Canaux ioniques

• Introduction• I. Principes de diffusion des ions à travers les canaux

ioniques.• II. Classification électrophysiologique des canaux

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

fonctions cellulaires• IV. Quelques exemples de canalopathies• V. Canaux ioniques : cibles thérapeutiques• VI. Canaux ioniques : cibles et de toxines.• VII. 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• 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

B: La technique de potentiel imposé

D: PA et conductances ioniques

C: Courants sodique et potassique du PA

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

Schéma A issu de Neurosciences, Purves et al.

A: Configuration « inside-out » B: Courants nicotiniques unitaires

prix Nobel de Physiologie et Médecine 1991: Neher et Sakmann

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

Structure cristalline par diffraction aux RX de canaux KIR (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 cytplasmique, 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).

I. Principes de diffusion des ions à travers les canaux ioniques

• 1.1 Gradients ioniques

• 1.2 Gradient électrique

• 1.3 Gradient électro-chimique et Equation de NERNST

• 1.4 Intensité du courant unitaire et global

K+Na+ Cl-

Na+K+ Cl- Ca2+

Ca2+

Gradient chimique

Na+

K+ HCO3-

Cl-

Ca2+

PK élevé

PCl élevé

PNa faible

PCa faibleRemarque:

Concentrations extracellulairesNa: ~150 mMCl: ~150 mMK: ~5 mMCa:~2 mM

Concentrations intracellulairesK: ~150 mMNa: ~10 mMCl: ~20 mMCa:~10 nM

K+Na+ Cl- Ca2+

Na+K+ Cl- Ca2+

Gradient électrique

Entrée des cations

Sortie des anions

_ _ _ _ _ _ _

+ + + + + + +

Gradient électro-chimique

K+Na+ Cl- Ca2+

_ _ _ _ _ _ _

+ + + + + + +

Na+K+ Cl- Ca2+

K+

Na+

Ik,F INa,F

Ip,Na-K

ICa,F

Ip,Na-K Ik,F INa,F=+ Ica,F+

Ek ~ -90 mV

ECl ~ -70 mV

ENa ~ +60 mV

ECa > +60 mV

Ex = (RT/ZF)Ln ([X]o/[X]i)Equation de Nernst:

Gradient électro-chimique = Vm-Ex

Courants unitaires

Courant membranaire Global

ix = ץ x (Vm-Ex)

Ix = G x (Vm-Ex)

G= N x P0 x ץ

Exemple de tracés Exemple de droite i=f(Vm)

Exemple cas de ik,V

Exemple cas de iNa,V

Exemple de tracés Exemple de courbe i=f(Vm)

Po dépend de l’effecteur(Vm, ligand, étirement)

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’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-

Ca

H2O

12

3

4

5Glucose

Gonflement

Dépolarisation

Influx 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 ECl~ -30 mV

Sécrétion hydrominérale pulmonaire chez l’homme et la souris

Sang lumière

Membrane ApicaleMembrane Basolatérale

K+

K+

Eau Eau

RCPG1 PKASNS

Homme

Homme

RCPG2SNP

CaMKII

Souris

Souris Légende:SNS:système nerveux sympathiqueSNP: système nerveux parasympathiqueRCPG1: récepteur ß-adrénergiqueRCPG2:récepteur muscariniquePKA: protéine kinase ACamKII: Kinase de type II calcium et calmoduline-dépendante

Na+

Cl-

Cl-K+

Cl-

Na+

KCl

Eau+

NaCl

+

K+

IV Canalopathies

• 4.1 Mucoviscidose: CFTR (Cystic Fibrosis Transmembrane

conductance Reguator).

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

Channels).

