CANAUX IONIQUES: STRUCTURE, FONCTIONS, TYPES - LA BIOLOGIE - 2025

Les canaux ioniques sont des structures membranaires creuses qui forment des canaux ou pores traversant l'épaisseur de la membrane et faisant communiquer l'extérieur de la cellule avec son cytosol et vice versa; certains peuvent avoir un système de porte qui régule leur ouverture.

Ces canaux sont remplis d'eau et contrôlent le passage d'ions spécifiques d'un côté de la membrane à l'autre. Ils sont constitués de protéines typiques des membranes cellulaires qui forment des structures cylindriques en forme de tube qui les traversent en largeur.

Formation ouverte et fermée d'un canal ionique (Source: Efazzari via Wikimedia Commons)

Les mécanismes de transport à travers ces membranes peuvent être largement classés en transport passif ou actif. Les passifs sont ceux qui permettent le passage des substances en faveur de leurs gradients de concentration, tandis que les actifs nécessitent la consommation d'énergie, car ils déplacent les substances contre leurs gradients de concentration.

Les canaux ioniques constituent un mécanisme de transport passif que l'on peut classer en fonction de leur spécificité, c'est-à-dire selon le type d'ion qu'ils laissent passer, ou selon la manière dont ils s'ouvrent ou se ferment.

La fonction principale de ces systèmes de transport membranaire est de permettre le passage régulé de substances dans ou hors des cellules et ainsi de maintenir des concentrations intracellulaires d'ions et d'autres substances.

La présence de membranes cellulaires et de canaux ioniques est essentielle pour le maintien des différences de concentration entre les milieux intracellulaire et extracellulaire, ce qui est pertinent à de nombreux points de vue.

Les canaux ioniques, en particulier ceux qui dépendent des ligands, sont très importants en pharmacologie et en médecine, car de nombreux médicaments peuvent imiter les fonctions de ligands naturels et ainsi se lier au canal, en l'ouvrant ou en le fermant, selon le cas.

D'autres médicaments sont capables de bloquer le site de liaison et d'empêcher ainsi l'action du ligand naturel.

Structure

La structure des canaux ioniques est constituée de protéines transmembranaires spécifiques qui ont une forme tubulaire et laissent un pore ou un trou qui permet la communication entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule ou entre les compartiments intracellulaires (organites).

Chaque canal ionique implique une protéine membranaire structurelle spécifique, et plus de 100 gènes ont été décrits qui codent des canaux ioniques spécifiques.

Pour le canal sodium, par exemple, 10 gènes appelés SCN ont été décrits qui codent pour différentes protéines réparties dans différents tissus avec des fonctions et des structures particulières.

De même, un nombre considérable de gènes ont été décrits qui codent pour différentes protéines constituant des canaux potassiques appartenant à différentes familles et possédant différents mécanismes d'activation, d'ouverture et d'inactivation.

Structure protéique d'un canal ionique

Typiquement, un canal ionique fonctionnel associé à une membrane est composé de l'assemblage de 4 à 6 sous-unités polypeptidiques similaires (homo-oligomères) ou différentes (hétéro-oligomères) qui forment un pore central entre elles.

Schéma des sous-unités membranaires d'un canal ionique (Source: Efazzari via Wikimedia Commons)

Chaque sous-unité varie en fonction des caractéristiques et des propriétés du canal, car beaucoup sont spécifiques de certains ions et ont des mécanismes d'ouverture et de fermeture différents.

Certains canaux sont constitués d'une seule chaîne polypeptidique organisée en motifs répétitifs qui traversent plusieurs fois l'épaisseur de la membrane et fonctionnent comme l'équivalent d'une sous-unité protéique.

En plus de ces sous-unités, connues dans la littérature sous le nom de sous-unités α, certains canaux ioniques comportent également une ou plusieurs sous-unités auxiliaires (ß ou γ) qui régulent leur ouverture et leur fermeture.

La spécificité de chaque canal est liée au diamètre du pore formé par les protéines transmembranaires et aux chaînes latérales (─R) des acides aminés qui les composent.

De cette manière, il existe des canaux qui ne laissent passer que les ions sodium, potassium, calcium, etc., puisque les chaînes latérales fonctionnent comme un "tamis".

