1. Potentiels de membrane de repos

A l'état basal, l'intérieur des neurones présente un potentiel négatif, le potentiel de repos de la membrane. Il est mesurable au moyen de deux microélectrodes, l'une insérée dans le cytosol de la cellule, l'autre en dehors de la cellule. La face interne de la membrane du neurone est négative par rapport à l'extérieur. La différence de potentiel entre les deux faces de la membrane dépend du type de neurone; il est généralement d'environ -65 mV.
Cette différence de potentiel électrique s'explique par les flux ioniques transmembranaires eux-mêmes liés à deux mécanismes:
  1. la différence de concentration de certains ions de part et d'autre de la membrane (ou gradient de concentration) et,
  2. la perméabilité sélective des membranes cellulaires à certains ions

La différence entre les concentrations d'un ion donné s'appelle le gradient de concentration. Un ion a spontanément tendance à se diriger selon un gradient de concentration c'est-à-dire des régions de plus forte concentration vers les régions de plus faible concentration pour cet ion: ce mouvement s'appelle la diffusion. Le phénomène de diffusion traduit l'existence de mouvements aléatoires de molécules qui traversent la membrane cellulaire soit en empruntant les canaux membranaires soit, dans le cas des substances liposolubles, en traversant la matrice lipidique de la membrane.

Trois acteurs principaux interviennent dans la genèse du potentiel de repos: les milieux salés de part et d'autre de la membrane, la membrane elle-même, et les protéines transmembranaires (1).
  • La membrane du neurone est principalement constituée d'une bicouche de phospholipides qui, de par leur propriété hydrophobe, forment une barrière s'opposant au passage des ions solubles dans l'eau (1).
  • Les protéines transmembranaires sont des protéines particulières qui sont incorporées et traversent la bicouche de phospholipides (1). Ces protéines s'associent étroitement à la bicouche de phospholipides via leur région hydrophobe centrale, exposant leurs extrémités hydrophiles de part et d'autre de la membrane, au contact des milieux aqueux (1). Les protéines intervenant dans la création du potentiel de repos et du potentiel d'action sont de deux typesles canaux ioniques et les pompes ioniques.

Les acteurs du potentiel de membrane au repos

Les pompes ioniques

Une consommation d'énergie est nécessaire pour déplacer des ions à l'encontre de leur gradient de concentration. La source d'énergie utilisée permet de classer les pompes en deux catégories:
  • Les pompes à ATPase sont des enzymes qui utilisent l'énergie provenant de l'hydrolyse de l'ATP (adénosine triphosphate) en ADP + Pi. Deux pompes ioniques sont particulièrement importantes.
    • La pompe à Na+/K+ ATPase, est responsable de la création et du maintien des gradients de concentration des ions Na+ et K+. L'énergie libérée par l'hydrolyse de l'ATP actionne la pompe ionique qui échange des ions Na+ internes pour des ions K+ externes. Ces pompes repoussent les ions à travers la membrane contre leur gradient de concentration. Cette action nécessite un apport énergétique important: la pompe NA/K consomme ainsi près de 70% de la quantité d'ATP utilisé dans le cerveau (1).
    • La pompe à Ca2+/H+ ATPase est l'une des deux pompes qui assurent le déplacement des ions CA2+.
  • Les pompes échangeuses d'ions utilisent les gradients électrochimiques d'autres ions, souvent le Na+, comme source d'énergie. Ces pompes transportent un ou plusieurs ions à l'encontre de leur gradient électrochimique tout en emmenant un autre ion, tel que le Na+, dans le sens de son gradient. Par exemple, les pompes échangeuses Na+/Ca2+, Na+/H+, Cl-/HCO3-. In fine, ce sont les pompes à ATPase qui sont à l'origine de la création des gradients du Na+ (ou des autres ions d'échange).

NB: L'ATP (adénosine triphosphate) est le produit du métabolisme oxydatif dans la mitochondrie. L'ATP est un nucléotide composé d'une base nitrée (l'adénine), d'un pentose (le ribose) et de trois radicaux phosphate. Les deux derniers radicaux phosphate sont liés au 3e radical par des liaisons riches en énergie, extrêmement labiles, permettant une libération relativement aisée des radicaux phosphate en fonction des besoins énergétiques de la cellule. L'hydrolyse d'une molécule d'ATP correspond à la formation d'une molécule adénosine diphodphate et d'une molécule d'acide phosphorique s'accompagnant d'une libération d'énergie: hydrolyse d'ATP en ADP + Pi + énergie. C'est l'énergie provenant des substances nutritives cellulaires qui permet le renouvellement du stock d'ATP. 95% de l'ATP cellulaire est synthétisé dans la mitochondrie sous l'action de l'enzyme ATP synthétase. Cette enzyme utilise l'énergie fournie par les mouvements d'ions hydrogène pour convertir l'ATP en ADP. L'ATP joue un rôle fondamental dans trois principales catégories de fonctions cellulaires: 1) transport membranaire, 2) synthèse des composés chimiques, 3) travail mécanique (contraction musculaire).