• 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- inactivé 5/105 Crampes musculaires

Anti-arythmiques(bloqueurs de Na+)

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

Perfusion de K+

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+

Immunosppression

Echange plasmatique

Myasthénie Gravis

R-Nic R-Nic inactivé par des anticorps

20/105 Fatigue et faiblesse musculaire

Anticholinesrérase

Immunosppression

Echange plasmatique

Polykistose rénale

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

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

http://www.orpha.net/orphacom/cahiers/docs/FR/Prevalence_des_maladies_rares.pdfLes Cahiers d’Orphanet - Prévalence des maladies rares : 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”

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 phenotypes Nature 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 Pulmonaire chez l ’homme et la souris

Sang lumière

Membrane ApicaleMembrane Basolatérale

K+

K+

Eau Eau

RCPG1 PKASNS

Homme

Homme

RCPG2SNP

CaMKII

Souris

Souris Légende:SNS:système nerveux sympathiqueSNP: système nerveux parasympathiqueRCPG1: récepteur ß-adrénergiqueRCPG2:récepteur muscariniquePKA: protéine kinase ACamKII: Kinase de type II calcium et calmoduline-dépendante

Na+

Cl-

Cl-K+

Cl-

Na+

KCl

Eau+

NaCl

+

K+

Organisation moléculaire du canal CLC

Les différentes mutations impliquées dansLa myotonie congénitale de Thomsen et Becker

Le canal chlore CLC1 est un dimère

Canalopathies de canaux chlores

D1 et D2: 12 STMD3 et D4: Activité ATPasiqueR: phosphorylation par PKAMutation la plus fréquente sur NBF1, F508

D1 D2

D3 D4D5

Chlore, sucres, phosphates, peptides

Organisation moléculaire du canal CFTR

NBF: nucleotid binding fold

Myotonie congénitale de Thomsen et Becker

•La myotonie congénitale est une affection se manifestant par une difficulté à la décontraction musculaire 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 par les familles dès les premiers mois de vie. La myotonie présente la particularité d'être améliorée par l'effort (phénomène d'échauffement). Le diagnostic clinique est facilement confirmé par l'examen électromyographique qui montre des décharges myotoniques en rapport avec l'état d'hyperexcitabilité de la membrane de la fibre musculaire. Cette myotonie peut être transmise sur le mode autosomique dominant ou autosomique récessif. Les deux formes de la maladie : myotonie de Becker (autosomique récessive) et myotonie de Thomsen (autosomique dominante) sont dues à des mutations du gène du canal chlore. Ces mutations ont pour conséquence une perte de fonction du canal chlore dont le rôle est de faciliter la repolarisation de la cellule musculaire. C'est pourquoi le traitement repose sur les agents bloquant le canal sodium 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.

• 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. Canaux et thérapie

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

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

que valium)

• Canaux de fuite potassique (halothane, riluzole)

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

minoxidil, Nicorandil).

• 5.4. 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, 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-

Ca

H2O

12

3

4

5Glucose

Gonflement

Dépolarisation

Influx 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 ECl~ -30 mV

6. Toxines de canaux ioniques

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

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

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

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

• 6.5.Bungarus multicinctus (serpent): Récepteur nicotinique

• 6.6. Strychnine: Récepteur glycine

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 par une toxine paralysante.

• A côté de la PSP (paralysis shellfish poisoning) la plus connue, il faut également relever la DSP (Diarrheic shellfish poisoning), LA NSP (Neurotoxic shellfish poisoning) et l'ASP (Amnesic shellfish poisoning).

•  • SAXITOXINE• CIGUARETA• DINOPHYSIS• ALEXANDRIUM• TETRODOTOXINE

VII Structure moléculaire de quelques canaux ioniques

• 7.1. Premiers ADNc clonés

• 7.2. Les familles de canaux potassiques.

• 7.3. Canaux calciques et sodiques voltage-dépendants

• 7.4. Phylogenèse de canaux ioniques

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

• 7.6. Famille des récepteurs glutamatergiques

• 7.7. sélectivité ionique du canal KCSa

IV Premiers ADNc clonés

• 1982: Clonage d’ADNc codant pour la s.u. alpha de récepteur nicotinique de 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 de 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.

1.Canaux 2 TM/P: KIR 2. Canaux 4 TM/2P: TWIK

3. Canaux 6TM/P: Shaker

7.2 familles de canaux potassiques

4.Stoechiométrie et activation

7.2 familles de canaux potassiques

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

Bibliographie canaux « 2 TM/P »

• Anumonwo & Lopatin. ”Cardiac strong inward rectifier potassium channels”. JMCC 48 (2010) 45–54.

• Zünkler. ”Human ether-a-go-go-related (HERG) gene and ATP-sensitive potassium”. Pharmacology & Therapeutics 112 (2006) 12–37.

