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La membrane plasmique

 

Elle est définie comme une enveloppe continue qui forme une barrière (ou frontière) entre le milieu extracellulaire (= liquide interstitiel) et cytoplasme (= liquide intracellulaire)

Elle permet :

-          L’intégrité de la cellule,

-          La régulation de la composition du cytoplasme et du liquide interstitiel,

-          Le maintien des différences de composition chimique.

 

Exemple : Le sang :

-          Le liquide interstitiel (= le plasma) est riche en Na+ et pauvre en K+,

-          Le milieu intracellulaire est pauvre en Na+ et riche en K+.

Cf. Tableau 1

 

L’intérieur de la cellule est compartimenté en :

-          Milieu cytosolique,

-          Milieu interne aux organites,

-          Compartiment intracellulaire séparé du cytosol par différentes membranes (membranes nucléaire, mitochondriale, du RE, de l’appareil de Golgi).

Cf. Tableau 2

 

v Les fonctions de la membrane plasmique :

Ø    :

 

La membrane est structure d’échanges entre le milieu extracellulaire et le milieu intracellulaire.

  = Phénomène de diffusion.

 

Ø    :

 

La membrane réceptionne les signaux chimiques régulant le fonctionnement de la cellule et traduit l’arrivée de ces signaux par l’activation d’enzymes.

  = Phénomène de transduction.

 

Exemple : Le modèle de transduction du signal lumineux :

 


Énergie lumineuse

                                                                  Photorécepteur (dans la partie profonde de la rétine) :

 

À l’obscurité :         E = – 30 mV 

 

® Dépolarisation par entrée de Na+ via des canaux spécifiques ouverts à l’obscurité.

 

Cette ouverture est due à la présence de GMPC (Guanosine Mono Phosphate cyclique)

À la lumière :

® Changement de conformation,

                   ® Activation de protéines G,

                   ® Activation d’enzymes effectrices qui vont détruire les GMPC,

                   ® Baisse de la conduction de Na+   =    Diminution du courant d’obscurité,

® Potentiel de membrane,

® Influx nerveux.

 

Ø   ƒ :

 

La membrane permet le maintient de la différence de potentiel électrique entre le milieu extracellulaire et le milieu intracellulaire.

 

Ø    :

 

Dans les cellules excitables, la membrane génère et/ou propage un phénomène électrique.

 

Ø    :

 

La membrane plasmique renferme des activités enzymatiques qui participent aux voies métaboliques de la cellule et à sa régulation (= lieu enzymatique)

 

Exemple : La synthèse de microfibrilles de cellulose par la Cellulose–synthétase chez les cellules végétales.

 

Ø    :

 

Les composants de la membrane peuvent servir de substrats à la formation de molécules nécessaires à la cellule.

 

Exemple : L’acide arachidonique des phospholipides membranaires est le précurseur de la Prostaglandine. Les phospholipides sont des acides gras d’une vingtaine de carbones à doubles liaisons.

 

Ø    :

 

Sur la face externe de la membrane, se trouvent des composants qui forment des déterminants antigoniques dans la reconnaissance tissulaire (implication dans le système immunitaire)

 

v Architecture générale des membranes biologiques :

 

Les membranes sont composées de lipides, de protéines et de glucides. Le rapport protéines/lipides est variable selon le type cellulaire et l’espèce.

 

Exemple : La membrane interne des mitochondries       ® 76 % de protéines.

La membrane de myéline  ® que 18 % de protéines  (isolement électrique de la cellule nerveuse)

Cf. Structure

 

Le pourcentage de phospholipides est non négligeable : en quantité majoritaire (surtout des glycérophospholipides)

 

Ø  Les lipides membranaires :

§  Les glycérophospholipides :

 

Ils constituent 40 % du poids total des membranes. On y trouve principalement :

-          Des glycérophospholipides (55%),

-          Du cholestérol (20%), il est abondant dans les membranes plasmiques mais rare dans les membranes intracellulaires,

-          Des glycolipides (5%),

-          D’autres lipides dont les sphingolipides (20%)

 

Les lipides les plus nombreux et les plus représentés sont construits à partir de squelettes d’un mono–ester du glycérol. Un nom d’usage leur est attribué en fonction de leur 1ère caractérisation (= lieu de leur découverte)

 

Les glycérophospholipides sont présents chez les animaux, les plantes et micro-organismes :

                   Lécithines,

                   Céphalines,

                   Anositines,

                   Etc.

 

·         Les glycérophospholipides modifiés :

¨      Les lypoglycérophospholipides :

 

= Agents hémolytiques et cytolytiques       ® Destruction en s’incluant dans la membrane.

= Intermédiaires du catabolisme ou du métabolisme des glycérophospholipides.

 

¨      Les dérivés éther – oxydes :

 

-          Le plasmalogène : on le trouve dans les tissus à haute intensité respiratoire, les macrophages et les cellules de la Thyroïde.

-          Le PAF (= Platelit Activating Factor) : c’est le médiateur produit par les leucocytes pour activer les plaquettes.

 

·         Les propriétés physiques des glycérophospholipides :

 

Il s’agit d’une substance amphiphile : présence d’une tête polaire, ionisée, et de 2 queues apolaires. Cela leur confère une double affinité.

Ils sont solubles dans des solvants organiques, comme le chloroforme et le méthanol, et sont insolubles dans l’acétone.

Ce sont des molécules transio–actives :

-          Ils ont une propriété cruciale au niveau pulmonaire, à la surface des alvéoles, dans les échanges gazeux,

-          Et ils empêchent le collapsus (= recroquevillement des alvéoles quand elles se vident)

§  Les sphingolipides :

 

Le squelettes de ces lipides est formé d’une diolamine, à chaîne longue de type skingoïde, avec un acide gras qui se fixe sur le groupe amine (= céramide = précurseur des lipides de végétaux)

 

Leur classification est basée sur la nature du groupe R2 lié à l’hydroxyde :

                                          H         ®        Céramides,

                                          Pi         ®        Céramides_1_Pi,

                               Pi_Choline     ®        Sphingomiéline,

                                   Glucide       ®        Glycosphingolipides,

                                          Ose      ®        Cérébrosides.

 

Les sphingosides et les céramides :

Ils sont construits sur une base sphingoïde.

 

       Dérivés de la sphingosine les plus importants :

-          Sphingosine (dans les cellules animales),

-          4_hydroxysphigosine (dans les cellules végétales),

-          Céramide = Sphingoside N_acétylé,

-          Sphingomyéline : rôle dans la transduction.

 

·         Les glycosphingolipides :

 

-          Lactoglycéramide (cellules cérébrales),

-          Glycosylcéramide (autres cellules),

-          Oligoglycosylcéramide (hématies)

 

§  Les stéroïdes :

= classe importante dans les lipides membranaires.

 

On retrouve surtout le cholestérol. Il s’agit d’une molécule amphiphile qui est à la fois :

-          Constituant de la membrane en s’y intercalant et en gérant sa fluidité

-          Et, à l’état libre dans le cytosol, précurseur de molécules biologiques comme les hormones stéroïdes ou les vitamines.

Il est transporté avec les autres lipides sous forme de lipoprotéines.

 

§  Les glycoprotéines :

 

Il s’agit d’une association d’un sucre (en général un galactose) avec un acide gras au PM élevé (la sphingosine)

 

·         Les galactolipides :

= 70% du contenu en lipide de membrane du chloroplaste.

= molécule nécessaire à la synthèse du système nerveux.

L’énergie nécessaire à cette synthèse provient du glucose et du galactose formés par l’activité enzymatique.

 

·         Les gangliosides :

 

Il s’agit de glycolipides acides dont la chaîne oligosaccharidique est terminée par des structures d’acides sialiques.

 

Ils sont les constituants des cellules du système nerveux.

 

Nomenclature :

 

G

M , D ou T

1 chiffre

« Ganglioside »

1, 2 ou 3 résidus d’acide(s) sialique(s) dans la chaîne oligosaccharidique

Nombre de résidu(s) d’ose(s)

 

·         Les glycolipides neutres :

= Cérébroïdes.

