BICH 4943 Thèmes choisis en biochimie

BICH 4943Thèmes choisis en biochimie Mécanismes moléculaires de la conduction nerveuse PRINCIPES GENERAUX Conduction nerveuse

Cone axonal { int/gration des signaux venant de plusieurs dentrites • Volatage-gated nomm/s d[apres la s/elctivit/ • Lignand gated: d[apres le ligand: recepteur Conduction nerveuse

BICH 4943Thèmes choisis en biochimie Mécanismes moléculaires de la conduction nerveuse Structure des neurones Conduction nerveuse

Schéma d'une neurone typique Conduction nerveuse

Exemples de divers types de neurones Conduction nerveuse

Gaine de myéline Enroulement autour de l'axone Membrane riche en myéline Isole l'axone Nœuds de Ranvier: petits espaces libres entre deux cell Schwann Conduction nerveuse

Synapse Espace entre bouton synaptique d'une axone (présynaptique) et (généralement) celui d'une dendrite (post-synaptique) Transmission d'un signal chimique qui propage le signal électrique de l'axone vers la dendrite Conduction nerveuse

Réseau de neurones Signaux peuvent s’additionner se soustraire, se moduler, etc. Propagation du signal peut se faire entre plusieurs neurones avec série de transmission électriques (dans les neurones) et chimiques (entre les neurones) Conduction nerveuse

Corps neuronal contient l'essentel des organites • Noyau • Mitochondries • Réticulum endoplasmique • Golgi • Axones sont enrichis en filaments du cytosquelette • Microtubules • Boutons synaptiques sont enrichis • Vésicules de sécrétion • Qq mitochondries Conduction nerveuse

BICH 4943Thèmes choisis en biochimie Mécanismes moléculaires de la conduction nerveuse Potentiel membranaire Conduction nerveuse

Membrane et gradient électrochimique • Membrane biologique imperméable aux ions • Canaux de transport spécialisés (ouverts ou fermés) • difusion des ions de part et d'autre de la membrane • Gradient chimique: ∆ de concentration • Gradient électrique: attraction des charges • Charges diffusibles vs non diffusibles Conduction nerveuse

Gradient eléctrochimique • Il y a déplacement • (si canaux ouverts) • jusqu'à ce que • potentiel chimique • = • potentiel électrique • => équilibre Conduction nerveuse

Potentiel d'équilibre ou de repos (d'un ion) • Potentiel où il y a équilibre d'un ion de part et d'autre de la membrane: f0 • pas de déplacement net • Donné en mV (généralement) • f0 Na= + 60, f0 K= - 80 • Équation de Nerst: calcul du potentiel d'un ion Conduction nerveuse

Si pour un ion donné dans des conditions données • > 0 => tendance à entrer dans la cellule • < 0 => tendance à sortir de la celllule Situation hypothétique car il y a plus d’un ion dans une cellule En pratique il faudrait se baser sur le potentiel de repos de la membrane Conduction nerveuse

Concentrations ioniques typiques d'une cellule Conduction nerveuse

Potentiel membranaire de repos (Y0) • Potentiel stable de la membrane qui existe quand tous les canaux ioniques sont fermés • Pas de mouvements ioniques sgnificatifs • Maintenu par Na-K ATPase ("pompe à Na-K) • Différents de tous les potentiels d'équilibre de tous les ions • Déterminé par • potentiels d'équilibre de tous les ions • Présence des ions non diffusibles • Normalement négatif (autour de - 60 mV) Conduction nerveuse

Calcul du potentiel de repos d'une cellule • Equation de Goldman • Somme pondérée des fde chaque ion diffusible • Au potentiel membranaire de repos ( Y0 = - 60) • Na+ (fNa = + 60) tend à entrer dans la cell • K+ (fK = -80) tend à sortir de la cell Conduction nerveuse

Dépolarisation et hyperpolarisation • Changements subis de Y causés par entrée ou sortie massive d'ion dans la cellule • Y0 => Y typique des nouvelles [ ] ioniques • calculable avec équation Goldman • Dépolarisation: Y est plus positif ou moins négatif - 60 mV => - 20 ou +15 • Hyperpolarisation Y est plus négatif ou moins positif: - 60 mV => - 80 Conduction nerveuse

Cas du Na dans une cell normale • Na = + 60 mV tend à entrer cell si ouverture des canaux Na => entrée massive de Na dans la cell • passe à des valeurs plus élevées que 0 • -> …..- 20 -> + 60 (max.) dépolarisation Conduction nerveuse

Cas du K dans une cell normale • K = - 80 mV tend à sortir cell • si ouverture des canaux K => sortie massive de K de la cell, Y passe à valeurs plus basses que Y0 • -> 80 mV (max.) hyperpolarisation Conduction nerveuse

