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EXCITATION NERVEUSE ET
MUSCULAIRE
I. POTENTIEL DE REPOS
A. MESURE DU POTENTIEL DE REPOS
En reliant une des bornes d’un voltmètre au milieu
intérieur d’une cellule et l’autre borne au milieu qui
entoure la cellule, on peut mesurer la différence de
potentiel existant entre les deux faces de la membrane
plasmique (potentiel de membrane).
Le potentiel membranaire de repos
Définition :
Le potentiel membranaire est la différence
de potentiel ou de tension mesurée entre la
face externe et la face interne de la
membrane d'un neurone (ou de toute
cellule vivante)
Cette différence de potentiel est égale à
environ -70 mV (millivolts)
-55mV et -100mV fibres nerveuses et
musculaires striées.
-55mV et -30mV fibres musculaires lisses
B. ORIGINE DU POTENTIEL DU REPOS
Quel est le processus physique ou physico-chimique doit-on rendre responsable
de l’établissement et du maintient du potentiel de repos?
Puisque les ions peuvent se balancer librement dans une solution aqueuse, tout
déséquilibre de charges se produisant dans un milieu intra ou extracellulaire ne pas
se maintenir car il est aussitôt contrecarré par les mouvements des ions qui tendent à
rétablir l’équilibre.
Le déséquilibre traduit par le PR se maintient parce que la membrane
sépare les milieux en cause sa face interne - et sa face externe + par
exés d’anions et de cations respectivement lesquels ne franchissent
pas librement la membrane
Répartition des
charges :
La membrane est polarisée
Sa face interne est
électronégative
Sa face externe est
électropositive
Ce potentiel est dû à la
répartition inégale des ions
et des protéines entre les
milieux intra et
extracellulaires
C. REPARTITION DES CONCENTRATIONS ioniques.
Pourquoi le potentiel de repos de la cellule nerveuse et de la cellule musculaire est
toujours négatif ?
Ceci est dû à la distribution inégale des ions et particulièrement des ions K et Na.
Concentration ionique des milieux intra et
extracellulaire d’une cellule musculaire de mammifère
Intracellulaire
mM
Na+ : 12
K+ : 155
Cl- : 4
HCO3- : 8
A.: 155
Extracellulaire
mM
Na+ : 145
K+ : 4
Cl- : 120
HCO3- : 27
Pot.d’équilibre
+56 mV
-90 mV
-90 mV
ClGradient chimique
Na+
Gradient électrique
K+
Gradient électrochimique
D. LES IONS K ET LE PR
Comment la différence de concentrations ioniques de part et d’autre de
la membrane peut elle engendrer le potentiel de repos ?
Si la membrane constitue une barrière aux ions, si elle est
imperméable aux ions, la différence de concentration ionique
sur ses deux faces peuvent se maintenir. Or la membrane est
perméable aux ions K+.
La forte concentration en ions K+ du milieu intracellulaire fait
que ces ions quittent la cellule et si aucun phénomène
n’intervenait contre cette fuite les concentrations en K+ de part
et d’autre la membrane s’élargiraient rapidement.
Etablissement et maintien du potentiel de repos
Lorsque un flux d’ions K+ quitte la cellule, l’extérieur se
garnit en charges positives auquel correspond à l’intérieur
un exès de charges négatives. Or le gradient de potentiel
électrique établi par ce flux lui même s’oppose à la
poursuite de la sortie de cations en contrebalançant
exactement au niveau de la membrane, les effets du
gradient de pression osmotique des ions K+. C’est alors que
les deux courants d’ions K+ traversant la membrane
s’équilibrent. Cet état représente
le potentiel d’équilibre des ions K+ ou EK.
E(mV) (intérieur par rapport à l’extérieur) =
- 61 log Ki / Ke
Ce facteur – 61 dépend des divers constantes et de la
température(t° = 32°C, R = 8,3 joule/degré/mole)
-8,31 . 305 . 2,33. 1000/96500 =-61
Si K i/ Ke = 30 ; EK= - 61 . 1,48 = - 90 mV.
Cette valeur est une bonne approximation du potentiel de
repos. On peut donc dire que le potentiel de repos
correspond au potentiel d’équilibre des ions K+; c à d à la
force électrique juste capable d’empêcher la perte d’ions K+
par diffusion au travers de la membrane. Les milieux intra et
extracellulaire peuvent ainsi maintenir leur différence de
concentration en ions K+.
