Physiologie: Mécanismes transports et Canaux Ioniques PDF

Physiologie: Mécanismes transports et Canaux Ioniques ( part 1.) I. Généralités La bicouche lipidique des membranes cellulaires permet de créer des barrières à la plupart des molécules et donc de créer des compartiments avec des concentrations de solutés différentes...

Physiologie: Mécanismes transports et Canaux Ioniques ( part 1.) I. Généralités La bicouche lipidique des membranes cellulaires permet de créer des barrières à la plupart des molécules et donc de créer des compartiments avec des concentrations de solutés différentes ( comme les ions). Mais pour vivre, la cellule a besoins d’échange avec le milieu extérieur par le biais des: - Informations ( hormones, neurotransmetteurs,…) - Son fonctionnement propre ( glucose, acides aminés, lipides, déchets,…) - Maintien de concentration ionique définies ( Na+, K+, Ca+, Cl-) Les membranes sont perméables de manière sélective pour de nombreuses molécules. Les molécules lipophiles et de petites tailles ( oxygène…) passent assez facilement dans la membranes. A l’opposé, les autres molécules comme les ions requièrent des structures spécialisée qui portent le nom générique de pore (= trou à travers la membrane). La capacité pour une substance de franchir une membrane va être définie par un coefficient de perméabilité: « P Plus P est petit et moins la molécule aura la capacité de franchir la membrane. Toutes les cellules ont une répartition différente des ions de part et d’autre de la membrane et sont électriquement polarisées ( potentiel de repos entre -20 et -80 mV). Nous pouvons constater qu’il existe une forte différence de concentration entre le milieu Intracellulaire et le milieu Extracellulaire. Ces différences de concentration ionique vont avoir plusieurs intérêts pour le fonctionnement cellulaire: Page 1 sur 6 ‣ Une variation de ces valeurs peut-être considérée comme un signal par la cellule. ‣ Les différences de concentration et de potentiel de part et d’autre de la membrane permettent de stocker une énergie potentiel sous la forme de gradient électrochimique (= gradient de charges/concentration). Ex: la dépolarisation = un mode de transport des neurones mais aussi des muscles,… En Pathologie Les anomalies des canaux ioniques font l’objet d’intérêts particuliers en pathologie. Par exemple: La mucoviscidose affectant les épithéliums glandulaires de nombreux organes ( poumon, pancréas, intestin, peau et glande sudoripare). Elle se traduit par la mutation d’un canal ionique perméable au Chlore Cl-, le PCL et cela crée une augmentation du mucus qui obstrue les voies aériennes respiratoires. Nous avons donc vu dans le cours sur les compartiments liquidiens que les concentrations d’ions sont réparties de façon différente entre le LIC et LEC. II. Forces de déplacement Les molécules en solution (solvant et solutés) ne sont pas immobiles mais se déplacent du fait de l’agitation thermique et du faits d’éventuels phénomènes physiques. Quatre types de forces peuvent être décrites: ➡ Agitation thermique (mouvement brownien) ➡ Diffusion= mouvement (mvt) lié à une différence de concentration ➡ Migration électrique= mvt lié à une différence de potentiel électrique ➡ Convection= mvt lié à une différence de potentiel électrique Page 2 sur 6 A. La diffusion Transfert diffusif d’un soluté selon le gradient de concentration Le flux net entre deux compartiments est la différence entre les deux flux unidirectionnels du compartiment 1 vers le compartiment 2 et vice-versa. Le flux net va toujours du plus concentré vers le moins concentré en soluté et à l’équilibre il y aura autant de molécule dans le compartiment 1 que dans le 2. Les deux flux unidirectionnels seront égaux mais de sens opposés. Il y a un équilibre de diffusion. A l’équilibre le flux net est égal à 0, bien que des mouvements soient possibles. Le débit molaire de diffusion du soluté est donné par la 1ère loi de Fick: Cela permet de décrire un flux de matière de J, par unité de temps à travers une surface en fonction des paramètres: - La surface disponible pour la diffusion S’ Page 3 sur 6 - Gradient de concentration en fonction de la distance dC/dx, où d indique une dérivée partielle (cad la fonction est dérivée par rapport à x seulement, en considérant t constant) - Coefficient de diffusion, est une caractéristique des interactions soluté-solvant, D. B. Migration électrique Ce type de transfert concerne surtout les ions. Pour simplifier, nous considérons que la concentrations de l’ion qui va transiter est équivalente de part et d’autre de la membrane. La différence de potentiel