Canaux ioniques

• I. Introduction• II. Classification électrophysiologique des canaux

ioniques• III. Exemples de rôle des canaux ioniques dans des

fonctions cellulairesfonctions cellulaires• IV. Quelques exemples de canalopathies• V. Canaux ioniques:

• cibles thérapeutiques• cibles de toxines.

• VI. Structure moléculaire de quelques canaux ioniques

Introduction• Définition des canaux ioniques• Différences essentielles entre transporteurs et

canaux ioniques- diffusion simple, vitesse 1000 fois plus élevée pour les canaux.

• Prix Nobel concernant les canaux ioniques• Prix Nobel concernant les canaux ioniques• Localisation des canaux ioniques

- Membrane cytplasmique, membrane du réticulum, membrane nucléaire.

• Fonction générale- Potentiel de membrane

- Excitabilité (potentiel récepteur, potentiel post-synaptique, potentiel d’action)

- Transduction des signaux dans la communication cellulaire.

Prix Nobel de Physiologie et Médecine 1963: Hodgkin et Huxley

A: L’axone géant de Calmar C: Courants sodique et potassique du PA

Schéma A issu de Neurosciences, Purves et al.

B: La technique de potentiel imposé

D: PA et conductances ioniques

Figures B, C et D issues de « Principles of neural sciences, 4ème édition, Kandel et al. »

A: Configuration « inside-out » B: Courants nicotini ques unitaires

prix Nobel de Physiologie et Médecine 1991: Neher et Sakmann

Figures A et B issues de « Principles of neural sci ences, 4ème édition, Kandel et al. »

Structure cristalline par diffraction aux RX de c anaux K IR (KcsA)de bactérie, Streptomyces lividans

Prix Nobel de Chimie 2003: MacKinon Roderick

Figures issues de « Principles of neuralsciences, 4ème édition, Kandel et al. »

Introduction• Définition des canaux ioniques• différences essentielles entre transporteurs et

canaux ioniques- diffusion simple, vitesse 1000 fois plus élevée pour les canaux.

• Prix Nobel concernant les canaux ioniques• Localisation des canaux ioniques

- Membrane cytoplasmique, membrane du réticulum, membrane nucléaire.

• Fonction générale- Potentiel de membrane

- Excitabilité cellulaire (potentiel de repos, potentiel d’action)

- Communication cellulaire (potentiel récepteur, neurotransmission, sécrétion endocrine).

II classification électrophysiologique des canaux ioniques

• -2.1 En fonction de la sélectivité ionique- Na+, K+, Ca2+, cationiques, Cl-

• -2.2 En fonction du facteur contrôlant la probabilité d’ouvertureprobabilité d’ouverture– fuite (Na+, K+, Ca2+, Cl-)

• exemples ENaC, canaux à 2-P, KIR et ECaC

– potentiel de membrane– ligand chimique

• médiateur, second messager

– Mécano-récepteur

III. Exemples de rôle des canaux ioniques dans des fonctions cellulaires:

• 3.1 Dans les cellules excitables (rappel)

• 3.2 Dans la sécrétion hormonale exemple de l’insuline.

• 3.3 Dans l’excrétionexemple des excrétions hydrominérales de cellules épithéliales

pulmonaires.

Localisation du pancréas

Rôle des canaux ioniques dans la sécrétion d ’insuline

Glucose

P.O.Cl-

H2O

12

3

4Gonflement

Dépolarisation

P.O.Cl

Ca5

GlucoseInflux calcique

Exocytose d ’insuline1. Transporteur de glucose2. Aquaporine2’. Canal potassique ATP-dépendant3. Canal chlore mécano-sensible4. Canal calcique voltage-dépendant

X KATP 2’

Remarque:La cellule ß-pancréatique à un taux de

chlore intracellulaire élevé et E Cl~ -30 mV

Sécrétion hydrominérale pulmonairechez l’homme et la souris

Sang lumière

K+

RCPG1 PKASNS

Homme

Homme

Souris

Cl-

Cl-K+ KCl

NaCl

+

K+

Membrane ApicaleMembrane Basolatérale

K+

Eau Eau

RCPG2SNP

CaMKII

Souris Légende:SNS:système nerveux sympathiqueSNP: système nerveux parasympathiqueRCPG1: récepteur ß-adrénergiqueRCPG2:récepteur muscariniquePKA: protéine kinase ACamKI I: Kinase de type II

calcium et calmoduline-dépendante

Na+

Cl-K+

Cl-

Na+

KCl

Eau+

IV Canalopathies

• 4.1 Mucoviscidose: CFTR (Cystic Fibrosis Transmembrane

conductance Reguator).

• 4.2 Myotonies (crampes): ClC (voltage-sensitive Cl-

Channels).

