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Canaux de fuite
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Les canaux ioniques de fuite, plus simplement appelés canaux de fuite ou canaux passifs, représentent le type de canal ionique le plus simple présent dans les cellules. Ils sont essentiels à la formation de la différence de potentiel membranaire. Contrairement aux autres canaux ioniques, les canaux de fuite ne sont pas fermés et restent continuellement ouverts, quels que soient les stimuli externes. Cette ouverture perpétuelle permet à des ions tels que K+, Na+, et Cl- de se déplacer par diffusion à travers la membrane en fonction de leurs gradients électrochimiques respectifs, assurant un flux constant d'ions.
| Définition | Les canaux de fuite sont des canaux ioniques non fermés de la membrane cellulaire qui restent constamment ouverts. Ils sont hautement sélectifs et permettent le passage d'ions spécifiques. |
| Types de canaux de fuite |
Les principaux types de canaux de fuite dans le système nerveux central (SNC) humain : |
| Gradient électrochimique |
Les ions passent par des canaux de fuite suivant le : - gradient chimique, qui fait passer les ions d'une concentration plus élevée à une concentration plus faible, et le - gradient électrique, qui fait que les ions se déplacent vers la charge électrique opposée |
| Potentiels dépendant des canaux de fuite |
Potentiel d'équilibre
Potentiel de repos membranaire |
- Principaux types de canaux de fuite des neurones
- Le gradient électrochimique
- Le potentiel d'équilibre des ions
- Les canaux de fuite, la pompe Na+/K+ et les pompes à ions dictent le potentiel de repos neuronal
- Sources
Principaux types de canaux de fuite des neurones
Les canaux de fuite ne sont pas fermés et restent constamment ouverts, mais ils sont très spécifiques, chacun ne laissant passer qu'un seul type d'ion particulier. Les types de canaux de fuite suivants se trouvent dans le système nerveux central (SNC) humain :
- Canaux potassiques de fuite (K+)
- Canaux sodiques de fuite (Na+)
- Canaux chlorures de fuite (Cl-)
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Le gradient électrochimique
Les différentes cellules du système nerveux humain présentent une distribution variable de canaux de fuite sur leur membrane. Par exemple, dans la plupart des cellules gliales, la grande majorité est constituée de canaux de fuite potassiques. En revanche, les neurones contiennent un nombre significatif de canaux de fuite sodiques et potassiques, tandis que les canaux chlorure se trouvent dans des types spécifiques de neurones. Chacune de ces cellules maintient une différence de potentiel spécifique. Chaque fois qu'un potentiel gradué ou un potentiel d'action dépolarise ou hyperpolarise une partie de la membrane d'un neurone, les canaux de fuite servent de voie de passage aux ions pour repolariser la membrane.
Au repos, le liquide extracellulaire contient une concentration plus élevée de Na+ et Cl-, tandis que le cytoplasme présente une concentration plus élevée en K+ et des anions organiques, tels que les protéines et les acides aminés. Les ions peuvent traverser les canaux de fuite en suivant leur gradient électrochimique. Le gradient électrochimique résulte de deux gradients : le gradient chimique, qui fait passer les ions d'une concentration plus élevée à une concentration plus faible, et le gradient électrique, qui fait passer les ions vers la charge électrique opposée.
Le potentiel d'équilibre des ions
Pour comprendre l'équilibre dynamique entre les gradients électriques et chimiques agissant sur les ions, examinons d'abord ce qui se passe lorsqu'une cellule ne possède qu'un seul type de canal de fuite. Nous explorerons ensuite la situation avec deux ou plusieurs types de canaux de fuite.
Cellules dotées d’un seul type de canaux de fuite
Dans le cas des cellules dotées d’un seul type de canaux de fuite, comme les cellules gliales avec canaux de fuite potassiques, lorsqu'une partie de la membrane est dépolarisée, le parcours des ions K+ est le suivant :
- Au départ, les ions K+ se déplacent vers la concentration la plus faible, c'est-à-dire à l'extérieur de la cellule, en suivant le gradient de concentration chimique.
- Les ions K+, chargés positivement, rendent progressivement la face extracellulaire de la membrane plus positive, tandis que la charge électrique de la face intracellulaire devient de plus en plus négative. Par conséquent, la différence de potentiel revient à son état précédent, plus négatif.
- À un certain moment, lorsque le liquide extracellulaire devient suffisamment positif et que le cytoplasme devient suffisamment négatif, le gradient électrique pousse les ions dans la direction opposée au gradient chimique, dans la cellule. Ainsi, il y a deux gradients opposés agissant sur les ions K+.