électrique entre les deux faces d’une membrane est imposée par l ‘expérimentateur. Attention, un ion peut porter une ou plusieurs charges, d’où la notion de valence ( z ), nombre de charge ion. L’existence d’une différence de potentiel électrique dv/dx entre les deux faces d’une membrane entraîne un transfert électrique « Je » des Ions. Diffusion et migration électrique simultanée Page 4 sur 6 Nous allons décrire le principe de la création d’un potentiel de membrane grâce à l’observation d’une cellule imaginaire et la création d’une asymétrie de concentrations ioniques intracellulaire par rapport au compartiment extracellulaire. Le nombre d’ions positifs et négatifs est égal dans le milieu intracellulaire et dans le milieu extracellulaire. Nous avons ainsi une asymétrie de concentrations et non une asymétrie de charges. Nous définissons une membrane imperméable aux ions de façon à ce que le potentiel de membrane: A partir de cette cellule imaginaire, nous allons créer une perméabilité sélective au cation intracellulaire. Le port que nous avons créer au niveau de la membrane de la cellule imaginaire durant la phase transitoire; contenu de la différence de concentration, permet un courant sortant de cations. (2) Cela va générer un gradient sortant de cations, de telle manière que le nbre de charges positives dans compartiment EC augmente et diminue dans le IC. Il apparaît ainsi une positivité en extracellulaire et une négativité en intracellulaire. Cela est mesuré par l’intermédiaire d’un potentiel de membrane détecté par le voltmètre ( 3 ). Création d’un potentiel de membrane durant la phase transitoire. Nous observons une phase d’équilibre entre d’un côté la force de diffusion ( lié au passage des ions à travers le pore), gradient de concentration et la force électromotrice ( passage de cations, équilibre des + des deux côté de la membrane) qui crée un gradient électrique. L’équilibre entre ces deux forces ( diffusion et électromotrice) est prédite par l’équation de Nernst: NB: La quantité d’ions qui s’est déplacé est très faible par rapport au nombre total d’ion dans la cellule ou LEC. Page 5 sur 6 Autre cas: création perméabilité uniquement au potassium K+ ( équilibre force de diffusion et force de migration) pas jusqu’a l’équilibre car sinon nous avons la création d’un courant électrique ( K+ attire -; K+ repousse +) -diapo 28 canaux ioniques-. Il est a noté que: ➡ Les excès de charges positives et négatives se répartissent le long de la membrane ➡ La quantité d’ions qui s’est déplacé est infime par rapport à la quantité d’ions dans la cellule/le milieu extérieur (= pas de variation de concentration). Page 6 sur 6  Physiologie: Mécanismes transports et Canaux Ioniques ( part 2.) à partir de la diapo 31 Nous rappelons que la phase d’équilibre entre: Force de diffusion (liée au gradient de concentration ) Force électromotrice Est prédite par l’équation de Nernst qui peut s’écrie de deux façons, en considérant soit le log ( décimal) ou le Ln (logarithme népérien) : Rappel: Un gradient de concentration va du - contré vers le + concentré. Le potentiel d’équilibre d’un ion est le potentiel crée par un ion en concentration différente à l’équilibre, de part et d’autre d’une membrane cellulaire perméable à cet ion. Veq= -> Je=Jd Application en électrophysiologie Selon l’ouverture ou non de ces différente conductance, nous pouvons prédire que le potentiel de membrane va changer. Les ions ont tendance à se déplacer pour ramener le potentiel transmembranaire à leur potentiel d’équilibre. Page 1 sur 14  Veq= 40 mV est égal à un excès de charges positives dans le compartiment intra par rapport au compartiment extra-cellulaire. Cela induit le sens de la migration électrique Veq= -70 mV représente un excès de charges négatives dans le compartiment intracellulaire. Les ions se déplacent pour ramener le potentiel d’équilibre membranaire vers leur potentiel d’équilibre. Ce déplacement est générateur de courant. Si Vexp < ou > Veq alors il y a un mouvement d’ions afin que Veq=Vexp. Le flux d’ions peut être modélisé par la loi d’Ohm: Sachant que g ( S) = conductance et est l’inverse de la résistance I. Vexp-Veq = gradient électrochimique ou force de déplacement. Page 2 sur 14 Delta V est remplacé par Vex-Veq car le courant est nul: - Non pas car deltaV = 0 mV - Mais car deltaV atteint le potentiel d’équilibre de l’ion. La conductance globale dépend de « facteurs: - Nombre de Canaux - Conductance unitaire du canal - Probabilité d’ouverture ➡ Si Vexp > Veq alors I>0 ( ex: K+) : flux sortant ( efflux) ➡ Si Vexp < Veq alors I0, on dit que le courant est sortant ( efflux) ‣ Si I0, on dit que le courant est entrant ( Influx) ‣ Si I taille Na+. Il existe alors un filtre de sélectivité à la partie supérieur du pore. Les ions K+ passent un à un à travers le canal. Page 8 sur 14 ➡Le Filtre de sélectivité du canal potassique En intracellulaire, le K+ est sous forme hydratée, entouré de 4 molécule d’H2O. 1) Les ions K+ pénètrent dans le pore sous forme hydratée et traversent d’abord le pore interne avant d’atteindre une large cavité située au centre de la membrane plasmique. 