POTENTIEL DE REPOS
maintient une différence de potentiel électrique entre les deux versants, interne et externe, de sa membrane plasmique • On parle alors de potentiel de membrane ou de potentiel transmembranaire 2 •
Potentiel d’action
extérieure d’un excitant ou stimulus donnant naissance à un potentiel d'action (PA) II-Définition: Le PA est une variation brève (1ms) du potentiel de membrane (inversion de polarité de la membrane) suite à une stimulation qui répond aux critères d’efficacité, capable de se propager
neurone potentiel reduced - Université de Genève
travers la membrane • b) sélectifs pour un ion donné • c) peuvent être ouverts ou fermés potentiel de repos seuil temps 60 Pas de p a
Colle de SVT 6 - Joseph Nicolas – SVT – BCPST1
du potentiel de membrane Mise en évidence, explication par les pompes et canaux, potentiel d'équilibre, loi de Goldman II Genèse et propagation du potentiel d'action Mise en évidence du PA, caractéristiques (stim supraliminaire, loi du tout-ou-rien), patch clamp et ouverture des canaux, définition et caractérisation des CVD
ELECTROPHYSIOLOGIE: PRINCIPES ET TECHNIQUES
- Les ions traversent la membrane de façon indépendante, c'est à dire sans interagir les uns avec les autres - Le champ électrique au travers de la membrane est constant Le potentiel et la concentration de l'ion au sein de la membrane suivent les profils indiqués dans la Erreur Source du renvoi introuvable
Colle de SVT 5 - Joseph Nicolas
Traverser la membrane Membrane et potentiel électrique transmembranaire Le potentiel de membrane Les variations du potentiel de membrane Les canaux ioniques Genèse et propagation du potentiel d’action Canaux ioniques et communication Programme du devoir du 7 décembre : chapitres B2, B3, B4 et B5
Physiologie Générale 2005
32 Je comprends l’origine du potentiel de membrane 33 Je connais la définition du potentiel d’équilibre 34 Je comprends comment une cellule a un potentiel de repos qui est négatif à l’intérieur 35 Je connais la polarité des potentiels d’équilibre des ions Na+, K+, Ca2+ et Cl- 36
Activité 1 : Codage du message nerveux Matériels : - Logiciel
2) Positionnez l’électrode de gauche à l’extérieur de la fibre et celle de droite à l’intérieur Qu’observez-vous ? Donnez une définition du potentiel de repos (ou potentiel de membrane) 3) Gardez les mêmes positions pour les électrodes Cliquez sur les intensités de stimulations Cliquez ensuite sur « superposition »
TP 28 : Fonctionnement du neurone et message nerveux Activité
Cliquez sur « potentiel de repos, potentiel d’action » 1) Positionner les deux électrodes au contact de la fibre en restant à l’extérieur de celle-ci Cliquez sur « intensité de stimulation » Qu’observez-vous ? 2) Positionnez l’électrode de gauche à l’extérieur de la fibre et celle de droite à l’intérieur
Documents et calculatrices non autorisés
3-Vous mesurez le potentiel de membrane de cette cellule et obtenez une valeur de +80 mV Que pouvez-vous conclure sur la perméabilité de la membrane de cette cellule? (2 points) 4-Une analyse biochimique de la membrane cellulaire vous permet de conclure à la présence de canaux ioniques sensible à un stimulus chimique (2 5 points) 4 1
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ELECTROPHYSIOLOGIE:
PRINCIPES ET TECHNIQUES
Fabrice DUPRAT,
Chargé de Recherche
2SOMMAIRE
I-A-1 Compartiments liquidiens............................................................ 3 I-A-2 Protéines de transport................................................................. 3 I-A-3 Modèle électrique des membranes biologiques........................... 6 I-A-4 Potentiel d'équilibre - Loi de Nernst........................................... 8 I-A-5 Voltage imposé.......................................................................... 12 I-A-6 Double microélectrodes............................................................. 12 I-A-7 Patch-clamp............................................................................... 14 3I-A-1 Compartiments liquidiens
