Bioélectricité

6.1. Généralités

6.2. Genèse des potentiels transmembranaires

6.2.1. Potentiels de diffusion - Potentiels d'équilibre

6.2.2. Les transports électrogéniques

6.2.3. Potentiels composites

6.2.4. Valeurs et signe des différences de potentiel

6.1. Généralités

La bioélectricité cellulaire résulte de l'établissement d'une différence de potentiel électrique (DP) à travers la membrane plasmique. L'existence de ce potentiel est le résultat de processus physiologiques fondamentaux et doit être considérée comme un signe essentiel de l'intégrité fonctionnelle des cellules. Il est dû à des mouvements de charges résultant de l'activité du système de "pompes et fuites" défini dans la section précédente (voir 5.4.4). Comme nous l'avons signalé dans ce cadre, certains mouvements de transport de solutés chargés à travers les membranes peuvent engendrer un transfert net de charges génératrices d'un gradient de potentiel. Ils peuvent par ailleurs engendrer des gradients de concentration avec, pour résultante, des mouvements diffusionnels suivant les gradients de concentration établis ; ces mouvements étant eux-mêmes générateurs de potentiel.

Les solutés chargés qui nous intéressent tout particulièrement ici sont les trois ions inorganiques Na+, K+ et Cl- (figure 1-62) que nous avons qualifié de majoritaires dans la mesure où leur concentration est de très loin supérieure à celle de tout autre soluté chargé se trouvant dans les milieux extra ou intracellulaire (en moyenne de 50 à 1000 fois plus concentrés). Dans ces conditions, les activités (mouvements électrogéniques) impliquées dans la régulation de leurs concentrations sont largement supérieures à celles intervenant au niveau d'autres solutés chargés. Il est évidemment clair que les mouvements de ces derniers participent également au potentiel de membrane. Comme nous le verrons, une membrane peut développer un potentiel spécifique à un mouvement de Ca2+ ou de certains solutés organiques chargés par exemple. Ces phénomènes sont cependant de peu d'importance quantitative dans l'établissement du potentiel "de base" des membranes plasmiques. Ils n'interviendront de façon significative que dans des cas bien particuliers. On réfère encore souvent au potentiel de membrane "de base" sous le nom de potentiel de repos. On le distingue ainsi du potentiel que peut générer une activité particulière. Comme nous le verrons au chapitre 8 par exemple, l'activité des cellules nerveuses conduit à une variation particulière du potentiel de membrane appelée potentiel d'action. La dénomination de potentiel de repos vient en fait des études

d'électrophysiologie sur les prolongements axonaux des cellules nerveuses dans lesquels le potentiel de membrane au repos (potentiel de repos) est opposé au potentiel dit d'action engendré lors de leur activité générant une action comme par exemple une contraction musculaire (potentiel d'action - cfr. chapitre 8). L'électrophysiologie est maintenant largement sortie du cadre de la seule étude de l'activité des cellules nerveuses et on envisage plus généralement le potentiel de membrane et ses variations.

Figure 1-62 : Exemples de mécanismes pouvant intervenir dans la génération d'un potentiel membranaire en ne considérant que les 3 ions inorganiques Na+, K+ et Cl-.

Ils interviennent également, avec d’autres, dans la formation des gradients de concentration IN/OUT en ces 3 ions.

Sur base des études sur les prolongements axonaux des cellules nerveuses, on a longtemps considéré que les potentiels de membranes de nombreux types cellulaires étaient essentiellement dus à des phénomènes de diffusion d'ions. Les transporteurs électrogéniques n'intervenant que pour peu de choses (voir 6.2.2 ci-après). Il apparaît maintenant que le potentiel au niveau d'une membrane résulte également de l'activité des transporteurs électrogéniques qui y sont essentiellement exprimés. Ainsi, comme nous le verrons par la suite, s'il est clair que le potentiel au niveau des prolongements axonaux est largement en rapport avec l'activité de canaux ioniques et donc avec des phénomènes de diffusion d'ions, le potentiel au niveau de la face apicale des cellules d'un intestin d'insecte par exemple fera par contre largement intervenir l'activité de transporteurs électrogéniques (figure 1-76).