E .ROLE DES IONS Cl- DANS L’ETABLISSEMENT DU PR
Dans les fibres nerveuses PCl est faible
Dans les fibres musculaires PCl est forte
Comme K i / Ke = Cle/ Cli on aura EK = ECl
La répartition opposée des ions K+ et Cl- de part et d’autre de
la membrane n’est pas due au hasard mais au réglage des
flux ioniques transmembranaires par des potentiels ioniques
identiques
II. POTENTIEL DE REPOS ET ENTREE DES IONS
Na DANS LA CELLULE
A. RELATION ENTRE LE PR ET CONCENTRATION
DES IONS EXTRACELLULAIRE DE K+
vi - ve
E(mV)= 58Log ke /139
- 60
log [K+]e mM
1
3 5 10
100
La courbe expérimentale pour [K+]e >10 mM correspond à celle
prédite.
Les mesures réelles paraissent à première vue s’accorder
assez bien avec les prévisions théoriques.
On notera qu’en réalité l’accord théorique et pratique
n’existe que pour des fortes concentrations en K+.
Pour de faibles valeurs de concentrations les mesures réelles
donnent des valeurs moins négatives que les concentrations
sont plus faibles.
vi - ve
Nae =0
Choline=145mM
E(mV) = 58Log ke /139
- 60
log [K+]e mM
1
3 5 10
100
La courbe expérimentale pour [K+]e correspond à celle prédite.
Le phénomène de non coïncidence entre le potentiel de repos
et EK doit être donc rapporté à un flux d’ions Na+ au travers
de la membrane
B. CONDUCTANCE DE LA MEMBRANE POUR K+ ET
Na+.
Au potentiel d’équilibre, le flux net des ions est nul et aucune force
ne les met en mouvement.
Ce potentiel d’équilibre peut être donc pris comme valeur de
référence pour les mesures ultérieures. Plus les valeurs des
potentiels de la membrane, tendent à s’écarter des valeurs de
potentiel d’équilibre, plus les entrées et sorties d’ions sont loin de se
compenser, et plus le flux net croit.
Ainsi on peu considérer que la force électromotrice qui assure les
mouvements des ions est la différence des valeurs entre le potentiel
de membrane et le potentiel d’équilibre pour les ions considérés.
Nous écrirons donc l’équation de la conductance:
gK= IK / ( E- EK )
IK le flux net des ions K+ et E potentiel de membrane
Les déterminations expérimentales de gK et de gNa ont permis de
montrer que pour les cellules nerveuses et les cellules musculaires :
gK est 10 à 25 fois plus grande que gNa
ENa = - 61 log 1/12 = - 61mV . -1,08 = +65 mV
Lorsque le potentiel de membrane est plus négatif que ENa du Na entre
dans la cellule. Si gNa reste constante le flux d’entrée de Na+ va croître
en même temps que l’écart à ENa croît:
INa = gNa (E-ENa).
Le fait de rendre plus négatif le potentiel de membrane
dans une expérience accroît le flux d’entrée d’ions Na+ dans
une cellule ce qui pour évidement pour conséquence de
creuser l’écart entre le potentiel de membrane et EK
On constate que, même lorsque la concentration en ions K+ du milieu
extracellulaire est normale, le potentiel de repos est moins négatif d’environ
10 mV que ne le prévoit le calcul de E .
K
Ceci s’explique si l’on tient compte du quotient de g
le potentiel de repos, d’une part et E
K
K
/g
Na
et l’écart entre
, E d’autre part .
Na
Au potentiel de repos , un faible flux d’ions K+ peut équilibrer un flux entrant
d’ions Na+.
Si les deux flux sont quantitativement égaux, la conductance des ions k+ étant
20 fois celle des ions Na+ , l’écart de potentiel pour les ions Na+ sera 20 fois
l’écart des potentiels pour les ions K+.
gK / gNa = 20 / 1
-(E-ENa) / (E-EK) = 20/ 1
21 E = ENa + 20 EK
21 E =ENa +21EK – EK
d’où E = EK = (ENa –EK)/ 21
avec (ENa- EK) = 65 –(-90) = 155 mV
E= EK + 155/21
E= EK + 7,4 mV
Théorie actuelle.