Les gradients de concentration ionique

Les pompes ioniques sont à l'origine des gradients de concentration transmembranaires au repos que les canaux ioniques exploiteront ensuite pour produire le potentiel d'action. Le liquide extracellulaire contient d'importantes quantités de sodium et de faibles quantités de potassium; le liquide intracellulaire est caractérisé par une composition opposée (3). Les gradients de concentration ionique sont créés et maintenus par des protéines transmembranaires appelées pompes ioniques qui accumulent activement le potassium à l'intérieur de la cellule et rejettent du sodium à l'extérieur de la cellule, créant ainsi des différences de concentration ionique. Ce transport nécessite une dépense énergétique par hydrolyse de l'ATP. Le gradient de concentration intracellulaire en K+ est prépondérant dans la genèse du potentiel de repos (le gradient extracellulaire en Na+ joue un rôle moindre).

Les concentrations intra et extracellulaires du sodium et du potassium sont approximativement (3; 1)

mEq/l extraC intraC
Na+ 142-150 10-15
K+ 4-5 100-140

Les quotients des concentrations des deux ions Na+ et K+ de l'intérieur par rapport à l'extérieur sont

Na+ (intraC) / Na+ (extraC) = 0.1 et K+ (intraC) / K+ (extraC) = 20 (à 35)


La perméabilité sélective des membranes

La perméabilité sélective des membranes est principalement due aux canaux ioniques, protéines transmembranaires très diverses qui permettent à certains ions de franchir la membrane, par diffusion passive, selon leur gradient de concentration. Un canal ionique transmembranaire est typiquement un assemblage de 4 à 6 molécules protéiques semblables qui forment un canal (1). La composition des sous-unités varie d'un canal à l'autre et détermine ses propriétés spécifiques (1). La sélectivité ionique est déterminée par le diamètre du canal central et la nature des groupement protéiques qui le tapissent, plus précisément par une région particulière dénommée boucle du port, située au niveau du canal lui-même (1). On trouve ainsi des canaux potassiques, sélectivement perméables au K+, des canaux sodiques, perméables au Na+, des canaux calciques au Ca2+... La possibilité d'ouverture-fermeture ("gating") des canaux ioniques selon les modifications du micro-environnement local de la membrane est une propriété importante de la plupart de ces canaux (1). Si les canaux ioniques s'ouvrent ou se ferment en réponse aux variations du potentiel de membrane, on parle de canaux voltage-dépendants.





Constitution du potentiel d'équilibre

La constitution du potentiel de repos peut être envisagé schématiquement en quatre étapes à partir d'un modèle séquentiel simplifié.
  1. Considérons une membrane hypothétique séparant deux milieux hydro-salés comportant un ion Na+ et un ion K+ présents aux mêmes concentrations. A ce stade, la membrane est imperméable aux ions. Le nombre de charges positives et négatives est le même de part et d'autre de la membrane et il n'y a pas de gradient de concentration. Aucune difusion n'est possible et la différence de potentiel est nulle de part et d'autre de la membrane.
  2. Sur cette membrane théorique, on ajoute maintenant des pompes ioniques. Celles-ci vont faire pénétrer activement le K+ dans la cellule et rejeter du Na+ à l'extérieur de la cellule. Les pompes ioniques établissent ainsi des gradients de concentration ioniques à travers la membrane. A ce stade, on peut considérer que la répartition des charges est similaire de part et d'autre de la membrane et que, par conséquent il n'y a pas de différence de potentiel membranaire.
  3. Ajoutons maintenant les canaux ioniques à la membrane du neurone. Ces canaux vont laisser "fuire" passivement les ions déplacés par les pompes ioniques. La membrane cellulaire comporte ainsi des canaux de "fuite" à travers lesquels les ions potassium et sodium peuvent passer librement (passivement, selon leurs gradients de concentration). Les ions tendent en effet à passer à travers les canaux selon le gradient de concentration afin d'équilibrer leur concentration de part et d'autre de la membrane. Il existe cependant une différence importante de perméabilité membranaire pour les ions K+ et les ions Na+. En effet, la membrane au repos est 40 fois plus perméable aux ions K+ qu'aux ions Na+. La fuite du potassium vers l'extérieur de la cellule devient donc beaucoup plus importante que l'entrée du sodium. Cette différence de perméabilité des canaux au K+ vis à vis des canaux au Na+ explique l'importance de la fuite du potassium dans l'apparition de la différence de potentiel de part et d'autre de la membrane. Du fait du gradient de concentration, les ions K+ intracellulaires surnuméraires présentent en effet une forte tendance à diffuser vers l'extérieur de la cellule, apportant des charges positives à la surface externe de la cellule (et donc un déficit en charges positives sur la surface interne de la cellule). Les ions Na+ ne diffusent pas aussi librement à travers la membrane cellulaire et ne peuvent équilibrer cette différence de charge de part et d'autre de la membrane. Ceci génère une différence de potentiel de part et d'autre de la membrane cellulaire.
  4. L'équilibre est atteint lorsque l'élévation du potentiel de membrane vient contrecarrer la fuite du K+. En effet, au fur et à mesure que la différence de potentiel croit, la force électrique s'oppose au flux ionique lié au gradient de concentration et tend à maintenir les ions K+ à l'intérieur de la cellule. L'élévation du potentiel de membrane vient donc s'opposer à la diffusion des ions potassium qui était générée par le gradient de concentration et bloque la diffusion nette des ions potassium. L'état de repos est alors constitué.