6.2. Genèse des potentiels transmembranaires

6.2.1. Potentiels de diffusion - Potentiels d'équilibreLes potentiels de diffusion sont dus à des mouvements diffusionnels d'ions suivant leur gradient de concentration. Considérons par exemple une membrane plasmique perméable au NaCl séparant deux compartiments contenant des solutions de ce sel telles que C1 > C2 (figure 1-63). Les deux compartiments sont électroneutres ; on y trouve en effet autant d'ions Na+ que d'ions Cl- constituant des dipôles dont les mouvements et les orientations, dues au hasard, vont annuler les effets électriques. Si nous envisageons maintenant la diffusion du NaCl à travers la membrane suivant son gradient de concentration (de 1 vers 2), 3 cas peuvent se présenter : 1) si les ions Na+ diffusent plus rapidement que les ions Cl-, il va y avoir orientation des dipôles dans la membrane, le Na+ passant devant et le Cl- suivant, ce qui va générer une différence de potentiel électrique, la face de la membrane tournée vers le compartiment 2 devenant positive par rapport à la face tournée vers le compartiment 1. 2) Si les ions Cl- diffusent plus rapidement que les ions Na+, le potentiel sera inversé, la face 2 étant négative par rapport à la face 1. 3) Si les deux ions migrent à la même vitesse, le potentiel sera évidemment nul.

Figure 1-63 : Le potentiel de membrane éventuellement engendré dans un système modèle comportant une membrane séparant 2 compartiments contenant des

concentrations en NaCl telles que C1 > C2. Le potentiel sera nul, positif en 2 ou négatif en 2 selon les conditions. Détails dans le texte.

Dans ce cas simple, la valeur du potentiel de membrane enregistré (Em) est donné par la formule de Nernst et est fonction de la concentration du NaCl dans les deux compartiments (C1 et C2) ainsi que de la mobilité respective des 2 ions (u pour le cation, v pour l'anion).

avec E1 et E2 représentant les différences de potentiel dues respectivement au cation et à l'anion, F : le Faraday et Z : la valence des ions considérés.

On voit donc que pour qu'un potentiel de diffusion apparaisse au niveau d'une membrane biologique, il faut : 1) qu'il existe un gradient de concentration de charges diffusibles de part et d'autre de la membrane et 2) que les électrolytes composant les solutions de part et d'autre de la membrane présentent dans cette membrane des mobilités diffusionnelles différentes. Dans la pratique biologique, on est souvent amené à considérer le potentiel de diffusion pour un seul ion, appelé potentiel d'équilibre parce qu'en fait il définit un équilibre entre la force développée par le gradient de concentration de l'ion le poussant dans un sens et la force développée par le potentiel engendré qui l'attire dans l'autre sens. Le système est donc à l'équilibre et il n'y a en définitive pas de déplacement net de charge. Dans ce cas, la formule de Nernst devient :

Le potentiel d'équilibre représente donc la valeur maximale du potentiel que pourrait donner un ion s'il pouvait migrer seul à travers une membrane en fonction de son gradient de concentration de part et d'autre de celle-ci. Il est clair qu'un ion ne migre jamais seul pour se retrouver isolé dans un compartiment qui ne pourrait dans ces conditions rester électroneutre. Par ailleurs, comme nous le verrons, les potentiels de membrane résultent généralement de mouvement de différents ions.

Si donc nous envisageons par exemple une cellule à 18°C avec un rapport de concentration en K+ de part et d'autre de la membrane (K in/Kout) égal à 20 : le potentiel d'équilibre au K+ sera de 75 mV, l'intérieur de la cellule étant négatif.

Au niveau cellulaire, le potentiel membranaire est généralement voisin du potentiel d'équilibre au K+ (figure 1-64). Une des premières tentatives d'explication du potentiel fut d'ailleurs basée par Bernstein sur l'idée que les cellules sont d'une part imperméables au Na+ et au Cl- et qu'elles sont d'autre part dans un équilibre de Donnan (voir 7.3) impliquant uniquement une distribution particulière du K+. On sait évidemment maintenant que la membrane cellulaire est perméable non seulement au K+ mais aussi à quantité d'autres solutés chargés, notamment au ions Na+ et au Cl-. Par ailleurs, si le potentiel membranaire est voisin du potentiel d'équilibre du K+ à haute concentration extérieure en cet ion, il n'en est pas de même à basse concentration (voir 6.2.3 ci-après).

   Figure 1-64 : Potentiels d'équilibre aux 3 ions majoritaires (ENa, EK,

ECl) et potentiel transmembranaire (Em) pour un axone géant de calmar.

Détails dans le texte.

Des processus autres qu'un potentiel de diffusion au K+ doivent donc être pris en considération pour expliquer le potentiel transmembranaire.

