UE3-1 : Biophysique

Chapitre 2 :
Potentiel de membrane
Pr. François ESTEVE, Pr. Alessandro VILLA
Année universitaire 2014/2015
Université Joseph Fourier (UJF) Grenoble I - Tous droits réservés
2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.1. Perméabilité membranaire
2.1.1. Eau Plan
2.1.2. Solutés
2.1.3. Effet de la dissociation
2.2. Equation de Goldmann
2.2.1. Electroneutralité
2.2.2. Equation fondamentale
2.3. Théorie de Hodgkin, Huxley, Katz
2.3.1. Flux ioniques
2.3.2. Modèle électrique de la membrane
2.3.3. Variations du potentiel de membrane
2.4. Transduction
2.4.1. Mécanisme général
2.4.2. Transduction sensorielle
2.4.3. Transduction synaptique
2.4.4. Sommation
2.5. Potentiel d'action
2.5.1. Courants ioniques
2.5.2. Cycle de l'excitabilité membranaire
2.5.3. Propagation du PA
2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.1. Perméabilité membranaire
2.1.1. Eau
h
S = surface

P+ ∆P • considérons un élément de membrane de surface

P S et de largeur h
·
· · • pour avoir un débit d'eau constant Qeau il faut
Qeau Qeau
exercer une pression supplémentaire ∆P

·
Qeau ∆P
Loi de DARCY (1856) ––––– = – L –––– (1)
S h

·
Q =débit [m3.s-1]
∆P = pression [Pascal]
L = conductivité hydraulique [m2.s-1.Pascal -1]

1  : viscosité dynamique du fluide, défini comme le coefficient

L –– de proportionnalité de la force s'appliquant entre deux

couches de vitesses différentes d'un fluide.
 la conductivité hydraulique L prend en compte dans une certaine mesure les
interactions physiques entre le fluide et la membrane
2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.1. Perméabilité membranaire
2.1.1. Eau

Rappel : J = – n /dt 1/surface (Eq. 3.18)

J = flux [mol.m-2.s-1]
densité = n / volume d = densité [mol.m-3]
1
––––
deau
X– J
volume
·
Qeau Sh 1 n n 1 Sh ∆P
––––– = –––––– ––– –––  –––– ––– –––– =X
– L ––––
S dt S n dt S n h

∆P
 Jeau = L deau –––– (2)
h

Jeau ∆P
T cte  deau= Cte.  –––– = L –––– = Peau [m.s-1] (3)
deau h

Perméabilité membranaire de l'eau Peau est proportionnelle à la conductivité

hydraulique et inversément proportionnelle à l'épaisseur de la membrane
2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.1. Perméabilité membranaire
2.1.2. Solutés
• C0 >Ch : gradient de concentration ∆C = C0 -Ch
x=0 x=h •  = solubilité membranaire du soluté
dC
• équilibre (2ème loi de Fick)  dt =
0

C0 Ch d 2C
 C0  Ch  dx2 = 0
 solution générale: C = a'x + a"
dC
1ère loi de Fick: J = – D . ––– = – D a'
dx
dC . ∆C
– D . ––– = D . ––––––
 gradient –dC / dx est constant; il est égal à . ∆C / h  J =
dx h

J
Perméabilité membranaire P définie par P  –––– [m.s-1] (4)
∆C

Relation importante entre perméabilité membranaire (P) (5)

et coefficient de diffusion (D) P = D / h
2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.1. Perméabilité membranaire
2.1.2. Solutés

La notion de perméabilité P est liée à la diffusion  phénomène passif !

phénomène passif  membrane poreuse inerte  La membrane cellulaire agit de

manière "dyalisante"

Log P/ Perméabilité Log P

-8 – = hD–
P
4

-10
2

-12

Log M.M. Log  -4 0

4 5 6 -2
 = coefficient de partage huile/eau
( sol. membranaire)

Masse Moléculaire du soluté  liposolubilité 

 perméabilité   perméabilité 
2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.1. Perméabilité membranaire
2.1.2. Solutés

L'interval tM1/2 correspond au temps nécessaire pour que Cint = 0.5 x Cext

Exemples de perméabilité membranaire (le plus souvent mesuré à travers un liposome):

tM1/2 P [m.s-1]
H2O 300 ms 10-5
Cl- 3 jours
Na+, K+ 1 an
urée 3·10-9
Glucose 30 min 10-9

Les solutés polaires, même non chargés, comme le glucose ou les protéines,
ne traversent pas passivement la membrane cellulaire.

 il y a des transporteurs membranaires (transport facilité, cotransport, etc.)

La perméabilité à l'eau  f() physiologique: hormone antidiurétique (ADH)  perméabilité 

2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.1. Perméabilité membranaire
2.1.3. Effet de la dissociation

Exemple de soluté ionisable: H2CO3

Perméabilité % Dissociation
4 100%

3 75

50 ionisation (dissociation) 

2
 perméabilité 
1 25

5 6 7 8
pH
H2CO3 HCO3- H+
2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.1. Perméabilité membranaire
2.1.3. Effet de la dissociation

