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Canaux ioniques Introduction I. Principes de diffusion des ions à travers les canaux ioniques. II. Classification électrophysiologique des canaux ioniques.

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1 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

2 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 daction) - Transduction des signaux dans la communication cellulaire.

3 Prix Nobel de Physiologie et Médecine 1963: Hodgkin et Huxley A: Laxone 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.

4 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. »

5 Structure cristalline par diffraction aux RX de canaux K IR (KcsA) de bactérie, Streptomyces lividans Prix Nobel de Chimie 2003: MacKinon Roderick Figures issues de « Principles of neural sciences, 4ème édition, Kandel et al. »

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

7 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

8 K+K+ Na + Cl - Na + K+K+ Cl - Ca 2+ Gradient chimique Na + K+K+ HCO 3 - Cl - Ca 2+ P K élevé P Cl élevé P Na faible P Ca faible Remarque: Concentrations extracellulaires Na: ~150 mM Cl: ~150 mM K: ~5 mM Ca:~2 mM Concentrations intracellulaires K: ~150 mM Na: ~10 mM Cl: ~20 mM Ca:~10 nM

9 K+K+ Na + Cl - Ca 2+ Na + K+K+ Cl - Ca 2+ Gradient électrique Entrée des cations Sortie des anions _ _ _ _ _ _ _

10 Gradient électro-chimique K+K+ Na + Cl - Ca 2+ _ _ _ _ _ _ _ Na + K+K+ Cl - Ca 2+ K+K+ Na + I k,F I Na,F I p,Na-K I Ca,F I p,Na-K I k,F I Na,F =+ I ca,F + E k ~ -90 mV E Cl ~ -70 mV E Na ~ +60 mV E Ca > +60 mV E x = ( RT/ZF )Ln ( [X] o /[X] i ) Equation de Nernst: Gradient électro-chimique = V m -E x

11 Courants unitaires Courant membranaire Global i x = ץ x (V m -E x ) I x = G x (V m -E x ) G= N x P 0 x ץ Exemple de tracés Exemple de droite i=f(Vm) Exemple cas de i k,V Exemple cas de i Na,V Exemple de tracésExemple de courbe i=f(Vm) P o dépend de leffecteur (V m, ligand, étirement)

12 II classification électrophysiologique des canaux ioniques -2.1 En fonction de la sélectivité ionique - Na +, K +, Ca 2+, cationiques, Cl En fonction du facteur contrôlant la probabilité douverture –fuite (Na +, K +, Ca 2+, Cl - ) exemples ENaC, canaux à 2-P, K IR et ECaC –potentiel de membrane –ligand chimique médiateur, second messager –Mécano-récepteur

13 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 linsuline. 3.3 Dans lexcrétion exemple des excrétions hydrominérales de cellules épithéliales pulmonaires.

14 Localisation du pancréas

15 Rôle des canaux ioniques dans la sécrétion d insuline Glucose P.O. Cl - Ca H2OH2O Glucose Gonflement Dépolarisation Influx calcique Exocytose d insuline 1. Transporteur de glucose 2. Aquaporine 2. Canal potassique ATP-dépendant 3. Canal chlore mécano-sensible 4. Canal calcique voltage-dépendant X K ATP 2 Remarque: La cellule ß-pancréatique à un taux de chlore intracellulaire élevé et E Cl~ -30 mV

16 Sécrétion hydrominérale pulmonaire chez lhomme et la souris Sang lumière Membrane ApicaleMembrane Basolatérale K+K+ K+K+ Eau RCPG1 PKA SNS Homme RCPG2 SNP CaMKII Souris Légende: SNS:système nerveux sympathique SNP: système nerveux parasympathique RCPG1: récepteur ß-adrénergique RCPG2:récepteur muscarinique PKA: protéine kinase A CamKII: Kinase de type II calcium et calmoduline-dépendante Na + Cl - K+K+ Na + KCl Eau + NaCl + K+K+

17 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) : Ca v et Na v 4.4 syndrome du QT Long: K v et Na v 4.5 Myopathie de Lambert Eaton: Ca v 4.6 Myasthénie Gravis: R-Ach 4.7 Polykystose rénale: TRP

