Transport membranaire
Introduction
A°) Généralités
La bicouche lipidique des membranes cellulaires permet de créer des bar...
Intérêt de cette ddp :
• Une variation des concentrations peut être considéré comme un signal par la cellule.
• Les différ...
Exemple 1 : la mucoviscidose
La mucoviscidose, pour « maladie des mucus visqueux » en français, est
une maladie génétique ...
Il y a altération des gènes des canaux
potassiques qui permettent la
repolarisation des cardiomyocytes
(plusieurs gènes, p...
La concentration du calcium intracellulaire joue un rôle dans la contraction, donc contrôle la
contraction des muscles lis...
C°) Migration électrique :
La migration électrique mouvement lié à une différence de potentiel
électrique. Cette migration...
Pour décrire ce flux , débit molaire diffusif Jd, du soluté on a la première loi de Fick :
Jd = - D . S’ . dC/dx
Jd s’expr...
– La perméabilité diffusive P est souvent utilisée en biologie.
En physiologie on utilise l'équation de Fick de manière to...
Exercice n° 3: Utilisation de la formule simplifiée des flux:
On a deux bacs séparés par une membrane, dans l'un on a 150 ...
B°) Diffusion du solvant : osmose
non traité, mais il existe.
C°) Transfert convectif (∆ pression)
non traité, mais il exi...
IV Diffusion et migration simultanées
A°) Expériences
On a deux bacs séparés par une membrane imperméable, dans le bac cor...
B°) Modélisation
• Il existe un flux diffusif Jd du compartiment le plus concentré vers le compartiment le
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Temps x, ∆V = -10 mV :
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Diffusion : pousse K+ de intérieur vers extérieur
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Migration électrique : pousse K+ de l'extérie...
Généralement en biologie on utilise pas la résistance, mais G la conductance global :
1/R = Nb . γ . P0

pour nous le cana...
D°) Effet Donnan ou Gibbs Donnan
On va prendre cette fois ci une membrane qui n’est pas
seulement perméable à un seul ion,...
V Différents mode de diffusion
A°) Généralités
Le passage des molécules peut se faire par:
Passage par diffusion simple : ...
a) Les canaux dépendant du potentiel :
• Généralités:
Stimulus d'ouverture: petite variation de potentiel transmembranaire...
A partir de cette structure il a pu déterminer le rôle de chaque partie de la molécule:
Le stimulus d’ouverture est une dé...
Deux exemples :
Le canal de gauche va être à l'origine d'une hyperpolarisation transitoire alors qu'à droite elle durera p...
Surtout important dans les potentiels d'action.
• Canal calcique dépendant du potentiel :
Le canal calcique : c’est un can...
Quand le calcium entre, il y a une petite dépolarisation, active
de très nombreuses voies de signalisation impliquées dans...
Agoniste intracellulaire (second messager) :
- Canal sodique sensible au GMPc, permet la vision (photons en signal électri...
Non traité, mais diapo laissée :
Au niveau des organelles, il y a aussi un grand nombre de canaux :
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Transport membranaire

  1. 1. Transport membranaire Introduction A°) Généralités La bicouche lipidique des membranes cellulaires permet de créer des barrières à la plupart des molécules et donc des compartiments avec des concentrations de solutés différents (comme les ions). Mais pour vivre, la cellule a besoin d’échanges avec le milieu extérieur, donc de système de communication a travers les membranes : • Informations : hormones, neurotransmetteurs • Fonctionnement : apport de glucose, acides aminés, lipides, élimination des déchets produit par le catabolisme, etc. • Maintien de concentrations ioniques définies : Na+, K+, Ca2+, Cl-, 4 principaux en quantité. Les membranes forment des barrières qui permettent de contrôler le passage des ions et des molécules → perméabilité sélective pour de nombreuses molécules. On peut classer ce rôle barrière en 3 systèmes – les molécules non perméables – les molécules perméables, passent grâce à leur propriétés physiques – les molécules à perméabilité variable, perméabilité contrôlée par la cellule ( objectif du cours). P : coefficient de perméabilité (si vaut 1, tout passe au travers) – Les molécules lipophiles et de petites tailles (les gaz comme O2, CO2, N2…) passent assez facilement les membranes P = 1. – Les petites molécules non chargées qui sont un peu plus hydrophiles, passent bcp moins bien, P vers 10^-2, donc passe 100x moins bien que les molécules hydrophobes, pour les molécules non chargées de taille moyenne comme le glucose la P passe à 10^-7, donc encore moins bien, 100 000x moins bien. – les ions très hydrophiles ont une perméabilité presque infime 10^-12, on considère que normalement la membrane est complétèment imperméable, mais comme la cellule a besoin de faire des échanges d'ions, il y a des structures spécialisées qui portent le nom générique de pore (trous a travers la membrane), ou canaux pour les ions. Ces ions et les flux ioniques ont un rôle fondamental dans la régulation de la vie cellulaire. B°) Importance des ions et des flux ioniques Toutes les cellules ont une répartition différente des ions de part et d’autre de la membrane (intracellulaire et extracellulaire), ce qui induit la présence d'une ddp ( différence de potentiel ) au niveau de cette membrane, les cellules sont donc électriquement polarisées (potentiel de repos entre -20 mV et -80 mV selon les cellules, en moyenne c’est -60mV). Sur ce schéma, dans le milieu intracellulaire, il y a plus d’ions positifs que négatifs, mais normalement les charges négatives sont généralement des protéines qui ne sont pas représentés ici. Dans le milieu extra cellulaire, il y a peu de protéines et les charges négatives sont surtout représentées par le Cl-. L'ion principal en intracellulaire c'est K+ et en extra cellulaire Na+.
  2. 2. Intérêt de cette ddp : • Une variation des concentrations peut être considéré comme un signal par la cellule. • Les différences de concentration et de potentiel de part et d’autre de la membrane permettent de stocker une énergie potentielle sous la forme de gradient électrochimique. Le rôle des flux ioniques à travers la membrane est donc primordial, donc est hautement régulé. Exemple de cette régulation dans un neurone: L'activité du neurone implique des potentiels d'action, qui sont une forme de signaux qui transportent l'information. Avec un voltmètre je m'aperçois qu'il y a des variations de potentiel qui vont de -60 à +30mV, dues en grande partie à l'entrée de Na dans la cellule : c'est l'origine du potentiel d'action qui est un mode de transport de l'information pour la cellule, que l'on retrouve aussi dans les cellules musculaires striées et dans de très nombreuses autres cellules (sodium, potassium, calcium). Quand on va vers les valeurs positives on dit qu’il y a dépolarisation ( PA) , quand on revient c’est de la repolarisation et on utilise aussi le terme d’hyperpolarisation quand on est au dessous de la valeur de base, potentiel de repos vers -60mV. Exemple : entrée de Ca2+ Je peux aussi faire augmenter la concentration de calcium et cette entrée de calcium va induire un ensemble de signaux très importants comme la contraction des muscles. Chaque fois qu’on contracte les muscles, on fait rentrer du calcium dans la cellule. L’entrée de calcium est aussi responsable de toutes les secrétions cellulaires : neurosecrétion, sécrétion endocrine (insuline), sécrétion exocrine (suc pancréatique, calcium). Ces variations sont aussi impliquées dans la prolifération ou la mort cellulaire. C’est très important car c’est impliqué dans les phénomènes les plus fondamentaux de la biologie, comme la fécondation. On peut obtenir tous ces effets par un codage de l'information, cad adaptation de la durée et de l'amplitude de l'entrée de Calcium par exemple. C°) Pathologies impliquant les flux ions De nombreuses pathologies sont liées à des altérations du transport des ions ou de petites molécules : • Mucoviscidose : “poumons encombrés“. • Épilepsie, ataxie (pbs pour paramétrer les mouvements), bcp de problèmes neurologiques... • Problème de contraction musculaire (muscles lisses ou squelettiques). • Problème cardiaque, arythmie cardiaque. • Diabètes On a créé un nouveau terme qui regroupe toute les pathologies qui impliquent des altérations des flux ioniques : canalopathie (Pour canaux ou pores).