 

Ils sont formés d’une longue chaîne et un ose lié par une liaison osidique à la fonction alcool IAIRE.

 

-          Galactocérébrosides (avec un b – galactose) : dans le cerveau,

-          Glucocérébrosides (avec un b – glucose) : dans les autres organes.

 

Ils sont synthétisés à partir de sucres activés par des glucosyltransférases.

 

Ø  La bicouche phospholipidique :

= unité structurale de base des membranes biologiques.

 

= 2 couches de molécules phospholipides, constituées :

-          D’une tête polaire regardant vers le milieu aqueux

-          Et d’une chaîne d’acide gras constituant un domaine hydrophobe.

Chaque couche est appelée feuillet.

 

Elles sont structurées par :

-          Des interactions hydrophobes entre les chaînes,

-          Des interactions de Van der Waals entre les atomes pour un compactage des parties hydrophobes,

-          Des liaisons hydrogènes et des interactions électrostatiques  entre les groupes de têtes polaires et la molécule d’eau pour la stabilisation de la bicouche.

 

Dans un milieu aqueux, les lipides membranaires forment des lysosomes.

 

La bicouche possède la fluidité bidimensionnelle dépendant de sa composition et de la température.

 

Dans la membrane, il y a une agitation thermique des molécules par :

-          Rotation libre des phospholipides et glycolipides autour de leur axe,

-          Diffusion latérale dans le feuillet = translation.

L’orientation axiale est à l’origine de l’anisotropie membranaire (= propriétés physiques des phospholipides différant dans toute la structure de l’espace)

 

Les molécules phospholipidiques en phase lamellaire sont animés de divers mouvements et chacun de ces mouvements est caractérisé par ses temps de corrélation (temps d’effectuer p)

-          Diffusion rotationnelle,

-          Diffusion latérale,

-          Diffusion transversale = flip – flop (plus lente car il faut que la tête polaire doit traverser la partie hydrophobe)

 

La membrane est animée dans son ensemble par un mouvement dit « collectif », appelé ondulation de surface.

 

Le lysosome est une molécule sphérique à compartiment aqueux central et à bicouche phospholipidique.

 

§  Effets de la température :

 

® Changement brutal des propriétés physiques.

 

Hausse de température : Transition de phase par une mobilité accrue des liaisons C–C des chaînes d’acides gras.

État de gel ® État fluide plus désorganisé.

 

Baisse de température :                plus difficile à supporter pour la cellule qu’une hausse.

Les cellules animales et bactériennes s’adaptent à une baisse de température du milieu en augmentant le rapport acides gras insaturés / acides gras saturés de la membrane.

 

Le cholestérol membranaire est un facteur déterminant du maintient de la fluidité de la bicouche en s’insérant entre les molécules de lipides. Il est trop hydrophobe pour former à lui seul la structure en feuillet. Il est constitué :

-          D’une partie hydrophobe polaire en contact avec la phase aqueuse

-          Et une partie polycyclique qui interfère avec la structure phospholipidique et tend à l’immobiliser.

 

Ø  Les protéines et les glycoprotéines membranaires :

= 20 à 30% de la masse membranaire, selon les tissus et les espèces.

 

§  Les fonctions des protéines membranaires :

 

-          Fonction enzymatique :   plus de 40 activités répertoriées et identifiées.

® Transduction des messages hormonaux ou nerveux.

 

-          Fonction de transport membranaire de substance :     

Elle sert de canaux spécifiques en ayant des fonctions de transporteurs.

 

-          Fonction capable de liaisons à des moléculaires informatives :

= récepteurs.

-          Fonction capable de liaisons structurales           en unissant le cytosquelette à la membrane.

Exemple : filament d’actine.

 

-          Fonction capable de fixer des virus ou des toxines :

® Absorption de virus spécifiques par glycoprotéines.

Exemple : le virus SIDA effectue une liaison au lymphocyte T4 par l’intermédiaire de la protéines SD4.

 

§  Les protéines intrinsèques :

Ou intégrées.

 

Elles forment des structures ayant une ou plusieurs parties insérées dans la bicouche (domaines transmembranaires), une partie dépassant du coté externe et une autre du coté inverse.

On peut les extraire après un traitement physique ou chimique qui détruit la structure membranaire.

 

Elles possèdent :

-          Des parties hydrophobes, pour s’associer aux lipides et permettre une meilleure cohésion de la membrane, constituées d’aminoacides hydrophobes (Alanine, Isoleucine, Leucine, Proline et Valine)

-          Des régions hydrophiles, en contact avec les milieux interstitiel et/ou cytosolique, constituées d’aminoacides hydrophiles (Arginine, Aspartate, Glutamate, Histidine, Lysine, Sérine, etc.)

-          Et d’un maximum de liaison entre les groupes C=O et N—H des acides aminés constitutifs qui ont un caractère polaire               ® doubles hélices.

® Zones +/– hydrophiles.

 

Elles présentent le type structural des canaux transporteurs : leur structure est impliquée dans le processus de communication chimique.

 

§  Les protéines extrinsèques :

Ou périphériques (à l’extrémité de la membrane)

 

Elles sont constituées de domaines essentiellement en contact avec le milieu polaire (aqueux) La plus part de ces protéines sont +/– repliée sur elles–même avec les chaînes les plus hydrophiles à l’extérieur.

 

Elles sont souvent associées à un segment hydrophobe permettant leur insertion dans la membrane par une liaison covalente avec un acide gras, un sucre ou un résidu isopropényle.

 

Ø  Les glucides :

= 5 à 10 % du PM de la membrane.

 

Ils sont accrochés à la membrane par 2 moyens :

-          Fixation à la surface des protéines

-          Ou fixation aux lipides.

 

§  Leur rôle :

 

Reconnaissance :   Les motifs glycosidiques sont très antigéniques.

Exemple : groupes sanguins.

 

Participation à l’environnement local     (moléculaires très polaires)

 

Renforcement de la membrane :                         Formation d’un feutrage.

Exemple :   La cellulose solidifie la membrane.

 

v La membrane plasmique, un modèle de la mosaïque fluide :

Singer et Nicholson, 1972.

 

La base de la structure membranaire = bicouche contenant :

-          Des régions hydrophobes (à l’intérieur)

-          Et des régions hydrophiles (à l’extérieur)

 

" Structure de lipides fluides : molécules entre les 2 interfaces qui maintiennent la structure en feuillet.

 

Cette structure est rigidifiée par des molécules de cholestérol qui forment un squelette.

 

« Mosaïque » : parce que les protéines membranaires sont nombreuses et variées.

 

 

Mouvement des molécules à travers de la membrane

 

Chez les Eucaryotes, la distribution des ions de part et d’autre de la membrane est inégale.

 

Exemple :

 

 

Intérieur de la cellule

 

Extérieur de la cellule

K+

[ K+ ]I

> 

[ K+ ]E

Na+

[ Na+ ]I

< 

[ Na+ ]E

Ca2+

[ Ca2+ ]I

< 

[ Ca2+ ]E

 

La différence de gradient de concentration est due à un phénomène de transport passif par diffusion.

 

v La diffusion simple passive de petite molécules à travers une membrane :

 

= Un soluté franchit la bicouche lipidique sans interaction spécifique avec un composé membranaire (il faut que le soluté soit une substance liposoluble)

 

Ø  La loi de Fick :

 

Elle est établie pour tout transfert à travers de la membrane, d’un tissu.

 

Le débit de transfert est proportionnel à la surface et à la différence de pression (ou de concentration) et inversement proportionnel à l’épaisseur.

La vitesse de ce phénomène est proportionnelle à une constante de diffusion qui dépend (pour le passage membranaire) de la liposolubilité et de la taille de la molécule.

 

Capacité de diffusion :      v  =  D . S . dc / e

       Avec :  D  : Coefficient de solubilité (dans notre cas, liposolubilité),

                     : Surface d’échange,

                   dc : Différence de concentration de part et d’autre de la membrane,

  : Épaisseur.

