Fiche de révision : Canaux ioniques et membrane

📋 Plan du Cours

1. Membrane et propriétés des molécules
2. Canaux ioniques et leurs modes d’ouverture
3. Contrôle voltage-dépendant et flux ioniques
4. Potentiel d’équilibre et équation de Nernst
5. Canaux de fuite et mécanosensibles
6. Méthodes d’étude des canaux ioniques
7. Potentiels d’action et canaux ioniques
8. Médiation et rôles physiologiques
9. Mucoviscidose et canal CFTR
10. Modulation pharmacologique des canaux
11. Synthèse des types de canaux

📖 1. Membrane et propriétés des molécules

🔑 Notions clés & Définitions

• Canal ionique : Protéine membranaire dont les changements de conformation permettent le passage passif d’ions spécifiques à travers la membrane.

• Phospholipide : Molécule amphiphile composée d’une tête polaire hydrophile portant un groupement phosphate et de deux queues d’acides gras apolaires hydrophobes.
• Molécule polaire : Répartition inégale des charges, comme dans l’eau dont l’oxygène porte une charge partielle δ⁻ et les hydrogènes des charges partielles δ⁺.

★ À maîtriser

• Dans le muscle squelettique de mammifère, les concentrations extracellulaires et intracellulaires sont respectivement de 145 et 20 mmol/L pour Na⁺, de 4 et 150 mmol/L pour K⁺, de 1,8 et environ 0,0001 mmol/L pour Ca²⁺, et de 114 et 3 mmol/L pour Cl⁻.

📌 Les ions et les molécules polaires sont hydrophiles parce qu’ils interagissent avec l’eau et s’entourent d’une couche d’hydratation, tandis que les molécules apolaires sont hydrophobes et n’interagissent pas avec l’eau.

📌 Les protéines intrinsèques traversent la membrane, tandis que les protéines extrinsèques sont posées à sa surface; les canaux ioniques sont des protéines intrinsèques.

Compléments

• Les principaux ions concernés par les canaux ioniques sont Na⁺, K⁺, Ca²⁺ et Cl⁻.

• Les canaux ioniques participent à la transmission des influx et des signaux dans l’organisme.

• Dans l’eau, les molécules apolaires se regroupent, réduisant leur surface de contact avec l’eau afin que celle-ci conserve un maximum de liaisons hydrogène; ce regroupement résulte de l’exclusion par l’eau, et non d’une attraction entre molécules apolaires.

• Dans l’eau, les phospholipides s’auto-assemblent en bicouche, micelle ou liposome en orientant leurs têtes vers l’eau et leurs queues vers l’intérieur; la bicouche présente un cœur hydrophobe entre deux faces hydrophiles.

• La bicouche lipidique de la membrane plasmique mesure 5 à 6 nm d’épaisseur.

📖 2. Canaux ioniques et leurs modes d’ouverture

★ À maîtriser

• Les quatre types de canaux ioniques distingués sont :

  • les canaux ligand-dépendants
  • les canaux voltage-dépendants
  • les canaux de fuite
  • les canaux mécanosensibles

• La fixation d’un ligand, tel qu’un neuromédiateur ou une hormone, sur un récepteur spécifique ouvre un canal ligand-dépendant.

Compléments

• Lorsque le canal ligand-dépendant est ouvert, l’ion entre ou sort selon son gradient électrochimique.

📌 Les canaux voltage-dépendants, aussi appelés canaux potentiel-dépendants ou canaux de Hodgkin et Huxley, s’ouvrent en réponse à une variation du potentiel de membrane, contrairement aux canaux ligand-dépendants qui répondent à la fixation d’un ligand.

📖 3. Contrôle voltage-dépendant et flux ioniques

★ À maîtriser

• Une variation du potentiel de membrane ouvre un canal voltage-dépendant, permettant à l’ion de se déplacer selon son gradient électrochimique.

• La dépolarisation ouvre le canal voltage-dépendant et la repolarisation le ramène à l’état fermé.

• Le sens du déplacement d’un ion dans un canal ouvert dépend de son gradient de concentration, de sa charge et du potentiel de membrane, qui constituent ensemble le gradient électrochimique.

Compléments

• Dans un canal voltage-dépendant, la différence de potentiel transmembranaire crée un champ électrique qui agit sur la structure chargée de la protéine et modifie sa conformation entre les états fermé et ouvert.