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

Bibliographie canaux « 4 TM/2P »

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

• Gurney & Manoury, « Two-pore potassium channels in the cardiovascular system” Eur Biophys J (2009) 38:305–318.

• Dedman et al. « The mechano-gated K2P channel TREK-1” Eur Biophys J (2009) 38:293–303.

• Eric Honoré, « The neuronal background K2P channels: focus on TREK1” Nature Reviews Neuroscience 8, 251-261 (2007).

• Sanders and Koh, « Two-pore-domain potassium channels in smooth muscles: new components of myogenic regulation”. J Physiol 570.1 (2006) pp 37–43.

Bibliographie canaux « 6 TM/P »

• Berkefeld et al. “Ca2+-Activated K+ Channels: From Protein Complexes to Function”. Physiol Rev 90: 1437–1459, 2010.

• Anumonwo & Lopatin. ”Cardiac strong inward rectifier potassium channels”. JMCC 48 (2010) 45–54.

• Zünkler. ”Human ether-a-go-go-related (HERG) gene and ATP-sensitive potassium”. Pharmacology & Therapeutics 112 (2006) 12–37.

• Wahl-Schott and Biel. “HCN channels: Structure, cellular regulation and physiological function”. Cell. Mol. Life Sci. 66 (2009) 470 – 494.

• Birnbaum et al. “Structure and Function of Kv4-Family Transient Potassium Channels”. Physiol Rev. 84: 803–833 (2004).

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

Figures issues de Lesage et al., M/S 2000, vol 16, p663-73

7.2 Diversité et sous unités auxiliaires des canaux potassiques

Courants potassiques cardiaque

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

Famille des canaux potassium à rectification entrante (KIR)

Dans le coeur:

•l’assemblage d’hetéromères de Kir2.1, Kir2.2, and Kir2.3 subunits underlie IK1 current.

•l’assemblage d’hetéromères de Kir3.1 and Kir3.4 subunits underlies IKACh current.

Anumonwo & Lopatin, JMCC 48 (2010) 45–54.

canaux « 4 TM/2P »

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

Canaux spinaux

B: Structure oligomérique Canaux CaV

C: Sous unité alpha de canaux NaV

A: Sous unité alpha 1 de canaux CaV

+++

+++

+++

+++

s.u. αCanaux 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

7.3 structure moléculaires des canaux CaV et NaV

Bibliogaphie: structure moléculaires des canaux CaV et NaV

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

• Catterall. “STRUCTURE AND FUNCTION OF VOLTAGE-GATED ION CHANNELS”. Annu. Rev. Biochem. 1995. 64:493-531.

Canaux 2 TM/PKIR,, IATP, GIRK

2. Canaux 4 TM/2P: TWIK

Canaux 6TM/P:Shaker, HCN, TRP

7.4.Phylogenèse des canaux ioniques voltage-dépendants

Duplication puis divergence

Addition puis divergence

Canaux TPC1

Duplication puis divergence

INaV; ICaV

I II

Récepteur au Glutamate (Na, K, Ca)

Les récepteurs canaux pentamériques

Famille des récepteurs nicotiniques:

•Récepteur Nicotinique (Na, K)

•Récepteur 5-HT3 (Na, K)

•Récepteur P2X (Na, K, Ca)

•Récepteur GABA (Cl)

•Récepteur glycine (Cl)

7.5. Récepteurs canaux des neuromédiateurs

1. Sous unité alpha du récepteur nicotinique

2. Stoechiométrie des récepteurs

7.6. Famille des récepteurs canaux glutamatergiques

Structure moléculaire: 3TM

-Récepteur AMPA (α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionate) -Glur1-4 (Na, K)-Transmission rapide

-Récepteur kaïnate (neurotoxin)-Glur5-7, KA1 et KA2 (Na, K)-Désensibilisation rapide du récepteur

-Récepteur NMDA (N-methyl-D-aspartate)-NR1, NR2A..D (Na, K, Ca)-Activation lente, potentialisée par la glycine et bloquée par le magnésium.

7.7. 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

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

Segment S4

Segment S4

(thermophilic archaebacteria Aeropyrum pernix KvAP)

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).