Exemple: médicament R-NH2

Membrane

LEC LIC
90% R-NH2 R-NH2 10%

10% R- NH3+ R-NH3+ 90%

pH = 7.4 pH = 7.2

médicament basique R-NH2 dont le pKb = 7.3

2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.2. Equation de GOLDMANN
2.2.1. Electroneutralité
2.2.1.1. Principe général
Les conditions:
• une solution ionique avec des ions diffusibles,
MAJORITE DES CHARGES NON DIFFUSIBLES
• une membrane partiellement perméable
1 2 1 2
Cl- - Cl-
-+ K+ + Cl- K + Cl
Cl-
A Cl-
Na
A -+
K K Na+
K - A+-
K +
Na+Cl- Na+ K - A+-
+
Na+Cl- Na+
+
A+ K - A K
K - A Cl-Na+ + K - A-
+
Cl-Na+ +
A+K+ - Cl- Na AK+ A- - Na
Cl
A - K A+ K+ Na+ Cl- - K+ K+
+ K+ Na+ Cl
-
K+ - K Na- +Cl- - A
K+ - K
-KA A Na- +Cl- -
A +
A- Cl
Na+ Cl
A -
K +
A - Cl
Na+
Cl

0 0 ≈0 ≈0
Etat initial Etat final
nb+ 1 = nb- 1 nb+ 1  nb- 1
• neutralité électrique: • neutralité électrique:
nb+ 2 = nb- 2 nb+ 2  nb- 2
2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.2. Equation de GOLDMANN
2.2.1. Electroneutralité
2.2.1.2. Observation expérimentale
Potentiel transmembranaire Vin - Vext = Em
i : INTERIEUR négatif (protéines, groupements COO-)
e : EXTERIEUR positif (ions positifs, sodium Na+)
 POLARISATION
Différence de potentiel exprimée en millivolts [mV]
Potentiel de repos transmembranaire (=pot. de membrane) est souvent  -70 mV

CELLULES EXCITABLES
• musculaires
extérieur grenouille -82 à -100 [mV]
rat -100
• nerveuses
intérieur
cervelet de chien -90
calmar -77
ecrevisse -90
grenouille -71

CELLULES NON EXCITABLES

hématies -10
Le potentiel de membrane est une caractéristique universelle des CELLULES VIVANTES
et ne disparaît qu'avec la MORT.
2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.2. Equation de GOLDMANN
2.2.1. Electroneutralité
2.2.1.2. Observation expérimentale

Conditions d’une cellule en équilibre  électrostatique

• LIC et LEC sont des solutions ioniques avec des ions diffusibles
• une membrane partiellement perméable

A. Combien de charges sont mises en jeu par le potentiel transmembranaire ?

Q = charge électrique [C]

Electrostatique: Q = C.V C = capacité membranaire [F]
V = ddp [V]
Q = Cs . S . Em S = surface qui laisse passer les charges [m2]
CS = capacité spécifique membranaire [F/m2]

Em ≈ 70mV = 7.10-2V
CS ≈ 2 µF/cm2 = 2.10-6A.s.V-1 / 10-4m2  Q ≈ 7.10-2 x 2.10-2 x 10-14 [ V ].[ A.s.V-1 ][m-2].[m2]
S ≈ r2 avec r = 0.1µm = 10-7m Q ≈ 1.4.10-18 [A.s]  QEm  10-18 C

B. Combien de charges (+) et charges (-) au total trouve-t-on dans une cellule ?
 QTOT  10-11 C

 QEm / QTOT = 10-7 ≈ négligeable   LIC et LEC sont "électroneutres"

2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.2. Equation de GOLDMANN
2.2.1. Electroneutralité
2.2.1.3. Diffusion ionique
électroneutralité
1 2 1 nb(+) = nb(-) 2

[ Cl- ] = 0 [ Cl- ] = 0.15M [ Cl- ] = x [ Cl- ] = 0.15 - x

[ K+ ] = 0.15M [ K+ ] = 0.15M [ K+ ] = 0.15 + x [ K+ ] = 0.15 - x

[ A- ] = 0.15M [ A- ] = 0.15

Etat initial Etat final

Equilibre de DONNAN: tous les ions diffusibles sont à l'équilibre !!

∆EK = ∆ECl  [K]1 [Cl ]1 = [K ]2 [Cl ]2

 (0.15 + x ) ( x ) = (0.15 - x ) (0.15 - x)

 x = 0.05 M Loi de NERNST  à 37ºC ∆E = -18.5 [mV]

2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.2. Equation de GOLDMANN
2.2.1. Electroneutralité électroneutralité
2.2.1.3. Diffusion ionique 1 nb(+) = nb(-) 2

[ Cl- ] = 0.05 [ Cl- ] = 0.10

Etat final [ K+ ] = 0.20 [ K+ ] = 0.10
[ A- ] = 0.15
H20 H20

Volumes des deux compartiments identiques:

 osmolalité: 400 mOsm 200 mOsm
Il faut considérer le flux d'H20  PRESSION OSMOTIQUE importante !!!
1 2
[ Cl- ] = 0.10
[ Cl- ] = 0.05
[ K+ ] = 0.10
VRAI état final [ K+ ] = 0.20
si la membrane n'est pas rigide [ A- ] = 0.15
H20 H20

Rappel: pour les problèmes de pression osmotique !!

