A. Mesure du flux ionique et du potentiel membranaire
Lorsque les neurotransmetteurs se lient à leurs récepteurs, les canaux ioniques des cellules neuronales ou musculaires qui répondent s’ouvrent. L’afflux d’ions Na+ qui en résulte perturbe le potentiel de repos de la cellule cible. L’effet n’est que transitoire si le potentiel de la membrane reste négatif. Toutefois, si un nombre suffisant d’ions Na+ pénètre dans la cellule, la membrane se dépolarise. Si la cellule est hyperpolarisée, une inversion localisée de la polarité normale de la membrane (par exemple de -70 mV à +65 mV ou plus) génère un potentiel d’action. Ce potentiel d’action se déplace comme un courant le long de la membrane de la cellule nerveuse ou musculaire, déclenchant finalement une réponse physiologique, par exemple l’excitation de la cellule nerveuse suivante dans une voie neuronale ou la contraction de la cellule musculaire. Le dispositif de patch-clamp détecte le flux ionique spécifique et toute modification de la différence de potentiel qui en résulte à travers la membrane. Les principes de la mesure par patch-clamp sont illustrés ci-dessous.
Dans l’exemple ci-dessus, la fermeture de l’interrupteur de l’alimentation électrique envoie une charge électrique à la cellule, ce qui ouvre le canal ionique dépendant du voltage. Dans ce cas, un capteur de potassium dans l’appareil détecte le flux d’ions K+ à travers le canal et hors de la cellule. Dans le même temps, un voltmètre enregistre le changement de potentiel membranaire qui en résulte.
297 Un dispositif de patch clamp peut enregistrer le potentiel membranaire et le flux ionique
298 Le patch clamp mesure le potentiel de repos et la dépolarisation
En plus des canaux ioniques dépendant du voltage, le dispositif de patch clamp peut mesurer le flux ionique à travers les canaux ioniques dépendant des ligands et les canaux ioniques dépendant des mécanismes.
Les premiers canaux sont des portes ioniques de récepteurs qui s’ouvrent lorsqu’ils fixent une molécule effectrice. Les canaux ioniques à déclenchement mécanique détectent une pression ou un stress physique qui entraîne une déformation locale de la membrane, ce qui ouvre le canal.
299 Canaux ioniques à déclenchement
300 Types de canaux ioniques à déclenchement – illustrés
Enfin, les cellules maintiennent une concentration intracellulaire élevée d’ions K+, ce qui entraîne une fuite lente des ions K+ hors de la cellule, un phénomène détectable par un patch-clamp. La présence d’ions négatifs (Clions, ions organiques) à l’intérieur d’une cellule limite cette fuite. Cela crée l’électronégativité de l’intérieur d’une cellule par rapport à l’extérieur de la cellule, c’est-à-dire le potentiel de repos à travers sa membrane plasmique. La technique du patch-clamp a été utilisée pour corréler le flux d’ions et les changements de potentiel membranaire lorsqu’un neurone tire, provoquant un potentiel d’action dans une cellule qui répond.
Une telle corrélation est décrite à la page suivante. Sur l’illustration, suivez l’ouverture et la fermeture des canaux ioniques et le flux d’ions. Un potentiel d’action (en fait, tout décalage par rapport au potentiel de repos) résulte de la diffusion facilitée d’ions spécifiques dans ou hors de la cellule par des canaux ioniques gated (en vert, ci-dessus) qui doivent s’ouvrir et se fermer en séquence. Le comportement de deux canaux ioniques différents est illustré dans le graphique. Une stimulation électrique ouvre les canaux Na+. Les ions Na+ se précipitent dans la cellule, réduisant le potentiel de la membrane de l’état de repos à zéro, voire rendant le cytoplasme plus positif que le liquide extracellulaire. Si l’inversion de polarité est suffisamment élevée, un K+ voltagegated s’ouvre et les ions potassium se précipitent dans la cellule, rétablissant le potentiel de repos de la cellule.