 

Exemple :   au niveau pulmonaire :

 

La quantité d’O2 qui entre dans une cellule sera donc plus grande :

-          Si la cellule est grande,

-          Si la membrane est mince,

-          S’il existe une forte différence de concentration de part et d’autres de la membrane.

 

Le flux unidirectionnel est mesuré au moyen d’isotopes radioactifs.

 

On peut déduire la loi de Fick :

En absence de différence de concentration, les flux unidirectionnels sont égaux : il n’y a pas de flux net.

 

Ø  Le flux diffusionnel :

 

Il est toujours proportionnel à la concentration en soluté, quelque soit la concentration de celui–ci. On n’observe jamais de cinétique de saturation.

 


v

                                                                  Pour une substance dont le PM < 500 Da

 

 

 


                                                      dc

Le flux diffusionnel peut varier avec chaque substance et pour une substance avec chaque membrane.

 

Le caractère plus ou moins liposoluble des solutés et leur plus ou moins grand diamètre (encombrement stérique) vont intervenir pour déterminer la facilité plus ou moins importante à traverser la membrane.

 

La perméabilité des solutés d’intérêt biologique dans les bicouches est faible voire nulle. Les bicouches sont imperméables :

-          Aux ions inorganiques,

-          Aux molécules polaires chargées,

-          Aux acides aminés (chargés),

-          Aux grosses molécules polaires non chargées (glucose, saccharose),

-          Et aux nucléotides (encombrement stérique)

 

Ø  Passage par la phase huileuse et pores :

 

Il y a une relation étroite entre la perméabilité à différentes substances et leur coefficient de passage huile – eau (= indice de liposolubilité)

 

                                                        Solubilité du soluté dans la membrane

Coefficient de partage  =  a  =

                                                      Solubilité du soluté dans le milieu aqueux

 

§  Notion de pores :

 

Les petites molécules ayant un certain caractère de solubilité dans l’eau (hydrophiles) passent plus rapidement la membrane ; pourtant elles ont une liposolubilité faible…

 

Travaux de Collander, 1930 :

 

Le passage se fait autrement que par la phase huileuse : la notion de pores est un réseau de mailles assurant une certaines continuité de la phase aqueuse entre les milieux intracellulaire et extracellulaire.

 

D Les pores ne sont pas des canaux ioniques ! Ils sont différents des porines (= structure en chaîne b) Par exemple : les aquaporines assurent le transport de l’eau.

 

Ø  Les principaux facteurs de la diffusion simple :

 

La surface d’échange :

Certaines cellules spécialisées dans les échanges (cellules intestinales, rénales) présentent des caractères morphologiques pour augmenter la surface d’échange (microvillosités, invaginations)

 

Le poids moléculaire :

La membrane plasmique est pratiquement imperméable aux substances au PM supérieur à 1000 Da.

 

L’ionisation :

La double couche lipidique est extrêmement imperméable aux molécules chargées.

 

La liposolubilité :

Il s’agit du facteur le plus déterminant.

 

Exemple :   La méthadone = l’apiaïde synchitique :

Elle a une grande liposolubilité : le début d’action est rapide et la durée d’action est longue.

     "   il y a une distribution rapide dans les tissus.

L’épaisseur de la membrane :

Elle est presque constante pour toutes les membranes.

 

v Exemple de diffusion passive à travers une membrane : l’Osmose :

 

1830 : mise en évidence par le Dr Dutrochet, médecin naturaliste.

 

L’osmose a un rôle important dans les mécanismes physiologiques de la cellule au coté des transferts actifs.

 

Ø  Définition :

 

= Transfert du solvant d’une solution diluée vers une solution concentrée au travers d’une membrane dite « perméable ». Dans les organismes vivants, des transferts d’eau par osmose s’effectuent à travers de la membrane des cellules.

 

 

 

 

 

 

 

 

 


                   A                                            B                                             C

 

A :  Un tube est submergé à moitié dans l’eau : l’eau est au même niveau à l’intérieur qu’à l’extérieur du tube.

B :  L’extrémité du tube est scellée par une membrane semi–perméable, le tube est à moitié rempli d’une solution salée et submergé initialement au niveau de la solution salée.

C :  L’eau monte dans le tube.

 

"  La membrane est capable de permettre le passage de l’eau mais pas du sel.

 

"  La hausse de niveau est attribuée à la pression osmotique. L’osmose crée progressivement l’égalité de concentration des 2 cotés de la membrane semi–perméable.

 

Dans les organismes, toutes les cellules jouent le rôle de membrane semi–perméable par rapport au liquide dans lequel elles baignent. Le passage de l’eau et des éléments qui l’accompagnent (ions NA+, K+, Mg2+) entre l’intérieur et l’extérieur est régulé par le phénomène d’osmose.

Ce dernier est utilisé par les techniques de dialyse rénale, permettant d’éliminer les toxines (urée, acides uriques) et l’eau contenues en trop grande quantité dans le sang.

 

§  La pression osmotique :

 

= Pression qu’il faudrait exercer sur une solution pour empêcher le solvant de diffuser au travers d’une paroi semi–perméable qui sépare la solution et le solvant pur.

 

La pression osmotique P a une expression similaire à celle de la pression donnée par la Loi des Gaz parfaits.

 

Ø  Conséquences de l’osmose pour la cellule :

 

L’eau diffusant librement au travers de la plus part des membranes, une cellule peut alors être placée dans un milieu isotonique, hypotonique ou hypertonique.

 

Milieu :

Définition :

Isotonique

Milieu de même pression osmotique que le milieu intracellulaire.

Hypotonique

Milieu dont la pression osmotique est plus faible que la pression intracellulaire

=

La concentration totale en soluté est plus faible dans le milieu extracellulaire par rapport au milieu intracellulaire

Hypertonique

Milieu dont la pression osmotique est plus forte que la pression intracellulaire

=

La concentration totale en soluté est plus élevée dans le milieu extracellulaire par rapport au milieu intracellulaire

 

Les conséquences sont un équilibre hydrique dans les cellules :

 

Milieu :

Conséquences :

Isotonique

Pas de mouvement net d’eau au travers de la membrane plasmique

"  Le volume cellulaire reste stable.

Hypotonique

Il y a une entrée d’eau dans la cellule

=  Turgescence

Hypertonique

Il y a une sortie d’eau dans la cellule

=  Plasmolyse

 

Cas des hématies :

La turgescence entraîne l’hémolyse : l’hémoglobine se répand dans le milieu extracellulaire formant des « ghosts » (= globules fantômes) d’apparence translucides.

 

Cas des cellules végétales :

Elles sont entourées d’une paroi rigide qui les maintient. Lors de la turgescence, elles n’explosent pas et ne font pas que gonfler.

 

Ø  L’osmose inverse :

 

= Procédé de filtration.

On emploie la membrane pour agir comme un filtre afin de créer de l’eau potable à partir de l’eau de mer.

Exemple : une membrane en film de tri–acétate de cellulose ou en polyamide TFC.

Elles présentent des pores d’un diamètre de 10–4 microns, suffisamment petits pour filtrer les molécules les plus fines (bactéries et même virus)

 

v Diffusion facilitée :

 

Les molécules hydrosolubles (ions, glucide, acides aminés) ne peuvent diffuser à travers la membrane lipidique à des vitesses suffisantes pour satisfaire les besoins des cellules. Le transport de ces molécules est assuré par un groupe de protéines membranaires intégrées spécialisées : des protéines transporteurs spécifiques appelées perméases.

 

La diffusion facilitée ne conduit qu’à un transport dans le sens électrochimique décroissant. Autrement dit : elle se fait toujours dans le sens du gradient, cela reste un transport passif : aucune énergie n’est nécessaire pour lutter contre le gradient.

 

Le flux net s’arrête lorsque son potentiel électrochimique est le même dans les 2 compartiments séparés par la membrane.

 

Les protéines membranaires qui accélèrent le transport des solutés et des ions sont :

-          Les transporteurs : responsables de la diffusion facilitée de solutés organiques et ions inorganiques.