Tenant compte des perméabilités dans la membrane du K+ et
du Na+ :
Goldman :
Faible devant Ke quand Ke augmente
Vi – Ve = 60 log
[K+]e + PNa+ [Na+]e
Pk+
[K+]i + PNa+ [Na+]i
Pk+
- RT ln 1
F
10
Toujours faible
C. INSTABILITE DU POTENTIEL DE REPOS SOURCE D’
UN FLUX IONIQUE PASSIF
III. LA POMPE A Na
A. MESURE DU TRANSPORT ACTIF
DE Na
- effet de la température
- effet du DNP
Transport actif - cas de la pompe Na/K
Efflux de
sodium
radioactif
(coup/min,
échelle log)
L’étroite dépendance de sortie 24Na+ de la température prouve la nature
active du processus chimique en cause: une diffusion passive n’est pas
autant sous la dépendance de la T° .
En début de l’expérience , le flux de sortie de 24Na+ est rapide
si on ajoute du dinitrophénol (DNP) au milieu extracellulaire,
le transit des ions 24Na+ est pratiquement interrompu au bout
d’une heure. Si on élimine le DNP, le transport normal
reprend.
Donc le fonctionnement de la pompe à sodium dépend de disponibilité d’énergie:
c’est bien d’un transport actif qu’il s’agit
B. Le couplage des ions Na+ et K+ dans une
pompe à Na+- K+
Transport actif – inhibition par la OUABAINE
Efflux de
sodium
radioactif
(coup/min,
échelle log)
ouabaine
Influence des ions Na intracellulaire et K extracellulaire
Efflux de
sodium
radioactif
La fixation
des ions
s’effectue sur
un site spécifique
Influence de l’ATP
L’efflux de sodium
est bloqué par le DNP
Efflux de
sodium
radioactif
Si de l’ATP est injecté
directement dans l’axone
l’efflux reprend
transitoirement
l’intensité est
dose-dépendante
Efflux de
sodium
radioactif
Activité
ATPasique
La fixation
des ions
s’effectue sur
un site spécifique
Km identiques
L’ATPase membranaire et le transporteur du Na sont
une même et seule molécule
Les complexes formés sont électriquement neutres, ce qui fait
qu’aucune charge électrique n’apparaît au cours du transport au
travers de la membrane: le potentiel de membrane n’est donc
pas affecté par le transport lui même. La pompe à Na+ peut être
considéré comme électriquement neutre.
Le couplage Na+- K+ réalise une économie d’énergie
métabolique, ce qui a probablement favorisé sa mise évidence
au cours de l’évolution. la cellule requiert de grande quantité
d’énergie pour le fonctionnement de sa pompe à Na+. On
estime que 10 à 20 % du métabolisme de repos d’une cellule
musculaire correspond au transport actif de Na+. Cette dépense
serait encore accrue si la plus grande part du transport de Na+
n’était pas couplé au transport de K+.
C. LISTE SOMMAIRE DES COURANTS IONIQUES
TRAVERSANT LA Membrane.
Mouvements actifs et passifs des ions à travers la membrane. Les
tailles des divers canaux indiquent les importances des courants qui
les empruntent. Leur pente et proportionnelle à la force
électromotrice du courant.
La sortie passive des ions K+ est importante en intensité par rapport à
l’entrée passive des ions K+. la différence entre les deux courants
passifs est compensée par le transport actif des ions K+. dans le
« canal actif K+ » est relié à la pompe mise en action par l’énergie
métabolique.
L’entrée passive de Na+ est compensé exactement par la sortie
active de Na+ et les ions remontent les gradients dans « le canal
actif Na » par l’effet de la pompe.
Ce qu’il faut bien remarquer, c’est que les canaux Na+ de la
membrane sont plus étroits que les canaux K+: en dépit de
l’importance relative de la force électromotrice qui anime les
ions Na+, le nombre d’entre eux qui traverse la membrane est
plus faible que le nombre d’ions K+ circulant en même temps.
Ceci reflète les différences de la conductance membranaire pour
les Na+ (relativement faible) et pour les ions K+ (relativement
forte).
IV LE POTENTIEL D’ ACTION
A.Décours des potentiels d’action
Les phases du potentiel d’action
cas de l’axone de calmar
V (mV)
overshoot
ENa+
(environ +60 mV)
phase ascendante ou
dépolarisation
seuil
phase descendante ou
repolarisation
phase de
post-hyperpolarisation
V repos -60 mV
EK+
(environ –90 mV)
C. DECLENCHEMENT DU PA
Le potentiel de repos peut être considérer comme un état stable et
constant. Quels sont les événements capables de rompre une telle stabilité
et ainsi d’engendrer un potentiel d’action ?
