Canaux ioniques

Structure

Toutes les cellules présentent une différence de potentiel (tension) à travers leur membrane. La membrane cellulaire sert de barrière séparant le compartiment intracellulaire du compartiment extracellulaire, chacun caractérisé par des compositions distinctes de solutés et d'ions. Par exemple, le liquide intracellulaire est principalement enrichi de protéines chargées négativement et d'ions K+, tandis que les ions Na⁺, Cl- et Ca²⁺ se trouvent principalement dans le liquide extracellulaire. Cette distribution inégale des ions est soutenue par des porteurs comme l'ATPase Na⁺/K⁺ et crée une différence de potentiel à travers la membrane cellulaire (membrane polarisée). Le potentiel de repos neuronal normal est d'environ -70mV. Dans certaines conditions, la différence de potentiel à travers la membrane cellulaire peut être augmentée (hyperpolarisation) ou diminuée (dépolarisation).

En théorie, le gradient électrochimique des ions à travers la membrane cellulaire conduirait naturellement au mouvement des ions d'un côté à l'autre jusqu'à ce qu'un équilibre de concentration et de charge électrique soit atteint. Cependant, en pratique, ce processus attendu ne se produit pas en raison de la structure unique de la membrane cellulaire, qui est composée d'une bicouche de phospholipides, ainsi que de protéines et de sucres qui s'étendent à l'intérieur ou à travers les couches. Cette bicouche est hydrophobe à l'intérieur et hydrophile à l'extérieur. Les ions, en revanche, sont très hydrophiles, entourés de molécules d'eau. En conséquence, le transfert d'ions à travers la bicouche phospholipidique est énergétiquement défavorable et ne peut avoir lieu que par des canaux ioniques spécialisés.

Les canaux ioniques sont des protéines qui s'étendent à travers la membrane cellulaire et qui sont fermement insérées dans la bicouche phospholipidique (protéines transmembranaires). Ils sont constitués de sous-unités transmembranaires qui s'assemblent pour former un pore et des structures accessoires. Le nombre de ces sous-unités varie selon les différentes sous-familles de canaux ioniques.

Fonction

Les canaux ioniques remplissent trois fonctions principales :

1. Transport des ions : En raison de sa structure et de ses propriétés, la bicouche phospholipidique inhibe activement le passage des molécules chargées à travers la membrane cellulaire. Les canaux ioniques permettent aux ions de les traverser passivement, sans consommation d'énergie. Lorsque le pore est ouvert, les ions peuvent diffuser le long de leurs gradients électrochimiques respectifs, atteignant un taux étonnant de 10 millions d'ions par seconde.
2. Sélectivité : La majorité des canaux ioniques sont très sélectifs, ne laissant passer que des ions spécifiques.
3. Activation en réponse à des stimuli : En raison de leur structure protéique unique, les canaux ioniques maintiennent un état fermé, empêchant les ions de passer. Cependant, en réponse à divers stimuli, qui peuvent être de nature électrique, chimique ou mécanique, la structure du canal peut changer, conduisant à l'ouverture du pore, permettant aux ions de passer. Une exception à ce schéma d'activation/désactivation sont les canaux ioniques de fuite qui sont constamment activés et restent donc dans un état ouvert.

Sélectivité ionique

Le mouvement des ions à travers leurs canaux respectifs se produit sans consommation d'énergie. Il est uniquement entraîné par le gradient électrochimique, qui dicte le flux net d'ions à travers la membrane cellulaire. Une question fondamentale, cependant, est de savoir comment les canaux ioniques atteignent la sélectivité, ne laissant passer que des ions spécifiques. La théorie dominante sur les mécanismes sous-jacents à cette sélectivité indique une combinaison de facteurs qui incluent la taille des ions, la charge électrique et l'interaction avec la structure du canal :

1. Rôle de la taille des ions et de la charge électrique : Les ions varient en taille et en charge électrique, attirant différents nombres de molécules d'eau autour d'eux (couche de solvatation). Par exemple, le Na+ est plus petit que le K+ et porte une charge électrique plus importante en raison de sa taille réduite. Par conséquent, chaque ion Na+ est entouré d'un plus grand nombre de molécules d'eau, formant une couche de solvatation plus grande que celle du K+.
2. Limitation de la taille des pores : Le pore du canal ionique est trop petit pour accueillir des ions entourés d'une couche de solvatation de molécules d'eau. Par conséquent, les ions doivent se débarrasser de ces molécules d'eau pour passer à travers les pores, un processus nécessitant une quantité substantielle d'énergie.
3. Charge électrique du pore : La paroi du pore est chargée, ce qui permet un passage sélectif des anions ou des cations, respectivement.

