Mécanismes responsables du potentiel membranaire au repos cellulaire

Ce chapitre est vaguement pertinent pour la Section E(i) du Programme primaire du CICM 2017, qui s’attend à ce que le candidat à l’examen « explique les mécanismes de transport des substances à travers les membranes cellulaires ». Bien que les mots « potentiel membranaire au repos » n’apparaissent jamais dans les grimoires du Collège, La Question 14 du deuxième article de 2017 a consacré 60% des notes à ce domaine., Les examinateurs s’attendaient particulièrement à ce qu’ils comprennent la « perméabilité sélective de la membrane, les gradients électrochimiques et les mécanismes de transport actif ». Au-delà, les stagiaires devaient seulement « démontrer leur connaissance » de L’équation de Nernst et de L’équation de Goldman-Hodgkin-Katz.,

la lutte pour maintenir une sorte de pertinence de l’examen et l’accent sur le sujet a toujours été quelque chose d’un défi pour cet auteur, et cette question devient plus importante chaque fois que l’attention des examinateurs du collège est perçue comme incompatible avec l’importance apparente du sujet du chapitre. Il en est de même pour le potentiel membranaire au repos, qui est assez fondamental pour pratiquement tout en biologie médicale., On pourrait se justifier en disant que le but fondamental de toute vie sur Terre est d’empêcher avec force les ions de se déposer à un bel équilibre électrochimique de chaque côté d’une membrane. Cependant, pour protéger les candidats à l’examen de ce genre de discours, les réponses importantes de la SAQ ont été concentrées dans cette boîte grise.

En résumé:

Si l’on a besoin d’une ressource faisant autorité pour cette information, il faut aller aux manuels officiels du collège. Le chapitre 1 de la 23e édition de Ganong’s Review of Medical Physiology ou le Chapitre 5 de Guyton & Hall (le mien est le 13e éd.) tous deux font un travail tout aussi approfondi pour expliquer ce concept. Si cette recommandation de ressource est pour une raison quelconque inacceptable, L’excellent article de Stephen Wright (2004) devrait probablement être la prochaine référence la plus importante, car il est une tentative sérieuse d’enseigner à l’enseignant, je.,e l’article vise à décrire aux professeurs de physiologie la meilleure façon d’expliquer le potentiel de la membrane au repos aux étudiants de premier cycle. Au-delà de cela, la biologie moléculaire de la cellule (4e édition) a une section à ce sujet dans le chapitre 15 (section 4) par Harvey Lodish, qui est disponible gratuitement auprès du NIH. Enfin, s’il y a suffisamment de temps libre, Le Livre source de Physiologie Cellulaire De Nicholas Sperelakis consacre un chapitre entier à cette question (p. 219-242 de la 3ème édition); c’est probablement la chose la plus proche d’une seule référence définitive, car elle couvre le sujet dans des détails épuisants. ,

définition du potentiel membranaire au repos

l’examinateur de l’ordre commente à la Question 14 du deuxième article de 2017 que « une bonne réponse comprenait une définition du potentiel membranaire au repos ». Comme d’habitude, il n’y a pas de définition officielle et la plupart des manuels la définissent comme

« la différence de tension (charge) à travers la membrane cellulaire lorsque la cellule est au repos. »

En bref, c’est la différence de charge entre l’intérieur et l’extérieur de la cellule.,

toute la composante « au repos » de la définition vient du fait que la plupart des manuels utilisent ce concept pour se glisser dans une discussion sur la propagation du potentiel d’action, et il devient donc important de définir explicitement ce potentiel membranaire comme l’état « au repos » d’une cellule excitable, par opposition au potentiel membranaire d’une cellule qui vient de se dépolariser.

alors, quel est le potentiel membranaire au repos d’une cellule typique? Partout, vous trouvez une valeur millivolt légèrement différente., Par exemple, ailleurs dans ce chapitre, la valeur « par défaut » pour le potentiel de membrane au repos d’une cellule « typique » est indiquée comme étant -90 mV.