Les organismes vivants sont composés de milieux liquides séparés par des membranes plus oumoins perméables, ceci à l'échelle des cellules et des organes. D'après le modèle de la mosaïque
fluide proposé par Singer (Singer & Nicolson, 1972), les membranes plasmiques sont composéesd'une solution bi-dimensionnelle de protéines orientées et de lipides. La plupart des phospholipides
et glycolipides constituant la membrane sont assemblés en bicouche, ils ont un rôle de solvant pour
les protéines transmembranaires et de barrière de perméabilité qui permet de séparer les composés
non lipophiles présents de part et d'autre de la membrane. Les membranes plasmiques ont unecomposition protéique et lipidique très asymétriques. La composition du milieu intérieur et
extérieur des cellules est également très asymétriques, le Tableau 1 présente des exemples de
concentrations ioniques auxquelles il faut rajouter les protéines chargées qui participent également
au bilan des charges. Tableau 1: Concentrations, [Ion], des ions des milieux interne et externe d'une cellule musculaire squelettique de mammifère.Ion [Ion]
ext (mM) [Ion] int (mM) Na145 12
K 4 155 Ca 2+1,5 10
-7 Cl123 4,2
(Hille, 1992) La perméabilité des membranes seules varie selon les molécules (Alberts et al., 1983) : - Les petites molécules apolaires diffusent rapidement (O 2 , N 2 - Les petites molécules polaires non chargées diffusent plus lentement (CO 2 , H 2O, urée)
- Les grosses molécules polaires et chargées ne diffusent pratiquement pas (glucides) - Les grosses molécules et les ions ne diffusent pasLa présence de transporteurs est donc nécessaire pour permettre aux petites molécules et aux ions
non perméants de traverser la membrane. Les macromolécules sont transportées par des phénomènes d'exocytose et d'endocytose qui ne seront pas étudiés ici.I-A-2 Protéines de transport
De nombreuses protéines de transport permettent le passage de composés de part et d'autre des membranes. Ces transporteurs (voir Erreur ! Source du renvoi introuvable.) fonctionnent soit enUniport
Permet le passage d'un seul composé dans un sens.Antiport
Figure 22: Différents types de transporteurs
Figure 23: Transports passifs, actifs, diffusion facilitée5Permet le passage de deux ou plusieurs composés en sens opposés.
Symport
Permet le passage de deux ou plusieurs composés dans le même sens. Ces transporteurs sont classés en trois groupes :1) Transport passif :
Les composés traversent la membrane en suivant leur gradient de concentration (composés non chargés) ou en suivant leur gradient électrochimique (composés chargés, voir le chapitre I-A-4, page 8) c'est à dire par diffusion simple . La protéine laisse passer certains composés sans interagiravec eux, le système de transport n'est pas saturable (Erreur ! Source du renvoi introuvable.), la
seule limitation est sur la taille des composés. Exemples: jonctions gap, composée d'un pore central hydrophile de 2 nm (voir revue de Kumar &Gilula, 1996).
2) Transport actif :
La protéine fait traverser le composé contre son gradient de concentration, cela nécessite un apport
d'énergie. Il y a interaction entre la protéine de transport et le composé transporté, le système est
saturable (Erreur ! Source du renvoi introuvable.).Dans un transport actif primaire
, l'apport d'énergie est produit par l'hydrolyse de l'ATP.Exemples: 1) ATPase Na
/K , c'est un antiport qui permet la sortie de 3 Na et l'entrée de 2 Kpar molécule d'ATP hydrolysée. Le bilan des charges transportées n'est pas nul, le transport est
électrogène
, le courant de cet antiport est donc mesurable (e.g. Vasilets & Schwarz, 1992). Le rôle de cette ATPase est d'entretenir les gradients ioniques de Na et de K de part et d'autre de la membrane.2) ATPase Ca
2+ , c'est un uniport qui transporte 2 Ca 2+ par ATP hydrolysé, il est électrogène. Son rôle est de maintenir basse la concentration de Ca 2+ du cytosol en transportant le Ca 2+ dans le réticulum endoplasmique.3) ATPase H
, uniport qui permet l'acidification des lysosomes et de l'estomac, il estélectrogène.
