Perméabilité Membranaire et Potentiels d'Équilibre Ioniques

La perméabilité membranaire sélective est ce qui transforme les gradients de concentration ionique en une tension électrique. Les ions ne traversent la membrane que par des canaux qui favorisent des espèces particulières, et pour chaque ion, il existe un potentiel d'équilibre, donné par l'équation de Nernst, auquel ses forces de diffusion et électriques s'équilibrent exactement.

Definition

La perméabilité sélective est la propriété par laquelle les canaux ioniques permettent à des ions particuliers de traverser la membrane ; le potentiel d'équilibre (de Nernst) pour un ion est la tension membranaire à laquelle la force électrique exercée sur cet ion s'oppose exactement à son gradient de concentration, de sorte qu'il n'y a pas de flux net.

Scope

Ce sujet aborde la manière dont les canaux ioniques sélectifs rendent la membrane perméable à certains ions et non à d'autres, et comment l'équation de Nernst définit le potentiel d'équilibre pour chaque ion perméant. Il explique le potentiel d'équilibre comme le point de référence vers lequel la perméabilité de chaque ion entraîne la tension membranaire. La tension combinée à l'état stable résultant de plusieurs ions est traitée dans le sujet Goldman-Hodgkin-Katz.

Core questions

• Comment les canaux rendent-ils la membrane sélectivement perméable à un ion plutôt qu'à un autre ?
• Que calcule l'équation de Nernst, et que signifie le potentiel d'équilibre ?
• Pourquoi le potassium et le sodium ont-ils des potentiels d'équilibre si différents ?

Key concepts

• Canaux ioniques sélectifs
• Filtre de sélectivité
• Équation de Nernst
• Potentiel d'équilibre (d'inversion)
• Gradient de concentration versus gradient électrique
• Perméabilité versus conductance

Key theories

Principe du potentiel d'équilibre

Pour un seul ion perméant, la membrane atteint une tension, le potentiel de Nernst, à laquelle la force électrique à travers la membrane équilibre exactement le gradient de concentration, ne produisant aucun mouvement net ; cela définit la tension cible vers laquelle la perméabilité de chaque ion tend.

Mechanisms

Les canaux ioniques traversent la membrane et laissent passer les ions à travers un filtre de sélectivité qui discrimine les espèces par leur taille et leur chimie de coordination ; la structure du canal potassique résolue par Doyle et ses collègues (1998) a montré comment les carbonyles du squelette miment la couche d'hydratation du potassium pour le sélectionner par rapport au sodium. Lorsque la membrane est perméable à un seul ion, cet ion diffuse selon son gradient de concentration jusqu'à ce que la charge qu'il déplace génère une force électrique opposée ; la tension à laquelle les deux forces s'équilibrent est le potentiel d'équilibre, calculé par l'équation de Nernst à partir du rapport des concentrations externes et internes. Différents ions ont donc différents potentiels d'équilibre, et la tension membranaire est tirée vers le potentiel d'équilibre de l'ion le plus perméant à un instant donné. Hodgkin et Katz (1949) ont montré expérimentalement que la modification des concentrations ioniques externes déplace la tension membranaire comme le prédit ce cadre.

Clinical relevance

Les potentiels d'équilibre et la sélectivité des canaux expliquent pourquoi les changements de concentration ionique extracellulaire altèrent l'excitabilité et pourquoi les médicaments et toxines ciblant les canaux affectent les nerfs et les muscles. Cette entrée présente ces relations comme un arrière-plan mécanistique et n'offre aucune orientation diagnostique ou thérapeutique.

Evidence & guidelines

La relation de Nernst est un résultat thermodynamique confirmé par d'innombrables expériences d'électrophysiologie, et la sélectivité des canaux est établie par des études structurelles et fonctionnelles ; il s'agit d'un matériel de référence standard en biophysique, et non d'un contenu de lignes directrices.

History

Walther Nernst a formulé l'équation reliant le rapport de concentration au potentiel électrochimique à la fin du XIXe siècle. Son application aux membranes excitables a mûri avec les travaux sur l'axone de calmar de Hodgkin et Katz (1949), et la base moléculaire de la sélectivité que le cadre suppose a finalement été visualisée dans la structure du canal potassique par Doyle et ses collègues (1998).

Key figures

• Walther Nernst
• Alan Hodgkin
• Bernard Katz
• Roderick MacKinnon
• Bertil Hille

Seminal works

• hodgkin-katz-1949
• doyle-1998

Frequently asked questions

Qu'est-ce qu'un potentiel d'équilibre ?

C'est la tension membranaire à laquelle la force électrique exercée sur un ion particulier annule exactement son gradient de concentration, de sorte que l'ion n'a aucune tendance nette à se déplacer ; l'équation de Nernst le calcule à partir des concentrations de l'ion de part et d'autre de la membrane.

Comment un canal sélectionne-t-il un ion plutôt qu'un autre ?

Un filtre de sélectivité étroit coordonne l'ion préféré d'une manière qui se substitue à sa couche d'eau tout en excluant les ions de taille ou de géométrie de charge inappropriées, comme l'ont montré les études structurelles pour les canaux potassiques.