- Finalement, un équilibre dynamique est atteint là où, pour chaque ion potassium sortant de la cellule, un autre ion K+ pénètre dans la cellule. À ce point d'équilibre, la différence de potentiel atteint un niveau stable appelé « potentiel d'équilibre de l’ion K+ », souvent noté (EK).
Cellules dotées de deux types de canaux de fuite ou plus
Contrairement aux cellules gliales, la plupart des neurones du SNC possèdent à la fois des canaux de fuite K+ et Na+ qui contribuent à la régulation du potentiel de repos :
- Les gradients chimiques et électriques entraînent le transfert d’ions Na+ vers le cytoplasme, avec un potentiel d'équilibre pour Na+ de (ENa) = +55 mV.
- Pour les ions K+, les gradients chimiques et électriques des ions sont opposés et finissent par déplacer les ions hors de la cellule vers le liquide extracellulaire, avec un potentiel d'équilibre pour K+ de (EK) = -75 mV.
- L'équilibre dynamique qui en résulte dépend à la fois des mouvements des ions K+ et Na+. Le potentiel de repos du neurone, influencé par les canaux ioniques de fuite, présente deux propriétés clés :
- Il se situe entre (EK) et (ENa).
- Il tend à s'aligner plus étroitement avec le potentiel d'équilibre de l'ion pour lequel la membrane présente une perméabilité plus élevée, généralement déterminée par le nombre de canaux ioniques de fuite. Étant donné que les neurones ont généralement plus de canaux de fuite potassiques que de canaux sodiques, le potentiel de repos est plus proche de (EK) que de (ENa).
Le même principe s'applique lorsque les trois ions (K+, Na+, et Cl-) interviennent, et le potentiel de repos se situe entre les potentiels d'équilibre des trois ions. Les anions organiques ne participent pas à ce processus, car ils sont incapables de traverser la membrane cellulaire. Leur présence contribue au maintien d'une charge négative constante à l'intérieur de la cellule, mais n'influence pas directement le potentiel de repos.
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Les canaux de fuite, la pompe Na+/K+ et les pompes à ions dictent le potentiel de repos neuronal
Dans un neurone réel, le potentiel de membrane au repos est maintenu principalement par un flux d'ions passif à travers des canaux de fuite ; le transport actif des ions par la pompe sodium/potassium contribuant à restaurer les gradients ioniques. Voici comment ces mécanismes fonctionnent ensemble :
- Canaux de fuite : Les ions Na+ diffusent passivement dans le neurone et les ions K+ diffusent hors du neurone par leurs canaux de fuite respectifs. Ce mouvement passif des ions à travers la membrane perturbe progressivement les gradients électrochimiques, éloignant le potentiel membranaire de sa valeur de repos.
- Pompe sodium/potassium : Pour contrebalancer le flux passif d'ions, la pompe Na+/K+ transporte activement 3 ions Na+ hors de la cellule et 2 ions K+ dans la cellule grâce à l'ATP. Ce transport actif agit contre les gradients électrochimiques, contribuant ainsi à maintenir les concentrations intracellulaires de Na+ et K+ adéquates. Bien que la pompe fonctionne plus lentement que les canaux ioniques, sa fonction est essentielle pour réinitialiser et préserver le potentiel de repos de la membrane après les fluctuations dues au mouvement des ions.
- Transport des ions chlorure : Contrairement au Na+ et au K+, les ions Cl- sont principalement régulés par des cotransporteurs comme le cotransporteur Na-K-Cl et le cotransporteur K-Cl. Ces cotransporteurs utilisent l'énergie du mouvement du Na+ et du K+ pour maintenir l’équilibre du Cl- en déplaçant les ions Cl- vers ou hors de la cellule, selon les besoins du neurone. L'équilibre du chlorure contribue à stabiliser le potentiel membranaire mais n'implique pas de consommation directe d'ATP comme ce serait le cas avec la pompe sodium/potassium.
Ensemble, ces mécanismes – le mouvement passif des ions à travers les canaux de fuite, le transport actif par la pompe Na+/K+ et les cotransporteurs d’ions tels que le Cl- – assurent que le neurone maintient un potentiel de membrane de repos stable. Cet équilibre dynamique empêche la cellule de trop s'éloigner de son potentiel de repos et garantit que le neurone est prêt à répondre aux signaux.
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Kim Bengochea, Université Regis, Denver