Une cellule peut continuer à répondre à des stimuli par des potentiels d’action tant qu’il y a suffisamment de Na+ à l’extérieur de la cellule et de K+ à l’intérieur. Bien que le transport actif de Na+ et de K+ ne soit pas nécessaire pour rétablir le potentiel de repos, il sera éventuellement nécessaire pour rétablir l’équilibre des deux ions dans la cellule. Si une cellule nerveuse ou musculaire se déclenche à plusieurs reprises (ou même si elle ne fait que fuir des ions), les concentrations à l’intérieur et à l’extérieur de la cellule chuteront à un point tel que la cellule ne pourra plus générer de potentiel d’action lorsqu’elle sera stimulée. En fin de compte, c’est le rôle des pompes Na+/K+ dépendantes de l’ATP de rétablir l’équilibre Na+:K + approprié à travers la membrane de la cellule qui réagit. Comme nous l’avons vu, chaque cycle de pompage échange 3 ions Na+ de l’espace intracellulaire contre 2 ions K+ de l’espace extracellulaire. La pompe a deux effets :
- Elle rétablit les concentrations de Na+ dans l’espace extracellulaire par rapport au cytoplasme.
- Elle rétablit les concentrations de K+ dans le cytoplasme par rapport à l’espace extracellulaire.
301 Les canaux ioniques à portes s’ouvrent et se ferment dans l’ordre au cours d’un potentiel d’action
Avec les concentrations d’ions négatifs plus élevées dans le cytosol, l’échange inégal d’ions Na+ contre des ions K+ maintient le potentiel de repos de la cellule à long terme et fait en sorte que les cellules nerveuses et musculaires restent excitables. Ensuite, nous allons examiner de plus près le rôle des canaux ioniques à ligands et à tension dans la neurotransmission.
B. Les canaux ioniques dans la neurotransmission
Les potentiels d’action résultent d’une ouverture et d’une fermeture ordonnées et séquentielles des canaux dépendant du voltage et du ligand le long de l’axone neuronal. Dans le lien ci-dessous, vous pouvez voir le cycle séquentiel des canaux sous tension qui propage un potentiel d’action localisé (dépolarisation de la membrane) le long d’un axone vers une synapse.
302 Propagation d’un potentiel d’action le long d’un axone
Lorsqu’une dépolarisation propagée atteint une synapse, les canaux ioniques sous tension s’ouvrent ou se ferment dans le neurone et la cellule répondante. La coopération des canaux gérés par le voltage et les ligands au niveau d’une jonction neuromusculaire est illustrée ci-dessous.
Comme vous pouvez le voir sur l’illustration, après qu’un neurone se déclenche, une impulsion électrique (une région mobile d’hyperpolarisation) se déplace le long de l’axone jusqu’à la terminaison nerveuse. Au niveau de la terminaison nerveuse, la différence de charge (potentiel électrique) qui se déplace à travers la membrane cellulaire stimule l’ouverture d’un canal voltage-dépendant spécifique du Ca++. Les ions Ca++ pénètrent alors dans la cellule car ils sont en plus forte concentration dans la fente synaptique que dans le cytoplasme.
Les ions Ca2+ dans la cellule provoquent la fusion des vésicules synaptiques avec la membrane au niveau de la terminaison nerveuse, libérant ainsi des neurotransmetteurs dans la fente synaptique. Ensuite, les neurotransmetteurs se lient à un récepteur sur la membrane plasmique de la cellule répondante. Ce récepteur est un canal fixé par un ligand (également appelé canal fixé chimiquement). Lors de la liaison du ligand du neurotransmetteur, le canal s’ouvre. La diffusion rapide des ions Na+ dans la cellule crée un potentiel d’action qui conduit à la réponse cellulaire, dans ce cas, la contraction musculaire. Nous avons déjà vu que les canaux K+ participent au rétablissement du potentiel membranaire après un potentiel d’action, et le rôle de la pompe sodium/potassium dans le rétablissement de l’équilibre cellulaire Na+/K+.
303 Le rôle des canaux ioniques à porte à la jonction neuromusculaire
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