Charges, courant, tension, résistance
Dans le corps, les porteurs de charge ne sont pas des électrons mais des ions : Na⁺, K⁺, Cl⁻, Ca²⁺. Deux charges s’attirent ou se repoussent selon la loi de Coulomb. Un courant est une quantité de charge qui passe par seconde ; une tension est une différence d’énergie par charge entre deux points ; une résistance est ce qui freine le courant pour une tension donnée.
La membrane, un condensateur de 5 nanomètres
Un condensateur, ce sont deux conducteurs séparés par un isolant : il stocke des charges opposées de part et d’autre. La membrane cellulaire est exactement cela, une bicouche lipidique isolante de 5 nm entre deux solutions salines conductrices. Sa capacité C mesure la charge stockée par volt.
L’équilibre de Nernst et le potentiel de repos
Un ion présent en concentrations différentes des deux côtés d’une membrane perméable à lui seul se met à diffuser vers le côté dilué. Mais chaque ion qui passe emporte sa charge : une tension se crée qui freine les suivants. L’équilibre est atteint quand la poussée de la diffusion égale exactement le rappel électrique : c’est le potentiel de Nernst de cet ion.
| Ion | Extérieur | Intérieur | ENernst |
|---|---|---|---|
| K⁺ | 4 mM | 140 mM | −95 mV |
| Na⁺ | 145 mM | 12 mM | +67 mV |
| Cl⁻ | 110 mM | 10 mM | −64 mV |
| Ca²⁺ | 2 mM | 0,0001 mM | +132 mV |
Au repos, la membrane est surtout perméable au K⁺ (canaux de fuite) : le potentiel de repos, −70 mV, se place près de EK mais un peu au-dessus, tiré par une petite fuite de Na⁺. La pompe Na⁺/K⁺ dépense de l’ATP pour maintenir les gradients (3 Na⁺ sortis contre 2 K⁺ entrés) : sans elle, tout s’égalise en quelques heures et le potentiel disparaît.
Le potentiel d’action : tout ou rien
Si une stimulation dépolarise la membrane jusqu’au seuil (environ −55 mV), les canaux Na⁺ dépendants du voltage s’ouvrent en avalanche : Na⁺ entre, la tension bondit vers +30 mV en moins d’une milliseconde. Puis ces canaux s’inactivent, les canaux K⁺ s’ouvrent, K⁺ sort et la membrane se repolarise, avec un léger dépassement (hyperpolarisation) avant de revenir à −70 mV.
Pourquoi un stimulus faible ne donne rien : la membrane est un câble qui fuit. Une petite dépolarisation se propage passivement et décroît exponentiellement avec la distance (constante d’espace λ, de l’ordre du millimètre) et dans le temps (τ = RC). Elle n’atteint jamais le seuil plus loin. Le potentiel d’action, lui, rouvre des canaux Na⁺ à chaque pas : il se régénère, sans perte, à 0,5 m/s dans les fibres fines non myélinisées et jusqu’à 120 m/s dans les grosses fibres myélinisées, où il saute de nœud de Ranvier en nœud de Ranvier.
Lire les signaux du corps, et s’en protéger
Des millions de cellules cardiaques qui se dépolarisent ensemble forment un dipôle électrique tournant. Les électrodes posées sur la peau en mesurent la projection : c’est l’électrocardiogramme, un signal d’environ 1 mV. L’EEG (cerveau) est mille fois plus faible, en microvolts ; l’EMG (muscle) est entre les deux.
Sécurité électrique
Ce qui blesse, c’est le courant, pas la tension : I = U/R avec R la résistance du corps, 100 kΩ peau sèche mais 1 à 2 kΩ peau humide ou blessée. À 50 Hz : 1 mA se sent, 10 à 20 mA tétanisent les muscles (on ne lâche plus), 30 à 100 mA à travers le thorax déclenchent une fibrillation ventriculaire. Les disjoncteurs différentiels coupent à 30 mA en quelques millisecondes ; au bloc, où un cathéter peut amener le courant directement au cœur, la limite tolérée est de 10 µA.
À toi de calculer
Constante de Nernst à 37 °C : 61,5 mV. Réponds avec un nombre, signe compris (par exemple −95).
Huit questions, une réponse juste par question
La fiche en huit lignes
U = R·I · P = U·I = R·I²R = R₁ + R₂ · 1/R = 1/R₁ + 1/R₂Q = C·U · E = ½CU² · τ = RCE = (61,5 mV / z) · log₁₀(ext/int)−70 mV · seuil −55 mV · pic +30 mVNa⁺ entre · K⁺ sortP oreillettes · QRS ventricules · T repolarisation · FC = 60/RRI = U/R · fibrillation 30 à 100 mA · différentiel 30 mA