• masse atomique: Na=23 , K=39 , Mg=24.3 , Ca=40
• le volume du ion hydraté  si sa masse atomique 
2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.2. Equation de GOLDMANN
2.2.2. Equation fondamentale
2.2.2.1. Cas simple avec deux ions
- Na+ et K+ caractérisés par leur perméabilités membranaires respectives PNa et PK
- Na+ et K+ caractérisés par z = 1

- Perméabilité constante dans toute l’épaisseur de la membrane h : P = D / h

Equation de GOLDMANN
P =perméabilité membranaire
PK[K]in + PNa[Na]in D=coeff. de diffusion
Vin-Vext = Em = -RT Log h=épaisseur de la membrane
F PK[K]ext + PNa[Na]ext =solubilité membranaire
z =électrovalence de l'ion

PK=0  Em = ENa
PNa=0  Em = EK
PK, PNa ≠0  Em intermédiare

Perméabilité constante dans toute l’épaisseur de la membrane:

La membrane cellulaire agit de manière "dyalisante"  membrane poreuse inerte.
les ions passent PASSIVEMENT par des pores ayant 0.4nm de Ø
séparés par plusieurs dizaines de nm
 surface des pores env. 10-6 de la surface cellulaire
2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.2. Equation de GOLDMANN
2.2.2. Equation fondamentale
2.2.2.2. Cas général

Equation de GOLDMANN pour les ions K+, Na+, Cl-

PK[K+]ext + PNa[Na+]ext + PCl[Cl-]in

Ein -Eext = Em = RT Log
F PK[K+]in + PNa[Na+]in + PCl[Cl-]ext

T = température absolue [°K] 37°C = 310°K

R = Cte. des gaz parfaits = 8.314 [J.°K-1.mol-1] [J] = [V.A.s]
NA = nombre d'AVOGADRO = 6 . 1023 [mol-1]
q = charge de l'électron = 1.6 10-19 [C] [C] = [A.s]
F = Cte. de FARADAY = NA q = 9.652 . 104 [A.s.mol-1]
Pion = perméabilités relatives des ions
PNa = 1 PK = 40 PCl = 670

!! Attention !! Le signe (-) n’est plus dans l’équation, pourquoi?

Le compartiment avec l’anion non diffusible (c.à.d. les groupements COO-) est
le compartiment intracellulaire et par convention les concentrations
extracellulaires des cations sont au numérateur.
2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.2. Equation de GOLDMANN
2.2.2. Equation fondamentale
2.2.2.3. Exemple: motoneurone spinal de mammifère
Concentrations: [ ] mEq [ ] mmole
IONS INTRA EXTRA
Na+ 15 " 150 "
K+ 150 " 5.5 "
Cl - 9 " 125 "
Ca++ 2 1 5 2.5
Mg++ 26 13 2 1
Anions Prot - 155 " 7 "
H+ 0.0000631 " 0.0000398 "

• Potentiel de DONNAN: tous les ions diffusibles sont à l'équilibre !!

chercher un ion très perméable qui, à l'équilibre, intéragit peu avec les autres électrolytes
RT [ H ]intra
H+  potentiel d'équilibre (NERNST)  EH = – zF –––– Log –––––
[ H ]extra
[H] = 10–pH
typiquement: pHintra=7.2 pHextra=7.4  EH = –12.3 [mV] à 37°C

- pH change f(température) et dépend du métabolisme

- selon le type cellulaire: cotransport et "pompes à H"
2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.2. Equation de GOLDMANN
2.2.2. Equation fondamentale
2.2.2.3. Exemple: motoneurone spinal de mammifère

• Potentiel transmembranaire GOLDMANN:

PK[K+]ext + PNa[Na+]ext + PCl[Cl-]in

Em = RT Log
F PK[K+]in + PNa[Na+]in + PCl[Cl-]ext
T = température absolue [°K] 37°C = 310°K
R = Cte. des gaz parfaits = 8.314 [J.°K-1.mol-1] [J] = [V.A.s]
F = Cte. de FARADAY = NA q = 9.652 . 104 [A.s.mol-1]
PNa = 1 PK = 40 PCl = 670

Em = (8.314 x 310) / 9.652.104 x Log ( 40(5.5) + 1(150) + 670(9) ) / ( 40(150) + 1(15) + 670(125) )
Em = 0.0267 x Log (220 + 150 + 6030) / (6000 + 15 + 83750)
Em = 0.0267 x Log (6400 / 89765)

 Em = – 0.0705 [V] = – 70.5 [mV] à 37°C

Potentiel de membrane (GOLDMANN)  Potentiel d'équilibre (DONNAN)

• il existe des transports actifs ("pompes à ions") et des transports facilités !!!
• le potentiel de Donnan participe au Pot. de Membrane pour environ 12mV
2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.3. Théorie de HODGKIN, HUXLEY, KATZ (1952)
2.3.1. Flux ioniques
2.3.1.1. Notion de "driving force" (force motrice)

Eint -Eext = Em [mv] “driving force” = Em -Eion

[ ] mEq Gradient
Eion
Chimique Em Em - Eion
(Nernst)
intra extra (Fick)
+
K 150 5.5 +144.5 - 88.3 +17.8
Na + 15 150 -135 +72.3 - 70.5 - 142.8
Cl - 9 125 -116 - 70.2 - 0.3

1ère Loi de Fick Loi de Nernst

J = -D (dC/dx) Eint-Eext = - (RT/zF) Log(Cint/Cext)

ION GRADIENT CHIMIQUE GRADIENT ELECTRIQUE

K
+
 EXT INT 
INT  INT 
+
Na
INT   EXT
-
Cl
2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.3. Théorie de HODGKIN, HUXLEY, KATZ (1952)
2.3.1. Flux ioniques
2.3.1.2. Pompe ionique Na-K

K+, Cl- : haute perméabilité des canaux  atteindre ≈ équilibre electro-chimique

Na+ : tendance à rentrer dans la cellule  annuler la ddp transmembranaire

Mais au REPOS la ddp transmembranaire ne varie presque pas, pourquoi ?

• très faible perméabilité au Na+ mais du Na entre quand même !!