-          Les canaux : responsable de la diffusion facilitée des ions (Na+, Clˉ, K+, Ca2+)

 

Ø  Caractéristiques :

§  j :

 

Les solutés diffusent beaucoup plus vite que ne le laisse prévoir leur caractère hydrophile ou leur taille.

 

§  k :

 

La vitesse diffusion présente une saturation

v                                                   

      lorsque la concentration externe du soluté augmente.

 

 

 

                                                      dc

§  l :

 

Le transport peut être inhibé par des réactifs analogues structuraux du soluté.

 

§  m :

 

Le transport peut aussi être inactivé par des réactifs de protéines.

 

Þ  Ces caractéristiques s’expliquent par la participation au transport d’une protéine membranaire présente dans la membrane.

 

§  Caractéristique fondamentale :

 

La protéine existe en 2 états conformationnels différents entre lesquels elle oscille :

-          1er état : le site de fixation pour le soluté est accessible à partir d’un des 2 compartiments aqueux.

-          2ème état : ce même site est accessible à partir de l’autre compartiment aqueux.

 

Le site de fixation pour le soluté n’est jamais accessible simultanément à partir des 2 compartiments aqueux. Les molécules de soluté sont transportées individuellement à la suite du changement de conformation du transporteur ; ce qui crée une limitation des activités de transport. Un transporteur transporte de quelques centaines à quelques milliers de molécules de soluté par seconde.

 

Ø  Mécanisme de diffusion facilité par les transporteurs :

 

Les transports en diffusion facilitée par les transporteurs ne s’expriment pas en terme de flux mais en terme de vitesse v où l’unité de membrane est exprimée en poids.

 

Les transporteurs sont des protéines membranaires dont la chaîne traverse la membrane plusieurs fois et qui possède un site de fixation spécifique pour un soluté.

 

Exemple : La membrane des globules rouges qui reconnaît le D_Glucose :

 

On observe un équilibre du D_Glucose de part et d’autre de la membrane. Si on ajoute du L_Glucose (de même masse moléculaire et de même caractéristique hydrophile), celui–ci traverse la membrane par diffusion passive. Ce processus va prendre beaucoup plus de temps.

 

" On a ainsi démontré que ce transporteur était spécifique au D_Glucose.

 

Le mécanisme se fait en 3 étapes :                       

(exemple d’un transport de l’intérieur vers l’extérieur)

§  j :

 

Il y a reconnaissance du soluté par le transporteur sur la face intérieure de la membrane. Le soluté est fixé de manière analogue à celle d’un substrat sur une enzyme. La fixation est caractérisée par une constante de dissociation : KInt

§  k :

 

Il y a franchissement de la membrane par le soluté à la suite d’un changement de conformation de la protéine qui voit le site de fixation passer de la face interne à la face externe.

 

Il s’agit de l’étape limitante du transport : la vitesse dépend de la constante de vitesse qui lui est associée.

 

§  l :

 

Le transporteur relâche le soluté dans le compartiment externe avec une nouvelle constante de dissociation : KExt.

 

Les flux unidirectionnels seront entrant et sortant.

Le flux net est en fonction du gradient de concentration du soluté de part et d’autre de la membrane.

 

Un même transporteur peut par ailleurs fixer 1, 2 , 3 voire même 4 solutés différents. Le transport peut aller soit dans le même sens pour tous les solutés, soit dans des sens différents.

 

On parle ainsi :      D’uniport pour les transporteurs fixant qu’un soluté,

De symport pour les transporteurs fixant 2 ou plusieurs solutés dans le même sens,

D’antiport pour les transporteurs fixant 2 ou plusieurs solutés dans des sens différents.

 

Ø  Système de translocation :

 

Les transports sont classifiés en fonction de la stoechiométrie du processus de transport.

 

§  Transport uniport :

 

= Une seule molécule est transportée.

Les transporteurs uniport peuvent modifier leur conformation en présence (ou absence) du ligand de sorte qu’un transport net peut s’établir au travers de la membrane.

 

Exemple : la pompe à protons (H+)

 

§  Transport symport :

 

Il est aussi appelé Co–transport.

2 ligands différents doivent se fixer au transporteur avant d’être tous les 2 transportés de façon simultanée à travers de la membrane.

 

Exemple : le transport du glucose au travers de la membrane en brosse des cellules intestinales.

 

§  Transport antiport :

 

Le mécanisme de transport implique un échange d’ions de part et d’autre d’une membrane. Un ion (ou autre ligand) est échangé au travers de la membrane pour une autre molécule distincte. Ce mécanisme est appelé Ping–Pong ou Flip–Flop.

 

Au niveau des symports et antiports, les transporteurs peuvent coupler les mouvements de différentes espèces ioniques ou des mouvements d’ions inorganiques avec des mouvements de différentes molécules organiques.

 

Exemple :   Glucose – acide aminé

                   Neurotransmetteurs

 

Le mouvement se fait toujours dans le sens du gradient de concentration !

 

v Exemple de transfert facilité : les transporteurs du Glucose :

 

Le glucose est la source principale d’énergie des Mammifères.

Il pénètre l’organisme par un transport facilité couplé à la diffusion facilité du Na+. Les transporteurs sont présents dans la membrane plasmique de presque toutes les cellules.

 

Rôle premier :

Il est de permettre le transport du glucose entre le sang et le milieu intracellulaire. L’échange conduit à un transport net dans le sens entrant afin d’alimenter les cellules en sucre.

 

Il existe différents transporteurs du glucose regroupés dans une famille. Ils sont produits par des différents gènes exprimés de manière spécifique dans les différents tissus.

 

Ils sont constitués par une partie hydrophobe de 12 segments transmembranaires en hélices a et leurs extrémités N et C terminales sont cytoplasmiques.

 

Ø  La famille des transporteurs du Glucose :

 

Ces transporteurs ont des cinétiques différentes.

 

-          Glut 1 :     Il s’agit du transporteur qui permet aux cellules de répondre aux besoins de bases en glucose.

 

-          Glut 2 :     Il est en très grande quantité dans les cellules b du pancréas. Il sont appelés « senseur » du glucose du milieu extracellulaire (= sensible au glucose) et sont responsables de la sécrétion d’insuline par ces cellules.

 

Un KT élevé pour le transport du glucose répond bien à cette fonction. La vitesse du transport varie de manière linéaire avec la concentration.

 

-          Glut 3 :     Il est présent dans le muscle et les tissus adipeux.

 

Ø  Caractéristiques :

 

Spécificité : Le Pentose et le Fructose ne franchissent pas l’épithélium intestinal ; par contre le Galactose et le Glucose sont transportés.

" Une structure pyranose comportant un carbone en position 5’ est indispensable.

 

Inhibition : La phloridzine (par exemple) bloque le transport du galactose et le glucose.

 

Influence du métabolisme : L’étude de la vitesse d’absorption du glucose par la cellule intestinale absorption dépend de la température et da l’addition d’inhibiteurs du métabolisme (exemples : 2–4 DNP ou le cyanure HCN) qui inhibe le transport.

 

Effet du Na+ : Le transport du glucose exige la présence du Na+ dans le milieu extracellulaire. Le remplacement du Na+ par le Lithium inhibe le transport.

 

Exemple de l’effet de l’insuline sur une cellule adipeuse :

 

 

                                                       Glucose

Insuline

 

 

     Récepteur à

insuline

 

 

                      Signal activant

              les protéines Glut 3 :

 

 

v Autre exemple : les porines :

 

Elles sont présentes sur la membrane extérieure des bactéries GRAMˉ (négatif) et sont très perméables aux ions et aux petits solutés organiques hydrophiles (jusqu’à une masse moléculaire d’environ 600 Da)

 

 

La diffusion facilitée est catalysée par une classe de protéines : les Porines. Il s’agit d’hétérotrimères constitués de l’association de 3 chaînes de 30 à 36 Da.

 

Elles sont peu spécifiques.