Les potentiels d’action sont engendrés chaque fois que le potentiel d’une
membrane, d’abord au repos, atteint –50 mV. La valeur du potentiel à partir
de laquelle en déclenche un PA est le seuil du d’excitation
Au seuil la charge électrique de la membrane est instable. Elle se dissipe
rapidement et automatiquement; la membrane peut même inverser
transitoirement sa polarisation: c’est ce qui se produit durant
« l’overshoot ».
Le potentiel d’action
cas de l’axone de calmar
Condition d’enregistrement : COURANT IMPOSE
on injecte à la cellule un échelon
de courant rectangulaire contrôlé en amplitude et en durée
on enregistre les variations de potentiel transmenbranaires:
un potentiel d’action
cellule
microélectrodes
intracellulaires
V
I
potentiel d’action
potentiel électrotonique
seuil
V
I
D. DEFINITION DU PA
Dans chaque cellule, le PA est une séquence de dépolarisations
et de repolarisations de la membrane, qui se produit
spontanément chaque fois qu’une dépolarisation préalable a fait
atteindre au potentiel de membrane une valeur seuil. Les
cellules dont le potentiel de membrane peut ainsi être modifié
sont dites cellules excitables. L’excitabilité est une propriété
caractéristique des cellules nerveuses et musculaires
E. MOUVEMENT DES IONS PENDANT LE PA
Le potentiel de repos se caractérise par une forte conductance au
K+ de la membrane. Le gradient de concentration impose aux
ions K+ de quitter la cellule, jusqu’au moment où la charge
électrique résultante de la membrane s’oppose à toute sortie
ultérieure.
Si la membrane est dépolarisée jusqu’à ce que son potentiel atteigne la
valeur seuil, elle voit croître sa conductance pour les ions Na+. Donc ces
ions Na+ pénètre dans la cellule. Ils compensent partiellement les charges
négatives occupant la face interne de la membrane, ce qui fait que les
valeurs du potentiel de membrane deviennent de moins en mois
négatives. Donc E continu de croître et d’avantage d’ions Na+ pénètrent
dans la cellule: gNa peut atteindre finalement des valeurs qui dépassent
100 fois sa valeur de repos;
Ceci signifie que pendant l’excitation, gNa surpasse gK.
Lorsque cette croissance de gNa est maintenu pendant des temps
suffisamment longs, la charge de la membrane s’inverse, mais il faut
remarquer que lors de l’excitation le potentiel de membrane ne peut pas
dépasser ENa, car les valeurs positives qu’il prend s’opposent aux effets
du gradient de pression osmotique engendré par la répartition des ions
Na+ de part et d’autre de la membrane. Nous savons que le potentiel
d’équilibre des ions Na+ est approximativement +60 mV.
Si l’on se réfère à cette description des phénomènes de la phase
d’excitation il faut se situer le pic de potentiel d’action au point
où la valeur du potentiel d’équilibre des ions Na+ est atteinte, c
à d vers +60 mV. Or ce pic est +30 mV: il n’y a donc pas de
coïncidence avec ENa
Deux raisons peuvent être avancées pour justifier cette non coïncidence :
tout d’abord la durée de la phase d’augmentation de valeur de gNa n’est
pas assez longue pour permettre au potentiel de membrane qui s’inverse
d’atteindre ENa. La seconde raison réside dans le fait que la
dépolarisation membranaire liée, à l’accroissement de gNa,
s’accompagne également d’une augmentation de gK. Tout fois cette
dernière augmentation se produit avec un retard d’un peu moins d’1 ms
sur la première.
En conséquence lorsque le pic du potentiel d’action est atteint, un peu moins d’1
ms après l’intervention de l’excitation, des ions K+ commencent à quitter la
cellule. Leur nombre va croître rapidement, ce qui tend à compenser l’entrée des
charges électriques positives sous forme de cations Na+ . Bientôt gK surpasse
gNa; il sort alors de la cellule davantage de charges positives qu’il en entre et le
bilan au niveau de la membrane redevient plus négatif. Cette prédominance de la
sortie de K+ sert de facteur de causalité à la phase de repolarisation du PA. Dans
les fibres nerveuses des homéothermes, la face interne de la membrane reprend
donc sa charge négative complète et le potentiel de repos se rétablit environ 1 ms
après intervention de l’excitation.
En résumé les mouvements ioniques caractéristiques du décours du PA:
lorsque le seuil de dépolarisation est atteint, la conductance aux ions
Na+ croît rapidement ; la conductance aux ions K+ croît également, mais
avec un léger retard. Des ions Na+ pénètrent rapidement dans la cellule et
la valeur du potentiel de membrane se rapproche de la valeur du potentiel
d’équilibre aux ions Na+ (+60 mV) ; des ions K+ quittent alors la cellule,
restaurant la charge membranaire de repos et repolarisant la membrane
qui reprend son potentiel de repos.