• 4.3 HypoPP : Ca et Na• 4.3 HypoPP (paralysie musculaire): Cav et Nav

• 4.4 syndrome du QT Long: Kv et Nav

• 4.5 Myopathie de Lambert Eaton: Cav

• 4.6 Myasthénie Gravis: R-Ach• 4.7 Polykystose rénale: TRP

Canalopathies

Canalopathies Canaux impliqués

Mécanismeionique

Prévalence Signes cliniques

Thérapie

Mucovicidose Cl- Cl- inactivé 12/105 Troubles respiratoire et de digestion

Kinésithérapie respiratoire, antibiothérapie,

Myotonie Cl- Cl- inactivéNa+non inactivé

5/105 Crampes musculaires

Anti-arythmiques(bloqueurs de Na+)

HypoPP Ca2+, Na+ Inactivation 1/105 Paralysie musculaire

Perfusion de K+

Définition : Maladies génétiques affectant l’activité de canaux ioniques.

musculaire

LQT K+

Na+K+ inactivéNa+ activé

25/105 Syncope, mort subite

ß-bloquant

Myasthénie de Lambert-Eaton

Ca2+ Ca2+ inactivé par des anticorps

1/105 Fatigue et faiblesse musculaire

Bloqueurs canaux K+ImmunosppressionEchange plasmatique

Myasthénie Gravis

R-Nic R-Nic inactivé par des anticorps

20/105 Fatigue et faiblesse musculaire

AnticholinesréraseImmunosppressionEchange plasmatique

Polykistose rénale

TRP (Ca2+) TRP inactivé 6.5/105 Kystes rénaux et hépatiques

http://www.orpha.net/orphacom/cahiers/docs/FR/Preva lence_des_maladies_rares.pdfLes Cahiers d’Orphanet - Prévalence des maladies rar es : Une enquête bibliographique. Mai 2011

Bibliographie canalopathies• Tristani-Firouzi and Etheridge. “Kir 2.1 channelopathies: the Andersen–Tawil

syndrome”. Pflugers Arch - Eur J Physiol (2010) 460:289–294.• Olson & Terzic. « Human KATP channelopathies: diseases of metabolic

homeostasis” Pflugers Arch - Eur J Physiol (2010) 460:295–306.• Anumonwo & Lopatin. ”Cardiac strong inward rectifier potassium channels”.

JMCC 48 (2010) 45–54.• Ruth Williams. “Neurodegeneration: Switch to the potassium channel”• Ruth Williams. “Neurodegeneration: Switch to the potassium channel”

Nature Reviews Neuroscience 7, Research Highlight p330 (May 2006).• Waters, M. F. et al. « Mutations in voltage-gated potassium channel KCNC3

cause degenerative and developmental central nervous system phenotypesNature Genet. 26 (2006). ORIGINAL RESEARCH PAPER .

• Mazzuca et al. « Canaux ioniques et épilepsies ». Epileptic Disorders Vol. 6, No. special, 2004.

• Balser. « The Cardiac Sodium Channel: Gating Function and Molecular Pharmacology”. J Mol Cell Cardiol 33, 599–613 (2001)

Sécrétion hydrominérale Pulmonairechez l ’homme et la souris

Sang lumière

K+

RCPG1 PKASNS

Homme

Homme

Souris

Cl-

Cl-K+ KCl

NaCl

+

K+

Membrane ApicaleMembrane Basolatérale

K+

Eau Eau

RCPG2SNP

CaMKII

Souris Légende:SNS:système nerveux sympathiqueSNP: système nerveux parasympathiqueRCPG1: récepteur ß-adrénergiqueRCPG2:récepteur muscariniquePKA: protéine kinase ACamKI I: Kinase de type II

calcium et calmoduline-dépendante

Na+

Cl-K+

Cl-

Na+

KCl

Eau+

Myotonie congénitale de Thomsen et Becker

•La myotonie congénitale est une affection se manifestant par une difficulté à la décontractionmusculaire en relation avec un état d'hyperexcitabilité de la membrane de la fibre musculaire.Cette affection a un début précoce : bien souvent, les sujets porteurs du trait sont reconnus parles familles dès les premiers mois de vie. La myotonie présente la particularité d'être amélioréepar l'effort (phénomène d'échauffement). Le diagnostic clinique est facilement confirmé parl'examen électromyographique qui montre des décharges myotoniques en rapport avec l'étatd'hyperexcitabilité de la membrane de la fibre musculaire. Cette myotonie peut être transmisesur le mode autosomique dominant ou autosomique récessif. Les deux formes de la maladie :myotonie de Becker (autosomique récessive) et myotonie de T homsen (autosomiquedominante) sont dues à des mutations du gène du canal chlore . Ces mutations ont pourconséquence une perte de fonction du canal chlore dont le rôle est de faciliter la repolarisationconséquence une perte de fonction du canal chlore dont le rôle est de faciliter la repolarisationde la cellule musculaire. C'est pourquoi le traitement repose sur les agents bloquant le canalsodium comme le mexiletine, la carbamazépine ou la diphénylhydantoïne. *Auteur : Pr B.Fontaine (avril 2002).

