Neurophysiologie - Neurobiologie cellulaire et moléculaire
NEUROBIOLOGIE CELLULAIRE ET MOLÉCULAIRE
Introduction
A. Objectif de la neurophysiologie
La neurophysiologie a pour objectif d’étudier les mécanismes à la base du comportement à l’échelle cellulaire et
moléculaire, ce qui nous permet de comprendre la physiopathologie de pathologies neuropsychiatriques. La
neurophysiologie sert également à comprendre comment les activités électriques sont générées.
Les activités électriques, aussi appelées potentiels sont produites par le neurone. Ces activités sont transformées au
niveau de l’axone en activité chimique par libération du neurotransmetteur dans la fente synaptique qui active le
neurone post-synaptique. Les potentiels post-synaptiques seront excitateurs ou inhibiteurs en fonction des
neurotransmetteurs.
L’unité de ce fonctionnement est la cellule nerveuse /
le neurone. Elle a morphologiquement un soma /
corps cellulaire, des dendrites où elle reçoit des
centaines / milliers de synapses de neurones
environnants, et un axone : son prolongement / le bras
(qui transmet un message).
Le système nerveux n’est cependant pas composé
seulement de neurones, il y a également les cellules
gliales qui sont deux fois plus nombreuses. Ces
dernières produisent de la myéline ce qui permet au
PA de se propager plus vite : on les appelle
oligodendrocyte dans le SNC et cellules de Schwann dans le SNP.
Les astrocytes servent à nourrir la cellule mais également de garder une homéostasie ionique (équilibre) grâce à leur
pompe. x
B. Point historique
La neurophysiologie a progressé grâce à 3 grandes prouesses technologiques :
1. L’électroencéphalographie, qui date de fin 19eme et nous permet de voir à échelle macroscopique.
2. L’oscilloscope permet de voir à échelle cellulaire grâce à des électrodes qu’on met à l’intérieur d’une cellule
ou réseaux cellulaire et une à l’extérieure afin d’enregistrer l’activité électrique/ les potentiels. Il a permis
l’émergence de la théorie ionique : certains chercheurs postulent que le potentiel d’action est dû à une
modification de la perméabilité membranaire du neurone aux ions. Cette perméabilité est la cause de
molécules particulières : les canaux ioniques, des protéines qui s’ouvrent et se ferment pour laisser passer ou
bloquer des ions.
3. L’électrophysiologie cellulaire et moléculaire a permis l’existence des canaux ioniques en 1981. Il s’agit d’un
patch membranaire qui permet d’enregistrer une molécule/un canal ionique. Ce sont les seules molécules
que l’on peut voir fonctionner seule.
I. La membrane du neurone au repos
A. Rôle des composants cellulaires
1. Cytosol et milieu extracellulaire
L’eau est le principal composant du cytosol / liquide intracellulaire et du milieu extracellulaire. Ces liquides sont des
milieux aqueux ionisés : chargés électriquement. Les molécules polarisées sont hydrophiles : elles peuvent faire des
liaisons hydrogènes avec des molécules d’eau (ex : sucre, sel, etc) et sont solubles dans l’eau. Les molécules non
polarisées elles sont hydrophobes : elles sont à l’inverse incapable de faire des liaisons avec l’eau et insoluble dans
l’eau (ex : huile, acides gras, etc).
, Neurophysiologie - Neurobiologie cellulaire et moléculaire
2. Phospholipides membranaires
La membrane sépare les deux milieux en délimitant l’espace intérieur et extérieur de la cellule. Elle est constituée
principalement de phospholipides, une molécule amphiphile :
- Un pôle étant hydrophobe : les lipides (qui fuient l’eau)httu
- Un pôle étant hydrophile (car polarisé) : les phosphates
Nous appelons cette membrane une bicouche lipidique / mosaïque fluide. La membrane n’est pas seulement
constituée de phospholipide, on y retrouve des protéines canales qui servent de canaux pour laisser passer certains
éléments.
3. Protéines
Le potentiel de repos et d’action dépendent de protéines enchâssées dans la bicouche phospholipidique. Ces
protéines sont des voies de passage sélectives que les ions utilisent pour traverser la membrane.
La structure des protéines est de 22 acides aminés : atome central de carbone puis liaison avec un hydrogène, un
groupe aminé NH3+, un COO- et un groupement variable = R (radical). Leur synthèse se fait dans les
ribosomes. Puisqu’elles sont grandes, on distingue 4 niveaux dans les protéines :
1. La structure primaire correspond à la séquence / chaîne d’acide aminés
2. La structure secondaire correspond à la chaîne qui peut s’enrouler en hélice α ou
3. La structure tertiaire formée par le repli, groupement de la structure secondaire.
4. La structure quaternaire désigne une molécule plus importante : c’est quand plusieurs chaînes se
regroupent.