• existence d'une POMPE IONIQUE Na-K

rentre K+ et sort Na+ : dans un rapport 3Na+ /2K+  pompe électrogénique

INT EXT

K+ driving force (Em-EK=+17.8 mV)

métabolisme POMPE

driving force (Em-ENa=-142.8 mV)

Na+
La présence de la pompe résistances variables au Na et K
EL  courant de fuite (“Leakage”) qui correspond généralement au flux de Cl- et autres molécules
(!! perméabilité très élevée)
2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.3. Théorie de HODGKIN, HUXLEY, KATZ (1952)
2.3.1. Flux ioniques
2.3.1.2. Pompe ionique Na-K

INT EXT 1 PROTEINE PM ~600.000

Na+ K+ - 2 sites actifs:

Na+ 1 • fixation Na  phosphorylation (endergonique)
K+ • fixation K  déphosphorylation (exergonique)
Na+
-consomme de l'énergie  ATP
• environ 70% de ATP utilisé dans le cerveau
Na+ et 20-30% dans les autres cellules
K+ • bloqué par CYANURE
2 Na+
K+ - a une activité enzymatique ATPasique:
• activé par Na,K
Na+ • inhibé par CARDIOGLUCOSIDES
(OUABAINE)

- cette protéine est ≠ des CANAUX à Na ou à K

2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.3. Théorie de HODGKIN, HUXLEY, KATZ (1952)
2.3.1. Flux ioniques
2.3.1.3. Importance de [K+]

K+, Cl- : haute perméabilité des canaux  atteindre ≈ équilibre electro-chimique

Na+ : faible perméabilité des canaux

Mais au REPOS la driving force de Cl- est presque nulle, c’est donc le K+ qui joue un
rôle essentiel.
Pot. de membrane
Em (mV)

si [K+]ext 5.5 mEq  55 mEq

"choc potassique"
 dépolarisation de la cellule !!!
seuil de
dépolarisation
des neurones

5.5 55.0
[K+]ext (mEq) (échelle Log)
2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.3. Théorie de HODGKIN, HUXLEY, KATZ (1952)
2.3.1. Flux ioniques
2.3.1.3. Importance de [K+]

La régulation de [K+]ext est essentielle

- Empêcher la variabilité [K+]ext  barrière hémato-encéphalique

- Diminuer [K+]ext  l’un des rôles des astrocytes (type de cellules gliales)
2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.3. Théorie de HODGKIN, HUXLEY, KATZ (1952)
2.3.2. Modèle électrique de la membrane
2.3.2.1. Electrotonus

La stimulation électrique de la membrane (électrotonus) peut être effectuée par

• CATHODE: électrode négative(-) qui attire les cations (+)  cathelectrotonus  dépolarisation
• ANODE: électrode positive(+) qui attire les anions (-)  anelectrotonus  hyperpolarisation

Observation: |cathelectrotonus| ≠ |anelectrotonus|

 La résistance membranaire dépend du sens du courant
 PROPRIETE REDRESSEUSE DE LA MEMBRANE

Pour comprendre ce phénomène il faut un modèle électrique de la membrane

2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.3. Théorie de HODGKIN, HUXLEY, KATZ (1952)
2.3.2. Modèle électrique de la membrane
2.3.2.2. Circuit équivalent

• UN ELEMENT DE MEMBRANE

DOUBLE COUCHE PHOSPHOLIPIDIQUE

C'est un diélectrique (isolant électrique)  CONDENSATEUR

Cm = capacité membranaire [F.m-1]
[F] = [A.s.V-1]

PASSAGE DE CHARGES ELECTRIQUES

 PROTEINES (pores, canaux, transporteurs)

conductance perméabilité  RESISTANCE VARIABLE
résistance = 1 / conductance
rm = résistivité membranaire [Ω.m]

 POTENTIEL DE REPOS
 Potentiel d'équilibre Vm = potentiel de membrane [V]
pile électrique
2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.3. Théorie de HODGKIN, HUXLEY, KATZ (1952)
2.3.2. Modèle électrique de la membrane
2.3.2.2. Circuit équivalent

• PRENONS EN COMPTE LES DIVERS COURANTS IONIQUES:

ions très perméables

Na+ K+ ( L  Leakage "fuite")
outside

inside

RNa = résistance au Na+

ENa = potentiel d’équilibre (Nernst) au Na+ ex: +72.3 mV)

RK = résistance au K+
EK = potentiel d’équilibre au K+ ex: –88.3 mV

RL = résistance de “fuite” (leaky current)

EL = potentiel de “fuite” (souvent assimilé au pot. équilibre du Cl- ex: –70.5 mV )
2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.3. Théorie de HODGKIN, HUXLEY, KATZ (1952)
2.3.2. Modèle électrique de la membrane
2.3.2.2. Circuit équivalent

 UN ELEMENT DE MEMBRANE plus simplement

Im = courant à travers la membrane

Ic = courant capacitif
Ii = courant ionique
Vm = potentiel transmembranaire
INa = courant ionique de Na+
IK = courant ionique de K+
IL = courant de “fuite”
2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.3. Théorie de HODGKIN, HUXLEY, KATZ (1952)
2.3.3. Variations du potentiel de membrane

 propriétés PASSIVES
membrane  câble électrique (pas d'apport supplémentaire d'énergie)
électrotonus

Iout(x) outside routx Iout(x+x) routx Iout(x+2x)

