Potentiel de membrane


Potentiel de membrane

Potentiel de repos

Le potentiel de membrane d'une cellule est du à la séparation de charges consécutive au flux ionique à travers les canaux potassium, lui même du au déséquilibre ionique entretenu activement par les pompes sodium/potassium

Le potentiel de repos (soit un des états possible du potentiel de la membrane) est la polarisation électrique en situation physiologique de repos d'une membrane plasmique. En introduisant une électrode de mesure à l'intérieur de la cellule (voir la méthode de patch-clamp), on constate une différence de potentiel (ddp): l'intérieur de la cellule est négatif par rapport à une électrode de référence extracellulaire.

Cette différence de potentiel est due à la séparation de charge de part et d'autre de la membrane provoquée par un courant permanent majoritairement d'ion potassium à travers des canaux ioniques. Ce courant dissipe la force électroosmotique causée par des différences de concentration entre différentes espèces ioniques. Cette différence de concentration est maintenue en permanence par l'activité consommatrice en énergie des pompes sodium/potassium.

L'existence d'un potentiel de membrane est universelle aux cellules vivantes.

Sommaire

Mécanismes

Facteurs biologiques

Les propriétés de la membrane plasmique sont à l'origine de cette différence de potentiel (ddp):

  • Propriétés propres à la bicouche phospholipidique:
    • imperméabilité qui permet de maintenir les différences de concentration de part et d'autre de la membrane, et donc un gradient chimique (voir le tableau ci-dessous)
    • haute résistance électrique qui permet de maintenir une différence de potentiel, donc un gradient électrique
  • Propriétés propres aux protéines membranaires
    • les canaux potassium de fuite sont responsable d'une perméabilité sélective de la membrane ne laissant passer que les ions potassium
    • les pompes potassium/sodium transportent activement les ions sodium vers l'extérieur et les ions potassium vers l'intérieur.
Les concentrations physiologiques des principaux ions chez l'homme
Ion concentration intracellulaire (mmol/l) concentration extracellulaire (mmol/l) Rapport Potentiel d'équilibre d'après l'équation de Nernst
Na+ 7-12 144 1:12 ca. +60 mV
K+ 160 4 40:1 -91 mV
Ca2+ 10-5-10-4 2 +125 mV bis +310 mV
Cl- 4-7 120 -82 mV
HCO3- 8-10 26-28 -27 mV
Protéine anionique (chargée négativement) 155 5

Mécanismes physiques

Le modèle pompe/fuite (pump/leak) repose sur les effets antagonistes de la pompe sodium/potassium (Na/K ATPse) d'une part et des canaux potassium d'autre part.

La Na/K ATPase utilise l'énergie contenue dans l'ATP pour maintenir une différence de composition ionique entre l'intérieur de la cellule et l'extérieur. L'activité de la pompe a pour effet direct que les ions potassium sont majoritaires dans le cytoplasme de la cellule, tandis que les ions sodium sont majoritaires à l'extérieur de la cellule. L'ouverture de canaux potassiums, les seuls canaux qui soient ouverts a l'état basal dans la majorité des cellules, permet au gradient chimique du potassium de se dissiper. La séparation de charge résultante crée la différence de potentiel électrique mesurée. L'électroneutralité des deux compartiments est violée à proximité de la membrane. Toutefois, compte tenu de la géométrie du système, il ne faut qu'un surplus d'environ 2 ions sur 100 000 pour rendre compte du potentiel de membrane. L'électroneutralité est bien respectée macroscopiquement. Le champ électrique crée empêche les ions potassiums de sortir.

Pour résumer, le potentiel chimique des ions potassiums est en faveur d'une sortie de ces ions. Cette sortie crée une force électrique qui s'oppose à la sortie d'un nombre plus important d'ions potassium.

Dans les neurones et autres cellules excitables, un signal provoque l'ouverture transitoire des canaux sodium responsables d'une dépolarisation transitoire appelée potentiel d'action. Le potentiel de Nernst des ions sodiums est de l'ordre de + 60 mV. Également, la spécificité des potentiels d'actions est conférée par la grande diversité des canaux ioniques impliqués selon la cellule considérée.

Calcul de la séparation de charge

L'application numérique qui suit a pour but de démontrer que l'électroneutralité de la solution est respectée, malgré l'existence d'une différence de potentiel membranaire.

L'intensité du champ électrique se dissipant à travers la membrane d'épaisseur 75 nm est de 1.5 million de volts par mètre, ce qui est considérable et est à la limite de la fracture de la membrane.

Rôles physiologiques

  • Toute cellule vivante a un potentiel de membrane. Le potentiel électrochimique qui lui correspond constitue une réserve d'énergie potentielle qui permet d'assurer les transports des substances nécessaires à la survie de la cellule.
  • Le potentiel de repos joue un rôle important pour les cellules excitables, comme les neurones et les myocytes. En effet le franchissement par le potentiel de repos d'un certain seuil de dépolarisation déclenche chez ces cellules un potentiel d'action par l'activation de canaux dépendant du potentiel (canaux voltage-dépendant). L'importance de la polarisation du potentiel de repos determine donc l'excitabilité de la cellule. Quand il est très hyperpolarisé (par l'activation tonique de canaux potassiques ou chlorures par exemple), la cellule est difficilement excitable, c'est á dire qu'il faut beaucoup dépolariser la cellule avec des potentiels postsynaptiques excitateurs pour qu'elle décharge un potentiel d'action. Quand le potentiel de repos est très dépolarisé (par la fermeture de canaux potassium ou par l'ouverture permanente de canaux sodium), la cellule est plus proche du seuil de déclenchement d'un potentiel d'action, et donc plus excitable.

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