Ceci, bien sûr, est faux. La raison pour laquelle cette erreur est propagée ici est en grande partie due au fait que Guyton & Hall utilise cette valeur, et les examinateurs du CICM s’attendront probablement à ce que leurs candidats à l’examen citent ce manuel officiel., Cependant, pour le reste d’entre nous, il est important de reconnaître qu’il existe une gamme assez large de valeurs de potentiel membranaire au repos, en fonction de la cellule que l’on regarde et de la composition du fluide extracellulaire dans son microenvironnement immédiat. Sperelakis (2001) propose un tableau des valeurs dans son manuel, qui est reproduit ici sans autorisation spécifique (et on ne sait pas de quelles références proviennent ces valeurs)., Comme vous pouvez le voir, la valeur de Hall de Guyton & (-90 mV) fait probablement référence au myocyte musculaire de grenouille, un instrument favori des physiologistes cellulaires. D’autres manuels (par exemple. Biologie Moléculaire de la cellule, 4ème éd.) utiliser -70 mV, se référant au neurone humain (habituellement une discussion des potentiels d’action suit).

gradients chimiques des ions à travers la membrane cellulaire

Comme déjà discuté ailleurs, la composition du liquide intracellulaire est significativement différente de la composition du liquide extracellulaire., Le diagramme ci-dessous est emprunté à Ling et al (1984), et bien que les sujets aient été des cellules musculaires de grenouille, l’essentiel général de ceci est probablement généralisable.

disons simplement ignorer les anions pour un moment. Leur heure viendra. Pour l’instant, disons qu’en raison de la différence entre les concentrations d’ions intracellulaires et extracellulaires, il existe un gradient de concentration chimique entre les deux compartiments.,

Si la membrane était parfaitement imperméable au transport d’ions, il n’y aurait aucun trafic possible et les ions sodium et potassium resteraient poliment de leur côté de la barrière. Malheureusement, la membrane est perméable sélectivement et les ions peuvent se frayer un chemin à travers.,

sélectivité membranaire à la diffusion ionique

sans tuer le SEO en revisitant le matériel disponible ailleurs sur ce site, il suffira de dire que la bicouche lipidique de la membrane cellulaire est une barrière non polaire et empêche donc assez efficacement les échanges de substances polaires entre les environnements intracellulaire et extracellulaire. La membrane cellulaire maintient donc sa perméabilité aux ions par diffusion facilitée par les protéines; c’est-à-dire que les canaux ioniques permettent le trafic des espèces ioniques à travers la membrane.,

c’est le concept le plus important à absorber: la membrane cellulaire n’est pas une structure totalement imperméable aux ions, et un mouvement contrôlé des ions à travers la membrane se produit. Bien que les canaux sodiques existent, ils sont peu nombreux – et donc les cellules animales typiques sont principalement perméables aux ions potassium, en raison de la présence de « canaux de fuite ». Ces canaux potassiques sont ouverts à tous les moments, à toutes les tensions potentielles de la membrane (c.-à-d. Ce ne sont pas des canaux à déclenchement de tension), et ils n’ont pas de ligands de déclenchement naturels, ni ne sont affectés par aucun des bloqueurs de canaux potassiques conventionnels., Lesage et al (2000) les décrivent plus en détail (en résumé, il s’agit de protéines de canal à deux pores dimériques, également appelées canaux K2P, et il en existe environ 15 familles actuellement identifiées).

ainsi, la présence de ces canaux permet une fuite lente et continue de potassium dans le liquide extracellulaire, le long du gradient de concentration chimique.

gradient électrique à travers la membrane cellulaire

avant d’aborder les canaux ioniques, la neutralité électrique de chaque côté de la membrane était bien maintenue.,

En d’autres termes, les concentrations égales d’ions positifs et négatifs de chaque côté de la membrane cellulaire signifient que la charge de chaque compartiment est de zéro volts et qu’il n’y a donc pas de différence de potentiel entre les compartiments.

évidemment, avec des ions potassium qui fuient à travers la membrane dans une direction, elle ne peut pas rester de cette façon.

Comme les ions potassium fuite hors de la cellule, ils portent leur charge positive avec eux., En conséquence de la perte de ces ions potassium, le liquide intracellulaire devient chargé négativement par rapport au liquide extracellulaire. Ainsi, les effets du gradient de concentration chimique à travers cette membrane semi-perméable crée également une différence de potentiel électrique.