  3. 3. Exemple 1 : la mucoviscidose La mucoviscidose, pour « maladie des mucus visqueux » en français, est une maladie génétique affectant les épithéliums glandulaires de nombreux organes (poumon, pancréas, intestin, peau avec les glandes sudoripares). Elle est liée à des mutations du gène CFTR entrainant une altération de la protéine CFTR (sigle pour cystic fibrosis transmembrane conductance regulator). Cette protéine est un canal ionique perméable au chlore et quand il y a une mutation (perte de fonction), il y a moins de chlore qui sort et le mucus se déshydrate. Son dysfonctionnement provoque alors une augmentation de la viscosité du mucus et son accumulation dans les voies respiratoires et digestives. Le mucus stagne (obstruction bronchique et digestive) et favorise les infections. En général, les malades ne décèdent pas de la maladie en elle même mais des complications des infections dues à ce mucus stagnant. Voici l'épithélium d'une bronchiole, cilié qui par leur mouvement créé un flux dans le mucus, permettant de l'évacuer avec les bactéries qui s'y trouvent. Dans le cas de la mucoviscidose , il y a déshydratation du mucus qui est donc plus visqueux et n'est plus évacué. En fait normalement le canal CFTR (ENaC) permet une sortie de Cl- mais aussi une inhibition du passage du sodium du mucus vers la cellule. Le fait qu'il y ait beaucoup de Cl- et de Na+ dans le mucus, permet d'attirer l'eau pour hydrater le mucus. Mais quand il n'y a pas CFTR, le chlore ne sort pas et le sodium rentre bcp dans la cellule entrainant l'eau dans la cellule, le mucus se déshydrate. Exemple 2 : polyskystose rénale La polykystose rénale de type dominant (PKD) est la plus fréquente des maladies héréditaires mono géniques du rein. Elle se caractérise par des kystes principalement au niveau des reins, mais plusieurs organes touchés. Presque 10% des personnes sous rein artificiel souffrent de cette maladie. Elle est due dans un certains cas à la mutation d’un gène PKD2 traduit en une protéine membranaire la polycystine-2 (PC-2), qui est un canal calcique sensible à la pression. Quand il y a délétion de ce canal, ça déclenche la maladie. La mutation peut toucher PC-2 ou PC-1 : on obtient le même résultat. Exemple 3 : syndrome de la mort subite ou QT long Le syndrome du QT long est un désordre hérité du système électrique du cœur et donc des canaux ioniques. Ces défauts produisent l’allongement de l’intervalle QT (temps de repolarisation) et favorisent les arythmies ventriculaires appelée torsades de pointes. Ces graves perturbations entrainent une perte de conscience soudaine et peuvent mener à la mort subite par fibrillation. D’après les statistiques, 1 personne pour 5000 serait atteinte du QT long dans le monde, ce qui augmente considérablement le risque de passer en torsades de pointes.
  4. 4. Il y a altération des gènes des canaux potassiques qui permettent la repolarisation des cardiomyocytes (plusieurs gènes, plusieurs mutations, plusieurs formes de maladies). Induit par des médicaments: Il existe un syndrome similaire qui est le QT-long iatrogène (non lié à la génétique mais plutôt à la prise de médicaments) du a des médicaments qui reproduisent les effets des mutations en altérant la phase de repolarisation des cardiomyocytes en jouant sur des canaux ioniques. (ou amplifient les effets de la mutation). Exemple de ces médicaments : quinine, halofantrine, cisapride, érythromycine, … Pour les gens qui ont déjà un QT un peu long, ces médicaments vont amplifier la maladie et donc augmenter le risque de passer en torsades de pointes. Encore plus vicieux, encore plus rare : Certains antibiotiques induisent des altérations de l’activité électrique que chez certains patients. Ces sujets portent des mutations silencieuses sur des gènes de canaux ioniques. En condition normale, ces mutations n’ont aucun effet sur le cœur. Par contre, ces mutations rendent le canal sensible à certains antibiotiques . Les antibiotiques deviennent des antagonistes du canal muté. Si on est porteur de cette mutation silencieuse, tant qu’on ne prend pas d’antibiotique il ne se passe rien mais en en prenant on peut avoir un problème cardiaque de type QT long impévisibles. En temps normal, il faut monter à 10^3 microg/mL pour avoir un petit effet antagoniste (dose non pharmacologique) mais pour un canal muté il en faut bcp moins , il est plus sensible. Donc les canaux ioniques peuvent être altéré génétiquement ou iatrogéniquement. D°) Les pores (ou canaux) sont la cible de nombreux médicaments Les systèmes de transport sont la cible de nombreux médicaments. • Cœur : anti arythmique • Vaisseaux : anti hypertenseur • Neurones : anxiolytique, hypnotique, anti épileptique, anesthésiques • Muscle : relaxant 15 à 20% des médicaments ont pour cible les canaux ioniques. Exemple 1 : antagonistes calciques et hypertension L’hypertension artérielle, ou HTA, est définie par une pression artérielle trop élevée au delà de valeurs > 140 mm Hg. La maladie donne peu de signe (céphalée, acouphènes). On la mesure avec un tensiomètre, et c'est une maladie qui a un grand impact, touche 15% de la population. L’hypertension artérielle a de nombreux effets : • Conduit à une altération de la paroi des vaisseaux (rupture, obstruction) • Accidents cérébraux vasculaires, problèmes rénaux, • problèmes de la pompe cardiaque (travail en surpression) Traitement : dilater les vaisseaux. P = Q x R (résistance = diamètre du vaisseau pour simplifier) Quand les vaisseaux se dilatent (relaxation des muscles), cela induit une diminution de la pression. Les vaisseaux se collabent (affaissement d’un organe) quand la pression sanguine est trop faible (propriétés élastiques des vaisseaux). A ne pas confondre avec une vasoconstriction quand il y a une réduction du diamètre des vaisseaux par contraction des muscles.