6.2.2. Les transports électrogéniquesComme nous l'avons déjà signalé dans la section précédente, l'activité de différents transporteurs est génératrice d'un déséquilibre de mouvement de charges et donc génératrice d'un potentiel. Il s'agit notamment des transporteurs actifs Na+/K+ et H+, des échangeurs 2Na+/H+ et 2H+/K+ ou des coporteurs Na+-glu, Na+-AA et K+-AA, etc… Mis à part le transporteur Na+/K+, exprimé au niveau de pratiquement tous les types cellulaires, il semble que les autres transporteurs ne soient exprimés de façon importante que dans certains cas. Dans ces cas, il est clair qu'ils doivent intervenir de façon non négligeable ; on manque toutefois actuellement d'estimations précises à ce sujet. Il semble en tout cas qu'au niveau des types cellulaires tels que cellules nerveuses et prolongements axonaux ou fibres musculaires squelettiques, la contribution directe de transporteurs électrogéniques au potentiel de membrane reste très faible, n'excédant jamais quelques %. Par exemple, des estimations aussi bien expérimentales que calculées faites dans les années 1970 amenaient la contribution du transport actif Na+/K+ au mieux à quelques 10 mV. Il ne faut évidemment pas en déduire que les systèmes de transport actifs électrogéniques (Na+/K+ et H+ATPases) n'interviennent que pour peu dans la bioélectricité cellulaire. En effet, on s'accorde généralement à penser à l'heure actuelle que c'est essentiellement à leur activité que l'on doit la génération des gradients de charges diffusibles. Il ne faudrait cependant pas perdre de vue dans ce cadre les interactions particulières entre ions et macromolécules intracellulaires qui pourraient jouer un rôle significatif dans l'établissement de ces gradients. Les cellules doivent en effet être vue comme des assemblages à très haute teneur en macromolécules entourées de couches d'eau, eau d'hydratation et eau vicinale, qu'elles structurent. Ces couches d'eau ont des propriétés particulières, différentes de celles de l'eau libre restant entre les macromolécules. Elles pourraient notamment rendre compte, partiellement du moins, par des phénomènes d'exclusion préférentielle, de la sélectivité du K+ par rapport au Na+ dans les milieux intracellulaires. Ce problème fondamental, posé depuis très longtemps, reste toujours sans solution.

6.2.3. Potentiels compositesEn fait, dans les systèmes cellulaires où les transports électrogéniques ne jouent qu'un rôle direct négligeable, le potentiel transmembranaire paraît essentiellement résulter de l'ensemble d'une série de potentiels de diffusion et c'est une équation qui fait intervenir les potentiels de diffusion au K+, au Na+ et au Cl- qui en donne la meilleure approximation. Cette équation, dite équation de Goldman, mais en fait dérivée par Hodgkin et Katz de la théorie des champs constants qu'il avait développée (Goldman : J. Gen. Physiol., 27, 37, 1943), fait intervenir les perméabilités (P) relatives aux ions majoritaires Na+ et Cl- par rapport à celle de l'ion K+ ainsi que les concentrations en ces ions de part et d'autre de la membrane.

La figure 1-65 donne des exemples d'évolution du potentiel pour des concentrations extérieures croissantes en K+ en fonction de différentes perméabilités relatives aux trois ions pour l'axone géant de calmar. Le potentiel transmembranaire est relativement bien défini par l'équation de Goldman en considérant les valeurs suivantes PK : 1, PNa : 0,04 et PCl : 0,045. Pour le sartorius de grenouille, les valeurs les plus représentatives sont PK : 1, PNa : 0,027; PCl : 0,023.

 

 Figure 1-65 : Variation de potentiel de

membrane au niveau d'un axone géant de calmar pour différentes concentrations en K+ du milieu

extérieur. Points expérimentaux effectivement mesurés ; évolution des

potentiels prévisibles sur base d'un potentiel d'équilibre au K+ (–––) ou suivant l'équation de Goldman en

considérant les perméabilités relatives mentionnées.

Trois remarques s'imposent ici : 1) Comme nous l'avons déjà signalé, la perméabilité aux ions inorganiques à travers les membranes biologiques est extrêmement basse, l'essentiel des mouvements de ces solutés étant géré par des mécanismes de transport. Cependant, comme nous le verrons par la suite (6.3.4), la quantité d'ions devant effectivement migrer pour rendre compte d'un potentiel de membrane est en fait extrêmement faible. Des perméabilités élevées ne sont donc pas nécessaires. 2) La perméabilité au Na+ est très basse par rapport à celle au K+ ; ce qui est à priori peu compatible avec l'échange 3Na+ sortants pour 2K+ entrants géré par la Na+/K+ATPase. Il faut se rappeler cependant que dans le cadre du système de "pompes et fuites" (voir 5.4.4 ci-avant), l'essentiel des mouvements entrants de Na+

n'est pas dû à des phénomènes diffusionnels mais à l'activité d'échangeurs pour la plupart électroneutres. Ces mouvements s'ajoutent aux mouvements diffusionnels pour rétablir l'équilibre d'échange. 3) L'équation de Goldman et ces dérivations en terme de courants induits par exemple ont été utilisées avec succès dans le cadre de l'étude des fondements des phénomènes bioélectriques au niveau des tissus dits excitables (axones, fibres de muscles rapides : voir chapitre 8). Les tentatives d'application à des épithélia transporteurs faisant intervenir, à côté de canaux ioniques, différents transporteurs électrogéniques se sont jusqu'à présent révélées peu fructueuses et cette approche n'est plus guère utilisée à ce niveau.