Dans le cas des canaux Na+, des régions spécifiques à l'intérieur du pore contiennent des acides aminés, tels que l'acide aspartique et l'acide glutamique, portant une charge électrique négative suffisante pour attirer les ions Na+. Cette attraction fournit aux ions l'énergie nécessaire pour se débarrasser de certaines des molécules d'eau qui les entourent. Ce procédé réduit ainsi la taille des ions à un point où ils peuvent diffuser efficacement le long de leur gradient électrochimique et passer à travers les pores du canal. Compte tenu de son diamètre plus grand, K+ ne peut pas s'approcher suffisamment près de ces régions chargées négativement du pore pour bénéficier de ce mécanisme d'augmentation de l'énergie, ce qui rend inefficace la traversée des canaux Na+ pour K+.

À l'inverse, les pores des canaux K+ ont des régions avec des atomes d'oxygène carbonyle et hydroxyle présentant un champ électrique plus faible. Dans ces régions, les ions K+ peuvent interagir et libérer les molécules d'eau environnantes, permettant à ces mêmes ions de passer à travers le canal. Cependant, l'énergie présente dans ces régions est insuffisante pour que les ions Na+ libèrent leurs molécules d'eau et traversent le canal.

Déclenchement des canaux ioniques

Un autre aspect vital des canaux ioniques implique l'état dynamique de leurs pores. Ils possèdent la capacité de modifier la structure de leurs protéines, en ouvrant ou en fermant le passage ionique. La transformation d'un état structurel à un autre est appelée déclenchement (gating).

Il existe trois modèles fondamentaux qui caractérisent les changements structurels subis par les canaux ioniques après le déclenchement. Il est important de noter que certains canaux ioniques peuvent utiliser une combinaison de ces modèles pour établir leurs configurations protéiques stables distinctes :

1. Dans le premier modèle, la transformation structurelle se produit dans une région spécifique de la lumière du canal. Pendant le déclenchement, seule la structure à l'intérieur de ce territoire spécifique subit des modifications pour ouvrir ou fermer la lumière.
2. Dans le second modèle, le passage d'une structure fonctionnelle à une autre implique des changements sur l'ensemble de la lumière plutôt que dans une région spécifique.
3. Le troisième modèle implique un mécanisme distinct où aucun changement n'a lieu dans la lumière elle-même. Au lieu de cela, une particule se lie à l'orifice de la lumière, scellant efficacement le pore du canal ionique.

Les changements structurels subis par les canaux ioniques sont liés à des états fonctionnels spécifiques qui peuvent être classés comme suit :

• Activé : dans cet état, les ions peuvent passer à travers le canal.
• Désactivé : à l'état désactivé, aucun ion ne passe par le canal. Cependant, avec l'introduction de stimuli spécifiques, il peut être incité à s'ouvrir et à s'activer.
• Désactivé ou inactivé en permanence : lorsque les canaux ioniques sont à l'état inactivé, ils ne permettent pas le passage des ions, mais ils ne peuvent pas non plus être activés, même lorsqu'ils sont exposés à des stimuli appropriés.

Types de canaux ioniques

Les états fonctionnels des canaux ioniques sont régulés par divers stimuli. Ceux-ci peuvent déclencher les changements de protéines structurelles dans chaque canal ionique, fournissant l'énergie nécessaire pour faciliter la transition structurelle du canal lui-même. Les canaux ioniques peuvent être classés en différents types en fonction de leur modèle d'activation/désactivation et des stimuli spécifiques auxquels ils répondent.