Électrophysiologie et potentiel de membrane

Comment la séparation des ions à travers une membrane crée un potentiel électrique, et comment les canaux voltage-dépendants transforment ce potentiel en potentiels d'action des cellules excitables.

Definition

Le potentiel de membrane est la différence de tension à travers une membrane cellulaire résultant de la perméabilité ionique sélective ; l'électrophysiologie est l'étude de ces potentiels et des courants qui les produisent.

Scope

Ce sujet aborde l'origine du potentiel de membrane au repos, la modélisation de la membrane en circuit équivalent (condensateur et conductances), ainsi que la génération et la propagation du potentiel d'action. Il traite de la description de l'excitabilité selon Hodgkin–Huxley et des techniques de mesure de l'électrophysiologie à un niveau conceptuel, tandis que les mécanismes des canaux uniques et l'énergétique du transport sont abordés dans des sujets connexes.

Core questions

• Pourquoi une cellule au repos maintient-elle une tension stable à travers sa membrane ?
• Comment la membrane est-elle utilement modélisée comme un condensateur en parallèle avec des conductances ioniques ?
• Quelle séquence de changements de conductance génère un potentiel d'action ?
• Comment un potentiel d'action se propage-t-il le long d'une cellule excitable ?

Key theories

Excitabilité selon Hodgkin–Huxley

Les conductances sodiques et potassiques voltage- et temps-dépendantes agissant à travers la membrane capacitive reproduisent quantitativement le potentiel d'action, avec une entrée de sodium régénératrice dépolarisant la cellule et un efflux de potassium retardé rétablissant le repos.

Potentiel de repos issu de perméabilités mixtes

La tension de repos est une moyenne pondérée des potentiels d'équilibre des ions perméants, capturée par l'expression du champ constant de Goldman ; elle se situe donc près mais pas exactement à l'équilibre du potassium, car la membrane est principalement, mais pas exclusivement, perméable au potassium.

Mechanisms

La membrane étant un mince isolant qui sépare les charges, les gradients ioniques établis par les pompes produisent une tension de repos stable, déterminée principalement par la perméabilité de repos dominante. En modélisant la membrane comme un condensateur en parallèle avec des conductances voltage-dépendantes, une dépolarisation supraliminaire ouvre les canaux sodiques, dont le courant entrant dépolarise davantage la cellule dans un pic régénérateur ; les canaux sodiques s'inactivent ensuite et les canaux potassiques s'ouvrent, repolarisant la membrane. Des courants locaux propagent cette dépolarisation aux régions voisines, propageant ainsi le potentiel d'action.

Clinical relevance

L'excitabilité membranaire est à la base des fonctions nerveuse, musculaire et cardiaque et constitue la cible des anesthésiques, des antiarythmiques et des antiépileptiques. La biophysique présentée ici constitue une base éducative pour cette physiologie et pharmacologie, et non une orientation clinique.

History

S'appuyant sur la technique du voltage imposé (voltage-clamp) de Cole, le modèle quantitatif de l'axone de calmar de Hodgkin et Huxley de 1952 a expliqué le potentiel d'action en termes de conductances ioniques et demeure le fondement de l'électrophysiologie, affiné par la suite par des études sur les canaux uniques et des études moléculaires.

Key figures

• Alan Hodgkin
• Andrew Huxley
• Bernard Katz
• Kenneth Cole

Seminal works

• hodgkin1952
• goldman1943

Frequently asked questions

Pourquoi le potentiel de repos est-il négatif à l'intérieur ?

Au repos, la membrane est la plus perméable au potassium, qui quitte la cellule selon son gradient jusqu'à ce que la tension négative croissante à l'intérieur s'oppose à toute perte supplémentaire, laissant l'intérieur négatif par rapport à l'extérieur.

Qu'est-ce qui rend le potentiel d'action tout-ou-rien ?

Une fois que la dépolarisation franchit le seuil, l'ouverture des canaux sodiques est régénératrice et déclenche un pic complet quelle que soit la force du stimulus original, la réponse a donc une forme fixe.