• La myotonie congénitale est une pathologie se traduisant par un défaut de relâchement musculaire qui existe dès l'enfance. Cette affection touche tous les muscles y compris les muscles oculaires, faciaux et linguaux. Cette hypertonie musculaire s'accompagne souvent d'hypertrophie et cette affection touche plus sévèrement les hommes que les femmes.

• Il existe deux formes de myotonie, la forme à transmission dominante qui débute le plus souvent au cours de l'enfance et la forme à transmission récessive de survenue plus tardive.

• Le forme à transmission récessive est plus sévère et s'accompagne d'une faiblesse musculaire de façon transitoire lors des efforts.

La polykystose rénale type dominant (PKD)

• La polykystose rénale type dominant (PKD) est la plus fréquente des maladies héréditaires monogéniques du rein. Elle se caractérise par l’apparition lente et progressive de kystes principalement au niveau des reins.

• Presque 10 % des personnes sous rein artificiel souffrent de cette maladie. À la différence de la polykystose rénale type récessif, elle se manifeste rarement dans la période néo natale. Toutes les personnes atteintes n’évoluent pas vers l’insuffisance rénale.personnes atteintes n’évoluent pas vers l’insuffisance rénale.

• Tous les autres organes peuvent être atteints comme le foie, le pancréas, les vésicules séminales et les vaisseaux. Les kystes hépatiques sont la manifestation extra rénale la plus fréquente.

• La rupture d'un anévrisme des artères cérébrales est une complication grave.

5.1. Canaux et thérapie

• 5.1.1. Anesthésiques locaux: NaV (lidocaïne, procaïne)

• 5.1.2. Anesthésiques généraux et sédatifs:• Récepteur GABA (Barbituriques tels que pheno- et pento-barbital, benzodiazépines tel

que valium)

• Canaux de fuite potassique (halothane, riluzole)

• 5.1.3. Antihypertenseur: Cav (nifedipine), KIR-ATP

(Cromakalim, minoxidil, Nicorandil).

• 5.1.4. Diabète (Sulfonylurée): KIR-ATP (glibenclamide,

tolbutamide).

Bibliographie canaux et thérapie

• Ko et al. “Pathophysiology of voltage-gated K+ channels in vascular smooth muscle cells: modulation by protein kinases”. Prog Biophys Mol Biol. 2010 Sep;103(1):95-101.

• Ko et al. “Physiological roles of K+ channels in vascular smooth muscle cells”. J. Smooth Muscle Res. (2008) 44 (2): 65–81.

• Christophe Girard et Florian Lesage, « Canaux K2P neuronaux : aspects moléculaires et fonctionnels ». M/S : médecine sciences , vol. 20, n° 5, moléculaires et fonctionnels ». M/S : médecine sciences , vol. 20, n° 5, 2004, p. 544-549.

• Denac et al.” Structure, function and pharmacology of voltage-gated sodium channels”. Naunyn Schmiedebergs Arch Pharmacol. 362, 453-79 (2000)

• Grover and Garlid, “ATP-Sensitive Potassium Channels: A Review of their Cardioprotective Pharmacology” J Mol Cell Cardiol 32, 677–695 (2000).

Rôle des canaux ioniques dans la sécrétion d ’insuline

Glucose

P.O.Cl-

H2O

12

3

4Gonflement

Dépolarisation

P.O.Cl

Ca5

GlucoseInflux calcique

Exocytose d ’insuline1. Transporteur de glucose2. Aquaporine2’. Canal potassique ATP-dépendant3. Canal chlore mécano-sensible4. Canal calcique voltage-dépendant

X KATP 2’

Remarque:La cellule ß-pancréatique à un taux de

chlore intracellulaire élevé et E Cl~ -30 mV

5.2. Toxines de canaux ioniques

• 5.2.1. TTX et saxitoxines : NaV (intoxication aux fruits de mer)

• 5.2.2. Dendrotoxines (Dendroaspis angusticeps, mamba vert) et KV, Charybdotoxines (scorpions) apamine (abeilles) IKCa

• 5.2.3. Conus geographus (cone): CaV type N• 5.2.3. Conus geographus (cone): CaV type N

• 5.2.4. Agelenopsis Aperta (arraignée): CaV type P/Q

• 5.2.5.Bungarus multicinctus (serpent): Récepteur nicotinique

• 5.2.6. Strychnine: Récepteur glycine (alcaloïde de la noix vomique)

Intoxications alimentaires•• La consommation de mollusques (moules, huîtres , coques,

bourgots, mies, clams et même crabes) surtout de mai à septembre,peut provoquer une intoxication grave, parfois mortelle, causée parune toxine paralysante.