6.2.4. Valeurs et signe des différences de potentielPar convention, dans les systèmes cellulaires, le signe donné à la différence de potentiel est celui du compartiment intracellulaire. En ce qui concerne les épithélia, le signe donné est généralement celui de la face séreuse ou basale (côte système circulatoire).

Au niveau des cellules isolées, le milieu intracellulaire est, en condition de "repos", négatif par rapport au milieu extérieur. Il est pour l'essentiel fonction du sens et de l'importance des mouvements diffusionnels des 3 ions majoritaires suivant leurs gradients de concentration (figure 1-66A). Au niveau des épithélia, le signe donné au potentiel transépithélial (face séreuse) sera fonction de l'importance des potentiels transmembranaires établis au niveau des 2 faces de l'épithélium ; suivant les cas, le potentiel peut donc être IN positif, IN négatif ou être pratiquement nul lorsque les potentiels aux 2 faces s'équilibrent. C'est par exemple le cas au niveau de l'épithélium intestinal de tortue. Ainsi, si l'on peut affirmer que, en général, la présence d'un potentiel au niveau de la membrane d'une cellule est un signe important de son intégrité physiologique, ce n'est pas nécessairement le cas au niveau des épithélia (figure 1-66B, C et D).

Figure 1-66 : Signe de la différence de potentiel. Au niveau de cellules isolées (A), il parait être essentiellement fonction du sens et de l'importance des mouvements

diffusionnels de K+, Na+ et Cl- (les chiffres sont relatifs aux concentrations moyennes de ces ions dans des cellules de vertébrés ; ils sont donnés à titre indicatif -

l'importance du mouvement est donné par la grosseur des flèches ; il est fonction des perméabilités relatives et de l'importance des gradients de concentration). Au niveau des épithélia (B, C et D), il est fonction des potentiels établis à la face apicale et à la face basale ; eux-mêmes fonction de l'importance des mouvements diffusionnels et de l'activité des transporteurs électrogéniques. La figure B donne deux exemples

d'épithélia transporteur de NaCl (branchie de crabe et peau de grenouille). Le potentiel transépithélial sera positif (branchie) ou négatif (peau de grenouille) en

fonction de l'importance relative de l'activité du système de transport actif Na+/K+ -

diffusion de K+ et diffusion de Cl- à la face basale (côté IN) et de l'activité du système transport actif de H+ - diffusion de Na+ à la face apicale (côté OUT). C : Au niveau de l'intestin des insectes où la Na+/K+ATPase est peu ou pas exprimée, le potentiel est négatif, paraissant essentiellement dû à l'activité d'un transport actif de H+ à la face

apicale des cellules sécrétrices de K+. Dans ce système, de nombreuses composantes du potentiel global restent obscures (Martin et Harvey, J. Exp. Biol.,

196, 77, 1994). Il est néanmoins clair qu'ici, comme dans le cas de la peau de grenouille ou des branchies de poissons, différents types cellulaires participent à

l'établissement de potentiel transépithélial total. D : Au niveau de l'anse de Henley où l'entrée de NaCl est essentiellement liée à l'activité d'un cotransporteur électroneutre Na+-K+-2Cl-, le potentiel est positif, dû essentiellement au système de pompe et fuite

de la face basale (cfr. Modèles section 5.4.4).

Les valeurs du potentiel seront, dans le cas des cellules isolées, essentiellement fonction de l'importance des mouvements des 3 ions majoritaires (équation de Goldman - 6.2.3 ci-avant) et, dans le cas des épithélia, de l'activité des systèmes spécifiquement exprimés aux deux faces de celui-ci.

Le potentiel au niveau des membranes plasmiques de cellules isolées varie en général de -30 à -100 mV. Ce qui, compte tenu de l'épaisseur des membranes (±100 Å), représente des gradients de voltage de l'ordre de 30.000 à 100.000 volts/cm ! Les membranes sont donc soumises à des champs électriques considérables et qui semblent devoir jouer un rôle essentiel dans le contrôle des interactions moléculaires déterminant les caractéristiques membranaires dans différentes conditions (probabilité d'ouverture des canaux potentiel-dépendants par exemple). Ces interactions sont déterminantes dans le cas d'activité comme le potentiel d'action, la transmission synaptique (voir chapitre 8) ou l'initiation de la contraction musculaire (voir chapitre 7). Comment une variation de potentiel peut déterminer l'ouverture d'un canal ionique par exemple reste malheureusement fort mal compris à ce jour.