NB: Etant donné que 3 ions Na+ sont pompées vers l'extérieur pour 2 ions K+ pompés vers l'intérieur, il apparaît un déficit net en charges positives à l'intérieur de la cellule, c'est-à-dire une négativité à l'intérieur de la cellule. Ce mécanisme, qui génère une différence de potentiel faible (de -4 mV) est cependant insuffisant pour expliquer la totalité du potentiel de repos. Il contribue dans une faible proportion à l'apparition du potentiel de membrane au repos en s'ajoutant au principal mécanisme, la fuite de potassium.










En conditions réelles, le potentiel de repos du neurone tient en fait à l'effet conjugué des déplacements des ions K+ et Na+.
  • Il existe tout d'abord un potentiel d'équilibre pour chaque ion, correspondant au potentiel de membrane qui serait obtenu si la membrane n'était perméable qu'à cet ion seulement (1). Le potentiel d'équilibre ionique représente la différence de potentiel qui compense exactement un gradient de concentration ionique (1). Il existe ainsi un potentiel d'équilibre du potassium, Ek, un potentiel d'équilibre du sodium, ENa, du calcium, ECa... Le potentiel d'équilibre d'un ion donné peut être calculé par l'équation de Nernst qui prend en compte la charge de l'ion (dont l'augmentation diminue la différence de potentiel nécessaire pour équilibrer la diffusion), la température (dont l'augmentation accroît la diffusion) et le rapport entre les concentrations ioniques intérieure et extérieure (1). A température fixe, l'équation de Nernst pour le potassium et le sodium s'écrit plus simplement et n'interviennent dans le calcul que les concentrations intra et extra cellulaires. Le potentiel d'équilibre (exprimé en millivolts) pour le potassium et le sodium devient respectivement Ek=61,54 x log (Kextra/Kintra) et ENa=61,54 log(Naextra/Naintra) (1).
    • Pour une concentration en potassium 20 fois plus élevée à l'intérieur de la cellule par rapport à l'extérieur, le potentiel d'équilibre du potassium, Ek, vaut -80 mV.
    • De la même façon, pour une concentration de sodium 10 fois plus élevée à l'extérieur de la cellule, le potentiel d'équilibre du sodium, ENa, vaut +62 mV.
  • Si la membrane du neurone n'était perméable qu'au potassium, son potentiel de repos serait donc de -80 mV et si elle n'était perméable qu'au sodium, il serait de +62 mV (1). Or, les valeurs mesurées du potentiel de membrane au repos sont de l'ordre de -65 mV. Cette valeur résulte d'une combinaison des potentiels (de signe opposé) engendrés principalement par ces deux ions, potassium et sodium.
  • En effet, la membrane du neurone n'est pas perméable qu'à un seul type d'ion donné et il existe une perméabilité sélective de la membrane pour un ion donné. Il existe tout d'abord une certaine perméabilité membranaire au sodium qui va "contrecarrer" le potentiel de membrane lié au potassium mais la perméabilité plus importante de la membrane au potassium va conférer plus de poids au potentiel lié à cet ion qu'à celui engendré par le sodium. La membrane neuronale est en effet 40 fois plus perméable aux ions potassium que sodium. Si les perméabilités relatives de la membrane au repos sont connues pour le sodium et le potassium, l'équation de Goldman-Hodgkin-Katz permet alors de calculer le potentiel de membrane de repos d'un neurone en tenant compte des différents ions qui y contribuent (en pratique le sodium et le potassium). La valeur du potentiel membranaire au repos et à 37°C devient ainsi -65 mV (1).