  5. 5. La concentration du calcium intracellulaire joue un rôle dans la contraction, donc contrôle la contraction des muscles lisses des vaisseaux. Plus de calcium rentre dans la cellule par des pores (canaux), plus la cellule se contracte.... Les antagonistes calciques ou inhibiteurs des canaux calciques (ici ils portent les noms de canaux calcique dépendant du potentiel) empêchent cet influx calcique et donc permettent une relaxation des vaisseaux et une diminution de la pression sanguine. Ces inhibiteurs ont aussi une action au niveau du cœur. La contraction de la pompe dépend aussi des canaux calciques. L’inhibition des ces derniers permet une réduction de la force de contraction du cœur. Les antagonistes calciques portent un nom en -pine. 3% du marché pharmaceutique. Exemple 2 : antidiabétique et diabète de type II Le diabète est une maladie évolutive et métabolique, se caractérisant par une hyperglycémie chronique ; c’est à dire un taux de glucose dans le sang anormalement élevé. Le diabète est une maladie grave puisqu’il peut engendrer la survenue de complications comme cardiovasculaires : mauvaise irrigation du cœur (arrêt cardiaque), de la rétine (cécité)… Le pancréas secrète une hormone, l’insuline, régulant la glycémie. Le patient diabétique, lui, souffre entre autre d’une production inadaptée en insuline. Cette production est sous le contrôle d’un canal potassique, qui porte le nom de canal K-ATP (canal potassique régulé par l’ATP) ( même si on a vu en début de cours que la sécrétion endocrine mettait en jeu aussi des canaux calciques). La fermeture de ce canal induit la sécrétion d’insuline. On donne chez le diabétique des sulfamides hypoglycémiants qui stimulent la sécrétion d’insuline (insulinosécréteurs) en inhibant ces canaux K-ATP, cad en induisant leur fermeture → la glycémie a des valeurs normales. II Forces de déplacement permettant le passage des ions à travers la membrane Les molécules en solution (solvant et soluté) ne sont pas immobiles mais se déplacent du fait de l’agitation thermique (= mouvements Brownien) et du fait d’éventuels phénomènes physiques. A°) Agitation thermique (mouvement brownien) Mouvement aléatoire des molécules qui dépendent de la masse et de la température. « Plus je suis gros, plus je suis lent. Plus je chauffe plus je bouge. » Eau = 2500km/h, glucose = 850km/h , Ce sont des valeurs instantanées mais les mouvements sont aléatoires, donc en réalité il y a des collisions entre les molécules et il ne faut pas imaginer que dans notre corps les molécules se déplacent si vite. B°) Diffusion : mouvement lié a une différence de concentration La diffusion :dépend de la différence de concentrations dans un milieu libre ou de part et d'autre d'une membrane. On va très rapidement retrouver un équilibre de part et d’autre de la membrane ou sur l'ensemble du volume de solvant. La diffusion est lié aux mvts browniens et à la perméabilité de la mbre.
  6. 6. C°) Migration électrique : La migration électrique mouvement lié à une différence de potentiel électrique. Cette migration ne s’intéresse que aux molécules chargées. Donc nous intéresse pour les ions. D°) Convection : mouvement lié à une différence de pression hydrostatique (ici piston) Concerne peu les ions. Les molécules sont déplacé d’un coté ou de l’autre grâce à une pression qui peut être du a un piston. Mais en biologie la pression peut être la pression sanguine qui va permettre un mouvement de conduction. IL existe d'autres forces qu'on ne verra pas. De plus des combinaisons sont possibles entre ces forces (jamais de forces isolées en biologie). Par exemple : diffusion et migration électriques simultanées des ions à travers une membrane : rôle dans la création des potentiels d’action ou la neurosecrétion. III Modélisation du déplacement des ions On appelle “ J “ le transfert molaire du soluté considéré, J correspond au nombre de moles traversant une membrane (ou une section) de surface S dans un temps dt : Jd le débit molaire diffusif, Jd s’exprime en mole/s, c'est le nombre de molécules qui va passer par seconde. Un débit peut aussi être exprimé en gramme par seconde. Il faut faire attention aux unités dans les exercices. S représente l’aire totale de la membrane. S’ représente l’aire totale perméable (aire des pores). Par convention, on appelle pore ou canal un passage possible d’une molécule à travers une membrane. Pour calculer Jd, il est nécessaire d’utiliser des fonctions vectorielles dans l’espace (car le débit se fait dans les trois dimensions). Pour simplifier les équations suivantes, on considèrera que les variations ne se font que sur un seul axe (x). A°) Transfert diffusif (dû à une ∆ concentration) Transfert d’un soluté au travers d’une membrane selon le gradient de concentration : Le flux net entre 2 compartiments est la différence entre les 2 flux unidirectionnels. En effet, les mouvements Browniens font que des molécules vont du Bac 2 au Bac1. Le flux net va toujours du plus concentré vers le moins concentré en soluté (ions) . Le gradient de concentration se fait du moins concentré vers le plus concentré, donc dans le sens inverse du flux net. A l’équilibre, il y aura autant de molécule en 1 et 2, les deux flux unidirectionnels sont égaux mais de sens opposés (équilibre de diffusion). Le flux net est égal à zéro, bien que des mouvements soient possibles, les molécules continuent à se déplacer mais au final il n’y a pas de changements de concentration dans les compartiments.
