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18.8: Potentiel de membrane au repos
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The Resting Membrane Potential
 
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TRANSCRIPTION

18.8: The Resting Membrane Potential

18.8: Potentiel de membrane au repos

Overview

The relative difference in electrical charge, or voltage, between the inside and the outside of a cell membrane, is called the membrane potential. It is generated by differences in permeability of the membrane to various ions and the concentrations of these ions across the membrane.

The Inside of a Neuron Is More Negative

The membrane potential of a cell can be measured by inserting a microelectrode into a cell and comparing the charge to a reference electrode in the extracellular fluid. The membrane potential of a neuron at rest—that is, a neuron not currently receiving or sending messages—is negative, typically around -70 millivolts (mV). This is called the resting membrane potential. The negative value indicates that the inside of the membrane is relatively more negative than the outside—it is polarized. The resting potential results from two major factors: selective permeability of the membrane, and differences in ion concentration inside the cell compared to outside.

Membrane Permeability

Cell membranes are selectively permeable because most ions and molecules cannot cross the lipid bilayer without help, often from ion channel proteins that span the membrane. This is because the charged ions cannot diffuse through the uncharged hydrophobic interior of membranes. The most common intra- and extracellular ions found in the nervous tissue are potassium (K+), sodium (Na+), chloride (Cl-), and calcium (Ca2+). When a neuron is at rest, potassium (K+) channels are the main type of ion channel that is open—allowing K+ to migrate across the membrane. This permeability, together with the large intracellular concentrations, make the neuron’s resting membrane potential determined mainly by the movement of K+.

Pumps Create Concentration Gradients

Differences in ion concentration between the inside and outside of neurons are primarily due to the activity of the sodium-potassium (Na+/ K+) pump—a transmembrane protein that continuously pumps three Na+ ions out of the cell for every two K+ ions it pumps in. This establishes concentration gradients, with a higher concentration of Na+ ions outside of neurons and a higher concentration of K+ ions inside.

Since the membrane is primarily permeable to K+ at rest—due to the open K+ channels—K+ can diffuse down its concentration gradient to the region of lower concentration, out of the cell. These positive charges leaving the cell, combined with the fact that there are many negatively charged proteins inside the cell, causes the inside to be relatively more negative.

Eventually, outward diffusion of K+ is balanced by the electrostatic repulsion of positive charges accumulating outside the cell, and electrochemical equilibrium is reached. The net effect is the observed negative resting potential. The resting potential is very important in the nervous system because changes in membrane potential—such as the action potential—are the basis for neural signaling.

Beware the Puffer Fish

Pufferfish is not often found on many seafood menus outside of Japan, in part because they contain a potent neurotoxin. Tetrodotoxin (TTX) is a very selective voltage-gated sodium channel blocker that is lethal in minimal doses. The median lethal dose (LD50) for mice is 334 μg/kg, compared to 8.5 mg/kg for potassium cyanide. It has also served as an essential tool in neuroscience research. The toxin blocks the flow of Na+ into the cell when the channel opens. It, therefore, disrupts action potentials—but not the resting membrane potential—and can be used to silence neuronal activity. Its mechanism of action was demonstrated by Toshio Narahashi and John W. Moore at Duke University, working on the giant lobster axon in 1964.

Aperçu

La différence relative de charge électrique, ou de tension, entre l’intérieur et l’extérieur d’une membrane cellulaire, est appelée le potentiel de membrane. Il est généré par des différences dans la perméabilité de la membrane à divers ions et les concentrations de ces ions à travers la membrane.

L’intérieur d’un neurone est plus négatif

Le potentiel membranaire d’une cellule peut être mesuré en insérant un microélectrode dans une cellule et en comparant la charge à une électrode de référence dans le liquide extracellulaire. Le potentiel membranal d’un neurone au repos, c’est-à-dire qu’un neurone qui ne reçoit pas ou envoie actuellement des messages, est négatif, généralement autour de -70 millivolts (mV). C’est ce qu’on appelle le potentiel de membrane de repos. La valeur négative indique que l’intérieur de la membrane est relativement plus négatif que l’extérieur, il est polarisé. Le potentiel de repos résulte de deux facteurs majeurs : la perméabilité sélective de la membrane, et les différences dans la concentration d’ions à l’intérieur de la cellule par rapport à l’extérieur.

Perméabilité de membrane

Les membranes cellulaires sont sélectivement perméables parce que la plupart des ions et des molécules ne peuvent pas traverser la bicouche lipidique sans aide, souvent à partir de protéines de canal ione qui s’étendent sur la membrane. C’est parce que les ions chargés ne peuvent pas se diffuser à travers l’intérieur hydrophobe non chargé des membranes. Les ions intra- et extracellulaires les plus courants dans le tissu nerveux sont le potassium (K+), le sodium (Na+), le chlorure (Cl-), et le calcium (Ca2+). Lorsqu’un neurone est au repos, les canaux de potassium (K+) sont le principal type de canal ionique qui est ouvert, ce qui permet à K+ de migrer à travers la membrane. Cette perméabilité, ainsi que les grandes concentrations intracellulaires, font le potentiel de la membrane de repos du neurone déterminée principalement par le mouvement de K+.

Les pompes créent des gradients de concentration

Les différences dans la concentration d’ions entre l’intérieur et l’extérieur des neurones sont principalement dues à l’activité de la pompe sodium-potassium (Na+/ K+) — une protéine transmembrane qui pompe en continu trois Na+ ions hors de la cellule pour chaque deux K+ ions qu’elle pompe po Ceci établit des gradients de concentration, avec une concentration plus élevée de Na+ ions en dehors des neurones et une concentration plus élevée de K+ ions à l’intérieur.

Puisque la membrane est principalement perméable à K+ au repos — en raison des canaux ouverts de K+ — K+ peut diffuser vers le bas son gradient de concentration à la région de concentration inférieure, hors de la cellule. Ces charges positives quittant la cellule, combinées avec le fait qu’il y a beaucoup de protéines chargées négativement à l’intérieur de la cellule, causent l’intérieur pour être relativement plus négatif.

Finalement, la diffusion extérieure de K+ est équilibrée par la répulsion électrostatique des charges positives s’accumulant à l’extérieur de la cellule, et l’équilibre électrochimique est atteint. L’effet net est le potentiel de repos négatif observé. Le potentiel de repos est très important dans le système nerveux parce que les changements dans le potentiel membranaires, comme le potentiel d’action, sont la base de la signalisation neuronale.

Méfiez-vous du poisson Puffer

Pufferfish n’est pas souvent trouvé sur de nombreux menus de fruits de mer en dehors du Japon, en partie parce qu’ils contiennent une neurotoxine puissante. La tétrodotoxine (TTX) est un bloqueur de canaux de sodium très sélectif à tension qui est mortel à des doses minimales. La dose létale médiane (LD50) pour les souris est de 334 μg/kg, comparativement à 8,5 mg/kg pour le cyanure de potassium. Il a également servi d’outil essentiel à la recherche en neurosciences. La toxine bloque le flux de Na+ dans la cellule lorsque le canal s’ouvre. Il perturbe donc les potentiels d’action, mais pas le potentiel de la membrane de repos, et peut être utilisé pour réduire au silence l’activité neuronale. Son mécanisme d’action a été démontré par Toshio Narahashi et John W. Moore à l’Université Duke, travaillant sur l’axone de homard géant en 1964.


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