• Dans le domaine du canal voltage-dépendant constitué des segments S1 à S6, le segment S4 porte des charges positives, détecte la différence de potentiel et commande l’ouverture du pore.

📖 4. Potentiel d’équilibre et équation de Nernst

🔑 Notions clés & Définitions

• Potentiel d’équilibre : Potentiel pour lequel le flux net transmembranaire de cet ion est nul.

★ À maîtriser

📐 Formule - Le potentiel d’équilibre ionique est donné par l’équation de Nernst : $E_{ion}=\frac{2{,}303RT}{zF}\log\left(\frac{[ion]_e}{[ion]_i}\right)$, où R est la constante gazeuse, T la température absolue, z la charge de l’ion, F la constante de Faraday et [ion]e et [ion]i les concentrations extracellulaire et intracellulaire.

• Les potentiels d’équilibre indiqués sont E K⁺ = −80 mV, E Na⁺ = +62 mV, E Ca²⁺ = +130 mV et E Cl⁻ = −65 mV.

Compléments

• Sur une membrane excitable, le potentiel de membrane tend vers le potentiel d’équilibre de l’ion dont les canaux sont ouverts.

• La constante de Faraday vaut 96 485,3365 coulombs/mol.

📖 5. Canaux de fuite et mécanosensibles

🔑 Notions clés & Définitions

• Canal de fuite : Canal ouvert en permanence, indépendamment de la fixation d’un ligand ou d’une variation de potentiel.
• Canal mécanosensible : Canal ouvert par une force physique, telle qu’une pression ou un étirement, qui met la membrane sous tension.

📝 Points essentiels

• Les canaux K⁺ de fuite interviennent dans le potentiel de repos de la membrane.

• Le toucher mobilise des terminaisons nerveuses des mécanorécepteurs de la peau.

• Dans les vaisseaux, certains canaux sont activés par l’étirement des cellules endothéliales.

📖 6. Méthodes d’étude des canaux ioniques

🔑 Notions clés & Définitions

• Patch-clamp : Technique qui isole un fragment de membrane à l’aide d’une micropipette afin d’enregistrer l’activité d’un seul canal, ouvert ou fermé.

★ À maîtriser

• Les méthodes d’étude comprennent (Boron & Boulpaep) : les méthodes électriques, dont le potentiel imposé et le patch-clamp, les méthodes chimiques, les méthodes indirectes : knockout mice, transcriptomics, proteomics, séquençage et traceurs

• La technique du potentiel imposé relie une variation imposée du potentiel de membrane à l’ouverture ou à la fermeture d’un canal et au passage ou non d’ions, mesuré comme un courant électrique.

Compléments

• Dans la technique du potentiel imposé, l’électrode de mesure enregistre le potentiel de membrane, tandis que l’électrode d’injection de courant maintient ce potentiel à la valeur de commande. - Boron & Boulpaep, Medical Physiology

📖 7. Potentiels d’action et canaux ioniques

★ À maîtriser

• Au repos, une cellule excitable est polarisée, avec l’extérieur chargé positivement et l’intérieur chargé négativement. - Silverthorn, Human Physiology

• Lors de la genèse du potentiel d’action, les canaux Na⁺ passent de l’état fermé au repos à l’ouverture lors de la dépolarisation, puis à l’inactivation et redeviennent fermés au retour au potentiel de repos. - Martin, Vallet, Riou, Physiologie humaine appliquée

• Lors du potentiel d’action, l’ouverture des canaux Na⁺ augmente la perméabilité au sodium et fait tendre le potentiel vers E_Na⁺; la fermeture des canaux Na⁺ et l’ouverture des canaux K⁺ augmentent la perméabilité au potassium, ce qui ramène le potentiel vers E_K⁺. - Pocock et al., Physiologie humaine et physiopathologie

Compléments

• L’ouverture des canaux Na⁺ augmente la conductance au sodium et joue un rôle majeur dans la phase de dépolarisation du potentiel d’action. - Martin, Vallet, Riou, Physiologie humaine appliquée

• 🔄 Le potentiel d’action ventriculaire suit ces phases (Pocock et al.) : dépolarisation rapide par ouverture des canaux Na⁺, repolarisation précoce et brève par les canaux K⁺, plateau par entrée de Ca²⁺ dans la cellule, repolarisation par sortie de K⁺, retour au potentiel de repos

• Lors d’une transmission inhibitrice, un potentiel d’action présynaptique provoque la libération d’un neuromédiateur tel que le GABA, qui ouvre les canaux Cl⁻ postsynaptiques et entraîne une hyperpolarisation appelée PPSI; leur fermeture permet le retour progressif au potentiel de repos. - Pocock et al., Physiologie humaine et physiopathologie

💡 Astuce mémo

Na⁺ ouvre et dépolarise, K⁺ repolarise, Ca²⁺ prolonge, Cl⁻ hyperpolarise.