F. Echanges ioniques pendant le potentiel d’action
En dépit des changements importants de la conductance de la membrane pendant le
décours du PA, les échanges ioniques à travers la membrane sont faibles en comparaison
du nombre des ions qui se trouvent de part et d’autre.
Les ions Na+ qui pénètrent dans la cellule au cours du PA doivent être rejetés
ultérieurement par la pompe à Na+. Le transport actif des ions Na+ ne doit donc
fonctionner non seulement durant l’entrée des ions Na+ pendant le PR, mais aussi mais
aussi durant l’entrée supplémentaire causée par l’excitation.
Portant, le transport actif des ions Na+ ne se répercute pas immédiatement sur chaque
PA. Si on bloque la pompe à Na+ par empoisonnement avec le DNP, si donc on élimine le
transport actif, on peut déclencher des milliers de PA avant que la concentration du milieu
intérieur en ions Na+ deviennent si élevée qu’elle rend la cellule inexcitable.
Le potentiel d’action n’est donc lié directement qu’aux mouvements
passifs des ions le long des gradients de concentration. Les processus
consommateurs d’énergie tel que la pompe à Na ne sont nécessaires que
pour le maintien des valeurs globales des gradients de concentration.
G. Le potentiel d’action et le déficit en ions Na+
La haute concentration des ions K+ dans le milieu intracellulaire est une préalable au
maintien du potentiel de repos, alors qu’une forte concentration de Na+ dans le milieu
extracellulaire est nécessaire aux manifestation du PA. En complément à ceci on peut dire
que l’excitabilité dépend d’une faible concentration intracellulaire Na+, de telle sorte que
les ions existant dans le milieu extracellulaire puisent pénétrer aisément
V CINETIQUE DE L’ EXCITATION
Le PA est engendré par un flux d’ions Na+ pénétrant dans la cellule et par un flux
d’ions K+ sortant de cette cellule; les deux phénomènes sont commandés par une
dépolarisation membranaire dont le potentiel atteint une valeur seuil. Nous
discuterons ci–dessous de ces phénomènes et en particulier de la cinétique complexe
des courants Na+ et K+, car leur bonne connaissance est indispensable à la
compréhension de la propagation du PA.
A. Quantification des courants ioniques en fonction du potentiel et du
temps
B. Technique du voltage imposé
C. Courants ioniques après une dépolarisation
Mécanismes ioniques impliqués dans les différentes
phases du potentiel d’action (cas de l’axone)
Technique du potentiel imposé
I
potentiel de référence
holding potential
a
IR
U
Rm
IC
amplitude
durée
IC
Cm
IR
IC
Is
I=0
Ic : courant capacitif
Ie : courant entrant (négatif)
Is : courant sortant (positif)
Ie
a
Itotal = Ic + Ie + Is
Le courant ionique global dépendant du potentiel
potentiel
de maintien
potentiel test
dépolarisation
0 mV
-70 mV
positif
négatif
Le courant ionique global dépendant du potentiel
Is
Iglobal = Ientrant + Isortant
Ie
Iglobal + tétrodotoxine (TTX)
Isortant isolé
Iglobal + 4 amino-pyridine
Ientrant isolé
Temps (ms)
Pour E= 0 mV on a séparé deux composante; i) une aux ions Na+, ii) l’autre
aux ions K+. On note que INa croît dès l’intervention de l’excitation pour
s’annuler dans les quelques ms qui suit alors que IK ne se manifeste
qu’après un temps de latence pour croître ensuite pour atteindre une
valeur constante.
Cinétique du courant potassium dépendant du potentiel
cas de l’axone géant de calmar
canal K
dépolarisation
n
repolarisation
activation
déactivation
F


O
Le courant potassium global, pour
un potentiel donné, atteint l’état
stationnaire selon une sigmoïde
IK(V,t) = GK.(Vm-EK)
GK = n4(V,t).GKmax
IK(V,t) = n4(V,t).GKmax.(Vm-EK)
Temps (ms)
EK : potentiel d’équilibre des ions K
GK : conductance potassique maximum
n : est un coefficient variant entre 0 et 1.