  7. 7. Pour décrire ce flux , débit molaire diffusif Jd, du soluté on a la première loi de Fick : Jd = - D . S’ . dC/dx Jd s’exprime en mole/s ou en g/s dépend de : • dC/dx : gradient de concentration au travers de la membrane à temps cst • S’ : aire des pores perméables au soluté (m2) (surface d’échange) • D : coefficient de diffusion du soluté considéré dans la solution (m2/s) ou dans la membrane (cas des cellules) (capacité de la molécule à traverser). D est caractéristique de l'interaction soluté/solvant. La première loi de Fick est une loi empirique décrite de manière expérimentale, en considérant qu'il n'y a pas de variation de temps. Il calcul un flux en considérant que les concentrations sont stables au cours du temps, ce qui est faux puisque dès qu'il y a un flux les particules se déplacent ce qui modifient la concentration en tout point. Fick a fait une deuxième loi bcp plus complexe puisqu'il y a intégré la notion de temps qu'on ne verra pas. Calcul de D, coefficient de diffusion ( m²/s) : D = R . T . b (loi d’Einstein) • R = constante des gaz parfait (8,31 J°K-1mole-1), • T = °K, plus on l’augmente, plus les échanges seront importants • b = mobilité mécanique molaire (s/kg) Si on veut empêcher les échanges ioniques, on peut refroidir le patient. C’est ce qu’on fait dans les opérations très longues. Ce facteur b est dû à : b = 1 / (N . 6 . π . η . r) • Avec N = nombre d’Avogadro (6,023 . 1023) • η: viscosité du milieu (Pa . s) • r : rayon de la molécule (m) Ce coefficient D dépend surtout du rayon de la molécule et de la viscosité du milieu. Autre manière d'exprimer D : D = (k . T) / (6 . π . η . r) Car k = R/N = constante de Boltzmann (1,38 . 10-23 J) et 6.π.η.r représente le coefficient de frottement du soluté. De manière empirique 6.π.η.r= racine cubique de la masse molaire du produit. Autres présentations de la loi de Fick : - Au lieu de parler de concentration on peut parler de flux d'une masse de soluté (∆m) qui s’est déplacée en un temps t (∆t), du plan d’abscisse x1 de concentration C1 au plan x2 (sur un axe) de concentration C2 . Flux = ∆m / ∆t = - D . S’ . (∆Cconcentration/∆x) La présence du signe « - » exprime le fait que le transfert diffusif se fait de l’endroit le plus concentré vers le moins concentré, c’est à dire en sens opposé au gradient de concentration qui est orienté vers la concentration maximum. La loi de Fick est aussi utilisée pr les solides (semi conducteur, béton)
  8. 8. – La perméabilité diffusive P est souvent utilisée en biologie. En physiologie on utilise l'équation de Fick de manière totalement différente, et on utilise plus D mais P = D/L, où L représente l’épaisseur de la membrane qui sépare les deux milieux, remplace dx, P est donc la perméabilité diffusive, exprimée en m/s (ou cm/mn) : Jd = - P . L . S . dC/dx En l’absence d’accumulation du soluté dans la membrane, le gradient de concentration est strictement égal à la différence de concentration du soluté de part et d'autre de la membrane , donc le gradient dC/dx est uniforme et égal à ∆C/L. L’équation de Fick s’écrit alors : Jd = P . S . ∆C Où le signe « - » a été volontairement supprimé car ∆c est généralement pris en valeur absolu: il suffit de se rappeler que le transfert diffusif se fait toujours du milieu où la concentration du soluté est la plus grande vers le milieu où la concentration est la plus faible. Dernier paramètre à prendre en compte, la vitesse de diffusion : Tout à l'heure on parler de vitesse de diffusion instantanée, qui en réalité était bcp plus faible du fait des collisions des molécules. De manière empirique on peut dire, que le délai (t) de diffusion augmente proportionnellement au carré de la distance (x) que doivent parcourir les molécules. Même si la vitesse du mouvement brownien est importante, le nombre de collision qu’elles subissent les empêche de suivre une ligne droite, donc la vitesse réelle est assez lente. x2 = 6 . D . t Application numérique : Exercice 1 : Déterminer le rayon d'une molécule. Il faut convertir les données en unités internationales. A l'époque où on avait pas les spectromètres de masse etc, on déterminait le rayon des particules à partir de leur coefficient de diffusion. Par exemple D= 10^-7 cm²/s , sa taille sera de 225A. C'est la technique qui fut utilisée pour déterminer pour la première fois l'ordre de grandeur de la taille d'un virus. Exercice 2 : déterminer la masse d'une molécule (relativement grosse) Ces coefficients de diffusion ont aussi servi à déterminer les masses molaires des produits par comparaison entre deux molécules. Aussi utilisé pour déterminer la masse molaire d'un virus.
  9. 9. Exercice n° 3: Utilisation de la formule simplifiée des flux: On a deux bacs séparés par une membrane, dans l'un on a 150 mM de X et de Y, dans le deuxième bac j'ai 10mM de X et 10 mM de Y . Le coefficient de perméabilité de X est 50 x plus grand que celui de Y . PX = 50 . PY, que va-t-il se passer au temps t = 0 et T = infinie ? A t= 0, différence de concentrations, donc diffusion, et d'après la loi de Fick , le flux de X sera 50 fois plus grand que le flux de Y,car X a 50 fois plus de facilité à passer que Y. Donc X s'équilibre le plus rapidement. A t = infini, Y passe moins bien , mais passe quand même, donc son flux est plus faible, donc s'équilibre plus lentement, donc à l'infini X et Y seront à l'équilibre, égalité des concentrations de part et d'autre de la membrane(80 mM). Peut être utilisé pour séparer X et Y en utilisant la différence de vitesse de passage, sur un temps cours. Quelque soit le flux à l'infini il y a tjrs égalité. Le flux qui traverse d’une membrane va dépendre de la différence des concentrations, mais aussi du nombre de pores, de la température et de la friction de la molécule. Exercice n°4 : pour calculer un débit On considère que les 5cm représentent l'épaisseur de la membrane. En utilisant la loi simplifiée en terme de flux de masse, et en prenant les bonnes unités on obtient: Ces équations ont aussi été utilisées dans un autre sens, pour calculer la taille d 'une membrane. Exercice n°5 : équation sur les vitesses de diffusion Quand on prend son café et on met un sucre au fond de la tasse, le coefficient du glucose dans l'eau ( café un peu moins) est de 6.10^-6 cm²/s. D'après le calcul il faut 10^6s soit 8 jours pour que le sucre diffuse jusqu'à la surface. Donc les vitesses de diffusion sont très lentes, mais heureusement nous avons des membranes très minces. Cependant dès que la taille des particules atteint celle des pores ( supposons les cylindriques), la molécule ne traverse plus la membrane. Cet effet de diffusion transmembranaire différentielle s'appelle la dialyse. Elle peut permettre d'isoler les macromolécules à des fins d'analyse, de purification ou de préparation. Ce principe sera appliqué au rein artificiel.
  10. 10. B°) Diffusion du solvant : osmose non traité, mais il existe. C°) Transfert convectif (∆ pression) non traité, mais il existe. D°) Migration électrique à travers une membrane On ne s’intéresse que aux molécules chargées donc les ions. Pour simplifier, nous considérerons que la concentration de l’ion est équivalente de part et d’autre de la membrane. Attention, un ion peut porter une ou plusieurs charges, d’où la notion de valence (z), nombre de charges par ion. L’équation est très semblable a celle de Fick. On retrouve les même facteurs, la seule différence est que la force qui fait déplacé les ions est une différence de voltage et non de concentration. L’existence d’une différence de potentiel électrique dv/dx entre les deux faces d’une membrane entraine un transfert électrique « Je » des ions. Je = - z . F . b . S’ . C . dv/dx • z : valence • F : constante de Faraday (charge électrique d’une mole univalente : 96500 C) • zF : représente la charge électrique portée par 1 mole • b : mobilité mécanique molaire membranaire • S’ : surface de la membrane avec les pores • C : concentration molale du soluté zFb correspond au facteur D de la loi de Fick , mais on rajoute le paramètre z car une mole de soluté peut porter une, deux ou trois charges. Les ions positifs vont être attirés par les milieux négatifs. La cellule est polarisée à -70mV, il y a donc un excès de charges négatives à l’intérieur. Les ions positifs ont tendance à rentrer et les ions négatifs à sortir de la cellule. « Je » peut également s’écrire de façon simplifiée: Je = - Um . S’ . C . dv/dx Où Um = z F b = mobilité électrique de l’ion dans la membrane. Ce débit molaire crée un courant électrique qui est un débit de charge électrique : I (Ampère) = z . F . Je E°) Différentes forces peuvent se coupler Exemple : diffusion et migration électrique La diffusion électrique peut se faire soit dans le même sens que la diffusion chimique, soit dans le sens inverse. Le transfert des ions sera la résultante des deux migrations.