📖 8. Médiation et rôles physiologiques

★ À maîtriser

• Une hausse du Ca²⁺ cytosolique, due à l’ouverture d’un canal calcique ou à la libération des réserves, entraîne sa fixation à la calmoduline et à d’autres protéines, puis des réponses cellulaires. - Silverthorn, Human Physiology

• Dans l’axone, le potentiel d’action d’une région active dépolarise la région voisine par des courants locaux et se propage le long de l’axone; dans un axone myélinisé, la conduction est saltatoire, de nœud en nœud. - Pocock et al., Physiologie humaine et physiopathologie

Compléments

• Dans la contraction musculaire, les canaux calciques permettent l’intervention du Ca²⁺ dans le couplage actine-myosine, qui conduit à la contraction musculaire. - Pocock et al., Physiologie humaine et physiopathologie

• Dans la signalisation endocrinienne décrite, l’activation du récepteur par une hormone entraîne la formation d’IP₃ et de DAG via la protéine G et la phospholipase C; l’IP₃ libère le Ca²⁺ des stocks intracellulaires, tandis que le DAG active la protéine kinase C, qui phosphoryle des protéines cibles, entraînant des réponses cellulaires telles que la sécrétion. - Pocock et al., Physiologie humaine et physiopathologie

📖 9. Mucoviscidose et canal CFTR

🔑 Notions clés & Définitions

• Canalopathie : Maladie due à l’altération de la fonction d’un canal ionique.

★ À maîtriser

• La mucoviscidose est une maladie héréditaire récessive causée par un défaut du canal Cl⁻ CFTR dans les épithéliums.

• Les conséquences citées sont :

  • un mucus anormalement épais
  • des infections bronchiques
  • l’obstruction des canaux pancréatiques

Compléments

• Les organes concernés sont :
  • les voies respiratoires
  • les glandes sudoripares
  • le pancréas

💡 Astuce mémo

Défaut de CFTR → mucus épais → infections bronchiques et obstruction pancréatique.

📖 10. Modulation pharmacologique des canaux

★ À maîtriser

• Le curare bloque les récepteurs de l’acétylcholine, empêchant l’ouverture des canaux Na⁺ et entraînant une paralysie musculaire.

Compléments

• Les canaux Na⁺ peuvent être bloqués par la tétrodotoxine (TTX), la saxitoxine (STX) et les anesthésiques locaux; avec la TTX, la dépolarisation membranaire ne se produit pas.

• Les canaux K⁺ peuvent être bloqués par le tétraéthylammonium (TEA), la 4-aminopyridine et la quinine.

• Les sulfonylurées ferment les canaux K⁺-ATP, ce qui favorise la sécrétion d’insuline.

• Les canaux Ca²⁺ peuvent être bloqués par le vérapamil, les dihydropyridines, les benzothiazépines (diltiazem), le manganèse et le cobalt.

• La diminution de l’entrée de Ca²⁺ par blocage des canaux calciques diminue l’activité cardiaque et la pression artérielle.

• La strychnine est un antagoniste du récepteur de la glycine, tandis que les benzodiazépines potentialisent le récepteur GABA-A.

📖 11. Synthèse des types de canaux

📝 Points essentiels

• Les canaux ligand-dépendants s’ouvrent par fixation d’un ligand, comme les récepteurs de l’acétylcholine ou GABA-A; ils interviennent notamment dans la transmission synaptique et l’hyperpolarisation (PPSI).

• Les canaux voltage-dépendants s’ouvrent en réponse à une variation du potentiel de membrane; les canaux Na⁺, K⁺ et Ca²⁺ sont associés au potentiel d’action et au plateau cardiaque.

• Les canaux de fuite sont ouverts en permanence; les canaux K⁺ de fuite participent au potentiel de repos.

• Les canaux mécanosensibles s’ouvrent sous l’effet d’une force physique telle que la pression ou l’étirement; les mécanorécepteurs de la peau participent au toucher.