Il représente la fraction de la conductance
mise en jeu à n’importe quel moment
et à n’importe quel potentiel
Le canal potassium
dépendant du potentiel
est constitué
de 4 sous-unités
identiques
 et  sont des constantes
Cinétiques d’ouverture et de fermeture

F
O

Le canal est ouvert si les 4 sous-unités
sont ouvertes
F4
F3
F2
F1
1
O
0
décours sigmoïdal
du courant sortant
potassium
Dépendance vis à vis du potentiel
du courant sortant potassium
potentiels tests
condition de potentiel imposé
amplitude des chocs
dépolarisants
courbe courant / potentiel
ou courbe I / V
I (nA)
potentiel de
référence
activation
-50
I=0
50
Vm (mV)
famille de courants sortants
mesure de l’amplitude
du courant
100
seuil d’activation
du courant
Plus le potentiel est positif et plus l’amplitude du courant augmente
avec un temps d’activation de plus en plus rapide
Cinétique du courant sodium dépendant du potentiel
cas de l’axone géant de calmar
dépolarisation
repolarisation
m
F
réactivation
h
I=0
activation du
courant entrant
F
inactivation du
courant entrant
O
I
La dépolarisation ouvre la porte d’activation
et plus tardivement ferme la porte d’inactivation
porte m : activation
porte h : inactivation
Le courant entrant
sodium dépendant
du potentiel
courbe courant / potentiel
ou courbe I / V
+60
0
-20
-40
-70 mV
+60
INa(V,t) = GNa.(Vm-ENa)
famille de courants
entrants
GNa = m3.h(V,t).GNamax
INa(V,t) = m3.h(V,t).GNa-max.(Vm-ENa)
potentiel d’inversion
du courant entrant
seuil d’activation
du courant entrant
I (nA)
V (mV)
quand le potentiel d’inversion du courant
est égal au potentiel d’équilibre d’un ion
le courant est purement sélectif de cet ion
pic maximum
du courant entrant
D Changements de la conductance de membrane après
dépolarisation
Pour un potentiel E
gNa = INa / (E-ENa)
Connaissant ENa et EK on peut calculer pour un niveau de potentiel E,
gNa et gK à partir de INa et IK.
A E= 0, gNa atteint son maximum moins d’une milliseconde après le
début de la dépolarisation elle est presque nulle après 4ms alors que
l’état de dépolarisation persiste. Cette condition est nommé inactivation.
.
Canal sodium dépendant du potentiel
3 molécules constituent l’activation (m3). Le passage de l’état
fermé à l’état ouvert se fait rapidement
1 molécule constitue l’inactivation (h). Le passage de
l’état ouvert à l’état fermé se fait lentement
m s’ouvre donc plus rapidement que h ne se ferme
INa(V,t) = GNa.(Vm-ENa)
GNa = m3.h(V,t).GNamax
m est la variable d’activation
de GNa
et h sa variable
d’inactivation
conductance sodique
activation
m
inactivation
h
Dépendance vis à vis du potentiel de la porte
d’inactivation à l’état stable du courant entrant sodium
10 secondes
-60
50 ms
Technique de la double impulsion
impulsion conditionnante
impulsion test
-80
-100
-140
courbe d’inactivation
«h»
I
Imax
m
% de canaux
activables
100
80
60
40
20
0
-150
h
-100
-50
potentiel de référence
(mV)
A –140 mV, 100 % de canaux sodium sont activables
A –80 mV seulement 20 % sont activables
A –60 mV tous les canaux sont inactivés
L’inactivation se maintien tant que la cellule est dépolarisé lorsque
gNa est inactivée au cours d’une dépolarisation on ne peut l’activer à
nouveau immédiatement.
Le système Na+ ne reprend son excitabilité que lorsque le potentiel
de membrane reprend une valeur voisine du potentiel de repos ou
lorsque il passe à une valeur plus négative.
Le système Na+ ne peut être activé par une dépolarisation que si le
potentiel de membrane se maintien suffisamment négatif pendant
plusieurs millisecondes. S’il reste supérieure à –50 mV dans un
neurone, le système Na+ est inactif et en conséquence aucune
excitation ne peut avoir d’effet
En conclusion : le système sodium peut se présenter sous trois
états différents en fonction du potentiel et du temps :
disponible pour activation , à des potentiels inférieurs à –50 mV
activé après une dépolarisation supraliminaire mais seulement
pour quelques millisecondes.
inactif, lorsque le potentiel de membrane est maintenu pendant
quelques millisecondes à des valeurs supérieures à –50mV.