Im(x) Im(x+x) Im(x+2x)
Iext rm/x rm/x rm/x
cmx cmx cmx

inside rinx rinx

Iin(x) Iin(x+x) Iin(x+2x)
x x+x x+2x
V(x,t) V(x+x,t) V(x+2x,t)
x = longueur d'un bout de membrane rout = résistance longitudinale externe [Ω.m-1]
rm = résistivité membranaire [Ω.m] rin = résistance longitudinale interne [Ω.m-1]
cm = capacité membranaire [F.m-1] [F] = [A.s.V-1] ra = résistance axiale = rout + rin [Ω.m-1]
2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.3. Théorie de HODGKIN, HUXLEY, KATZ (1952)
2.3.3. Variations du potentiel de membrane
2.3.3.1. Constante de temps

variation du potentiel au cours du temps

: constante de temps

Vm(t) = ImRm(1-e-t/)

Vm
~63% Vm  = rmcm (par ex. de 1 à 20 ms)
(mV)

Vm c2 > c1
 =8 ms r1= constante
c1
 V2 = V1
c2
Iext temps

(mA)
r2
Vm
temps (ms) r2 > r1
r1 c1= constante
 V2 > V1 !!
temps

Circuit RC : propriétés capacitives  constante de temps

2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.3. Théorie de HODGKIN, HUXLEY, KATZ (1952)
2.3.3. Variations du potentiel de membrane
2.3.3.2. Constante d’espace

x x+x x+2x

Vm(x) Vm(x+x) Vm(x+2x)

t t t

Atténuation passive le long de la membrane  propriétés de câble électrique

100% variation du potentiel dans l'espace

: constante d'espace
~37%
Vm(x) = Vm(x=0) e-x/
2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.3. Théorie de HODGKIN, HUXLEY, KATZ (1952)
2.3.3. Variations du potentiel de membrane
2.3.3.2. Constante d’espace

Propiétés de câble électrique

Ra = résistance d’un élément de membrane [Ω]
ra = résistance axiale = rout + rin [Ω.m-1]
rm = résistivité membranaire [Ω.m]
cm = capacité membranaire [F.m-1]
l = longueur du câble
d = diamètre du câble
[Ω] = [V.A-1]
[F] = [A.s.V-1]

Circuit RC : propriétés résistives   : constante d'espace

2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.4. Transduction
2.4.1. Mécanisme général

Stimulation = apport d’énergie

Différentes formes d’énergie sont transformées par le système nerveux

Objectif commun: INTERFACE entre une variation d’énergie et sa mesure

stimulus X signal électrique spécifique

stimulus  structure du récepteur membranaire

Les récepteurs correspondent généralement à des structures spécialisées de la

membrane cellulaire

Ces structures ne sont généralement pas présentes sur toute la membrane, mais à des
endroits particuliers de la cellule
(“polarisation de la cellule”, p.ex. membrane apicale, membrane basale, etc.)

Ces structures transforment l’énergie physique en énergie électrochimique

 langage commun pour tous les systèmes sensoriels
 TRANSDUCTION
2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.4. Transduction
2.4.2. Transduction sensorielle
2.4.2.1. Stimulation

Historiquement = les 5 sens: vision, audition, toucher, goût, odorat

mais aussi autres modalités, p.ex. VESTIBULAIRE (équilibre , accélération)

Selon l’énergie physique mesurée:

PHOTO-R lumière
CHEMO-R structure moléculaire
BARO-R pression
VOLO-R volume
MECANO-R déplacement

A. Intensité d'un stimulus

 quantité d’énergie reçue
 modalité sensorielle

B. Durée d'un stimulus

 adaptation rapide, lente
 réponse phasique: transitoirement au début ou à la fin de la stimulation
 réponse tonique: soutenue pendant toute la durée de la stimulation
2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.4. Transduction
2.4.2. Transduction sensorielle
2.4.2.2. Potentiel récepteur

RECEPTEUR = structure membranaire dont Vm change sous l'effet d'un stimulus

  résistance membranaire
 perméabilité aux ions
 DEPOLARISATION LOCALE = potentiel récepteur

La variation du potentiel récepteur est:

• graduée, lente
• propagation décrémentielle, locale
• sommable dans le temps
• amplitude : - proportionnelle au Log (intensité) pendant la phase statique
- f (d intensité/dt) pendant la phase dynamique
2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.4. Transduction
2.4.2. Transduction sensorielle
2.4.2.3. Transmission du signal

• dépolarisation de la membrane du récepteur  COURANTS LOCAUX

• sommation des potentiels récepteurs
 dépolarisation d'une structure membranaire particulière de la cellule sensorielle
 PA si SEUIL atteint

CODAGE ANALOGIQUE  CODAGE DIGITAL

2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.4. Transduction
2.4.2. Transduction sensorielle
2.4.2.4. Photoréception

Zone sensible = structure

membranaire plissée
- en microvillosités
- en disques
  surface membranaire exposée
aux photons
 amplification du signal

- PROTEINE: absorbe en UV
Pigment visuel
- GROUPEMENT CHROMOPHORE: absorbe la lumière visible

Pigment visuel = convertisseur d'énergie: lumineuse  électrochimique

Ex. RHODOPSINE (P.M. 38000) (il y en a 109 par BATONNET)
2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.4. Transduction
2.4.2. Transduction sensorielle
2.4.2.4. Photoréception

segment
OBSCURITE
externe
mb. plasmique très perméable au Na+

Na-K ATPase expulse Na+

segment
interne

LUMIERE
Amplification biochimique:
1 hbloque le flux de 106 Na+
segment
externe perméabilité au Na+ devient nulle
 hyperpolarisation du segment externe...