Caractéristiques structurelles supplémentaires

Une autre caractéristique importante de nombreux canaux est les portes. Les canaux avec ces propriétés peuvent s'ouvrir ou se fermer contre les changements locaux qui se produisent dans le microenvironnement membranaire entourant le canal.

Selon le type de canal, ces changements peuvent être mécaniques, thermiques (changements de température), électriques (changements de tension) ou chimiques (liaison d'un ligand).

Cependant, dans les canaux ioniques dits passifs, qui sont ceux qui restent ouverts et permettent le passage spécifique de certains ions, ces structures n'ont pas de portes ou sont sensibles aux ligands ou à d'autres types de stimuli.

Dans d'autres canaux ioniques, qui sont sensibles à la présence ou à la liaison de ligands, il existe un site de liaison pour le ligand soit du côté extracellulaire, soit vers le cytosol cellulaire et dans ces cas les pores ou canaux ont une porte qui peut être ouverte ou fermée selon l'état de son ligand.

Deuxième mécanisme de messager pour ouvrir ou fermer les canaux

Dans le cas d'un site ligand dans la partie intracellulaire, ces canaux ont généralement des seconds messagers comme ligands. Un exemple de canaux ioniques ouverts ou fermés par des mécanismes de second messager est celui des récepteurs olfactifs:

Les molécules odorantes se lient à leurs récepteurs du côté extracellulaire. Ces récepteurs, à leur tour, sont attachés à une protéine G activée qui, à son tour, active la protéine adényl cyclase qui forme l'AMPc, qui est un deuxième messager.

L'AMPc se lie à un site de liaison intracellulaire de certains canaux calciques, ce qui entraîne son ouverture et l'entrée de calcium dans la cellule.

Comme s'il s'agissait d'un effet domino, le calcium se lie à un site ligand d'un autre canal chlore, ce qui génère son ouverture et la sortie de cet ion, provoquant la dépolarisation de la cellule olfactive.

Il est important de souligner que les changements générés par les ligands ou les stimuli qui affectent les canaux ioniques correspondent aux changements conformationnels des protéines qui composent la structure du canal.

En d'autres termes, les changements conformationnels qui peuvent déplacer une porte et fermer ou ouvrir un canal ne sont rien de plus que l'approche ou l'éloignement des sous-unités protéiques qui le composent.

Autres mécanismes d'activation et d'inactivation

Certains canaux, en particulier les canaux dépendants de la tension, peuvent entrer dans un état réfractaire au cours duquel le même changement de tension qui les a activés ne les active plus.

Par exemple, dans les canaux calciques voltage-dépendants, le changement de tension ouvre le canal et le calcium entre et, une fois à l'intérieur de la cellule, le même ion se lie à un site de liaison du canal calcique et le canal calcique se ferme..

Une autre forme d'inactivation réversible du canal calcique qui explique sa réfractarité après l'activation est la déphosphorylation du canal due à une concentration interne accrue de calcium.

C'est-à-dire qu'un canal calcique peut être inactivé de manière irréversible en raison de la présence de concentrations pathologiquement élevées de l'ion, qui interviennent dans le recrutement d'enzymes de clivage à partir d'autres protéines activées par le calcium.

Les canaux déclenchés par ligand peuvent entrer dans un état réfractaire lorsqu'ils sont exposés à leur ligand pendant une longue période, ce mécanisme étant appelé désensibilisation.

Les médicaments, les poisons et les toxines peuvent affecter la régulation des canaux ioniques, les fermer ou les maintenir ouverts ou, dans certains cas, occuper le site du ligand et ainsi interférer avec sa fonction.

Caractéristiques

Les canaux ioniques ont une multiplicité de fonctions, directes ou indirectes.

- Ils sont responsables de la régulation du flux d'ions à travers le plasma et les membranes organellaires de toutes les cellules.

- Ils permettent l'existence d'un contrôle sur les concentrations intracellulaires des différents ions.

- Dans les neurones et les cellules musculaires, les canaux ioniques contrôlent les variations de potentiel membranaire qui se produisent pendant les potentiels d'action et pendant les potentiels postsynaptiques des cellules effectrices.

- Les canaux calciques qui génèrent des flux nets de calcium dans l'espace intracellulaire sont responsables de l'activation de nombreuses enzymes et protéines qui participent à de nombreux processus métaboliques.