Dans un transport actif secondaire
l'apport d'énergie est fourni par la décharge du gradient chimique d'un autre composé.Exemple: Pompe à glucose, symport électrogène présent dans les cellules intestinales, permet
le passage du glucose grâce au gradient de Na3) Diffusion facilitée
Les composés traversent la membrane en suivant leur gradient de concentration, c'est à dire par
diffusion simple. La protéine améliore le passage de certains composés en interagissant avec eux, le
système est saturable (Erreur ! Source du renvoi introuvable.). Exemples: 1) Gramicidine A, transport de cations monovalents en symport.2) Canaux ioniques, ces transporteurs présentent une très grande diversité, ils
permettent le passage des ions au travers de la membrane grâce à un pore hydrophile, ils font l'objet de la présente étude.Le fonctionnement des canaux ioniques est basé sur l'existence de potentiels d'équilibre et sur la loi
de Nernst. 6 I-A-3 Modèle électrique des membranes biologiquesToutes les notions définies pour les électrons peuvent être appliquées aux particules chargées que
sont les ions et qui peuvent circuler de part et d'autre des membranes biologiques (forte résistance)
aux travers des canaux ioniques (forte résistance pour les canaux fermés et faible résistance pour les
canaux ouverts).Le courant ionique
I ou i (exprimé généralement en µA, nA ou pA) représente le "débit" des ions circulant de part et d'autre d'une membrane. Par convention, des cations (K , Ca 2+ , Na ) entrantdans une cellule représentent un courant négatif, et des cations sortant de la cellule un courant
positif, et inversement pour les anions (ClLe potentiel électrique
V représente la quantité de charges en un point, c'est à dire le bilan global enquantité de charges portées par les ions positifs et négatifs. Par convention le potentiel du milieu
externe V ext est pris comme référence, la différence de potentiel transmembranaire E m (exprimé en mV) est donc donné par la relation : E m = V int - V extAvec V
int , potentiel du milieu interne de la cellule.Une cellule au repos est caractérisée par un excès de charges négatives à l'intérieur par rapport à
l'extérieur. Le potentiel transmembranaire E m est donc négatif, on dit que la cellule est polarisée. Si le potentiel devient plus négatif la cellule est dite hyperpolarisée , si le potentiel devient plus positif la cellule est dépolariséeLa notion de résistance membranaire
R ou R
m (exprimé en M ou G) d'une membrane traduit l'opposition au passage des ions. La résistance membranaire spécifique R M est la résistance par unité de surface de membrane (exprimé en .cm 2 ). Inversement, la notion de conductancemembranaire g ou (exprimé en µS, nS ou pS) traduit la facilitation du passage des ions. Les deux
sont reliés par la relation : Rg1.La loi d'ohm
relie le potentiel, le courant et la résistance : E m = R.I et respectivement I = g.E m Chaque charge électrique produit un champ électrique qui va interagir avec les charges présentes dans ce champ, cela se traduit par une force inversement proportionnelle au carré de la distance,dont le signe dépend du sens du champ et du signe de la charge subissant l'effet. Ceci se traduit par
le fait que deux charges de même signe se repoussent et que deux charges de signe contraires'attirent. Un gradient de charges (une différence de potentiel) produit un champ électrique que l'on
considère comme homogène.La notion de capacité
C (exprimé en farads F) traduit la faculté de certains éléments d'accumulerdes charges. Une capacité est composée d'une fine couche très résistante (isolant) séparant deux
conducteurs sur une surface assez importante. Les charges positives et négatives peuvent s'accumuler dans chaque conducteur car elles s'attirent mutuellement au travers de la surface résistante grâce au champ électrique produit. La capacité membranaireC (exprimé en pF) traduit la
V?????
Figure 24: Électrodiffusion dans une membrane
8faculté des membranes d'accumuler des charges. La capacité membranaire spécifique
C M est la capacité par unité de surface de membrane (exprimé en µF/cm 2I-A-4 Potentiel d'équilibre - Loi de Nernst
I-A-4-a Modèle de l'électrodiffusion
Ce modèle est le point de départ de la quantification des phénomènes d'électrodiffusion, il repose
sur plusieurs hypothèses: - La membrane est considérée comme un milieu homogène dans lequel les ions se partitionnent instantanément depuis les solutions extra- et intracellulaires.- Les ions traversent la membrane de façon indépendante, c'est à dire sans interagir les uns avec
les autres. - Le champ électrique au travers de la membrane est constant.Le potentiel et la concentration de l'ion au sein de la membrane suivent les profils indiqués dans la
Erreur ! Source du renvoi introuvable..
Soit deux compartiments liquidiens séparés par une membrane avec des milieux de compositiondifférentes, proches des milieux interne (compartiment 1) et externe (compartiment 2) d'une cellule.
L'électroneutralité est respectée dans chaque compartiment, ils ont chacun un potentiel électrique
nul car les charges positives (Na , K ) sont compensées par les charges négatives (Cl ) (voir Erreur ! Source du renvoi introuvable.). Ensuite nous avons plusieurs possibilités:Cas N°1: La membrane est imperméable aux ions, le bilan net des charges de part et d'autre de la
membrane, c'est à dire le potentiel transmembranaire, est nul.Cas N°2: Si un transporteur ne laissant passer que le potassium est présent dans la membrane, un
canal potassique ouvert en permanence par exemple, les ions potassiques vont diffuser selon leur gradient chimique . Ce flux d'ions est appelé courant de diffusion, I diff . Les autres ions ne pouvantpas traverser la membrane, il se développe alors un excès de charges négatives sur la face 1 de la
membrane et un excès de charges positives sur la face 2, c'est à dire à un gradient de charges
qui produit un mouvement d'ions K en sens inverse, c'est le courant de conduction, I cond . Le courant global d'ions traversant la membrane est la somme de ces deux courants: I K+ = I diff + I cond Ce courant est décrit par l'équation de l'électrodiffusion de Nernst - Planck (Hille, 1992) : dxdV