  11. 11. IV Diffusion et migration simultanées A°) Expériences On a deux bacs séparés par une membrane imperméable, dans le bac correspondant à l'intérieur de la cellule on met du K+ et des ions négatifs, et dans l'autre bac , il y a des ions négatifs et positifs. Il y a électro neutralité des deux coté au départ, mais il y a une différence de concentration pour K+. Entre les deux bacs on met un voltmètre. Maintenant si je retire la membrane imperméable et que je met une membrane qui ne laisse passer que le potassium. C’est comme un pore potassique. Que vont faire les ions ? La première force est celle qui va permettre la diffusion du K+ de l'int vers l'ext , de part la différence de concentration (Jd), mais cette diffusion ne peut pas se faire jusqu'à l'équilibre des concentrations de K+ car en faisant passer K+, je fais passer une charge positive, donc on créé un excès de charges positives dans le bac extérieur et donc un excès de charges négatives dans le bac intérieur. Donc il y a une différence de potentiel de part et d'autre de la membrane, un gradient électrique apparaît, donc il faut appliquer la deuxième force, cad la force électrique due à mon gradient électrique , et comme seul les K+ peuvent passer, les charges négatives du bac intérieur vont attirer des K+ qui vont repasser à l'intérieur, c'est le flux Je. En physique on va toujours vers l’équilibre, c’est quand Jd = Je. Il faut que les deux forces soit de même amplitude et de sens opposé. Et on obtient alors l’équilibre quand on a une petite quantité de potassium qui est passé de l’intérieur vers l’extérieur, et on a une différence de potentiel de -90mV. Ça nous montre que sans énergie, sans ATP je peux créer une différence potentiel, il suffit d’avoir une répartition différente des ions de part et d’autre de la membrane et une membrane perméable à un seul élément. On peut refaire la même expérience, cette fois on met du sodium Na+ à l'extérieur avec des contre ions négatifs et la membrane est seulement perméable aux ions Na+. On aura une diffusion par le gradient chimique Jd de l'extérieur vers l'intérieur, ce qui créé un gradient électrique Je car excès de charges positives à l'intérieur, donc des ions Na+ vont êtres ramenés vers le bac extérieur riche en charges négatives. A l'équilibre la somme de ces deux forces est égale à 0, il y a toujours un excès en concentration de Na dans le bac extérieur et une différence de potentiel. Cette fois l'excès de charges positives se trouve dans le bac intérieur et le potentiel à l'équilibre est d'environ + 60mV. NOTES: – les excès de charges positives et négatives s'attirent mutuellement et donc le répartissent de part et d'autre le long de la membrane (on appelle donc cette ddp, le potentiel transmembranaire). – La quantité de charges qui bougent est extrêmement faible donc la variation de concentration est faible voire infime pour la cellule et son milieu.
  12. 12. B°) Modélisation • Il existe un flux diffusif Jd du compartiment le plus concentré vers le compartiment le moins concentré. • Il existe une différence de potentiel de part et d’autre de la membrane entraînant un flux électrique Je annulant le flux diffusif Jd. Cette différence de potentiel s’appelle Potentiel d’équilibre de l’ion noté Veq. Le potentiel d’équilibre d’un ion est le potentiel créé par un ion en concentration différente à l’équilibre de part et d’autre d’une membrane perméable qu'à cet ion. Il faut que la membrane ne soit perméable qu'à cet ion, car si elle est perméable aux contre ions, ceux ci pourront compenser le déplacement de charge , il n'y aurait pas de ddp. Veq est obtenue en posant l’égalité suivante à l’équilibre : Je=Jd le flux diffusif est égal au flux migratoire électrique : on obtient donc cette équation : En intégrant : Attention à la valence des ions négatifs comme le chlore. Cette équation est valable pour un ion et pour une perméabilité. Cette équation de Nernst n'est pas une loi car c'est la somme de différentes lois. Pour simplifier on voit que RT/F = 26,71 (avec z =1) ce qui permet d'avoir le résultat en mV, bien sûr il n'y a pas de Volt dans une cellule ! Permet de comprendre comment une cellule peut changer de potentiel: Si conductance spécifique au K+ : Veq K+ = - 90 mV Si conductance spécifique au Na+ : Veq Na+ = + 61 mV Si conductance spécifique au Cl- : Veq Cl- = - 64 mV Si conductance spécifique au Ca: Veq Ca2+ = +140mV En fonction des pores ouverts, le potentiel d’un système pourra changer. On crée des potentiels simplement en fermant ou en ouvrant des conductances. Si un système n’est pas à l’équilibre, cad qu'on impose une ddp au départ de ∆V = 40 mV Au départ on a un système perméable qu'au potassium ( qui a un Veq = -90 mV, donc il y a un excès de potassium dans le milieu intérieur au départ). Le potassium K+ qui est le seul ion à se déplacer ne va avoir qu'un but c'est d'atteindre son potentiel d'équilibre cad -90mV, cad que le gradient électrique soit égal au gradient chimique. A t = 0, ∆V = 40 mV : • Diffusion : pousse K+ de intérieur vers extérieur (du + au – concentré) • Migration électrique : pousse K+ de intérieur vers extérieur • Résultante de flux sortant de K+ de intérieur vers extérieur • Flux d'ions = Création d’un courant électrique, mais il y a des charges positives qui sortent donc la ddp va changer, donc au temps t la ddp va diminuer. changement de polarité
  13. 13. Temps x, ∆V = -10 mV : • Diffusion : pousse K+ de intérieur vers extérieur • Migration électrique : pousse K+ de l'extérieur vers l'intérieur car l'intérieur de la cellule est devenu légèrement négatif et attirent les K+, (moins que la diffusion) • Résultante est flux sortant de K+ de intérieur vers extérieur • Création d’un courant électrique, les charges positives continuent à sortir, donc à hyperpolariser le milieu jusqu'à : Temps xx, ∆V = -90 mV : • Les forces (diffusion et migration électrique) s’annulent, équilibre Dans les conditions normales, on entend souvent dire que les canaux potassiques permettent la repolarisation d’une cellule et c’en est l’exemple. Si un système n’est pas a l’équilibre, on impose une ddp de ∆V = -70 mV : Conductance au Na+ : Veq = 61 mV Les ions se déplacent pour ramener le potentiel vers leur potentiel d’équilibre. Temps 0, ∆V = -70 mV : • Diffusion : pousse Na+ de extérieur vers intérieur • Migration électrique : pousse Na+ de extérieur vers intérieur • Résultante de flux entrant de Na+ de extérieur vers intérieur • Création d’un courant électrique, changement de polarité Temps x, ∆V = 10mV • Diffusion: pousse Na+ vers l'intérieur • Migration électrique: dans l'autre sens mais pas assez forte • résultante = flux entrant de Na+ → création d'un courant électrique Temps xx, ∆V = 61 mV • Les forces s’annulent, équivalents mais de sens opposé, équilibre. Attention : le déplacement d’un très faible pourcentage (<0,1%) des ions est suffisant pour rétablir les équilibres. Les ions se déplacent pour ramener le potentiel vers leur potentiel d’équilibre. C°) courants ioniques Il va y avoir un flux d’ions et on va pouvoir mesurer un courant qui est tout simplement calculable avec la loi d’Ohm: U=R.I Comme on travaille en milieu liquide, il faut légèrement modifier cette loi: dans notre cas quand on est a 0mV, on peut avoir des mouvements ioniques, pour nous 0mV ne correspond pas à 0 courant. Nous, on a plus de courants ioniques quand on est au potentiel d'équilibre : Si Vexp < ou > Veq alors mouvement d’ions pour atteindre Vexp = Veq. Donc pour nos flux d'ions on va considérer : ∆V = R . I (Vexp – Veq) = R . I I = (Vexp – Veq)/R ou I = (Vexp – Veq) . g on définit la tension par la ddp,cad par la différence entre le potentiel expérimental moins le potentiel d'équilibre, et donc à ce moment là quand on atteint l'équilibre, la ddp est nulle.
