Exercice sur le potentiel de repos - Ts

Par un exposé clair et illustré, décrire une expérience de mise en évidence du potentiel de repos d’une cellule nerveuse, puis expliquer son origine et son maintien

La cellule nerveuse ou neurone est une cellule hautement spécialisée tant du point de vue de son architecture que de son fonctionnement. Elle est en effet formée d’un corps cellulaire de forme étoilée, avec plusieurs prolongements courts appelés dendrite et d’un unique prolongement long appelé axone. Elle assure grâce au message nerveux qu’elle peut conduire, la communication entre les différents organes et le système nerveux central : c’est donc une cellule excitable. Elle est à l’image de la plupart des cellules de l’organisme, une cellule polarisée dans les conditions naturelles. Cette polarité correspond à une différence de potentiel (ddp) entre le milieu intracellulaire et le milieu extracellulaire, ou potentiel de repos (pr). Comment peut-on mettre en évidence ce PR ? Qu’est-ce qui est à l’origine de ce PR ? Comment est-il maintenu au niveau du neurone ? C’est à ces trois principales questions que nous tenterons de répondre dans notre exposé.

Lorsqu’on place deux électrodes réceptrices à la surface de l’axone d’un neurone, le spot d’électrons de l’oscilloscope sur lequel les ER sont branchées balaie horizontalement à partir de zéro. Ce résultat ne s’explique que si l’on admet que deux point de la surface d’un axone ont la même charge : ils sont équipotentiels.
    Avec le même dispositif expérimental, on constate que dès qu’on enfonce la deuxième ER, le spot d’électrons balaie horizontalement mais à partir d’une valeur négative. Compte tenu de la valeur négative des électrons et du branchement conventionnel des ER aux plaques horizontales de l’oscilloscope, nous en déduisons que l’axoplasme est négativement chargé par rapport au milieu extracellulaire correspondant au PR. Ce PR est environ de l’ordre de $– 70 mv$ à $– 60mv$ selon la cellule.

Les analyses chimiques ont révélé que la concentration en $Na^{+}$ est plus importante dans le milieu extracellulaire que dans l’axoplasme alors que celle de $K^{+}$ est plus importante dans l’axoplasme. Selon le principe de la dialyse, les ions $K^{+}$ diffusent de l’axoplasme vers le milieu extracellulaire alors que les ions $Na^{+}$ diffusent de l’extérieur vers l’axoplasme. L’utilisation d’isotopes radioactifs de ces ions a révélé que l’axolemme est plus perméable aux ions $K^{+}$ qu’aux ions $Na^{+}$.
Il en résulte alors un excès de cation à l’extérieur et donc un déficit de ces mêmes cations de part et d’autre de la membrane axonique. Ce PR étant maintenu en permanence au niveau d’un neurone vivant, nous devons donc admettre qu’en plus de la dialyse simple, un autre type d’échange de ces cations à travers l’axolemme intervient.

L’utilisation d’isotopes radioactifs du sodium, a révélé que parallèlement à l’échange de ce soluté par le biais de la diffusion simple, il est également échangé contre le gradient de concentration. Ce phénomène disparaissant lorsqu’on bloque la respiration cellulaire (phénomène producteur d’énergie) à l’aide de poisons respiratoires comme le $DNP$ ou le cyanure. Ces résultats montrent que parallèlement à l’échange passif des ions $Na^{+}$ et $K^{+}$ à travers l’axolemme, un échange actif de ces mêmes cations a également lieu, mais dans le sens opposé. Ce dernier correspond à la pompe $Na^{+}$/$K^{+}$ ATPase qui fait sortir théoriquement à chaque tour de « rotation » $3Na^{+}$ et fait entrer $2K^{+}$ dans l’axoplasme. Au final, par la diffusion simple et l’échange actif, la quantité de cations sortant s’équilibre avec celle entrant ; d’où le maintient du déficit de cations dans l’axoplasme ; et donc du PR.

Le potentiel de repos correspond donc à un déséquilibre ionique de part et d’autre de la membrane axonique. C’est un phénomène purement biochimique qu’on observe d’ailleurs au niveau de la plupart des cellules vivantes. En outre, il est pour l’essentiel, à l’origine de l’excitabilité de la cellule nerveuse.