La protéine transmembranaire doit forcément avoir des chaînes latérales hydrophobes pour protéger les
groupements hydrophobes. Exemples de protéines transmembranaires :
- Les canaux ioniques : assemblage de 4 à 6 molécules protéiques semblables formant un pore. Ils permettent
le passage sélectif de certains ions selon le gradient de concentration. C’est un transport passif dont la
diffusion est facilitée.
- Les pompes ioniques : assemblages de 4 à 6 molécules protéiques, utilisant de l’ATP (molécule universelle de
l’énergie) pour aller contre le gradient de concentration et de ce fait maintenir un potentiel de repos. C’est le
cas notamment de la pompe sodium-potassium (Na+/K+) qui expulse les ions sodium, et absorbe les ions
potassium.
B. Mouvement des ions
La présence de canaux ne veut pas forcément dire qu’ils sont utilisés tout le temps. Deux facteurs contrôlent les
déplacements des ions à travers les canaux : la diffusion et les propriétés électriques de la membrane.
1. Diffusion
Les ions vont circuler en permanence pour se stabiliser jusqu’à atteindre un équilibre. Ils sont en constant
mouvement dont le mouvement permet la répartition uniforme des ions de part et d’autre de la membrane selon le
gradient de concentration : depuis les régions fortes en concentration vers les régions les plus faibles.
2. Propriétés électriques de la membrane
Il existe un autre moyen de générer un déplacement des ions dans une solution : imposer un champ électrique à la
solution. Les ions circulent en fonction de l’environnement électrique de la membrane (polarisation de la membrane
à l’intérieur et extérieur) : les charges contraires s’attirent tandis que les charges qui se ressemblent se
repoussent. Les ions chargés positivement sont appelés cations, ils sont attirés par la cathode (chargé -) et les ions
chargés négativement sont les anions, ils sont attirés par l’anode (chargé +).
La loi d’OHM : si on veut calculer le courant et son intensité, on la calcule par la loi d’OHM.
I = le courant électrique (ampère)
V = le voltage (volt) Plus la différence de potentiel est
G = la conductance (siemens) grande plus le courant est grand.
R = résistance (ohm)
NEUROBIOLOGIE CELLULAIRE ET MOLÉCULAIRE
Introduction
A. Objectif de la neurophysiologie
La neurophysiologie a pour objectif d’étudier les mécanismes à la base du comportement à l’échelle cellulaire et
moléculaire, ce qui nous permet de comprendre la physiopathologie de pathologies neuropsychiatriques. La
neurophysiologie sert également à comprendre comment les activités électriques sont générées.
Les activités électriques, aussi appelées potentiels sont produites par le neurone. Ces activités sont transformées au
niveau de l’axone en activité chimique par libération du neurotransmetteur dans la fente synaptique qui active le
neurone post-synaptique. Les potentiels post-synaptiques seront excitateurs ou inhibiteurs en fonction des
neurotransmetteurs.
L’unité de ce fonctionnement est la cellule nerveuse /
le neurone. Elle a morphologiquement un soma /
corps cellulaire, des dendrites où elle reçoit des
centaines / milliers de synapses de neurones
environnants, et un axone : son prolongement / le bras
(qui transmet un message).
Le système nerveux n’est cependant pas composé
seulement de neurones, il y a également les cellules
gliales qui sont deux fois plus nombreuses. Ces
dernières produisent de la myéline ce qui permet au
PA de se propager plus vite : on les appelle
oligodendrocyte dans le SNC et cellules de Schwann dans le SNP.
Les astrocytes servent à nourrir la cellule mais également de garder une homéostasie ionique (équilibre) grâce à leur
pompe. x
B. Point historique
La neurophysiologie a progressé grâce à 3 grandes prouesses technologiques :
1. L’électroencéphalographie, qui date de fin 19eme et nous permet de voir à échelle macroscopique.
2. L’oscilloscope permet de voir à échelle cellulaire grâce à des électrodes qu’on met à l’intérieur d’une cellule
ou réseaux cellulaire et une à l’extérieure afin d’enregistrer l’activité électrique/ les potentiels. Il a permis
l’émergence de la théorie ionique : certains chercheurs postulent que le potentiel d’action est dû à une
modification de la perméabilité membranaire du neurone aux ions. Cette perméabilité est la cause de
molécules particulières : les canaux ioniques, des protéines qui s’ouvrent et se ferment pour laisser passer ou
bloquer des ions.