  14. 14. Généralement en biologie on utilise pas la résistance, mais G la conductance global : 1/R = Nb . γ . P0 pour nous le canal peut être ouvert ou fermé. La conductance représente la taille du pore S', plus la conductance est grosse plus le canal est gros. Si Veng > Veq alors I > 0 courant sortant Si Veng < Veq alors I < 0 courant entrant G dans les cellules est de l'ordre des nS ou des microS ( S= siemens), les conductances unitaires γ sont de l'ordre du pS ou microS, le courant mesurée I est de l'ordre du pA ou microA. Le courant électrique est de l'ordre du mV. Le courant va donc énormément dépendre de la différence entre le potentiel expérimental et le potentiel d'équilibre, cad Vexp – Veq = gradient électrochimique ou force de déplacement. Quand on nous on dit que le courant est égal a 0 c’est le courant globale mais il y a toujours des ions qui passent dans la membrane. Application numérique : Pour K+ : • Si au départ : Vexp = 40 mV, g = 2000 pS : o Alors I = ((40.10-3) – (-90.10-3)).(2000.10-12) o I = 260 pA o I > 0, flux sortant de K+ o Flux repolarisant sortant de potassium • Si Vexp = -90 mV, alors I = 0 Pour Na+ : • Si Vexp = -80 mV, g = 2000 pS : o Alors I = ((-80.10-3) – (60.10-3)).(2000.10-12) o I = -280 pA o I < 0, flux sortant de Na+ o Flux dépolarisant entrant de sodium • Si Vexp = 60 mV, alors I < 0, flux entrant faible de Na+ On peut donc connaître les mouvements d'ions par les équations ou de manière empirique. Cependant il ne faut pas oublier, que lorsqu’on dit que I=0, c’est le courant global. Quand on est a l’équilibre il y a toujours des ions qui passent au travers de la membrane, mais à chaque fois qu’il y en a un qui passe dans un sens, il y en a un autre qui passe dans l’autre sens. C’est la grande différence avec le circuit électrique où quand on coupe le courant, il n’y a aucun électron qui se déplace.
  15. 15. D°) Effet Donnan ou Gibbs Donnan On va prendre cette fois ci une membrane qui n’est pas seulement perméable à un seul ion, mais à tous les ions. Mais cette membrane n’est pas perméable aux grosses protéines (qui sont chargées négativement) . Dans le premier bac on met du chlorure de sodium à 100 mM et dans l’autre bac on mets un protéinate de sodium (protéines complexé à du sodium) à 100 mM. Seules les protéines ne peuvent pas traverser la membrane. Le chlore qui va passe du bac gauche au bac droit où il n'y en a pas, selon les forces de diffusion. Si du chlore passe, on va avoir un excès de charges négatives dans le bac de droite donc les ions chlore vont légèrement retourner vers la gauche mais surtout, le sodium va se déplacer suivant une force de migration électrique donc il va passer à droite. A l’équilibre on obtient un excès de charges négatives à droite, on a donc une ddp de -17mV. Dans l'équilibre de Gibbs Donnan il y a une troisième partie que l'on ne décrit pas, c'est le déplacement de charges qui entraine de l'eau en même temps. Donc déplacements d'eau aussi par les forces osmotiques mais on ne s’y intéresse pas. On ne voit pas la formule mathématique car on peut trouver le résultat empiriquement. E°) Direction de déplacement des ions On part d'une cellule qui a un potentiel de repos de -70mV: – – – – Na va entrer et induire une dépol° Ca+ entre et induit une dépol° K+ sort et repol° ou hyperpol° Cl- entre et repol° ou hyperpol° On part d'une cellule qui a un potentiel de repos de +20mV: – – – – Na entre moins Ca entre moins K+ sort plus Cl- entre plus Le flux dépend des forces diffusive et de migration électrique, le mouvement de chaque ion dépend de la différence entre le potentiel de la cellule et son potentiel d'équilibre.
  16. 16. V Différents mode de diffusion A°) Généralités Le passage des molécules peut se faire par: Passage par diffusion simple : directement à travers la membrane sans aide , (gaz O2, petites molécules lipophiles, hormones, petites tailles éthanol…) ou dans un micro environnement protéique (ions et canaux ioniques, sans interaction). La loi de Fick et la loi de migration électrique (et de pression) s'appliquent directement sur comment et dans quel sens passent ces molécules. Passage par diffusion facilité : par protéines de transport : (glucose, ions…) vitesse et sélectivité, car cette fois il y a une forte interaction soluté – protéine (liaison entre la molécule à transporter et la protéine de transport), modification de la conformation de la protéine de transport lors du transport (alors que le canal ne change pas de conformation). Ces passages peuvent se faire selon deux modes de transport: Transport passif : transport selon les forces physiques en présence, concentration : gradient chimique, pression : pression hydrostatique, électrique : gradient électrique (canaux et transporteur) Transport actif : transport contre les forces physiques en présence, porte le nom de pompe, nécessite de l’énergie (ATP…), les lois de Fick et électriques ne s’appliquent pas dans ces cas. Différents types de protéines impliquées : • Canaux : passif • Transporteurs : plus ou moins passif • Pompes : actif B°) Les canaux Canaux : protéines ou un ensemble de protéines (souvent multimériques) (plusieurs sous unités, plusieurs protéines) formant un pore plus ou moins sélectif à travers la membrane, transport passif. Les canaux peuvent être soit fermés, soit ouverts, et sont classés souvent selon le type de soluté qui y transite et les stimuli qui permettent leur ouverture. Dans tous les cas ces canaux sont aussi caractérisés par leur perméabilité et si ce sont des ions qui passent on parlera de conductance. La conductance g est l’inverse de la résistance R. Permettent des flux ioniques/molécules qui ont plusieurs effets : • Pour les ions : o Modification du potentiel transmembranaire (sodium, potassium),par déplacement de charges, donc transforme un signal (stimulus) en une variation électrique. o Activations de voies de signalisation (calcium). • Pour les petites molécules : besoin pour la vie cellulaire ou activation de voies de signalisation.