18 Canalopathies Canaux impliqués Mécanisme ionique PrévalenceSignes cliniques Thérapie Mucovicidose Cl - Cl - inactivé12/10 5 Troubles respiratoire et de digestion Kinésithérapie respiratoire, antibiothérapie, Myotonie Cl - Cl - inactivé5/10 5 Crampes musculaires Anti-arythmiques (bloqueurs de Na + ) HypoPP Ca 2+, Na + Inactivation1/10 5 Paralysie musculaire Perfusion de K + LQT K + Na + K + inactivé Na + activé 25/10 5 Syncope, mort subite ß-bloquant Myasthénie de Lambert-Eaton Ca 2+ Ca 2+ inactivé par des anticorps 1/10 5 Fatigue et faiblesse musculaire Bloqueurs canaux K+ Immunosppression Echange plasmatique Myasthénie Gravis R-Nic R-Nic inactivé par des anticorps 20/10 5 Fatigue et faiblesse musculaire Anticholinesrérase Immunosppression Echange plasmatique Polykistose rénale TRP (Ca 2+ ) TRP inactivé 6.5/10 5 Kystes rénaux et hépatiques Définition : Maladies génétiques affectant lactivité de canaux ioniques. Les Cahiers dOrphanet - Prévalence des maladies rares : Une enquête bibliographique. Mai 2011

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

20 Sécrétion hydrominérale Pulmonaire chez l homme et la souris Sang lumière Membrane ApicaleMembrane Basolatérale K+K+ K+K+ Eau RCPG1 PKA SNS Homme RCPG2 SNP CaMKII Souris Légende: SNS:système nerveux sympathique SNP: système nerveux parasympathique RCPG1: récepteur ß-adrénergique RCPG2:récepteur muscarinique PKA: protéine kinase A CamKII: Kinase de type II calcium et calmoduline-dépendante Na + Cl - K+K+ Na + KCl Eau + NaCl + K+K+

21 Organisation moléculaire du canal CLC Les différentes mutations impliquées dans La myotonie congénitale de Thomsen et Becker Le canal chlore CLC1 est un dimère Canalopathies de canaux chlores D1 et D2: 12 STM D3 et D4: Activité ATPasique R: phosphorylation par PKA Mutation la plus fréquente sur NBF1, F508 D1 D2 D3D4 D5 Chlore, sucres, phosphates, peptides Organisation moléculaire du canal CFTR NBF: nucleotid binding fold

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

23 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 lapparition lente et progressive de kystes principalement au niveau des reins.maladies héréditaires monogéniquesrein 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 névoluent pas vers linsuffisance rénale.rein artificielpolykystose rénale type récessifinsuffisance 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.organesfoie pancréasvésicules séminalesvaisseaux La rupture d'un anévrisme des artères cérébrales est une complication grave.anévrisme

24 5. Canaux et thérapie 5.1. Anesthésiques locaux: Na V (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: Ca v (nifedipine), K IR-ATP (Cromakalim, minoxidil, Nicorandil) Diabète (Sulfonylurée): K IR-ATP (glibenclamide, tolbutamide).

25 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 Sep;103(1): 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 Denac et al. Structure, function and pharmacology of voltage-gated sodium channels. Naunyn Schmiedebergs Arch Pharmacol. 362, (2000) Grover and Garlid, ATP-Sensitive Potassium Channels: A Review of their Cardioprotective Pharmacology J Mol Cell Cardiol 32, 677–695 (2000).