3. L’électrophysiologie cellulaire et moléculaire a permis l’existence des canaux ioniques en 1981. Il s’agit d’un
patch membranaire qui permet d’enregistrer une molécule/un canal ionique. Ce sont les seules molécules
que l’on peut voir fonctionner seule.
I. La membrane du neurone au repos
A. Rôle des composants cellulaires
1. Cytosol et milieu extracellulaire
L’eau est le principal composant du cytosol / liquide intracellulaire et du milieu extracellulaire. Ces liquides sont des
milieux aqueux ionisés : chargés électriquement. Les molécules polarisées sont hydrophiles : elles peuvent faire des
liaisons hydrogènes avec des molécules d’eau (ex : sucre, sel, etc) et sont solubles dans l’eau. Les molécules non
polarisées elles sont hydrophobes : elles sont à l’inverse incapable de faire des liaisons avec l’eau et insoluble dans
l’eau (ex : huile, acides gras, etc).
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2. Phospholipides membranaires
La membrane sépare les deux milieux en délimitant l’espace intérieur et extérieur de la cellule. Elle est constituée
principalement de phospholipides, une molécule amphiphile :
- Un pôle étant hydrophobe : les lipides (qui fuient l’eau)httu
- Un pôle étant hydrophile (car polarisé) : les phosphates
Nous appelons cette membrane une bicouche lipidique / mosaïque fluide. La membrane n’est pas seulement
constituée de phospholipide, on y retrouve des protéines canales qui servent de canaux pour laisser passer certains
éléments.
3. Protéines
Le potentiel de repos et d’action dépendent de protéines enchâssées dans la bicouche phospholipidique. Ces
protéines sont des voies de passage sélectives que les ions utilisent pour traverser la membrane.
La structure des protéines est de 22 acides aminés : atome central de carbone puis liaison avec un hydrogène, un
groupe aminé NH3+, un COO- et un groupement variable = R (radical). Leur synthèse se fait dans les
ribosomes. Puisqu’elles sont grandes, on distingue 4 niveaux dans les protéines :
1. La structure primaire correspond à la séquence / chaîne d’acide aminés
2. La structure secondaire correspond à la chaîne qui peut s’enrouler en hélice α ou
3. La structure tertiaire formée par le repli, groupement de la structure secondaire.
4. La structure quaternaire désigne une molécule plus importante : c’est quand plusieurs chaînes se
regroupent.
La protéine transmembranaire doit forcément avoir des chaînes latérales hydrophobes pour protéger les
groupements hydrophobes. Exemples de protéines transmembranaires :
- Les canaux ioniques : assemblage de 4 à 6 molécules protéiques semblables formant un pore. Ils permettent
le passage sélectif de certains ions selon le gradient de concentration. C’est un transport passif dont la
diffusion est facilitée.
- Les pompes ioniques : assemblages de 4 à 6 molécules protéiques, utilisant de l’ATP (molécule universelle de
l’énergie) pour aller contre le gradient de concentration et de ce fait maintenir un potentiel de repos. C’est le
cas notamment de la pompe sodium-potassium (Na+/K+) qui expulse les ions sodium, et absorbe les ions
potassium.
B. Mouvement des ions
La présence de canaux ne veut pas forcément dire qu’ils sont utilisés tout le temps. Deux facteurs contrôlent les
déplacements des ions à travers les canaux : la diffusion et les propriétés électriques de la membrane.
1. Diffusion
Les ions vont circuler en permanence pour se stabiliser jusqu’à atteindre un équilibre. Ils sont en constant
mouvement dont le mouvement permet la répartition uniforme des ions de part et d’autre de la membrane selon le
gradient de concentration : depuis les régions fortes en concentration vers les régions les plus faibles.
2. Propriétés électriques de la membrane
Il existe un autre moyen de générer un déplacement des ions dans une solution : imposer un champ électrique à la
solution. Les ions circulent en fonction de l’environnement électrique de la membrane (polarisation de la membrane
à l’intérieur et extérieur) : les charges contraires s’attirent tandis que les charges qui se ressemblent se
repoussent. Les ions chargés positivement sont appelés cations, ils sont attirés par la cathode (chargé -) et les ions
chargés négativement sont les anions, ils sont attirés par l’anode (chargé +).
La loi d’OHM : si on veut calculer le courant et son intensité, on la calcule par la loi d’OHM.
I = le courant électrique (ampère)
V = le voltage (volt) Plus la différence de potentiel est
G = la conductance (siemens) grande plus le courant est grand.
R = résistance (ohm)