segment ... qui se propage au segment interne

interne comment se transmet-il le signal?
Ca2+ ?, GMPc ?
2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.4. Transduction
2.4.2. Transduction sensorielle
2.4.2.4. Photoréception
(1) RHODOPSINE PHOTOLYSEE
• active par collisions successives 100 molécules d'une protéine de la mb. des Disques:
la TRANSDUCINE (≈protéine G)
• puis est bloquée par une protéine de 48 kD, l'ARRESTINE (ou Antigène S)

(2) TRANSDUCINE ACTIVEE

• active, mole pour mole, une enzyme de la mb. des Disques, la PHOSPHODIESTERASE (PDE)

(3) PHOSPHODIESTERASE
• hydrolyse la GMPc (102 PDE pour 105 GMPc)  1 h 105 GMPc

(4) GMPc
• nécessaire à l'ouverture des canaux Na+.
• Hydrolyse GMPc  fermeture des canaux  hyperpolarisation de la mb. plasmique  Pot. Récepteur

(5) ENERGIE D'HYDROLYSE DU GTP

• permet de boucler le cycle en désactivant PDE, TRANSDUCINE et RHODOPSINE photolysée et
reconstituer la 11.cis.meta-Rhodopsine

(6) Ca2+
• jouerait un rôle dans l'adaptation
http://www.biol.tsukuba.ac.jp/~nakatani/

a: cGMP-gated channel, b: Na+-Ca2+/K+ exchanger, Rh: rhodopsin, Rh*: activated rhodopsin, T: transducin(G-protein),
T*: activated transducin, PDE: phosphodiesterase, PDE*: activated phosphodiesterase.
2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.4. Transduction
2.4.2. Transduction sensorielle
2.4.2.4. Photoréception
La cellule photoréceptrice (bâtonnet/cône) n'a pas de P.A.
Réponse GRADUELLE à la lumière (potentiel récepteur) qui dépend du nb. de h absorbés
EPITH. PIGMENTAIRE

RECEPTEURS

C. HORIZONTALE

Lumière C. BIPOLAIRE
h
C. AMACRINE

C. GANGLIONNAIRE

NERF OPTIQUE
2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.4. Transduction
2.4.3. Transduction synaptique
2.4.3.1. Fixation NEUROMEDIATEUR-RECEPTEUR

Année 2010 : nombre de neurotransmetteurs connus > 100

 centaines de récepteurs différents

• Effets des récepteurs:

Na+  dépolarisation = EXCITATION
PERMEABILITE  COURANT IONIQUE
Cl- hyperpolarisation = INHIBITION

Récepteurs canaux
• Catégories de récepteurs:

Récepteurs couplés aux protéines G

2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.4. Transduction
2.4.3. Transduction synaptique
2.4.3.1. Fixation NEUROMEDIATEUR-RECEPTEUR

Destruction ENZYMATIQUE du médiateur

C’est une étape essentielle, sinon le récepteur reste bloqué !!

 liberté du RECEPTEUR
= réversibilité de l’effet.

Exemple: Acétylcholine-estérase (AChE)

2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.4. Transduction
2.4.3. Transduction synaptique
2.4.3.2. Récepteurs canaux

Canaux ioniques activés par la fixation de neurotransmetteurs

 4 sous-unités différentes (= 5 PR car 1 sous-unité répétée 2 fois)
s’associent pour former 1 canal ex. récepteur ACh : 2

1. Fixation de ACh sur des sites spécifiques de la partie extracellulaire du canal

2. changements conformationnels (torsion des sous-unités)
3. pore fermé  pore ouvert (en quelques µs)

Na+ (+ sortie K+)

entrée Na+
 dépolarisation
R ≈ 100  /mm 2
 EXCITATION
2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.4. Transduction
2.4.3. Transduction synaptique
2.4.3.2. Récepteurs canaux

 Faible sélectivité ionique (bien inférieure aux canaux voltage-dépendents)

Récepteur Glu :  AMPA : perméable à Na+, K+

 NMDA : perméable à Na+, K+ et Ca++ :>>>> Toxicité

NMDA-R : voltage-dépendant
 si Vm = - 65 mV  NMDA-R reste fermé même aprés fixation de Glu !!
 dépolarisation et fixation de Glu doivent coïncider pour  ouverture NMDA

Récepteur Gly  perméable à Cl-

Récepteur GABAA  perméable à Cl-

 sites spécifiques de fixation à d’autres substances
barbituriques (ex. phénobarbital)   durée d’ouverture des canaux
benzodiazépines (ex. diazépam)   fréquence d’ouverture
2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.4. Transduction
2.4.3. Transduction synaptique
2.4.3.3. Récepteurs couplés aux protéines G

A. MESSAGER UNIQUE récepteur activé  activation protéine G

Alfred G. Gilman
Martin Rodbell
(Prix Nobel 1994)  conformation  conductance



K+

AGO : agoniste voie “rapide”

R : Récepteur
 30-100 ms après fixation du transmetteur
G is : G-Binding Protein (STIM, INHIB)

Récepteur ACh (muscarinique)  perméable à K+

Récepteur GABAB  perméable à K+
2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.4. Transduction
2.4.3. Transduction synaptique
2.4.3.3. Récepteurs couplés aux protéines G
B. SECOND MESSAGER

récepteur activé  activation protéine G

 activation adényl cyclase
  [cAMP]i
 cascade des seconds messagers (ex. protéine kinase)

AGO : agoniste
R : Récepteur
AC : Adenyl Cyclase
G is : G-Binding Protein (STIM, INHIB)

voie “lente”
 minutes après fixation du transmetteur
 amplification de la réponse