 

 

Chez Eschérichia coli, on trouve la OmpF et la OmpC (= Outer_membrane_protein) qui présentent une spécificité pour les composés cationiques.

 

 

Les porines sont les seules protéines organisées en une structure entièrement en chaînes b dans leur partie membranaire.

 

v Phénomènes de transport actifs et les différents types :

 

Il y a une demande d’énergie (ATP) pour effectuer un transport actif.

 

Ø  Exocytose & Endocytose :

 

Ils font partie du transport vésiculaire qui permet de faire traverser la membrane aux grosses molécules et les macromolécules.

 

§  Exocytose :

 

Il s’agit du mécanisme qui permet le passage de substances de l’intérieur de la cellule vers l’espace extracellulaire. Il est utilisé par la cellule pour :

-          Permettre la sécrétion d’hormones,

-          Émission de neurotransmetteurs (comme l’adrénaline ou l’acétylcholine),

-          Sécrétion du mucus (pour la protection des muqueuses)

 

·          Processus :

 

j  Avant d’être éliminés par la cellule, les éléments destinés à cette expulsion sont enfermés dans un sac constitué d’une membrane (vésicule)

 

k  Cette vésicule migre en direction de la membrane cytoplasmique et fusionne avec celle–ci.

 

l  Le contenu de la vésicule est libéré dans le liquide interstitiel. La vidange de la vésicule ne sera obtenue que s’il y a fusion entre la membrane de la vésicule et celle de la cellule.

Cette fusion est due à des protéines d’ancrage.

 

§  Phagocytose :

« phagein » = manger

 

Elle permet l’internalisation de particules de grandes tailles (supérieure à 1 µm) par les phagocytes : les macrophages et les neutrophiles (= forme mature de leucocytes granuleux qui ont des propriétés de chimiotactisme, d’adhérence et de phagocytose)

 

Elle intervient dans l’homéostasie tissulaire et assure la défense de l’organisme contre les invasions en permettant l’élimination des micro–organismes et la mise en place de la réponse immunitaire.

 

La reconnaissance de la particule dépend de récepteurs spécifiques présents à la surface des phagocytes. Par exemple, les récepteurs du noyau ferreux des immunoglobulines sont les mieux caractérisées.

 

Au cours de la phagocytose le sac membranaire ainsi formé est appelé le phagosome. Ce dernier fusionne avec un lysosome, une structure cellulaire renfermant des enzymes digestives qu’elle déverse dans le phagosome afin de dégrader le contenu.

 

§  Pinocytose :

« pino » = je bois

Elle consiste en la capture et l’absorption de gouttelettes de liquides  par macrophages, par variétés de globules blancs.

Elle fait partie d’un phénomène plus général qui est la phagocytose : l’action de « boire » de la cellule.

 

Mécanisme :

 

-          Il y a la mise en place, au niveau de la cellule, d’un replis de la membrane qui vient englober une gouttelette de lipide contenue à l’extérieur de la cellule.

 

-          La gouttelette pénètre la cellule à l’intérieur d’une vésicule pinocytaire de très petite taille.

 

Ce mécanisme est employé par les cellules intestinales pour absorber des nutriments.

 

§  Endocytose (par récepteurs interposés) :

 

Elle est très sélective : des récepteurs sont employés par la cellule. Ce sont des protéines de la membrane cytoplasmique qui vont se lier uniquement à certaines substances (= ligands)

 

Les protéines et les substances ainsi liées vont pénétrer vers l’intérieur de la cellule en utilisant de petites vésicules tapissées de clathrine.

 

Les cellules communiquent avec l’environnement par l’intermédiaire de récepteurs membranaires qui reconnaissent des composés à l’extérieur de la cellule. Ces interactions, au niveau des membranes, créent un signal intracellulaire et/ou permettent l’entrée de macromolécules, voire d’agents pathogènes.

 

Exemple : Les récepteurs de lymphocytes importants pour la réponse immune : les récepteurs à l’antigène des lymphocytes T4.

 

Les récepteurs membranaires reconnaissent leur ligand extracellulaire et cette interaction l’endocytose de l’ensemble ligand–récepteur.

 

Les voies de l’endocytose :

 

L’endocytose par récepteurs permet aux cellules de communiquer avec leur environnement par l’intermédiaire de récepteurs qui capturent des macromolécules présents dans le milieu extracellulaire.

 

Le mécanisme :

 

-          Des récepteurs sont localisés dans des régions particulières de la membrane plasmique. Ces puits se creusent pour former des vésicules recouvertes de clathrine qui bourgeonnent à partir de la membrane.

-          Ensuite, ces vésicules perdent leur manteau de clathrine.

-          Les vésicules transportent les complexes récepteur–ligand.

-          Il y a fusionnement avec des compartiments membranaires intracellulaires, les endosomes.

 

Il existe les outils permettant de bloquer spécifiquement la voie d’endocytose passant par les puits : des mutants négatifs dominants de la protéines Eps 15.

Clathrine : une couche de protéines formant la surface du cytoplasme de la vésicule.

 

L’utilisation de l’endocytose :

 

Elle est utilisée par les reins pour favoriser l’absorption de diverses substances telles que le Fer et les lipoprotéines à basse densité comme le cholestérol et l’insuline.

 

Cas pathologique : maladie héréditaire comme l’hyper cholestérolémie qui est une maladie coronarienne. Les coronaires sont les artères irrigant le cœur.

Le sang qui alimente le cœur a une concentration en cholestérol trop importante ; ce qui cause une baisse de la fluidité du sang. Cela bouche les coronaires causant un infarctus du myocarde (aussi possible avec un caillou)

Le problème ne se pose pas au niveau de l’artère principale (qui est encore grosse), mais au niveau des artérioles (qui sont plus fines)

 

Les 3 types de l’endocytose :

 

Il y a une perte d’une portion de la membrane plasmique à chaque fois qu’un sac membranaire pénètre dans le cytoplasme.

 

L’endocytose est si intense dans une cellule qu’une fraction de la membrane plasmique est internalisée chaque heure : les composants de la membrane plasmique (protéines et lipides) retournent continuellement à la surface cellulaire dans un cycle d’endocytose–exocytose (qui est assuré par les puits et les vésicules recouvertes de clathrine)

 

L’endocytose et l’exocytose ont lieu de façon incessantes dans la plus part des cellules eucaryotes. La quantité de membrane plasmique des cellules matures varie peu à long terme : l’ajout de membrane consécutif à l’exocytose compense la perte (résultant de l’endocytose)

 

v Exemple de transport actif : la pompe NA+–K+–ATPase :

Ø  Mise en évidence :

 

Travaux sur l’axone géant de Calmar incubé dans un liquide physiologique contenant du *Na+ (radioactif)

 

"  Le *Na+ pénètre par diffusion passive dans l’axone en fonction du gradient électrochimique du *Na+.

 

 

j  L’axone est placé dans un milieu normal : milieu s’enrichit progressivement de *Na+ qui ne peut venir que de l’axone (sortie de Na+)

Conclusion : Le mécanisme est un transport actif qui s’oppose au gradient électrochimique du Na+.

 

k L’axone est empli de *Na+ et plongé dans un milieu à 0 °C contenant du Dinitrophénol (DNP) qui est un inhibiteur du métabolisme (inhibiteur d’ATP) Le flux sortant de *Na+ est arrêté.

L’adjonction d’ATP au milieu entraîne la reprise de ce flux dont l’importance est proportionnelle à la quantité d’ATP. L’arrêt est donc réversible.

Conclusion : La sortie de *Na+ est donc un phénomène actif lié à des processus métaboliques.

 

l L’axone est empli de *Na+ et plongé dans un milieu dépourvu de d’ions K+. le flux sortant de *Na+ s’arrête également.

Conclusion : La sortie de *Na+ dépend de la présence d’ions K+ dans le milieu.

 

m On modifie la concentration interne en Na+.

Conclusion : La sortie de *Na+ est en fonction de la concentration interne en Na+.

