Électrophysiologie cellulaire

INTRODUCTION

L'électrophysiologie est l'étude des propriétés électriquesdes cellules vivantes et des courants électriques qu'elles génèrent. Presque toutes les cellules vivantesmaintiennent une différence de potentiel () entre l'intérieur et l'extérieur de leur membrane cellulaire.

I- COMPARTIMENTS LIQUIDIENS

Les êtres vivants sont constitués de milieux liquides séparés par des membranes de perméabilité variable. Les membranes plasmiques sont des bicouches de phospholipides et de glycolipides agissant comme une barrière de perméabilité et servant de solvant pour les protéines transmembranaires. Elles sont caractérisées par une composition protéique et lipidique très asymétrique, tout comme lesmilieux intra- et extracellulaires.

1) Perméabilité des membranes

La perméabilité des membranes varie en fonction des molécules :

• Les petites molécules apolaires (ex.O2, N2) diffusent rapidement.

• Les petites molécules polaires non chargées (ex. CO2, H2O, urée) diffusent plus lentement.

• Les grosses molécules polaires et chargées (ex. glucides) ne diffusent pratiquement pas.

• Les grosses molécules et les ions ne diffusent pas directement.

Des transporteurs sont donc nécessaires pour le passage des petites molécules et des ions non perméants. Les macromolécules sont transportées via l'exocytose et l'endocytose.

II- PROTÉINES DE TRASPORT

De nombreuses protéines de transport facilitent le passage des composés à travers les membranes. Elles fonctionnent de différentes manières :

• Uniport : Transport d'un seul composé dans une seule direction.

• Antiport :Transport de deux ou plusieurs composés dans des directions opposées.

• Symport : Transport de deux ou plusieurs composés dans la même direction.

Fig 1: Différents types de transporteurs.
Ces transporteurs sont classés entrois groupes :

1) Transport passif

Les composés traversent la membrane en suivant leur gradient de concentration (pour les composés non chargés) ou leur gradient électrochimique (pour les composés chargés), via la diffusion simple. La protéine ne sature pas et la seule limitation est la taille descomposés.

2) Transport actif

Le transport actif déplace les composés contre leur gradient de concentration, nécessitant un apport d'énergie. Il y a interaction entre la protéine de transport et le composé, et le système est saturable.

• Transport actif primaire : L'énergieest fournie par l'hydrolyse de l'ATP.

  Exemples :

  1. ATPase Na+ /K+ : Un antiport qui fait sortir 3 et entrer 2 par molécule d'ATP hydrolysée.Ce transport est **électrogène** car le bilan des charges n'est pas nul, et son courant est mesurable. Son rôle est de maintenir les gradients ioniques de et de .

  2. ATPase Ca2+ : Un uniport électrogène quitransporte 2 par ATP hydrolysé, maintenant la concentration cytosolique de basse en le transportant vers le réticulum endoplasmique.

  3. ATPase H+ : Un uniport électrogène responsable de l'acidification des lysosomes et de l'estomac.

• Transport actif secondaire : L'énergie est fournie par la décharge du gradient chimique d'un autre composé.

  Exemple :

  • Pompe à glucose : Un symport électrogène dansles cellules intestinales, permettant le passage du glucose grâce au gradient de .

3) Diffusion facilitée

Les composés traversent la membrane en suivant leur gradient de concentration (diffusion simple), mais la protéine améliore leur passage par interaction, rendant le système saturable.

Exemples :

1. Gramicidine A : Transport de cations monovalents en symport.

2. Canaux ioniques : Une grande diversité de transporteurs qui permettent le passage des ions à travers la membrane grâce à un pore hydrophile.

III- MODÈLE ÉLECTRIQUE DES MEMBRANES BIOLOGIQUES

Les principes de l'électricité appliqués aux électrons sont également applicables aux ionstraversant les membranes biologiques via les canaux ioniques.

• Le courant ionique ( ou ), exprimé en , ou , représente le "débit" des ions. Par convention, l'entrée de cations (, , ) est un courant négatif, tandis que leur sortie est un courant positif (l'inverse pour les anions ).

• Le potentiel électrique () représente la quantité de charges en un point. Le potentiel du milieu externe () est la référence, donc la différence de potentiel transmembranaire (, exprimé en ) est donnée par :

  où est le potentiel du milieu interne dela cellule.

Une cellule au repos est polarisée, avec un excès de charges négatives à l'intérieur, rendant négatif.

• Si le potentiel devient plus négatif, la cellule est hyperpolarisée.

• Si le potentiel devient plus positif, la cellule est dépolarisée.

La résistance membranaire ( ou ), exprimée en ou , s'oppose au passage des ions.La résistance membranaire spécifique (), en , est la résistance par unité de surface de membrane. Inversement, la conductance membranaire ( ou ), en , ou , facilite le passage des ions.

CONCLUSION

La maîtrise de ces principes électrophysiologiques permet de mesurerle champ électrique généré par de grandes populations de cellules synchronisées. Cela inclut le cœur (électrocardiogramme : ECG), les muscles (électromyogramme : EMG) ou le cerveau (électroencéphalogramme : EEG), au moyen d'électrodes de surface appliquées surla peau des patients.