Explorer le monde intracellulaire

Auteur contributif : Dr Steve Andre (Physiologiste musculaire)

Toutes les cellules vivantes maintiennent une différence de charge électrique entre les solutions situées à l’intérieur et à l’extérieur des membranes cellulaires. La différence de tension à travers la membrane cellulaire est généralement à un niveau stable appelé potentiel de membrane au repos. Le potentiel de membrane au repos est produit par la distribution différentielle des ions de part et d’autre de la membrane. Dans les fibres musculaires, la concentration de potassium à l’intérieur de la cellule est plus de 50 fois supérieure à la concentration de cet ion dans le liquide extracellulaire. En revanche, la concentration de sodium est 10 fois plus élevée à l’extérieur de la membrane qu’à l’intérieur. Le gradient de concentration du potassium est plus important et dans la direction opposée à celui du sodium. Les concentrations ioniques sont régies par trois facteurs :

Pompe sodium-potassium
Vitesses relatives de diffusion de ces ions selon les gradients de concentration
Attraction et répulsion des charges opposées et similaires

Pompe Sodium/Potassium

La pompe sodium-potassium déplace activement le sodium hors de la cellule et le potassium dans la cellule. La cellule contient naturellement plus de K⁺ à l’intérieur et de Na⁺ à l’extérieur. La pompe établit et maintient les gradients de concentration de ces deux ions à travers la membrane cellulaire. Ces gradients de concentration forment une batterie ionique à travers la membrane, et la pompe sodium-potassium maintient cette batterie chargée. Pour voir une animation de ce processus, consultez :

Le potentiel de membrane au repos, qui varie entre -50 et -90 mV dans la plupart des cellules, résulte de la diffusion du potassium. En raison de son important gradient de concentration, le potassium diffuse plus rapidement à travers la membrane que tout autre ion. Lorsque le potassium diffuse hors d’une cellule :

Des charges négatives excessives apparaissent à l’intérieur de la cellule
Les ions potassium extracellulaires attirent les ions négatifs à les suivre
Les ions potassium extracellulaires repoussent les ions positifs à l’extérieur vers l’intérieur de la cellule.

Comme ces autres ions ont des perméabilités relativement faibles, ils ne se déplacent pas aussi rapidement que les ions potassium. Par conséquent, ces autres ions n’ont qu’un faible effet sur la neutralisation du potentiel négatif à l’intérieur de la cellule. Le mouvement net du potassium est également limité par la différence de potentiel qui se crée entre l’intérieur et l’extérieur de la cellule. La négativité à l’intérieur de la cellule retient les ions potassium positifs. À l’équilibre, un ion potassium est poussé hors de la cellule par une force chimique (gradient de concentration) qui a la même intensité que la force électrique (potentiel négatif) qui attire l’ion vers l’intérieur de la cellule. Le potentiel de membrane dépend des concentrations des différents ions de part et d’autre de la membrane ainsi que de la perméabilité relative de la membrane à ces ions.

Microélectrodes en verre

Les potentiels de membrane au repos, d’action, récepteurs lents et synaptiques sont mesurés avec un électromètre intracellulaire tel que le Duo773 de WPI, utilisant des micropipettes en verre à pointe fine remplies de liquide, appelées microélectrodes.

Amplificateur de microélectrode

Il est crucial que l’impédance de la cellule, de la microélectrode et de l’amplificateur soit correctement adaptée. Sinon, le signal peut être perdu. Pour préserver l’amplitude du signal, un amplificateur DC à haute impédance, appelé électromètre intracellulaire ou amplificateur de microélectrode, comme le Duo773 de WPI, est utilisé dans le circuit entre la microélectrode et l’unité d’enregistrement.

Ce type d’amplificateur adapte l’impédance de la microélectrode à l’impédance d’entrée de l’unité d’enregistrement via un circuit appelé suiveur de tension. Les électromètres ont généralement des impédances d’entrée égales ou supérieures à 10¹⁰ Ω. En règle générale, l’impédance d’entrée d’un électromètre doit être au moins 100 fois supérieure à l’impédance de la microélectrode utilisée pour l’enregistrement. La petite surface transversale de la pointe de la microélectrode réduit considérablement le flux de courant à travers l’électrode. On dit donc que ce type d’électrode a une impédance élevée. Cela signifie que mesurer les potentiels de cellules plus petites avec des microélectrodes à pointes plus fines et impédances plus élevées nécessite l’utilisation d’électromètres avec des impédances d’entrée plus élevées.

En plus d’avoir des impédances d’entrée élevées, les électromètres ont des impédances de sortie faibles qui correspondent mieux aux faibles impédances d’entrée des unités d’enregistrement. Cela signifie que les amplitudes réelles des potentiels de membrane enregistrés avec des électromètres sont les amplitudes affichées par les enregistreurs. Comme ces signaux nécessitent peu ou pas d’amplification, les électromètres n’ont besoin que de gains de sortie de X1 ou X10.

Pour les potentiels d’action au repos normaux (–50 à –90 mV), utilisez un gain X1. Pour les potentiels synaptiques, qui se situent généralement dans la plage de 5 à 10 mV, utilisez un gain X10.

REMARQUE : Les électromètres captent moins facilement le bruit dû aux radiations électriques que d’autres types d’amplificateurs.

Un électromètre intracellulaire de bonne qualité possède quelques fonctionnalités, comme un circuit de compensation de condensateur et un « tickler ».

Compensateur de condensateur

Le circuit de compensation de condensateur, également appelé pont, neutralise l’effet de la membrane cellulaire, qui agit généralement comme un condensateur en retenant une charge. Lorsqu’une impulsion électrique est injectée dans une cellule, les ondes carrées injectées ont des coins arrondis car la membrane cellulaire amortit le courant injecté. L’utilisation d’un circuit de compensation de condensateur aiguise les coins de l’onde carrée injectée en dépolarisant la membrane cellulaire. Le résultat final de l’utilisation d’un circuit de compensation de condensateur est une impulsion injectée plus efficace. Les potentiels d’action injectés entraînent un temps de réponse plus rapide et une onde enregistrée fidèle à celle injectée. Le circuit de compensation de condensateur soustrait l’effet de la membrane cellulaire sur le potentiel injecté.

Tickler

Le tickler envoie une impulsion rapide et nette de courant à travers la microélectrode. Aussi appelé ringer, le tickler a deux fonctions. Si la microélectrode est à l’extérieur d’une cellule, le tickler peut être utilisé pour nettoyer la pointe de l’électrode. Lorsque la microélectrode est pressée contre la cellule de manière à former une petite dépression dans la cellule, activer le tickler aide la microélectrode à pénétrer la membrane cellulaire.

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