 

Avec ces expériences, on décrit le modèle de la pompe Na+–K+–ATPase qui est une protéine :

 

-          La partie extérieure : 3 sites de liaisons :

-          2 sites de liaison pour les ions K+,

-          1 site de liaison pour l’ouabaïne

(= molécule digitalique bloquant la pompe)

 

-          La partie intérieure (vers le cytoplasme de la cellule) :

-          3 sites de liaison pour les ions Na+,

-          1 site de liaison de l’ATP.

 

"  3 ions Na+ sont expulsés de la cellule,

"  2 ions K+ entrent dans la cellule.

 

Exemple :

Chez les personnes âgées, on crée une inhibition de la pompe Na+–K+. Cette dernière est remplacée par la pompe Na+–K+. ainsi, on obtient une entrée de Na+ et une sortie de Ca2+ permettant la fortification du cœur.

 

Ø  Caractéristiques :

 

L’activité de cette pompe entraîne une distribution inégale des concentrations des ions Na+ et K+ à travers de la membrane et donc un gradient électrochimique.

 

Chaque pompe Na+–K+–ATPase hydrolyse 100 ATP par seconde.

1/3 de l’énergie cellulaire est utilisée par la pompe Na+–K+–ATPase dans les cellules.

70 % de l’énergie cellulaire est utilisée par la pompe Na+–K+–ATPase dans les cellules excitables (neurones, cellules excitables)

 

Il existe d’autres pompes dans les membranes :

-          La pompe Na+–H+,

-          La pompe H+–K+,

-          La pompe Na+–Ca+ et Clˉ,

 

-          Il existe des inhibiteurs de la pompe Na+–H+ : les digitaliques.

 

v Le co–transport : transport par une protéine membranaire de 2 solutés différents :

 

Une pompe peut amorcer indirectement le transport passif d’un autre soluté à travers d’une perméase. C’est le mécanisme de co–transport.

Une substance transportée activement à travers de la membrane peut produire du travail en diffusant en sens inverse.

 

Ø  Cellules végétales :

 

Le gradient électrochimique engendré par la pompe à protons (par transport actif) est utilisé pour alimenter le transport passif des acides aminés, certains glucides et des nutriments vers l’intérieur de la cellule.

Ce transport passif est assuré par une perméase spécifique possédant 2 sites récepteurs : 1 site pour le proton et 1 site pour le saccharose. Cette perméase couple donc le retour des protons au transport du saccharose.

 

Intérieur                                                                                                  Extérieur

                                          H+

                                      H+

       Saccharose                                        Pompe à protons

 

 

                               Perméase

                                                                                     H+

( Symport )

 

                                                                  Saccharose

 

Le déplacement simultané (co–transport) de 2 solutés différents importe le saccharose dans la cellule à l’encontre de son gradient de concentration mais seulement s’il « voyage » en compagnie d’un proton.

 

Le mécanisme permet aux végétaux d’acheminer le saccharose produit par photosynthèse vers les nervures des feuilles.

 

 

Propriétés électrochimiques de la membrane neurale

 

v Propriétés électriques de la membrane neurale :

Ø  Rappel :

 

La membrane est constituée d’une bicouche lipidique dans laquelle s’insèrent des protéines. Les protéines membranaires sont des molécules électriquement chargées et peuvent conduire un courant électrique (comme tout élément porteur de charges)

 

Les protéines sont schématisées par une conductance G ou par une résistance R (égale à l’inverse de G) :       R = 1/G

 

Une conductance varie de 10–4 à 10–8 Siemens par cm–2.

 

Le circuit électrique équivalent à la membrane neurale correspond donc à un générateur de courant (une pile) de 67 mV dont le pôle + est orienté vers le compartiment extracellulaire et le pôle – est orienté vers le compartiment intracellulaire.

Ce générateur alimente une résistance membranaire, RM, dont la valeur est directement en fonction de la quantité des protéines incluses. Dans une portion de membrane, la quantité de protéines est variable.

U = R . I

 

À l’inverse, la bicouche lipidique est constituée de phospholipides non conducteurs, ce qui confère à la membrane des propriétés capacitives de la membrane représentées par un condensateur (= 2 éléments conducteurs séparés par un isolant) de capacité CM.

 

La valeur de la capacité membranaire CM varie peu d’un élément membranaire à l’autre.

                               En moyenne : CM » 1 µF.cm–2

 

 

RM

 

                                                                  CM                  Lipides

       Protéines

 

 

 

 

On observe une variation rapide de courant : il s’agit d’une variation de potentiel de membrane qui suit une courbe exponentielle du fait des propriétés capacitives, CM, de la membrane.

 

La résistance transversale, RM, et la capacité, CM, permettent de déterminer la constante de temps t.                        t  =  RM . CM 

    = temps nécessaire pour que la tension aux bornes de la membrane atteigne 63 % du maximum.

 


                                                                                    Charge           Décharge

 

 

 

 

 

 

v Propriétés passives de la membrane :

 

On étudie l’évolution de l’amplitude de la réponse électrotonique en injectant un courant. Ce dernier peut être positif (on produit alors une dépolarisation) ou négatif (on produit alors une hyperpolarisation)

 

En appliquant un courant en un point A, on mesure la tension obtenue aux points B, C et D de plus en plus éloignés du point d’application.

" On observe que l’amplitude de la tension va en diminuant de B à D. La tension diminue avec la distance.

 

Ce courant peut s’expliquer en raison de la résistance longitudinale, RL, de chaque segment A – B, B – C et C – D  de la fibre nerveuse. La chute de tension est égale au produit de ce courant par la résistance de ce segment :                   U = RL . I

 

                               I

                                                                  Pente  =  1/R

 

 

 


                                                                      U

 

 

Ø  Évolution des tensions :

 

La chute de tension suit une courbe exponentielle :        DVX  =  DV0 . e –X/l

 

-          DVX  : Amplitude de la variation du potentiel enregistrée à la distance x,

-          DV0  : Amplitude du potentiel électrotonique au point d’injection du courant,

-            x  : Distance entre le point d’enregistrement du potentiel et le point d’injection du courant,

-           l  : constante d’espace. Elle est définie comme la distance correspondant à une diminution de la tension de départ de 63 %.

 

    VM

(en mV)

 

 

    37 %

 

                                                                                         Distance (en mm)

                          l

 

Ø  Signification de la constante d’espace :

 

                               DVX  =  DV0 . e –X/l

 

Si x = 0,      e –X/l = 1                    DVX  =  DV0

Si x = l,     e –X/l = 0,37               DVX  =  DV0 . 0,37

 

Les 2 milieux intra– et extracellulaire ne sont pas des conducteurs parfaits : ils présentent une résistance vis–à–vis du passage du courant électrique. Elle est schématisée par une résistance longitudinale, RL.

 

Ø  Facteurs influençant la constante d’espace :

 

l  =  √( RM / RI )

 

R : résistance d’un segment conducteur de la membrane ayant un volume correspondant à 1 cm de longueur et 1 cm2 de surface.

 

Pour une fibre de longueur L :

       RM  est inversement proportionnelle à la surface de la fibre (= 2.π.R.L)

       RI  est inversement proportionnelle au volume de la fibre (= π.R2.L)

 

Ø  Rôle de la résistance longitudinale au niveau de la mesure de la tension :

 


 

Si la résistance est faible :

9 Faible chute de la tension,

9 Le signal est conduit sur une grande distance,

9 La constante d’espace sera élevée.

 


Si la résistance est forte :

9 Chute importante de la tension,

9 Le signal est conduit sur une petite distance,

9 La constante d’espace sera faible.


Et inversement

La résistance longitudinale, RL, est directement liée au volume de l’axoplasme :

 


Un axone de faible diamètre :

9 Faible volume de l’axoplasme,

9 Une RL importante et une l faible.

Un axone de gros diamètre :

9 Volume important de l’axoplasme,

9 Une RL faible et une grande l.


La propagation des phénomènes électriques le long des fibres nerveuses sera plus ou moins efficace selon le diamètre de celles–ci.