26 Rôle des canaux ioniques dans la sécrétion d insuline Glucose P.O. Cl - Ca H2OH2O Glucose Gonflement Dépolarisation Influx calcique Exocytose d insuline 1. Transporteur de glucose 2. Aquaporine 2. Canal potassique ATP-dépendant 3. Canal chlore mécano-sensible 4. Canal calcique voltage-dépendant X K ATP 2 Remarque: La cellule ß-pancréatique à un taux de chlore intracellulaire élevé et E Cl~ -30 mV

27 6. Toxines de canaux ioniques 6.1. TTX et saxitoxines : Na V (intoxication aux fruits de mer) 6.2. Dendrotoxines (Dendroaspis angusticeps, mamba vert) et K V, Charybdotoxines (scorpions) apamine (abeilles) IK Ca 6.3. Conus geographus ( cone ): Ca V type N 6.4. Agelenopsis Aperta (arraignée) : Ca V type P/Q 6.5.Bungarus multicinctus (serpent) : Récepteur nicotinique 6.6. Strychnine: Récepteur glycine

28 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

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30 VII Structure moléculaire de quelques canaux ioniques 7.1. Premiers ADNc clonés 7.2. Les familles de canaux potassiques 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

31 IV Premiers ADNc clonés 1982: Clonage dADNc codant pour la s.u. alpha de récepteur nicotinique de la torpille. Sumikawa et al., Nucleic Acids Res. 1982, vol. 10, p : Clonage dADNc codant pour la s.u. alpha du canal sodique de la torpille. Noda et al., Nature. 1984, vol. 312, p : Clonage dADNc codant pour la s.u. alpha de récepteur nicotinique de souris. Boulter J et al., Nature. 1986, vol. 319, p : Clonage dADNc codant pour la s.u. alpha du canal calcique de muscle squelettique de lapin. Tanabe et al., Nature, 1987, vol. 328 p : Clonage dADNc codant pour le canal potassique shaker de drosophile. Tempel et al. Science, 1987, vol. 237 p

32 1.Canaux 2 TM/P: K IR 2. Canaux 4 TM/2P: TWIK 3. Canaux 6TM/P: Shaker 7.2 familles de canaux potassiques 4.Stoechiométrie et activation

33 7.2 familles de canaux potassiques Girard et Lesage 2004, médecine sciences, vol. 20, p

34 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).

35 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 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, (2007). Sanders and Koh, « Two-pore-domain potassium channels in smooth muscles: new components of myogenic regulation. J Physiol (2006) pp 37–43.

36 Bibliographie canaux « 6 TM/P » Berkefeld et al. Ca2 + -Activated K + Channels: From Protein Complexes to Function. Physiol Rev 90: 1437–1459, 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

37 Figures issues de Lesage et al., M/S 2000, vol 16, p Diversité et sous unités auxiliaires des canaux potassiques

38 Courants potassiques cardiaque Zünkler 2006, Pharmacology & Therapeutics 112:12–37.

39 Famille des canaux potassium à rectification entrante (K IR ) Dans le coeur: lassemblage dhetéromères de Kir2.1, Kir2.2, and Kir2.3 subunits underlie IK1 current. lassemblage dhetéromères de Kir3.1 and Kir3.4 subunits underlies IKACh current. Anumonwo & Lopatin, JMCC 48 (2010) 45–54.

40 canaux « 4 TM/2P » Girard et Lesage 2004, médecine sciences, vol. 20, p Canaux spinaux

41 B: Structure oligomérique Canaux Ca V C: Sous unité alpha de canaux Na V A: Sous unité alpha 1 de canaux Ca V s.u. α Canaux Ca V Canaux Na V Ca V1.X : Type L Ca V2.X : Type N, P/Q, R Ca V3.X : Type T -Sous unité alpha -Sous unité bêta1 -Sous unité bêta2 7.3 structure moléculaires des canaux Ca V et Na V

42 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, (2000). Catterall. STRUCTURE AND FUNCTION OF VOLTAGE-GATED ION CHANNELS. Annu. Rev. Biochem :

43 Canaux 2 TM/P K IR,, I ATP, 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 INa V ; ICa V III

44 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

45 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.

46 7.7. Sélectivité ionique du canal KCSA de Streptomyces lividans Figures issues de Parent et al. 2002, M/S, vol 18, p.605-9

47 Voltage-dependance des canaux KV Jiang et al. Nature 423, (2003) Segment S4 (thermophilic archaebacteria Aeropyrum pernix KvAP)

48 Bibliographie: structure cristalline de canaux ioniques Jiang et al. « X-ray structure of a voltage-dependent K+ channel. Nature 423, (2003). Jiang et al.. 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, (2006).


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