Potentiel de membrane et potentiel d'action

Comment les cellules animales stockent l'énergie électrique sous forme de tension à travers leur membrane, et comment les cellules excitables utilisent cette tension pour générer et conduire l'influx nerveux tout-ou-rien.

Definition

Le potentiel de membrane est la différence de tension à travers la membrane plasmique d'une cellule, établie par les gradients ioniques et la perméabilité sélective ; le potentiel d'action est une inversion brève, régénérative et tout-ou-rien de ce potentiel, produite par l'ouverture et la fermeture séquentielles de canaux ioniques voltage-dépendants dans une cellule excitable.

Scope

Ce sujet aborde l'origine du potentiel de membrane au repos, les gradients ioniques et les canaux sélectifs qui le génèrent, ainsi que la séquence des événements voltage-dépendants qui génèrent, propagent et terminent le potentiel d'action. Il examine les descriptions de Nernst et du champ constant pour les potentiels d'équilibre et d'inversion, la description de Hodgkin–Huxley des conductances Na+ et K+, le seuil et la réfractarité, et la conduction continue versus saltatoire des influx. Le matériel est présenté comme une référence en physiologie comparative, et non comme de l'électrophysiologie clinique.

Core questions

• Pourquoi l'intérieur d'une cellule au repos est-il électriquement négatif par rapport à l'extérieur ?
• Quels mouvements ioniques produisent les phases ascendante et descendante du potentiel d'action ?
• Qu'est-ce qui détermine le seuil de déclenchement et pourquoi y a-t-il une période réfractaire ?
• Comment l'influx se propage-t-il le long d'un axone, et pourquoi la conduction myélinisée est-elle plus rapide ?

Key theories

Modèle de conductance de Hodgkin–Huxley

Les mesures par voltage imposé (voltage-clamp) ont montré que le potentiel d'action résulte de conductances Na+ et K+ dépendantes du temps et de la tension, qui peuvent être combinées en équations reproduisant la forme d'onde de l'influx et sa propagation.

Traitement du champ constant des potentiels de repos et d'inversion

Lorsque plusieurs ions perméants contribuent, le potentiel de membrane est donné par l'équation de Goldman–Hodgkin–Katz, qui pondère le potentiel d'équilibre de chaque ion par sa perméabilité relative sous un champ électrique constant.

Mechanisms

Au repos, la Na+/K+-ATPase maintient une concentration élevée de K+ intracellulaire et de Na+ extracellulaire, et la perméabilité dominante de la membrane au K+ maintient le potentiel près de la valeur d'équilibre du K+. Une dépolarisation supraliminaire ouvre les canaux Na+ voltage-dépendants, dont le courant entrant pousse la membrane vers le potentiel d'équilibre du Na+ (le pic). Les canaux Na+ s'inactivent ensuite tandis que les canaux K+ à rectification retardée s'ouvrent, repolarisant et brièvement hyperpolarisant la cellule ; l'inactivation impose des périodes réfractaires absolues et relatives qui assurent une propagation unidirectionnelle. Les courants de circuit locaux propagent la dépolarisation à la membrane adjacente ; dans les axones myélinisés, cela est restreint aux nœuds de Ranvier, produisant une conduction saltatoire rapide.

Clinical relevance

Le cadre de la technique du voltage imposé (voltage-clamp), dérivé des axones d'invertébrés, explique comment les anesthésiques locaux, les neurotoxines et les agents antiarythmiques et antiépileptiques agissent sur les canaux voltage-dépendants ; il demeure un fondement pour l'interprétation de la physiologie des tissus excitables. Ceci est une référence éducative et non un avis médical.

History

S'appuyant sur la préparation de l'axone géant de calmar, Hodgkin et Huxley ont enregistré le potentiel d'action intracellulaire en 1939 et, en utilisant la technique du voltage imposé (voltage clamp), ont produit leur modèle quantitatif de conductance en 1952 — une étape majeure reconnue par un prix Nobel. L'équation du champ constant de Goldman de 1943 a fourni la description multi-ionique du potentiel de repos sur lequel repose le pic.

Key figures

• Alan Hodgkin
• Andrew Huxley
• David Goldman
• Walther Nernst

Seminal works

• hodgkinhuxley1952
• goldman1943
• hill2016

Frequently asked questions

Que signifie « tout-ou-rien » pour un potentiel d'action ?

Une fois qu'un stimulus pousse la membrane au-delà du seuil, l'influx se déclenche à pleine amplitude, quelle que soit l'intensité du stimulus ; les stimuli plus faibles ne parviennent tout simplement pas à le déclencher.

Pourquoi la myéline accélère-t-elle la conduction ?

La myéline isole des segments d'axone, de sorte que le courant régénérateur saute entre les nœuds de Ranvier non myélinisés, un processus appelé conduction saltatoire qui est beaucoup plus rapide que la propagation continue.