 

La membrane des neurones est mauvaise conductrice. Une stimulation électrique est déformée en raison du système capacitif (RM . CM) : la stimulation ne se propage que sur de courtes distances liées au diamètre des fibres nerveuses.

 

v Potentiel de repos :

 

La bicouche lipidique étant imperméable aux ions, les mouvements passifs de ceux–ci ne se font qu’au niveau des protéines transmembranaires spécialisées, protéines – canaux, dont la structure tridimensionnelle délimite un pore aqueux à travers duquel passent sélectivement certains ions.

 

Ø  Genèse des potentiels transmembranaires :

 

La différence de concentration d’un ion de part et d’autre de la membrane crée un gradient de concentration.

 

Exemple : Le potassium K+ :

Chez les Mammifères,       [K+ ]INT > [K+ ]EXT

 

Le gradient de concentration de part et d’autre de la membrane a tendance à faire sortir les ions K+ vers l’extérieur.

 

Pour le gradient électrique : le courant (= intensité) va de la borne positive à la borne négative. Pour le potassium K+, l’excès qui va vers l’extérieur crée un gradient électrique allant de l’extérieur vers l’intérieur (à l’inverse du gradient de concentration)

 

Le passage progressif des ions K+ (de l’intérieur vers l’extérieur) fait augmenter le gradient électrique jusqu’à devenir équivalent au gradient de concentration, mais dans le sens opposé.

 

À l’équilibre, les mouvements des ions K+ de l’intérieur vers l’extérieur sont aussi intenses que dans le sens inverse.

 

Ø  Notion de potentiel d’équilibre :

 

Sous l’influence du gradient de concentration, un cation passe d’un compartiment A vers le compartiment B, créant :            un excès de charges positives dans le compartiment B,

                                          et un excès de charges négatives dans le compartiment A.

 

Le travail W nécessaire pour le déplacement d’un ion dépend :

-          De la constante des gaz parfaits :  R = 8,314 Joules.mol–1.K–1 ,

-          De la température absolue :  T en Kelvin = T en Celsius + 273 ,

-          Des concentrations dans chaque compartiment : [cation]A ; [cation]B

 

W1  =  R .T . Ln([cation]A/[cation]B)

 

Le transfert des cations de A vers B polarise la membrane et crée un gradient électrique de B vers A qui tend à s’opposer au gradient de concentration.

 

Le travail W s’opposant à la diffusion de l’ion dépend :

-          De la valence de l’ion :  z,

-          De la quantité d’électricité qui représente un ion gramme :

F = 96 500 Coulombs ,

-          De la force électromotrice générée : E

 

W2  =  z . F . E

 

Le flux ionique né d’un gradient de concentration est autolimité par le gradient électrique qu’il génère.

 

B = extracellulaire              A = intracellulaire                  Ln = 2,3 . Log10

 

À l’équilibre :              z . F . E  =  R .T . Ln([cation]A/[cation]B)

 


                                      R . T            [cation]B

EION  =            . Ln

   z . F           [cation]A

 

À 20 °C :                                                                                       2,3 . R . T /(z . F) = 58,2

 


                                                           [cation]B

EION  =   58,2  . Ln

            [cation]A

 

En fonction des concentrations ioniques de part et d’autre de la membrane, on peut déterminer le potentiel d’équilibre des ions.

 

-          Le potentiel d’équilibre des ions K+ :       EK = – 87 mV,

-          Le potentiel d’équilibre des ions Na+ :     ENa = + 60 mV,

-          Le potentiel d’équilibre des ions Ca2+ :   ECa = + 120 mV,

-          Le potentiel d’équilibre des ions Clˉ :     ECl = – 61 mV.

(valeurs moyennes pour les cellules de Mammifères)

 

Pour effectuer ces calculs, il faut partir du principe que la membrane est perméable à un seul ion et imperméable aux autres. Ces valeurs peuvent varier, selon les cellules, en fonction des concentrations ioniques des milieux intra– et extracellulaire et fonction de la température de l’espèce à laquelle appartiennent les cellules étudiées.

 

Ø  Du potentiel d’équilibre au potentiel de membrane :

 

Le potentiel de membrane n’est pas seulement un compromis entre les potentiels d’équilibre. Il dépend également de la pompe électrogénique Na – K et du gradient électrochimique qui conditionne la force de diffusion (ou « driving force »)

 

§  Potentiel de membrane : équation de Goldman–Hodgkin–Katz :

= équation du champ constant.

 

-          Le champ électrique de la membrane est constant.

-          Les ions se déplace indépendamment les uns aux autres.

-          Chaque ion possède un coefficient de perméabilité.

 

Coefficient de diffusion

PIon   =   bIon  .  DIon  / DX

Perméabilité   Coefficient                  Épaisseur

                                          de partage                               de la membrane

 


                                                      R . T               PK.[K+]Ext + PNa.[Na+]Ext + PCl.[Clˉ]Int

Potentiel de membrane :  VM  =              .  Ln

                                                      z . F               PK.[K+]Int + PNa.[Na+]Int + PCl.[Clˉ]Ext

 

  Il faut faire attention à la valence de l’ion Clˉ qui est négative.

 

Les ions qui sont distribués passivement (pas par transport actif) ne peuvent déterminer le potentiel de repos. Le Clore, Clˉ, est distribué passivement : on ne peut pas en tenir compte dans l’équation.

 

 


                                              PK.[K+]Ext + PNa.[Na+]Ext

EM  =  – 61 mV . Log

                                              PK.[K+]Int + PNa.[Na+]Int

 

 

En connaissant les concentrations ioniques, on peut calculer PNa /PK. Le potentiel de repos sera déterminer par ce rapport.

 

Le Calcium Ca2+ n’a pas été pris en compte car il a un effet négligeable sur le potentiel de repos d’un neurone. Les concentrations [Ca2+] aux niveaux intra– et extracellulaire sont faibles. Ce ne serait pas le même cas s’il on étudiait des cellules cardiaques.

 

Pour le neurone, la formule est simplifiée du fait que le Sodium et Potassium aient la même valence +1.

 

 

§  Conduction ionique membranaire :

 

Pour un canal ionique, la conductance caractérise la facilitée avec laquelle les ions traversent le pore aqueux de la protéine – canal.

 

" La conductance membranaire d’une cellule pour un ion (= conductance ionique membranaire) gIon (g)Ion est proportionnelle :

-          À la conductance élémentaire d’un canal ionique gIon,

-          Au nombre total de canaux de l’espèce ionique dans la membrane NIon,

-          À la probabilité P0 que ces canaux soient à l’état ouvert.

 

gIon (g)Ion  =  gIon . NIon . PIon

 

gIon varie entre 10 et 200 pS (= 10–12 S) selon du type de canal.

 

" Mesure des courants ioniques.

 

L’intensité des courants ioniques traversant un canal (appelé courant ionique élémentaire) est égal à :           

                               IIon  =  gIon (VM – EIon)

 

Ø  Potentiel de repos de la membrane neuronale :

 

Il s’agit d’une cellule dont la membrane comporte des canaux K+ et Na+ ouverts. Elle dispose de transports actifs qui permettent de maintenir les concentrations des ions K+ et Na+ de part et d’autre de la membrane constantes.

" Les potentiels d’équilibre des ions K+ (EK) et Na+ (ENa) restent constants.

Pour les neurones, on n’utilise que le K+ et Na+.

 

Au potentiel de repos, le potentiel de membrane, VM, atteint un état stable quand le flux net de charges (K+ et Na+) sera nul en terme de courant ionique :

INa  +  IK  =  0

 

Avec les équations précédentes :               IK  =  gK (VM – EK)

                                                                  INa  =  gNa (VM – ENa)

 

"        gK (VM – EK)  +  gNa (VM – ENa)  =  0

 

                   VM  =  (gK . EK  +  gNa . ENa) / (gK + gNa)

 

La valeur du potentiel de membrane dépend de la conductance relative des 2 ions (leurs potentiels restent constants) et du rapport gK /gNa.