La transition de l’activation à l’inactivation dépend du
temps, et la transition de l’inactivation à l’état de
disponibilité pour l’activation dépend du temps et de
l’importance de la repolarisation intervenue.
sous unité du canal sodium
ext
int
un domaine et 6 segments de S1 à S6
vue de dessus
(organisation en rosette)
La sous unité du canal
sodium est composée
de 4 domaines I, II, III, IV
un domaine
Le canal sodium dépendant du potentiel
La vératridine augmente INa
L’ amiloride diminue INa
La papavirine supprime
l’inactivation
E. Conductance de la membrane pendant le PA.
Origine des phases du potentiel d’action
driving force
V (mV)
ENa+
INa+ = gNa+ . (Vm – ENa+)
Vm
gNa+ = INa+ / (Vm – ENa+)
conductance Na+
IK+ = gK+ . (Vm – EK+)
conductance K+
gK+ = IK+ / (Vm – EK+)
V repos
EK+
Les valeurs de gNa croissent en fonction de l’augmentation des valeurs du
potentiel juste après excitation et atteint un maximum avant le pic du PA.
Les valeurs de gNa décroissent ensuite mais d’une façon non constante,
puisque l’inactivation varie le temps et avec le potentiel.
Les valeurs de gK ne croissent d’abord que lentement; elles marquent un
retard sur les valeurs de gNa, elles atteignent un maximum pendant la
phase ascendante rapide du potentiel, puis décroissent lentement.
Effets des différents inhibiteurs
potassique et sodique sur
le potentiel d’action
potentiel d’action contrôle
effet de la 4-AP: augmentation
de la durée du PA + ralentissement
de la phase de repolarisation
effet de la TTX: inhibition
de la phase de dépolarisation
du potentiel d’action avec disparition de
l’activité électrique
Effet de la tétrodotoxine (TTX)sur le canal sodium
La TTX se fixe à l’entrée du canal empêchant le
Passage des ions Na+
Récapitulation
En courant-imposé, on enregistre les variations de potentiel (Potentiel d’Action)
Caractéristiques du Potentiel d’Action (PA)
il faut atteindre un certain seuil pour générer le PA
il obéit à la loi du TOUT ou RIEN et se propage sans décrément
il est soumis à la période réfractaire (conduction unidirectionnelle)
Les différentes phases du PA (cas de l’axone géant de calmar)
dépolarisation – repolarisation – post-hyperpolarisation
En potentiel- imposé, il est possible d’enregistrer les courants ioniques
dépendants du potentiel impliqués dans les différentes phase du PA
Le courant total Itotal = Ic(capacitif) + Ie(entrant) + Is(sortant) + If(fuite)
Le courant entrant est négatif et transporté par les ions sodium, il présente une
phase d’activation et d’inactivation pendant l’impulsion dépolarisante
INa = m3.h.GNamax.(Vm-ENa). Il est inhibé par la tétrodotoxine (TTX)
A.Phases réfractaires suivant le
potentiel d’action
gNa est déjà partiellement inactivée lorsque le PA atteint le pic.
L’inactivation est pratiquement complète lorsque le tracé du
potentiel coupe de nouveau la ligne de valeur 0 pendant la
phase de repolarisation. Pendant la repolarisation gNa est
inactivée et la cellule est inexcitable pendant toute cette
période.
La phase d’inexcitabilité qui suit la manifestation d’un PA
peut également être mise en évidence si l’on stimule
répétitivement avec des valeurs supraliminaires, la
membrane d’une cellule dans la période qui suit
immédiatement un PA.
La cellule se révèle absolument inexcitable dans les deux
millisecondes qui suivent le début du PA : quelque soit
l’importance de la dépolarisation produite , le seuil d’excitation
ne peut être atteint . Cette phase de complète inexcitabilité se
nomme période réfractaire absolue.
Pendant les quelques millisecondes suivant la période
réfractaire absolue, les valeurs du potentiel d’excitation sont
supérieurs à la valeur seuil préalable. Cette phase de retour à la
normale se nomme période réfractaire relative.
L’amplitude du potentiel d’action est réduite pendant cette
phase parce que le système Na+ n’a pas totalement recouvré ses
possibilités après l’inactivation.
La période réfractaire absolue impose la fréquence avec laquelle
on peut engendrer des PA au niveau d’une membrane cellulaire.
La période réfractaire absolue dure 2ms après intervention de
l’excitation alors que la fréquence maximum des PA pour la
cellule considérée, sera de 500/seconde. On connaît des cellules
à période réfractaire plus court: des fréquences de 1000/seconde
peuvent s’observer sur un neurone mais ce sont des cas
extrêmes, le plus souvent la fréquence est inférieure à
500/seconde.