Remarques importantes:
  • De très faibles variations de la concentration ionique engendre de grandes variations du potentiel membranaire (1). Pour une cellule de 50 µm de diamètre, contenant 100 mM de K+, une modification de concentration d'environ 0.00001 mM (négligeable) est suffisante pour faire passer la membrane de 0 à -80 mV (1).
  • La différence de charge électrique s'opère à la fois sur les faces interne (négative) et externe (positive) de la membrane mais les charges électriques reste localisées de chaque côté de la membrane: le cytosol et le milieu extracellulaire restent quant à eux électriquement neutres (1).
  • La membrane neuronale au repos étant essentiellement perméable au potassium, le potentiel de membrane est particulièrement sensible aux variations de la concentration de potassium extracellulaire (1). Une augmentation de la concentration extracellulaire en potassium rapproche le potentiel de membrane vers le zéro: il s'agit d'une dépolarisation membranaire potentiellement délétère pour le fonctionnement de l'organisme. Si la concentration du potassium extracellulaire est correctement régulée au niveau cérébral, les cellules musculaires sont plus sensibles à l'élévation des concentrations de potassium dans le sang (1). En particulier, en l'absence de potentiel de repos négatif (dépolarisation anormale au repos), les cellules musculaires cardiaques ne peuvent plus générer la contraction cardiaque et le coeur s'arrête de battre. Le chlorure de potassium administré par voie intraveineuse constitue donc une injection létale (1). Afin de préserver le fonctionnement normal du cerveau, les variations de composition du milieu extracellulaire sont régulées par:
    • le fonctionnement de la barrière hémato-encéphalique, une des parois des capillaires sanguins qui limite le mouvement des ions potassium (et d'autres substances transportées par le sang) dans le milieu extracellulaire du cerveau (1).
    • les cellules gliales, en particulier les astrocytes, dont la membrane comporte des pompes potassiques qui concentrent les ions K+ dans leur cytosol lorsque la concentration de ceux-ci s'élève dans le milieu extracellulaire, ce qui accompagne en général l'activité des neurones (1).


Pathologies des canaux ioniques

Plusieurs maladies génétiques découlent de la mutation des gènes qui codent pour les protéines constitutives des canaux ioniques. En particulier, une mutation impliquant un seul acide aminé dans la boucle du port peut considérablement affecter le fonctionnement neuronal. L'expression clinique peut être une épilepsie, une paralysie (par insuffisance d'excitabilité musculaire), une myotonie (excès de contraction musculaire (raideur, tonus musculaire excessif) par excès d'excitabilité électrique) ou une arythmie cardiaque (par allongement du QT).

  • Certaines formes de myotonie sont liées à des mutations sur le gène du canal chlore. L'excès d'excitabilité électrique est secondaire à une diminution de la perméabilité des cellules musculaires aux ions Cl-: les cellules deviennent ainsi plus facilement excitables par les courants des canaux Na+.
  • Certaines paralysies musculaires proviennent d'anomalies des canaux Ca2+: par diminution du nombre de canaux calciques opérationnels ou par inactivation des canaux calciques pour des potentiels plus négatifs qu'à l'ordinaire.
  • La modification des canaux sodiques entraîne soit une paralysie soit une myotonie. Dans les deux formes d'expression clinique, les anomalies sont liées à un ralentissement de l'inactivation des canaux sodiques. Les canaux sodiques deviennent moins prompts à s'inactiver en réponse à des dépolarisations, le courant entrant devient anormalement prolongé et la cellule musculaire émet alors des PA répétitifs entraînant la myotonie. La paralysie résulte quant à elle d'un excès de dépolarisation de la cellule; la dépolarisation inactive suffisamment de canaux Na+ pour entraver l'émission de Pa et donc la contraction.
  • Le syndrome du QT long (responsable d'arythmie cardiaque) peut être du à une mutation du gène d'un canal potassique ou sodique.

Certaines toxines, comme le venin de scorpion, bloquent les canaux potassiques en se fixant sur un site localisé à l'intérieur même du canal (1).