Récepteur NA  - adrénergique   activité Adenylcyclase  [cAMP]i 

Récepteur NA 2- adrénergique   activité Adenylcyclase  [cAMP]i 
2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.4. Transduction
2.4.3. Transduction synaptique
2.4.3.4. Potentiel post-synaptique

A. Potentiel post-synaptique excitateur (PPSE)

Synapses excitatrices Glutamate, Aspartate, ACh

Souvent morphologie asymétrique  entrée Na+ ou CATIONS
(synapse de Gray de type I)  dépolarisation de la mb. post-syn.

 excitabilité membranaire
2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.4. Transduction
2.4.3. Transduction synaptique
2.4.3.4. Potentiel post-synaptique
B. Potentiel post-synaptique inhibiteur (PPSI)

Synapses inhibitrices GABA, Glycine, Dopamine, Substance P,

Souvent morphologie symétrique Norépinephrine, Sérotonine
(synapse de Gray de type II)  entrée Cl- ou ANIONS
 hyperpolarisation de la mb. post-syn.

 excitabilité membranaire

Attention à la différence entre PPSE et PPSI !!

On ne peut pas hyperpolariser plus bas que le ECl (pot. d’équilibre du Cl- )
2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.4. Transduction
2.4.4. Sommation
2.4.4.1. Sommation algébrique

Potentiels récepteurs
Potentiels analogiques résultant d'une transduction
Potentiels postsyn.

dépolarisations
Propriétés de cable soient respectées
Pas de non linéarités voltage-dépendantes
 +
hyperpolarisations

Dans ces conditions exclusivement la sommations des potentiels est possible

 opération linéaire
2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.4. Transduction
2.4.4. Sommation
2.4.4.2. Sommation spatiale

Effet de la constante d'espace 

Sommation si valeur  Pas de sommation si valeur 

est grande est insuffisante
2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.4. Transduction
2.4.4. Sommation
2.4.4.3. Sommation temporelle

Effet de la constante de temps 

Sommation si valeur 
Pas de sommation si valeur 
est grande
est insuffisante
2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.4. Transduction
2.4.4. Sommation
2.4.4.4. Inhibition de barrière

Synapses inhibitrices souvent localisées proximales au corps cellulaire

empêchent la propagation des courants excitateurs vers le corps cellulaire
 effet de barrière (shunting inhibition)  PAS DE SOMMATION
2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.5. Potentiel d'action
2.5.1. Courants ioniques
2.5.1.1. Courants locaux

• PMSI = Pot. de Membrane résultant de l’intégration des potentiels post-synaptiques

- seuil local
- de Em  des [Na, K, Cl] de part et d'autre de la membrane
- du PPS résultant de l'action de toutes les synapses

segment initial de l'axone

 courants locaux

• Rétrecissement:  surface membranaire

 densité des courants locaux sortant
( angle au sommet, et non Ø de l'AXONE)
dépolarisation

Les conductances ioniques (perméabilité) varient avec le potentiel

2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.5. Potentiel d'action
2.5.1. Courants ioniques
2.5.1.2. Canaux ioniques voltage-dépendants

canal sodique Na:

• 1 seule PR
- 4 domaines qui sont réunis et qui forment, entre eux, 1 pore
- 6 hélices  transmb.  changements conformationnels 
• ouverture "tout ou rien" déclenchée par DEPOLARISATION
active senseur chargé +

• sélectif pour Na+

• inhibée par TETRODOTOXINE (TTX)
et pas par -BUNGAROTOXINE

pore fermé pore ouvert



Vm = - 65 mV Vm = - 40 mV
2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.5. Potentiel d'action
2.5.1. Courants ioniques
2.5.1.2. Canaux ioniques voltage-dépendants

Vm
- 40 mV
- 65 mV
0 15 ms
canal fermé
in
trois patch différents
ext canal ouvert
courant I in

ext
in

ext
1 2 3 1

Les canaux Na voltage dépendants passent par 3 états:

- fermé + activable
- ouvert : canaux s’ouvrent rapidement (µs) et restent ouverts env. 1 ms
- fermé + inactivable: canaux se referment même si la dépolarisation continue
- repolarisation  changements conformationnels qui remettent les canaux à
l’état inital
2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.5. Potentiel d'action
2.5.1. Courants ioniques
2.5.1.2. Canaux ioniques voltage-dépendants

canal potassique K:
• sélectif pour K+
• il existe plusieurs PR mais toutes ayant une structure similaire
• 4 sous-unités polypeptidiques distinctes, associées pour former 1 pore
 cinétique coopérative
• ouverture "tout ou rien" déclenchée par DEPOLARISATION mais:
- ouverture retardée (env. 1 ms) après la depolarisation
- les canaux peuvent se rouvrir avant de revenir au Vrepos

canal calcique Ca:

• sélectif pour Ca++
• semblables aux canaux sodiques
• deux localisations principales :
- synapse: canaux Ca voltage-dépendants  [Ca++]int  libération transmetteur
- soma et dendrites proximales : bistabilité des neurones (n. du thalamus entre autres)
 décharges de PA isolés (PA “sodiques”) ou en bouffées (PA “ calciques”)
2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.5. Potentiel d'action
2.5.2. Cycle de l’excitabilité membranaire
2.5.2.1. Déclenchement du P.A.
gion = f(Vm)
??? pour déclencher un PA il faut un apport d’énergie
Vm = f(gion)
Stimulus = apport d’énergie (électrochimique, mécanique) qui modifie la perméabilité membranaire
 modifie les gion seuil : définition fonctionnelle
intensité du stimulus < seuil  stimulus infraliminaire ou subliminaire  pas de PA
intensité du stimulus > seuil  stimulus supraliminaire  déclenchement de PA
PA post-dépolarisation
Vm (mV)

post-hyperpolarisation
dépolarisation

seuil

Stimulus
t=0
Latence
2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.5. Potentiel d'action
2.5.2. Cycle de l’excitabilité membranaire
2.5.2.1. Déclenchement du P.A.
Les conductances ioniques (perméabilité) varient avec le potentiel
gion
Vm gion : conductance de l’ion ; gion = 1 / Rion
Iion : courant ionique de l’ ion
ENa V Eion : pot. d’équilibre (NERNST) du ion

0 mV
gNa  Iion = gion (Vm - Eion )
gK
g : toujours grande,
Cl
non modifiée par de polarisation

Vrepos
EK t
5 msec
montée : entrée massive de Na+ descente : sortie de K+
 transitoire de gNa
 gradient [Na]  retardée, prolongée de gK
 gradient électrique Na  de gNa
inactivation secondaire canal Na
2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.5. Potentiel d'action
2.5.2. Cycle de l’excitabilité membranaire
2.5.2.1. Déclenchement du P.A.

inversion

DÉPOLARISATION

HYPERPOLARISATION

La forme du PA reflète les caractéristiques membranaires d’une cellule donnée:

propriétés actives de la membrane:  le PA est régénéré
le PA se propage identique à lui-même :tous les PA auront la même forme
• propriétés passives : propagation du courant électrique suit les lois du câble
le potentiel est atténué dans l’espace cte d’espace 
2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.5. Potentiel d'action
2.5.2. Cycle de l’excitabilité membranaire
2.5.2.2. Périodes réfractaires
PA
Vm (mV)

PRRelative

seuil

Vrepos

PRAbsolue

PRA: intervalle pendant lequel l’inexcitabilité est totale, quel que soit l’intensité de stim.
durée = [1,3] msec
 les canaux Na voltage-dépendants sont déjà ouverts ou bien fermés+inactivables
 fréquence limite : PRA = 2 ms  flimite = 500 PA/seconde

PRR:  dès que des canaux Na voltage-dépendants sont fermés+activables

mais les canaux K voltage-dépendants ouverts Vm est hyperpolarisé
 énergie de stimulation pour atteindre le seuil
 inexcitabilité partielle durée = [2 , dizaines] ms
2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.5. Potentiel d'action
AVANT = canaux Na(V)
2.5.3. Propagation conservative du PA
2.5.3.1. Dans les fibres nues fermés+activables

P. ACTION PROPAGATION NON DECREMENTIELLE

Une impulsion électrique

se propage le long d 'une
membrane grâce à des
COURANTS LOCAUX

ARRIERE = canaux Na(V)

fermés+inactivables  PRA

canaux Na(V) ouverts

TRANSMISSION HI- FI DE L'INFORMATION

CONSERVATIVE: - SUR GRANDES DISTANCES
- AUX EMBRANCHEMENTS

SPIKE = IMPULSION BINAIRE

= [0] ou [1]
Remarque: si Vm < Vseuil la propagation électrique est décrémentielle  propiétés de câble
2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.5. Potentiel d'action
2.5.3. Propagation conservative du PA
2.5.3.2. Dans les fibres myélinisées
2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.5. Potentiel d'action
2.5.3. Propagation conservative du PA
2.5.3.2. Dans les fibres myélinisées

Le PA saute d'un nœud à l'autre :

- ECONOMIE D'ENERGIE
- RAPIDITE DE PROPAGATION

Dans une fibre MYELINISEE:

courants locaux ne sont possibles
qu'au niveau des zones dénudées
NŒUDS DE RANVIER
2. POTENTIEL DE MEMBRANE
2.5. Potentiel d'action
2.5.3. Propagation conservative du PA
2.5.3.3. Vitesse de conduction 120 m/sec

• AUGMENTE AVEC LE  Ø

• ACCRUE PAR LA MYELINISATION

 Fibres
TYPE VITESSE  ( ) 20 
A 70-120 12-20
A 12-30 2-5
C 0,6-2,2 0,3-1,4

Dans un NERF, fibres de ≠ Ø

Les INFORMATIONS véhiculées par les fibres d’un même nerf et correspondant à un
même stimulus arriveront au CERVEAU à des moments différents: (ex : Tact et Douleur).

STIMULUS PERIPH NERF THALAMUS

 www.medatice-grenoble.fr

Mentions légales
L'ensemble de ce document relève des législations française et internationale sur le droit d'auteur et la
propriété intellectuelle. Tous les droits de reproduction de tout ou partie sont réservés pour les textes ainsi
que pour l'ensemble des documents iconographiques, photographiques, vidéos et sonores.

Ce document est interdit à la vente ou à la location. Sa diffusion, duplication, mise à disposition du public
(sous quelque forme ou support que ce soit), mise en réseau, partielles ou totales, sont strictement réservées
à l’Université Joseph Fourier (UJF) Grenoble I.

L’utilisation de ce document est strictement réservée à l’usage privé des étudiants inscrits en Première Année
Commune des Etudes de Santé (PACES) à l’Université Joseph Fourier (UJF) Grenoble I, et non destinée à
une utilisation collective, gratuite ou payante.

Document réalisé par la Cellule TICE Santé des Facultés de Médecine et de Pharmacie de Grenoble - Université Joseph Fourier (UJF) Grenoble 1