2) A ce stade, les résidus hydrophobes qui occupent cette cavité et l’attraction électrostatique la cavité stabilisent les ions K+ dans leur forme hydratée. 3) Les ions K+ passent par le filtre de sélectivité où l’on retrouve (pour tous les canaux K+ de façon constante ) la même séquence d’acides animés TVGYG avec 1 molécule d’oxygène par sous unité soit 4 par pore. Ceci crée un environnement d’hydratation. Quand le K+ hydraté traverse le canal, il perd les molécules H2O et le K+ fixe les molécules d’oxygène par des liaisons de coordination. La fixation du K+ au molécules d’oxygène permet le passage à travers le filtre et les ions K+ passent un à un dans le filtre poussés par l’ion K+ précèdent et le gradient de diffusion En raison de la taille plus faible de l’ion Na+, les liaisons de coordination ne se font pas et l’ion de peut pas progresser dans le filtre. Les canaux potassiques sensibles au potentiel sont extrêmement nombreux, cad qu’il représentent une très grande diversité et ils sont codés par 38 gènes différents. Ils vont se différencier en fonction: - De l’intensité du stimulus nécessaire pour les ouvrir - De la cinétique d’activation -De la cinétique d’inactivation -Lieu d’expression Distribution des canaux potassique: - Coeur - Cerveau - Muscle lisse et squelettique - Colon - Artères pulmonaires Fonction des canaux potassique: - Dépolarisation du potentiel d’action - Modulation de l’excitabilité cellulaire Page 9 sur 14 Physiopathologie: - Tachycardie ventriculaire -Fibrilation atriale -Syndrome QT Long -Syndrome de mort subite ✦Canal sodique de voltage dépendant Na Ce canal est constitué d’une seule protéine transmembranaire qui forme le pore. On retrouve néanmoins 4 domaines chacun constitué des segments 1 à 6 ( comme dans les canaux K+). Segment 4= voltage « sensor » et segment 5-6 forment le pore. Distribution des canaux sodiques: - Cerveau ( neurones) -Cellules cardiaques Fonctions des canaux sodiques: - Initiation du potentiel d’action dans les neurones -Action dans le couplage ( excitation / contraction des myocytes cardiaques). Physiopathologie: - Syndrome QT long - Syndrome de Brugada - Fibrilation ventriculaire Canal Calcique dépendant du potentiel Le canal est constitue d’une seule protéine transmembranaire formant le pore ( alpha). Distribution: cerveau, rétine, coeur et muscle Impliqué dans: l’excitation et la contraction musculaire, libération d’hormones et neuro transmission. Exemple d’intérêt: Une dépolarisation qui chemine le long de la membrane plasmique d’un cardio-myocytes va être responsable d’un courant entrant de calcium et va être responsable de la libération massive depuis le réticule sarcoplasmique et l’activation des myofilaments conduisant à la contraction du myocyte. 2) Les canaux activés par des agonistes Agoniste= Substance ou médicament qui produit des effets identiques à ceux d’une substance de référence. Agonistes extracellulaires ( neurotransmetteurs, hormones, neuromédiateurs, etc…) ou intracellulaires ( second messager AMPc, ou métabolites ATP, GTP). Page 10 sur 14 Dans tous les cas, l’activation de ces canaux induit des flux ioniques de charges + ou _ et donc des changements de polarité électrique transmembranaire ( dépolarisation ou hyperpolarisation) , ce qui est un signal pour la cellule. C. Les transporteurs et pompes 1) Les transporteurs On peut assimiler leur mode de fonctionnement à celui du principe d’une réaction enzyme substrat: Protéines (E) transfèrent les molécules de soluté ( S ) spécifiquement à travers la membrane selon le principe d’une réaction enzyme-substrat: Cette approche permet la détermination de constantes physicochimiques ( Vmax et Km) caractéristiques de chaque transporteur. Cependant à la différence d’une réaction enzyme-substrat, le soluté transporté n’est pas modifié. Le transporteur a un site de liaison pour le soluté ( Km) et change de conformation avec une vitesse. Page 11 sur 14 Page 12 sur 14 Page 13 sur 14 Lien utile: https://palli-science.com/manuel-de-la-douleur/le-phenomene-de- depolarisation-membranaire-et-le-seuil-dactivation Page 14 sur 14