• A côté de la PSP (paralysis shellfish poisoning) la plus connue, ilfaut également relever la DSP (Diarrheic shellfish poisoning), LAfaut également relever la DSP (Diarrheic shellfish poisoning), LANSP (Neurotoxic shellfish poisoning) et l'ASP (Amnesic shellfishpoisoning).

•• Saxitoxine cyanobacteries et dinoflagellés (Alexandrium sp.,

Gymnodinium sp., Pyrodinium sp) via des mollusques• Ciguatoxine via des poissons (barracuda, mérou, murène)• Toxine de Dinophysis via mollusques • Toxine d’alexandrium via des mollusques• Tetrodotoxine via des poissons (tétrodon)

African green mamba

(Dendroaspis angusticeps)

Bungarus multicintus (bongaré)

VI. Structure moléculaire de quelques canaux ioniques

• 6.1. Premiers ADNc clonés

• 6.2. Les familles de canaux potassiques.

• 6.3. Canaux calciques et sodiques voltage-dépendants

• 6.4. récepteurs canaux des neuromédiateurs(Ach, Glu, GABA, GLY, 5-HT, ATP)

• 6.5. Famille des récepteurs glutamatergiques

• 6.6. sélectivité ionique du canal KCSa

IV Premiers ADNc clonés

• 1982: Clonage d’ADNc codant pour la s.u. alpha de récepteur nicotiniquede la torpille. Sumikawa et al. , Nucleic Acids Res. 1982, vol. 10, p5809-22.

• 1984: Clonage d’ADNc codant pour la s.u. alpha du canal sodique de la torpille. Noda et al., Nature. 1984, vol. 312, p.121-7.

• 1986: Clonage d’ADNc codant pour la s.u. alpha de récepteur nicotinique• 1986: Clonage d’ADNc codant pour la s.u. alpha de récepteur nicotiniquede souris. Boulter J et al., Nature. 1986, vol. 319, p.368-74.

• 1987: Clonage d’ADNc codant pour la s.u. alpha du canal calcique de muscle squelettique de lapin. Tanabe et al., Nature, 1987, vol. 328 p.313-8.

• 1987: Clonage d’ADNc codant pour le canal potassique shaker de drosophile. Tempel et al. Science, 1987, vol. 237 p.770-5.

7.2 familles de canaux potassiques

Girard et Lesage 2004, médecine sciences, vol. 20, p. 544-549.

Courants potassiques cardiaque

Zünkler 2006, Pharmacology & Therapeutics 112:12–37.

B: Structure oligomérique Canaux Ca VA: Sous unité alpha 1 de canaux Ca V

+++

+++

+++

+++

7.3 structure moléculaires des canaux CaV et NaV

C: Sous unité alpha de canaux Na Vs.u. α

Canaux CaV

Canaux NaV

CaV1.X: Type L

CaV2.X : Type N, P/Q, R

CaV3.X: Type T

-Sous unité alpha

-Sous unité bêta1

-Sous unité bêta2

Les récepteurs canaux pentamériques

Famille des récepteurs nicotiniques :

•Récepteur Nicotinique (Na, K)

•Récepteur 5-HT3 (Na, K)

•Récepteur P2X (Na, K, Ca)

7.4. Récepteurs canaux des neuromédiateurs

1. Sous unité alpha du récepteur nicotinique

Récepteur au Glutamate (Na, K, Ca)

•Récepteur GABA (Cl)

•Récepteur glycine (Cl)

2. Stoechiométrie des récepteurs

7.5. Sélectivité ionique du canal KCSAde Streptomyces lividans

Figures issues de Parent et al. 2002, M/S , vol 18, p.605-9

Voltage-dependance des canaux KV

Segment S4

(thermophilic archaebacteria Aeropyrum pernix KvAP)

Jiang et al. Nature 423, 33-41 (2003)

Segment S4

Bibliographie: structure cristalline de canaux ioniques

• Jiang et al. « X-ray structure of a voltage-dependent K+ channel”. Nature 423, 33-41 (2003).

• Jiang et al. <The principle of gating charge movement in a voltage-dependent K+ channel>. Nature 423, 42–48 (2003).

• Jiang, Y. et al. “Crystal structure and mechanism of a calcium-gated potassium channel”. Nature 417, 515–522 (2002).

• Jiang, Y. et al. « The open pore conformation of potassium channels ». Nature 417, 523–526 (2002).

• Schmidt et al. “Phospholipids and the origin of cationic gating charges in voltage sensors”. Nature 444, 775-779 (2006).