  17. 17. a) Les canaux dépendant du potentiel : • Généralités: Stimulus d'ouverture: petite variation de potentiel transmembranaire. ATTENTION : ne pas confondre le stimulus d'ouverture de ces canaux et l'effet dur le potentiel des ions qui vont transiter par ces canaux. Il faut une petite dépolarisation pour ouvrir ces canaux, ces canaux s'ouvrent et laissent passer des ions qui modifient le potentiel. Les canaux dépendant du potentiel sont très nombreux : – Canaux sodiques dépendant du potentiel, – Canaux potassiques dépendant du potentiel. → ces 2 ont pour rôle surtout la propagation de l’information dans les neurones, par PA. – Canaux calciques dépendant du potentiel. → rôle dans le PA mais aussi pour phénomène de contraction et de sécrétion. Ces canaux peuvent être sous 3 états : – fermé, état normal – ouvert, état qui dépend du stimulus, cad une variation du potentiel dans ce cas, généralement une dépolarisation. Seul l’état ouvert permet le passage d’ions selon leur gradient électrochimique. – Inactivé. C'est un état de non conductance, les ions ne traversent pas, différent de l'état fermé. Très important pour comprendre le PA. La stimulation provoque l'ouverture du canal et le maintien de la stimulation fait passer le canal de l'état ouvert à l'état inactivé. Pour retourner à l'état fermé il faut un arrêt de la stimulation Ces deux états fermé et inactivé sont différents et s'expliquent par le modèle à double porte (porte pour Fermer, porte pour inactiver). Dans le canal il y a deux portes, une pour le passage de fermé à ouvert (ici écartement des deux ssu), et une pour le passage d'ouvert à inactivé (petite boule bleue) qui vient obstruer le canal. • Canal potassique dépendant du potentiel : C’est un canal qui ne laisse passer que du potassium, dont le stimulus est une variation de potentiel. Il est au minimum composé de 4 protéines (tétramère, mais seulement 2 représentées) dont l'assemblage forme le canal. Chaque protéine est composé de 6 segments transmembranaires (hélices alpha) reliés par des boucles alternativement intracellulaire et extra cellulaire. Les parties C et N terminales sont intracellulaires. Les domaines transmembranaires servent surtout à accrocher le tétramère dans la membrane et la boucle entre les domaines 5 et 6 forme le pore (domaine P pour pore). 4 boucles sont nécessaires pour former le pore complet. Ces boucles en rouge vienne comme des mains entre les 4 protéines former le pore. Des sous unités auxiliaires (protéines ß) peuvent entourer le canal (protéines α). D'un point de vue historique la structure tridimensionnelle obtenue par cristallographie, par McKinnon qui a reçu le prix Nobel en 2003.
  18. 18. A partir de cette structure il a pu déterminer le rôle de chaque partie de la molécule: Le stimulus d’ouverture est une dépolarisation transmembranaire. Mais comment une protéine peut elle sentir une variation de potentiel? Quel est le capteur du stimulus variation de potentiel? On a montré que la partie la plus importante pour sentir la variation de potentiel était le domaine transmembranaire S4 qui est le capteur, senseur, du potentiel transmembranaire. Le segment transmembranaire S4 est le senseur (capteur) de potentiel car cette hélice α est très riche en acides aminés chargés positivement (arginine). Les aa sont comme les ions , donc l'arginine sera attirée par les charges négatives et repoussée par les positives. Donc dans les conditions de base, on considère que ce domaine TM chargé positivement sera attiré par l'intérieur de la cellule qui est négatif (-60mV). Suite à la dépolarisation, il y a un changement de conformation qui induit l’ouverture du canal, car l'intérieur de la cellule est moins négatif, donc ce domaine TM est moins attiré et remonte un peu, légèrement repoussé vers l'extérieur. Donc en fonction du potentiel ce domaine TM peut coulisser de haut en bas, permettant un changement de conformation du tétramère, permettant l'ouverture du canal. Le nouvel modèle propose plus un basculement des domaines que le coulissement.... Dans la réalité il n’y a pas autant de déplacement et ces molécules sont capables de sentir des variations de 1 seul mV. Si expérimentalement par technique de génétique on supprime les charges positives, on rend le canal insensible au stimulus. Comment ce canal peut être sélectif et ne laisser passer que les ions potassium? Sélectivité du canal : laisse passer sélectivement 108 ions potassium par seconde, très grande vitesse de fonctionnement. (donc très bon rendement, les ions passent les uns derrière les autres en se poussant) La strucutre 3D a permis de montre que le filtre était permis par une séquence de 5 acides aminés, conservés pour tous les canaux potassiques (TVGYG). Les ions en solutions sont hydratés, il y a des molécules d'eau tout autour, donc les ions potassium interagissent avec 4 oxygènes d'H2O. Dans le canal, on retrouve 4 oxygènes (1 par unités) forment des sites de liaison pour K+, liaison de coordination (pas de valence) qui recréent artificiellement le milieu d’hydratation de la molécule. Pour passer a travers le canal, K+ échange ces liaisons avec l’oxygène de l’eau avec les oxygènes du canal ce qui permet le transit. Cette opération ne nécessite pas d’énergie : transport passif. Par contre, le sodium , qui est plus petit ne passe pas par ce canal parce qu’il se coordonne mal avec les oxygènes (seulement avec 2 oxygènes donc se détache) et reste hydraté en solution. Il ne faut pas que ces liaisons soient trop fortes sinon le potassium reste bloqué , et c'est ce qu'il se passe d'ailleurs en présence d'ions antagonistes de ces canaux qui créent des liaisons très fortes avec les 4 oxygènes et reste bloqués, bouchant le canal. Diversité de ces canaux potassiques sensible au potentiel : Près de 38 gènes codent pour ces canaux. Ils se différencient en fonction : • De l’intensité du stimulus nécessaire pour les ouvrir • De la cinétique d’activation (de l’état fermé à l’état ouvert) • De la cinétique d’inactivation (de l’état ouvert à l’état inactivé) • Du Lieu d’expression
  19. 19. Deux exemples : Le canal de gauche va être à l'origine d'une hyperpolarisation transitoire alors qu'à droite elle durera plus longtemps. Il faut savoir que les canaux potassiques interviennent aussi dans le contrôle de la prolifération cellulaire (cancers) , et dans le contrôle du potentiel des cellules cardiaques ( donc jouent un rôle dans la tachycardie et les fibrillations par exemple...) • Canal sodique dépendant du potentiel : Le canal sodique est un monomère et non pas un tétramère, mais si on regarde bien sa séquence,on pense au canal potassique car il y a quatre fois la même structure. Il y a 4 domaines avec 6 hélices TM et dans chaque domaine, il y a le domaine TM 4 senseur du voltage et la boucle entre 5 et 6 forme le pore, un domaine P. C’est comme si quatre canaux potassiques avaient fusionnés. Il y a plusieurs protéines dans ce canal, la protéine qui forme le pore et des ssu auxiliaires β1 et β2. Il y a en pharmacologie, il y a des drogues spécifique à un sous type et d’autre qui ne sont pas spécifique. Et le but de la pharmacologie est de trouvé les drogues spécifiques de chaque sous type.