Périodes réfractaires absolue (PRA)
et relative (PRR)
PRA
V. ELECTROTONUS ET STIMULATION
A. Electrotonus dans le cas d’une répartition intracellulaire
homogène du courant
Evolution de la réponse électrotonique
I+
l’injection d’un
courant positif
à l’intérieur
de la cellule
produit
une dépolarisation
I-
l’injection d’un
courant négatif
à l’intérieur
de la cellule
produit
une hyperpolarisation
PROPRIETES PASSIVES DE LA MEMBRANE
Evolution de l’amplitude de la réponse électrotonique
Im
ext
temps
Vm
Rm
100%
63%
Cm
 = Rm . Cm
Vm
0

temps
Im
int
V
R = pente
Vm
I
La courbe I/V est linéaire
dans le cas de la réponse Im
électrotonique
Vm
courbe
courant / potentiel
courbe
I/V
Les charges électriques fournies à la cellule vont fuir en
traversant la membrane grâce d’une part à la capacité de celle-ci,
d’autre part aux flux ioniques. Le potentiel E change. Pendant la
fuite du courant, et durant peu de temps après, l’électrode de
mesure signale l’existence d’un potentiel électrotonique (c à d les
phénomènes électriques associés à des propriétés physiques
passives, «capacité, conductance», de la membrane stimulée par
des courants infraliminaires).
Suivant le sens d’application du courant, l’ exés de charges
électriques fournies peut accroître ou réduire la charge négative
de la face interne de la membrane. Une entrée de charges réduit
d’autant la charge négative membranaire. Dans ce cas, la charge
positive de la face externe se trouve simultanément réduite.
Comme le nombre de charges positives éliminées de la face
externe est égal au nombre de charges fournies par
l’électrode, tout se passe comme si un courant avait traversé
la membrane bien que aucun porteur de charges n’ait
vraiment emprunté un tel chemin. Puisque ce courant est
engendré par le déplacement de charges dans le
condensateur membranaire, on le nomme courant capacitif
(Ic)
On constate que le potentiel, lorsque la cellule est stimulée par
un courant continu, ne varie pas linéairement: «son taux de
variation décroît au cours du temps et finalement le potentiel
cesse de varié en dépit du maintien de la stimulation» . Il faut
donc penser que le Ic n’est pas la seule cause de modification du
potentiel. En effet, il s’y ajoute au flux ionique
Au potentiel de repos la membrane est perméable aux ions K+,
moins aux Cl- et un peu au Na+. Tant que la membrane est au
PR la résultante de tous ces courants est nulle. Si le potentiel de
membrane est modifié, à cause de la stimulation, un flux d’ions
s’établit, qui est proportionnel à l’importance des changements
de valeurs du potentiel. Nous savons que ceci est dû au fait de
la proportionnalité des flux ioniques transmembranaires et de la
conductance de la membrane; de plus ces flux varient en
fonction de la différence qui existe entre le potentiel de
membrane et le potentiel d’équilibre.
Si la charge membranaire se trouve réduite grâce à la stimulation
alors le flux ionique est d’autant plus fort que la valeur du
potentiel de membrane s’écarte de la valeur du PR. Ces flux
affecte surtout les ions K+. Plus la dépolarisation progresse, et
moins il faut fournir de charges électriques par l’intermédiaire
de l’électrode pour décharger le condensateur membranaire. En
conséquence, les valeurs du potentiel de membrane se
modifient de plus en plus lentement au cours du temps, puis ne
changent plus lorsque le courant électrique de stimulation
égalise ses effets avec ceux du flux ionique Ii traversant la
membrane.
Le décours du PE au coordonnées logarithmiques. Au début de
sa manifestation, seuls les courants capacitaires traversent la
membrane, mais lorsque le plateau est atteint , les seuls
courants sont ioniques.
Ce PE n’est pas simplement caractérisé par son aptitude mais
aussi par l’allure exponentielle de sa croissance.
Le temps  requis pour que la valeur du potentiel atteigne
environ 63 de sa valeur finale est la constante de temps de la
membrane.
La valeur de  pour divers types membranaires varie entre 10 et
50 ms.
r = E/I (E :PE dans sa phase finale)
Cm =  / rm
 = rm . Cm
B. Potentiel électrotonique dans des cellules de
grande longueur
PROPRIETES PASSIVES DE LA MEMBRANE
Evolution de l’amplitude de la réponse électrotonique
I
Rm
Cm
RL
RL
axone
V1
I
V2
V3
La ddp diminue avec la distance