- De même, l'augmentation du calcium due à une augmentation de son transport initie le mécanisme de libération des neurotransmetteurs vers l'espace synaptique des neurones.

- Par conséquent, la fonction des canaux ioniques est également liée aux mécanismes de communication cellulaire.

Généralités du transport à travers la membrane

Comme indiqué ci-dessus, les mécanismes de transport membranaire peuvent être actifs ou passifs selon qu'ils consomment ou non l'énergie de la cellule où ils se trouvent. Les mécanismes passifs sont classés en diffusion simple et diffusion facilitée.

Diffusion simple

La diffusion simple permet le passage à travers la structure phospholipidique de la membrane de molécules liposolubles de petite taille, avec des caractéristiques apolaires et sans charge.

Ainsi, par exemple, des gaz tels que l'oxygène (O2) et le dioxyde de carbone (CO2), l'éthanol et l'urée, pour n'en citer que quelques-uns, traversent leur gradient de concentration.

Diffusion facilitée

La diffusion facilitée est celle qui est facilitée par les protéines et il existe deux types de ce mécanisme de transport passif: les canaux ioniques et les protéines de transport ou les protéines de transport.

Les canaux ioniques sont le mécanisme le plus utilisé par les cellules pour le transport des ions qui ne peuvent pas passer par simple diffusion, soit parce qu'ils ont une charge électrique et que les phospholipides de la membrane les repoussent, du fait de leur taille et de leur polarité ou de toute autre caractéristique.

La diffusion facilitée par les protéines porteuses est utilisée pour le transport de substances plus grosses avec ou sans charge, comme le glucose et d'autres sucres.

Le transport membranaire actif est celui qui se produit contre le gradient de concentration du soluté transporté et nécessite la consommation d'énergie sous forme d'ATP. Parmi les transporteurs de ce type figurent les pompes et le transport vésiculaire.

La pompe sodium / potassium est un exemple de pompe, qui élimine trois sodium et introduit deux potassium. Il y a aussi les pompes à calcium.

Des exemples de transport vésiculaire sont l'endocytose, l'exocytose, la pinocytose et la phagocytose; tous ces mécanismes de transport actifs.

Types de canaux ioniques

A partir de là, on se référera aux canaux ioniques qui permettent le passage des ions à travers une membrane au profit de leurs gradients de concentration, c'est-à-dire qu'il s'agit de canaux de transport passifs.

Généralement, chacun de ces canaux est spécifique d'un seul ion, à l'exception de quelques canaux qui permettent le transport de paires d'ions.

Schéma structurel d'un canal ionique (Source: Outslider (Paweł Tokarz) sur pl.wikipedia via Wikimedia Commons)

Une façon de classer les canaux ioniques est de les regrouper selon le mécanisme responsable de leur ouverture. Ainsi, des canaux passifs, des canaux régulés en tension (dépendants de la tension), des canaux régulés par ligand et des canaux régulés par stimulus mécaniques ont été décrits.

- Canaux passifs: ce sont des canaux qui sont ouverts en permanence et ne répondent à aucun type de stimulus; ceux-ci sont spécifiques de certains ions.

- Canaux dépendants de la tension: ceux-ci peuvent s'ouvrir ou se fermer (selon le canal) face aux changements de tension de la membrane. Ils sont très importants pour la signalisation cellulaire, en particulier dans le système nerveux central des mammifères.

- Canaux dépendants du ligand: également appelés canaux ligand- dépendants ou régulés par ligand, ils sont largement distribués dans les différentes cellules du corps humain, mais dans le système nerveux, ils constituent les canaux ioniques activés par les neurotransmetteurs et sont essentiels pour la transmission synaptique et signalisation intercellulaire.

Des exemples de canaux ioniques dépendants du ligand activés par des neurotransmetteurs sont les canaux sodium / potassium activés par le glutamate.

L'activation des récepteurs cholinergiques, en l'occurrence la liaison de l'acétylcholine à la membrane postsynaptique (canal ligand), ouvre des canaux sodiques ligand-dépendants et permet l'entrée de cet ion suivant son gradient de concentration.

- Canaux régulés par des stimuli mécaniques: ce sont des canaux qui peuvent être activés par distension ou pression. Ces forces mécaniques sont transmises au canal par le cytosquelette et le canal s'ouvre.

Références

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