BICH 4943Thèmes choisis en biochimie Mécanismes moléculaires de la conduction nerveuse Canaux ioniques Conduction nerveuse

Canaux ioniques • Structures transmembranaires pouvant laisser passer un ion par un pore (tunnel) interne selon • Selon gradient électrochimique (Y et ) Spécificité: ex. cation monovalent sélectivité: ex. Na vs K Conduction nerveuse

Signal d'ouverture • Différents signaux déclenchent l'ouverture • Canaux voltaïques (potentiel-dépendants) • Y • Transmission électrique (neurone) • Canaux ligand-dépendants • Substance chimique du milieu extra-cell. (neurotransmetteur) • Transmission chimique (synapse) • Autres Conduction nerveuse

Canaux voltaïques • Spécifiques très • sélectifs : très • taille des ion (avec/sans coquille d'hydratation) • Inhibiteurs: bloque canal en configuration O, F ou R • Nom: canal à <ion transporté> Conduction nerveuse

Cycle d'un canal voltaïque • Fermé (F) : aucun passage d'ion • Peut être ouvert si Y est atteint • Ouvert (O): passage ion • Réfractaire (inactif) ( R): aucun passage d'ion • Ne peut s’ouvrir même si Y est atteint • Retour à F après un certain temps Conduction nerveuse

Structure générale • Tunnel interne • Passage des ions: • Sélectivité par taille • Détecteur de voltage + barriere • Mouvement de charges induit par dépolarisation membranaire => changement conformationel • Pas nécessairement de seuil d'ouverture précis • Bouchon d'inactivation (état réfractaire) Conduction nerveuse

Exemples de canaux voltaïques • Canal à Na+: dépolarisation • -> potentiel d'action? • Canal à K+: hyperpolarisation • retour a la normale • Canal à Cl-: • Inhition/régulation du signal • Canal à Ca2+ • Relargage des neurotransmetteurs Conduction nerveuse

Canaux ligand-dépendants • Spécifiques tres • sélectifs : plus ou moins • Cycle: généralement pas • Ouverture: liaison du ligand sur un site extracellulaire • Nom: récepteur du <ligand> Conduction nerveuse

Agonistes et antagonistes • analogues structuraux du ligand • Affinité pour le site liaison > ligand • Agoniste: se lie sur le site et l'active • Antagoniste: se lie sur le site mais ne l'active pas • Ligand/agoniste ne peut se lier • Force ouverture ou bloque ouverture du canal Conduction nerveuse

Exemple de canaux ligand-dépendant • Récepteur acétylcholine (nicotinique) • Récepteur GABA (g-aminobutyrate) • Récepteur du glutamate Conduction nerveuse

Etudes des canaux • Dispositifs pour mesurer la polarisation des cellules et le fonctionnement des canaux • Micro-électrodes Conduction nerveuse

Micro électrode simple • Mesure les potentiels membranaires selon les situations • Changer milieu externe • Effet ligand • inhibiteurs Conduction nerveuse

Clampage de zone (Patch clamp) • Electrode = micropipette • Fixe potentiel à un niveau • Maintien potentiel par compensation avec électrons (courrant) • Mesure du courant prop. Mouvements des ions • Mesure entree/sortie ion • Entrée cations/sortie d'anions => entrée e- • Entrée anions/sortie cations => sortie e- Conduction nerveuse

Labo avec système de clamplage • Microscope • Table anti-vibration • Ordi • Potentiomètre • Micromanipulateur • Syst. optiques Conduction nerveuse

Diagramme d'un montage de base • Contrôler • composition • milieu • d'incubation Conduction nerveuse

Patch clamp d'un neurone Conduction nerveuse

Variantes d'isolement de zones Conduction nerveuse

Cellule entiere • Changer milieu extracellulaire • Effet indirect produits dans le milieu extracell. Conduction nerveuse

Zone renversée • "intside-out" • traction • Effet produits intracell. Conduction nerveuse

Zone normale • "outside-out" • Traction + succion • Fermeture de la zone • Membrane se reforme • Effet produits millieu • extracell Conduction nerveuse

Exemple d'enregistrement obtenu • Etude canal a Na a - 60 mV • 1 pA durant environ 1 msec • Presque 10,000 ions Na durant 1 msec Conduction nerveuse

Exemple d'expérimentation • Montage • Pipette de clampage: NaCl, pas de Cl dans milieu intracell. • Clampée à -45 mV • Quelques ouvertures du canal et courant positif • Si pipette de clampage: KCl • Aucun courant => slnt Na passe par ce canal Conduction nerveuse

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