente encore, seule la fréquence des PA peut augmenter. La fréquence des PA est le langage des neurones, code l’information nerveuse Les courants passifs qui naissent pour de faibles stimulations ne sont pas des PA Il y a bien dépolarisation (passe de -65 à -60mv) mais aucun PA ne naît. Seul apparaît un courant passif local (déplacement de charges). il diminue d’amplitude avec la distance. Une électrode d’enregistrement éloignée de l’électrode de stimulation (par ex 3 ou 4 mm) ne mesurera aucune variation du potentiel de membrane Caractéristiques des courants passifs qui naissent pour de faibles stimulations Les courants passifs ne sont pas des phénomènes biologiques, il s'agit seulement de la propagation du courant électrique positif qui a été injecté au travers de l’axone Il y a donc des boucles de courants locaux passifs, elles ne peuvent pas se propager très loin. Elles s’atténuent et disparaissent d’elles mêmes Caractéristiques du PA qui naît quand la stimulation dépasse le seuil  Le PA est mesurable tout le long de l’axone et il a toujours la même amplitude Par rapport au temps 0 de la stimulation, on voit que le PA est mesuré plus tard au fur et à mesure que l’électrode d’enregistrement est plus éloignée de l’électrode de stimulation. C’est le temps qu’il lui faut pour parcourir la distance entre les 2 électrodes ⇒ Le PA est un phénomène biologique - Le PA nait en tout ou rien - Il se propage sans atténuation - Sa vitesse de propagation V (m/sec) peut être calculée : V = distance (m) / temps (sec) Canaux ioniques de la membrane axonale, impliqués dans le PA Les canaux sodiques voltage dépendants sont présents en forte densité uniquement dans la membrane plasmique axonale. Ils permettent la naissance et la conduction du potentiel d’action. Le PA naît dans une partie de l’axone appelée le segment initial, puis il s’en éloigne Canaux ioniques de la membrane axonale Les canaux sodiques voltage-dépendants (CNaVD) sont présents en forte densité uniquement dans la membrane plasmique axonale : Ils s’ouvrent sous l’effet de la stimulation électrique et ils sont responsables de la 1ère phase du potentiel d’action Les canaux potassiques voltage-dépendants (CKVD) sont aussi présents en forte densité dans la membrane plasmique axonale : Ils s’ouvrent un peu plus tardivement sous l’effet de la stimulation pour permettre la deuxième phase du potentiel d’action (retour au potentiel de repos) Les canaux potassiques ouverts au repos sont présents dans toutes les membranes plasmiques de toutes les cellules : ils permettent le potentiel de repos  Fonctionnement des canaux ioniques pendant le PA : La courbe noire représente Vm durant le PA Les courbes rouges représentent la densité en canaux CNaVD et CKVD ouverts durant le PA La conformation des canaux CNaVD et CKVD change durant le PA : Ils peuvent être fermés, ouverts ou inactifs. Leur conformation modifie directement leur fonctionnement Conformation des CNaVD - F : Fermé veut dire que le canal ne laisse pas passer les ions mais que dès qu’il y a dépolarisation, il est capable de s’ouvrir. Au potentiel de repos, le canal est fermé - O : Ouvert veut dire que les ions peuvent diffuser au travers du canal. Le canal s’ouvre quand la portion de membrane où il se situe est dépolarisée (il est voltage-dépendant) - I : Inactif veut dire que le canal ne laisse pas passer les ions et que, même s’il y a dépolarisation, le canal est incapable de s’ouvrir (il est réfractaire à l’ouverture) Conformation des CNaVD Les canaux Na+ VD vont successivement être : - Fermés quand la membrane est au repos avant stimulation électrique ou dépolarisation - Ouverts au moment de la stimulation électrique ou de la dépolarisation - Inactifs après s’être ouverts - et finalement se referment quand la membrane retourne au repos Conformation des CKVD  Ouverture des canaux K+ VD avec retard (ils sont dits canaux K+ à ouverture retardée). Et ils ne s’inactivent pas après ouverture le PA est un processus régénératif ce qui lui permet de se propager le long de l’axone 1. Suite à une dépolarisation initiale, il y a formation de courants locaux passifs et dépolarisation locale de la membrane 2. Si cette dépolarisation est suffisante (-50mv), la totalité des CNaVD présents s’ouvrent 3. Le sodium entre dans l’axone 4. - L’entrée de sodium (ions +) amplifie la dépolarisation membranaire - Des courants locaux passifs naissent encore et se propagent pour dépolariser d’autres segments de membrane à proximité - D’autres canaux Na+ VD s’ouvrent alors un peu plus loin sur l’axone et ainsi de suite....le PA se propage ainsi le long de la membrane Un nouveau cycle redémarre à proximité canaux sodiques VD en rose canaux potassiques VD en jaune Période réfractaire de l’axone après passage du PA L’inactivation des canaux Na+ VD engendre une période réfractaire pendant laquelle la portion de membrane où se trouvent ces canaux inactifs ne pourra pas être dépolarisée car les CNaVD ne peuvent plus s’ouvrir même sous dépolarisation Il en résulte que lorsqu’un PA naît, aucun autre PA ne peut naître avant que la membrane ne soit repolarisée. La période réfractaire peut durer une milliseconde à quelques millisecondes Structure et conformation des canaux ioniques VD L’ouverture des canaux VD correspond à l’ouverture d’une porte du côté intracellulaire L’inactivation des canaux Na+ VD correspond à l’obturation du canal par un bouchon moléculaire. Sous dépolarisation persistante (3), le pore est obturé. Cette obturation disparaît à la repolarisation (4) Conduction saltatoire en présence de la gaine de myéline Les canaux Na+ et K+ VD ne sont localisés qu’au nœud de Ranvier qui sont des zones démyélinisées Les courants locaux passifs permettent le déplacement des charges d’un nœud de Ranvier à l’autre afin d’ouvrir les canaux Na+ VD qui s’y trouvent Pour se propager, le PA ne peut donc naître qu’aux nœuds de Ranvier. On dit qu’il saute de nœud en nœud: c’est une conduction saltatoire La conduction saltatoire du PA est plus rapide et plus économique en énergie qu’une conduction classique. La myéline augmente donc la vitesse de conduction Donc un axone myélinisé conduit plus rapidement les PA qu’un axone non myélinisé. On sait aussi que plus les axones ont un gros diamètre, plus ils conduisent rapidement les PA La vitesse de conduction est ralentie dans les maladies démyélinisantes Propagation jusqu’aux terminaisons synaptiques Quelque soit la longueur de l’axone, le PA se propagera jusqu’aux terminaisons synaptiques de cet axone L’arrivée d’un PA dans un élément pré-synaptique déclenche la libération de molécules chimiques informatives dans la fente synaptique. Plus la fréquence des PA augmente, plus la libération des molécules chimiques est importante Conduction nerveuse dans les nerfs Un nerf contient des milliers à un million de fibres nerveuses (axones) : myélinisées ou pas, de diamètre différent L’enregistrement électrique d’un nerf se fera donc avec une technique différente, on ne peut utiliser des centaines ou milliers d’électrodes différentes pour chaque fibre Enregistrement de l’activité d’un nerf Deux électrodes stimulatrices placées sous le nerf et deux électrodes réceptrices placées sous le nerf Les électrodes réceptrices enregistrent une réponse nerveuse biphasique (onde positive suivie d’une onde négative) Plus on stimule fort électriquement, plus on recrute des axones, plus l’onde globale enregistrée sur le nerf est ample