équilibre des gradients électrochimiques à travers la membrane cellulaire

ordinairement, une fuite de molécules à travers une membrane aboutirait à l’équilibre, c’est-à-dire où les molécules s’équilibrent en concentrations égales de chaque côté de la membrane., Cependant, cela ne peut pas se produire dans ce cas, car les ions potassium sont chargés positivement. Comme ils fuient hors de la cellule, le liquide intracellulaire deviendra progressivement de plus en plus négativement chargé, et quelques ions de potassium seront attirés de nouveau dans la cellule par les forces de l’attraction électrostatique. Il y a donc deux forces opposées agissant sur les ions potassium à travers cette membrane.,

on pourrait donc imaginer comment le flux d’ions potassium sortant de la cellule ralentit et finit par s’équilibrer avec le flux d’ions potassium dans la cellule. On pourrait même utiliser le terme équilibre électrochimique pour décrire cet équilibre. En fait, si l’on était enclin aux mathématiques hardcore, on pourrait être intéressé par une sorte de représentation mathématique formelle de cet équilibre. À ce stade, le candidat à l’examen CICM gémissant doit se familiariser avec l’équation de Nernst.,

L’équation de Nernst

Il s’agit de la relation des forces électriques et chimiques agissant sur toute espèce ionique à travers une membrane semi-perméable. Il est attribué à Walther Hermann Nernst, un scientifique allemand à lunettes dont les autres réalisations comprenaient le développement d’armes chimiques relativement inefficaces pour les Allemands pendant la Première Guerre mondiale, et devenir l’un des rares chercheurs à recevoir un prix Nobel tout en restant officiellement reconnu comme un criminel de guerre.,

on peut trouver une discussion plus scientifique de L’équation de Nernst dans L’article de Stephen Wright (2004), qui est exempt de ce genre de digressions.

fondamentalement, cette version de l’équation vous donne une valeur (VK) qui est la différence de potentiel (en volts) qui s’oppose à la force d’un gradient de concentration chimique pour les ions chargés. est utilisé ici parce que le potassium est l’ion d’intérêt dans cette discussion. En substituant des valeurs aux constantes et valeurs connues (par exemple., la valence des ions potassium étant 1+, et la température corporelle en Kelvin) on peut simplifier cette équation en quelque chose qui, espérons-le, est plus susceptible d’être mémorisé par un candidat à L’examen CICM à moitié fou:

Si l’on remplaçait les valeurs communément attendues pour les concentrations intracellulaires et extracellulaires de potassium, nous pourrions déterminer quelle différence de potentiel serait générée à travers une membrane. Wright (2004) utilise un gradient de 10:1 (c.-à-d., 100 mmol intracellulaire et 10 mmol extracellulaire) à des fins d’illustration; lorsque le gradient est de 10: 1, la différence de potentiel obtenue à l’équilibre est d’environ 61 millivolts. Cette différence de potentiel est le « potentiel de Nernst » pour un ion donné, et elle augmente chaque fois que le rapport des concentrations augmente (c.-à-d. plus la différence de concentration est grande, plus le potentiel de Nernst requis pour maintenir l’équilibre électrochimique).

à ce stade, il est important de mentionner que l’amplitude du flux ionique réel à travers la membrane est en fait assez faible., Les diagrammes colorés pourraient suggérer que les ions potassium pulvérisent sauvagement hors de la cellule, et les canaux de « fuite » de potassium impliquent au moins qu’il y a un taux mesurable d’ions diffusant constamment hors du liquide intracellulaire, mais en réalité, la masse molaire de potassium traversant ces canaux K2P est si petite qu’elle ne peut être mesurée par aucune méthode conventionnelle. La raison en est la charge relativement importante de chaque ion individuel: chaque 1 mmol de K+ monovalent porte environ 100 coulombs de charge., Sans entrer dans les détails excessifs, on peut résumer en disant que pour générer une différence de potentiel de 60 mV sur un centimètre carré de surface cellulaire, 6 × 10-13 moles d’ions potassium doivent traverser la membrane – une quantité si petite qu’aucun instrument terrestre ne peut la mesurer.

en discutant de cela, nous nous sommes jusqu’à présent concentrés sur les ions potassium comme s’ils étaient les seuls ions traversant la membrane., Le Potassium est le plus grand contributeur au potentiel de membrane de repos, mais il y a beaucoup d’autres ions à l’intérieur et à l’extérieur de la cellule, et la membrane cellulaire est (au moins légèrement) perméable à tous. Pour cette raison, l’équation de Nernst est une représentation imparfaite de l’équilibre électrochimique total à la surface de la membrane cellulaire., »8754542295″>Ion species