 

Si  a = gK /gNa                        "        VM  =  ( EK  +  a . ENa) / a

 

Exemple de la membrane neuronale :

 

VM  =  – 60 mV                                  EK  =  – 87 mV           ENa  =  + 60 mV

 

"  a = 0,2              La conductance des ions K+ est 5 fois plus grande que celle des ions Na+.

 

                   a  =  gK  =  5 gNa

 

La cellule au repos : il y a beaucoup plus de canaux K+ ouverts que de canaux Na+.

 

En réalité, il n’y a pas une différence de 5 entre les 2 ions car le gradient électrochimique de K+, (VM – EK) = + 27 mV, est moins important que le gradient électrochimique de Na+, (VM – ENa) = – 120 mV.

 

En réalité, 2 ions K+ sortent de la cellule quand 3 ions Na+ entrent.

 

v Gradient électrochimique :

 

Pour traverser la membrane, un ion est soumis à un gradient électrochimique, appelé aussi « driving force », qui s’exprime par la différence entre le potentiel de membrane et le potentiel d’équilibre de l’ion. Cela crée un flux net proportionnel à ce gradient.              VM  = – 60 mV

 

Potentiel d’équilibre de l’ion :

Gradient électrochimique :

Flux net :

EK  =  – 87 mV          

(VM – EK) = + 27 mV

Sortant

ENa  =  + 60 mV

(VM – ENa) = – 120 mV

Entrant

ECa  =  + 120 mV

(VM – ECa) = – 180 mV

Entrant

ECl  =  – 61 mV

(VM – ENa) = + 1 mV

Équilibre

 

Par convention :

 

       Le flux net est positif quand un cation a tendance à sortir de la cellule.

       Le flux net est négatif quand un cation a tendance à entrer de la cellule.

 

 

Ø  Évolution du potentiel de membrane :

 

Au cours d’une dépolarisation cellulaire, il y a une entré de Na+ et une sortie de K+.

 

Dernière page du 3ème poly (blabla de résumé)

 

 

Potentiel d’action du neurone

 

Il s’agit d’un phénomène électrique qui présente 2 propriétés remarquables :

-          Il se développe d’une manière « tout ou rien ».

-          Lorsqu’il est émis en un point, il se propage sans atténuation.

 

v Schéma d’un potentiel d’action :

 

Il se déroule en 3 étapes :

 

Ø  1ère étape : la phase de montée :

 

Ou phase ascendante. Elle consiste en une dépolarisation très rapide qui atteint sa valeur maximale en moins d’une milliseconde. L’amplitude maximale est voisine de 100 mV.

 

Mécanisme :

Il y a une ouverture des canaux Na+ qui sont sensibles à la dépolarisation membranaire.

Au repos, à –50 mV, la probabilité pour que les canaux Na+ soient ouverts est très faible. Les canaux restent fermés jusqu’à une certaine valeur de potentiel (» –40 mV)

" On parle de canaux voltage dépendants.

À partir de cette valeur, il y a une ouverture rapide des canaux Na+ permettant l’entrée d’ions dans la cellule et causant la dépolarisation.

 

Ø  2ème étape : la phase de descente :

 

Ou phase descendante. Il s’agit du processus de repolarisation, également très rapide (1 à 2 ms), lors duquel le potentiel de membrane revient à sa valeur initiale (potentiel de repos)

 

2 facteurs limitent la durée du potentiel d’action :

-          La dépolarisation qui inactive graduellement les canaux Na+,

-          L’existence d’un délai d’ouverture des canaux K+.

 

Mécanisme :

Une fois ouverts, les canaux Na+ ne restent pas dans cet état mais s’inactivent.

Ce processus suffirait à induire le processus de repolarisation membranaire, c’est le cas des potentiels d’action des fibres myélinisées.

 

On enregistre un potentiel d’action dans un milieu contenant

-          Soit du TEA (Tétra_ Éthyl_Ammonium) bloquant les canaux de K+ dans leur état fermé,

-          Soit de la pronase bloquant l’inactivité.

On observe une durée plus longue du potentiel d’action (la repolarisation est plus lente)

 

La dépolarisation membranaire entraîne l’augmentation la probabilité d’ouverture des canaux K+.

Ces derniers s’ouvrent avec un délai et s’inactivent très lentement, contrairement aux canaux de Na+.

 

Ø  3ème étape : la phase de d’hyperpolarisation :

 

Ou post–dépolarisation (ou after–depolarization) À la fin de la repolarisation, le potentiel de membrane atteint brièvement une valeur plus négative que le potentiel de repos.

 

D : Elle n’est pas présente dans toutes les cellules excitatrices, comme chez les cellules cardiaques.

 

Mécanisme :

Elle est due au fait que les canaux K+ s’ouvrent lentement. La probabilité que ceux–ci soient ouverts est élevée.

" La sortie d’ions K+ hors de la cellule pousse à la repolarisation suivie d’une hyperpolarisation.

= Efflux d’ions K+ hyperpolarisant.

 

Ø  Circuit électrique équivalent :

 

En tenant compte de la capacité de membrane, CM, et de la conductance membranaire, gM, ainsi que des conductances mises en jeu lors du potentiel d’action gK et gNa :

" Le courant traversant chaque type de canal sensible au potentiel d’action peut être calculé :                       IK  =  gK (VM – EK)

                               INa  =  gNa (VM – ENa)

 

v Propriétés du potentiel d’action :

 

Il faut que la dépolarisation initiale atteigne une valeur minimale pour qu’il y ait émission d’un potentiel d’action. Cette valeur, appelée valeur seuil, peut être atteinte à 2 niveaux différents.

 

-          Au niveau des synapses excitatrices :

 

La valeur seuil est atteinte au niveau des neuromédiateurs pré–synaptiques causant la dépolarisation dans les éléments post–synaptiques.

 

Exemple :

Aux jonctions neuromusculaires, il y a une libération d’ACh (Acétylcholine) par les terminaisons pré–synaptiques.

 

L’acétylcholine se lie à des récepteurs post–synaptiques et entraîne l’ouverture de canaux cationiques et donc une dépolarisation locale, appelée potentiel de post–synapse excitatrice (PPSE)

On le trouve au niveau des synapses excitatrices.

 

-          Au niveau des récepteurs sensoriels :

 

Un stimulus extérieur va entraîner une variation de potentiel local, appelé potentiel de réception.

 

Ø  Mise en évidence du potentiel seuil :

 

On applique des sauts de courant dépolarisants d’intensité de plus en plus grande et on enregistre les potentiels électrochimiques correspondants.

" L’amplitude augmente avec l’augmentation du courant. À une certaine valeur de courant, on observe le déclenchement d’un potentiel d’action.

 

Ø  Périodes réfractaires absolue et relative :

 

Un second stimulus, appliqué artificiellement dans le but de déclencher un nouveau potentiel d’action (alors qu’il y en a déjà un en cours), est appelé extra–stimulus

« extra » = en plus

 

Pendant environ 1 milliseconde après le sommet du potentiel d’action, il est impossible de déclencher un nouveau potentiel d’action « chevauchant de près » le premier.

 

" Il s’agit de la période réfractaire absolue : aucune dépolarisation (= stimulus) ne peut provoquer une seconde réponse régénératrice. Cette période dure jusqu’à ce que la phase descendante du potentiel d’action atteigne la valeur seuil.

 

Après cette période, il existe une période réfractaire dite relative pendant laquelle une seconde polarisation peut engendrer un nouveau potentiel d’action même si le premier n’est pas encore fini.

 

Pendant cette période, la probabilité est grande pour que les canaux K+ soient ouverts. Cette probabilité atteint son maximum à peu près lorsque le potentiel de membrane atteint la valeur seuil.

 

La période réfractaire relative commence à partir de ce moment.

 

" Lors de cette période, la probabilité que les canaux K+ soient ouverts est alors inférieure à celle au moment où le potentiel avait atteint  la valeur seuil.

 

Ø  Influx nerveux :

 

Il s’agit du message qui circule le long de la fibre nerveuse de l’axone et qui se caractérise par une succession de potentiels d’action.