Potentiel électrochimique de membrane - Définition

Introduction

Toute cellule biologique est entourée d'une membrane. Cette membrane, constituée d'une bicouche lipidique phospholipidique et de protéines insérées, est relativement imperméable aux molecules polaires telles que l'eau et aux espèces chargées telles que les ions. Elle présente une grande résistance électrique. Grâce à ces propriétés, elles sépare en deux compartiments étanches l'intérieur de la cellule, le cytoplasme, de l'extérieur de la cellule, le milieu extracellulaire. De par l'activité permanente des protéines membranaires, la composition ionique de ces deux compartiments est différente. C'est pourquoi il existe, pour chacun des composés ioniques dont la concentration est différente, un potentiel électrochimique.

Équation de Nernst : Potentiel électrochimique pour chaque composé ionique

Soient deux compartiments de même volume contenant de l'eau pure et séparés par une membrane poreuse. Dans le compartiment A, on dissous une quantité de sel de cuisine (NaCl) et on laisse le compartiment B inchangé. Le sel se dissocie entièrement en Na⁺ et Cl^- dans le compartiment A. La première loi de diffusion de Fick prédit qu'un flux de Na⁺ et Cl^- va avoir lieu depuis le compartiment A vers le compartiment B jusqu’à équilibration des concentrations en Na⁺ et Cl^- dans les deux compartiments. Afin de fixer les idées, si on introduit 1 mole de NaCl dans le compartiment A, à l'équilibre, il y aura 0.5 mole de NaCl dans chaque compartiment. Il s'agit du principe fondamental de la dialyse effectuée sur les insuffisants rénaux.

Supposons maintenant que la membrane ait des pores qui ne laissent passer que les ions Na⁺. On réitere l'expérience. On constate alors que la concentration en sel du compartiment B reste nulle. Si on place une électrode de mesure dans chaque compartiment, on remarque qu'une différence de potentiel entre le compartiment A et le compartiment B s'est établie. L'explication est la suivante : Les ions Na⁺ diffusent de A vers B. Au niveau de la membrane, les ions Na⁺ traversent, mais pas les ions Cl^-. Une accumulation de charge négatives (Cl^-) se fera du côté A et une accumulation de charges positives (Na⁺) se fera du côté B. Le champ électrique créé par cette séparation de charge s'oppose à toute sortie supplémentaire d'ions Na⁺. En fait, la diffusion continue mais elle est compensée exactement par une migration imposée par le champ électrique, il s'agit d'un équilibre dynamique. La valeur de la différence de potentiel entre les compartiments A et B est donnée par l'équation de Nernst.

où :

• E_i est le potentiel électrique du compartiment i
• [I]_i la concentration de l'espèce perméante I du compartiment i (dans notre exemple Na⁺)
• R la constante des gaz parfaits
• T la température en kelvin
• z la charge de l'ion perméant (avec le signe)
• F la constante de Faraday
  • (F = 96 485 C.mol^-1 = N e où N est le nombre d'Avogadro et e la charge élémentaire de l'électron)
• ln le logarithme népérien.

Pour l'équation de Nernst telle qu'utilisée en électrochimie, voir Équation de Nernst.

Théories des cables : propagation de potentiel le long de la membrane

L'axone du neurone est un prolongement cellulaire comportant des canaux ioniques en grande quantité. L'activité des canaux est responsable de la propagation de l'influx nerveux.

L'équivalent électrique de l'axone est une juxtaposition parallèle d'équivalents électriques reliés entre eux par une résistance longitudinale.

Propagation simple

Propagation saltatoire

La propagation saltatoire est due à l'existence,autour de certains axones, d'une gaine de myéline: Cette dernière permet une propagation beaucoup plus rapide des Potentiels d'action.