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Potentiel d’action

LycéeBiologieModèle de Hodgkin-Huxley de l’axone géant du calmar : courants sodiques, potassiques et de fuite à travers les canaux voltage-dépendants

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À propos de cette expérience

Chaque pensée et chaque battement de cœur repose sur des potentiels d’action : de brèves pointes de tension qui parcourent à toute vitesse les cellules nerveuses et musculaires. Au repos, l’intérieur d’un neurone est environ 65 mV plus négatif que l’extérieur. Une faible stimulation ne produit presque aucun effet, mais dès que la tension dépasse un seuil, les canaux sodiques s’ouvrent brusquement, le sodium afflue et l’intérieur devient positif pendant une milliseconde, avant que les canaux potassiques ne rétablissent son état initial. Stimulez l’axone géant du calmar étudié par Hodgkin et Huxley, trouvez le seuil, examinez la période réfractaire et bloquez les canaux à l’aide de toxines.

Objectifs pédagogiques

  • Décrivez le potentiel de repos et les variations de tension pendant un potentiel d’action
  • Expliquez la dépolarisation et la repolarisation en termes de canaux sodiques et potassiques
  • Expliquez le caractère tout ou rien du potentiel d’action et la notion de seuil
  • Expliquez la période réfractaire et pourquoi elle fait que les impulsions se propagent dans un seul sens
  • Prédisez l’effet des médicaments et des toxines qui bloquent les canaux ioniques

Comment l’utiliser

  1. 1Appuyez sur « En dessous du seuil », puis sur « Juste au-dessus du seuil ». Comparez les deux courbes. Y a-t-il un potentiel d’action de moitié moins important ?
  2. 2Augmentez le courant de stimulation de 8 à 30 µA/cm². Le potentiel d’action devient-il plus grand ?
  3. 3Réglez le graphique du bas sur « Conductances ». Quels canaux s’ouvrent en premier, ceux du sodium ou ceux du potassium ? Lesquels se ferment en premier ?
  4. 4Appuyez sur « Deux impulsions rapides ». Pourquoi la deuxième impulsion ne déclenche-t-elle pas de potentiel d’action ? Augmentez l’intervalle entre les impulsions jusqu’à ce qu’elle en déclenche un.
  5. 5Bloquez les canaux sodiques étape par étape. À partir de quel moment les potentiels d’action cessent-ils de se produire ?
  6. 6Bloquez plutôt les canaux potassiques. Comment la forme du potentiel d’action change-t-elle ?

Le modèle

Équation de Hodgkin-Huxley pour le potentiel de membrane
Chaque porte s’ouvre et se ferme à des vitesses qui dépendent du voltage (même forme pour h et n)
Équation de Nernst pour le potentiel d’équilibre de chaque ion

Hypothèses

  • Une petite portion de membrane de l’axone géant du calmar à 6,3 °C, avec les équations de vitesse originales de 1952 décalées de façon à ce que le potentiel de repos soit de −65 mV.
  • E_Na = +50 mV et E_K = -77 mV. Les concentrations ioniques ne changent pas au cours de quelques potentiels d’action.
  • Les équations sont résolues à l’aide d’une méthode de Runge-Kutta du quatrième ordre, avec des pas de 0,01 ms. Le patch est uniforme, donc l’influx ne se propage pas le long d’un axone ici.
  • Bloquer une fraction des canaux réduit la conductance maximale de la même fraction, comme le font la TTX et le TEA.

À essayer en classe

  1. Q1Expliquez pourquoi l’intérieur de la membrane devient positif au pic du potentiel d’action.
  2. Q2Pourquoi le pic ne peut-il jamais dépasser E_Na ?
  3. Q3Pourquoi un stimulus plus fort ne produit-il pas un potentiel d’action plus grand ? Comment le système nerveux code-t-il plutôt un stimulus plus fort ?
  4. Q4Pendant la période réfractaire absolue, aucun stimulus ne peut déclencher un nouveau potentiel d’action. Quelle porte en est responsable ?
  5. Q5Les poissons-globes contiennent de la tétrodotoxine (TTX). Expliquez pourquoi manger un poisson-globe mal préparé peut empêcher une personne de respirer.

Foire aux questions

Que signifient m, h et n ?

Ils représentent la proportion de portes ouvertes. m est la porte d’activation rapide du canal sodique, h sa porte d’inactivation plus lente et n la porte d’activation du canal potassique. Un canal sodique ne conduit que lorsque ses trois portes m sont ouvertes et que sa porte h n’est pas fermée.

Pourquoi les calmars ?

L’axone géant du calmar peut atteindre 1 mm de diamètre, suffisamment large pour que Hodgkin et Huxley puissent y introduire un fil dans les années 1940. Leurs mesures leur ont valu le prix Nobel en 1963, et leurs équations restent aujourd’hui fondamentales en neurosciences.

Pourquoi la tension descend-elle sous le potentiel de repos après le pic ?

Les canaux potassiques se ferment lentement : pendant quelques millisecondes, ils sont plus nombreux à être ouverts qu’au repos. La tension se rapproche de E_K, qui est plus négatif que le potentiel de repos. Cette baisse en dessous du potentiel de repos s’appelle l’hyperpolarisation.