Nernst potential K+ – 94 mV Na+ + 60 mV Ca2+ + 130 mV Cl- – 80 mV

So, what is the overall effect of all these ions and their electrochemical concentration gradients?, Une équation beaucoup plus charnue est nécessaire, quelque chose qui prend en compte toutes les autres espèces ioniques.,h2>L’équation de Goldman-Hodgkin-Katz

évidemment, lorsque vous commencez à parler d’une sélection d’ions différents, plusieurs facteurs supplémentaires devront être pris en compte:

• Valence de ces ions supplémentaires
• la polarité de leur charge électrique (jusqu’à présent, nous n’avons traité que du potassium chargé positivement)
• différentes concentrations de ces ions à l’intérieur et à l’extérieur de la cellule
• perméabilité membranaire différente pour chaque espèce d’ions

pour tenir compte de tous ces éléments, une version mutante de l’équation de Nernst sera évidemment nécessaire., C’est L’équation Goldman-Hodgkin-Katz.

La principale différence entre cela et l’équation de Nernst est la présence d’autres ions et l’ajout de la variable P, qui est la perméabilité de la membrane de la constante. Si cette constante de perméabilité était nulle pour tout autre que le potassium, alors tous ces autres ions disparaîtraient mathématiquement de l’équation et il reviendrait à ressembler à une équation de Nernst normale.,

Contribution des espèces ioniques à l’équilibre électrochimique

en effet, ces autres ions peuvent tout aussi bien disparaître, malgré toute l’influence qu’ils exercent sur le potentiel membranaire au repos. La perméabilité de la membrane pour les ions potassium est d’un ordre de grandeur supérieur à celui des autres ions. Pour les cellules  » normales « baignées dans un liquide extracellulaire » normal », le rapport de concentration en potassium est d’environ 35:1, pour lequel Guyton & Hall cite un potentiel de Nernst de -94 mV.,

Maintenant, lorsque vous ajoutez la contribution du sodium (qui a un potentiel de Nernst de +61 mV), la combinaison des deux ne vous amène qu’à un potentiel intracellulaire de -86 mV, c’est-à-dire qu’il ne bouge pas vraiment. C’est parce que la perméabilité de la membrane de sodium est pauvre en sodium mouvement dans la cellule est minime, comparé au mouvement de potassium de la cellule.

Guyton & Hall mentionne également que L’ATPase Na+ / K+ joue un rôle mineur dans l’origine du potentiel membranaire au repos., En pompant 2 ions potassium dans la cellule tout en pompant 3 ions sodium, chaque fois que la pompe fait un cycle, elle élimine une charge positive du liquide intracellulaire, augmentant ainsi le potentiel intracellulaire négatif. Selon ce manuel, la contribution de ce phénomène au potentiel total de la membrane au repos est le changement de -86 mV à -90 mV, c’est-à-dire une concentration assez mineure. Ces chiffres proviennent probablement d’études comme Miura et al (1978)., Les chercheurs ont bloqué L’ATPase Na+/K+des fibres de Purkinje canines à l’aide de ouabaïne et ont constaté que le potentiel membranaire au repos passait de – 83,6 mV à 78,8 mV sous l’effet de cet effet.

alors, qu’en est-il du chlorure? L’accent apparemment injuste sur le sodium et le potassium dans la discussion du gradient électrochimique semble ignorer complètement l’existence des ions chlorure. C’est tout à fait raisonnable., Dans la plupart des cellules de mammifères, il n’y a pas de pompes de chlorure actives et la concentration de chlorure intracellulaire et extracellulaire est distribuée passivement selon l’équation de Goldman-Hodgkin-Katz. La charge extracellulaire négative repousse les ions chlorure chargés négativement, et on pourrait donc s’attendre à ce qu’il y en ait moins à l’intérieur de la cellule. C’est vrai: avec un potentiel membranaire d’environ -90 mV et une concentration de chlorure extracellulaire d’environ 100 mmol/L, la concentration de chlorure intracellulaire devrait être d’environ 5,0 mmol/L (Sperelakis, 2001 – p. 224).