  20. 20. Surtout important dans les potentiels d'action. • Canal calcique dépendant du potentiel : Le canal calcique : c’est un canal sensible au potentiel, sélectif au calcium. Similaire au canal sodique donc dérive du même gène, il y a beaucoup plus de sous unités auxiliaires ce qui lui confère des propriétés spécifiques. La ssu α1 correspond au pore . On voit qu'il y a une sorte de bras, qui permettra l'inactivation. Il en existe aussi bcp, certains sont spécifiques de certains tissus:
  21. 21. Quand le calcium entre, il y a une petite dépolarisation, active de très nombreuses voies de signalisation impliquées dans la contraction. L’activation du canal dépendant du potentiel conduit à un influx calcique dans les cardiomyocytes et à leur contraction. Les gens ont stimulé le cœur par une dépolarisation électrique qui induit une contraction par l’activation des canaux calciques. Une autre méthode est de mesurer la concentration de calcium dans la cellule. b°) Les canaux activés par les agonistes : L'agoniste est une molécule chimique dont la fixation permet l'ouverture du canal. Les agonistes sont : – extracellulaires (neurotransmetteurs, hormones.) – intracellulaires (second messager AMPc, ou métabolites ATP, GTP). Dans tous les cas, l’activation de ces canaux induit des flux ioniques, en fonction de la spécificité du canal et des forces ce sera une entrée ou une sortie de charges + ou – et donc des changements de la polarité électrique de la membrane (dépolarisation, hyper polarisation), ce qui est un signal pour la cellule. (signal chimique = agoniste transformé en un signal électrique =dépolarisation ou hyper polarisation). Ces canaux peuvent aussi laisser transiter des ions qui vont activer des voies de signalisation intracellulaires (Ca2+). • Agoniste extracellulaire : – canal récepteur au glutamate (laisse passer sodium/calcium/potassium) :présent dans la moitié des neurones. Leur effet est généralement dépolarisant donc on voit surtout l'effet du sodium et du calcium. (plusieurs types AMPA, NMDA..) Structure totalement différente que les VD, il y a 3 segments transmembranaires dont une boucle intra membranaire, à laquelle se situe le pore. C'est aussi un tétramère, qui change de conformation quand fixation du glutamate. Dans ce cas, le troisième état n'est pas l'inactivation mais la désensibilisation. – canal à l’acétylcholine (sodium), effet dépolarisant, important dans la JNM. – canal au GABA (chlore),généralement le chlore entre pour produire une hyper-polarisation. Ils sont surtout présents dans les synapses entre deux neurones ou entre un neurone et un effecteur : transmission synaptique. Transforme un signal chimique (neurotransmetteur) en signal électrique C’est un canal récepteur au glutamate. Ça ressemble un peu à un canal potassique, il y a trois domaines transmembranaires et un domaine 3 qui forme le pore. Ici le pore vient par le coté intracellulaire. La partie N terminale est extracellulaire. Les grandes boucles forment le domaine de liaison au glutamate. Il faut 4 protéines pour que ça fonctionne. Il y a des déplacements qui permettent l’ouverture du canal et donc le passage. On retrouve globalement les même processus.
  22. 22. Agoniste intracellulaire (second messager) : - Canal sodique sensible au GMPc, permet la vision (photons en signal électrique) - Canal ionique sensible au calcium (qui peut activer d’autre canaux et induire des flux de potassium, sodium, chlore…) très nombreuses fonctions. - Canal potassique sensible a l’ATP (sécrétion d’insuline). L’ATP, agoniste, n’est pas la molécule qui permet son ouverture mais au contraire sa fermeture. C’est un stimule négatif qui va permettre de le fermer. C'est un hétéromultimère,la protéine qui forme le pore Kir1 est très simple, il n’y a plus que deux domaines transmembranaires et la boucle entre les deux forme le pore. Il faut 4 protéines pour former le pore et ces 4 protéines sont elles mêmes entourées de 4 autres protéines pour former le canal,qui s'appellent SUR = sulfonyl urée récepteur. Les antidiabètiques sont des molécules qui vont réguler le canal potassique pour produire de l’insuline et leur cible sont les protéines auxiliaires SUR. On appelle ces médicaments des sulfonyl uré ou hypoglycémiants. • c°) Autres canaux : Il existe plein d'autres canaux, par exemple • des canaux stimulés par la température : Canaux (sodium/calcium) sensible au froid : aussi sensibles au menthol, agoniste chimique. Canaux (sodium/calcium) sensibles au chaud : aussi sensibles au piment. Il existe des canaux qui laissent passé soit du sodium ou du calcium qui sont sensible au froid et d’autre qui sont activé par le chaud. Ces canaux peuvent faire parti des canaux TRP. Il y a plusieurs gènes qui codent. Dans ces repères orthonormés, en vertical c’est l’activité. Il y a des neurones qui ont des récepteurs au froid ou au chaud, ce sont des neurones de la sensibilité. Il y a aussi des neurones de la douleur, quand on a très froid on a mal c’est la douleur au très froid et il y a la douleur au très chaud aussi. Aussi au tiède... Les récepteurs au froid vont plutôt exprimer le TRPm8 par exemple. Les neurones qui permettent la sensibilité au chaud c’est TRPV1. Pour les neurones de la douleur ils ont les gènes du très froid et du très chaud. • • • Canaux sodiques impliqués dans la détection du gout : salé par exemple (entrée de Na). Canaux sensibles à l’étirement (mécanorécepteur) : rôle dans le touché, dans l’audition. Canaux de fuite au potassium : canaux ouvert sans régulation bien connu (rôle dans le maintien du potentiel de repos).
  23. 23. Non traité, mais diapo laissée : Au niveau des organelles, il y a aussi un grand nombre de canaux : • Réticulum o Canal calcique récepteur à l’InsP3, ou IP3 (canal activé par l’InsP3 qui provient du PIP2 sous l’action d’une PLC). o Canal calcique récepteur à la ryanodine qui est un antagoniste (canal activé par le calcium qui est l’agoniste ou l’ADPR cyclique et inhibé par la drogue ryanodine). • Lysosome : canal calcique récepteur au NAADP. • Mitochondrie : large pore impliqué dans l’apoptose. Traité : Il existe une très grande variété de canaux ioniques, représente jusqu'à 30% des protéines membranaires . Pour les canaux potassiques, il y a près de 70 gènes qui les codent ( dont 38 VD) sans compter les épissages alternatifs, qui permettent des milliers de possibilités. On suppose qu’au départ il n’y avait qu’un seul canal potassique, puis il s’est diversifié . Il se passe la même chose pour les bactéries ainsi que dans le règne végétal. Exemple interaction canaux potassiques et calciques : sécrétion d’insuline par les cellules ß du pancréas : Le stimulus au départ est une augmentation de la glycémie, captée par la cellule du pancréas, par l'intermédiaire de 2 canaux. Le glucose est dans le sang et rentre dans la cellule par un transporteur. Il va être métabolisé et ça va produire de l’ATP. Le sucre est transformé en ATP qui augmente et ferme les canaux potassiques sensibles à l'ATP. La cellule va donc être dépolarisée car normalement ce canal laisse sortir du potassium. Le signal chimique est transformé en signal électrique. La dépolarisation va activer des canaux calciques sensibles au potentiel. Cet influx de calcium va induire la sécrétion d’insuline. C’est comme ça que marche les antidiabétiques qui sont des inhibiteurs des canaux potassiques. La cible n’est pas le pore en luimême mais la protéine qui entoure qui s’appelle SUR.

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