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Neurone
Canaux ioniques au sodium (INa)
Erik Harvey-Girard


Les canaux ioniques au sodium (INa) sont responsables de la dépolarisation lors du potentiel d’action (ou dit autrement, de la montée de l’influx nerveux). Les canaux sodiques ont une architecture moléculaire particulière leur conférant des propriétés électrophysiologiques nécessaires à l’accomplissement de leur rôle fondamental pour les cellules excitables (neurones, fibres musculaires, cellules des glandes et électrocytes des organes électriques).

 

Structure et propriétés

Schéma de la structure des canaux ioniques au sodium. En haut, structure primaire des trois sous-unités. En vert, les segments transmembranaires, en jaune les senseurs de voltage (S4), en bleu les segments responsables de l'inactivation et en rouge les sites de modulation. En bas, schéma 3D de la sous-unité alpha.
Les canaux ioniques au sodium sont de grosses protéines transmembranaires que l’on retrouve à la surface des cellules excitables. Dans les neurones, ils se localisent surtout dans l’axone, au nœud de Ranvier et au cône d’émergence et au soma. On en retrouve aussi dans les dendrites des neurones capables de conduction active, dans les fibres musculaires et, particulièrement intéressant pour notre sujet, dans les cellules de l’organe électrique de tous les poissons électriques. Ils sont composés de trois sous-unités nommées
a, b1 et b2. L’unité a forme le cœur du canal avec le pore et le senseur au voltage. L’unité a des canaux sodiques possède quatre domaines, chacune semblable avec six segments transmembranaires nommés S1 à S6. Quant à elles, les deux unités b assistent et modulent les fonctions de l’unité a.

 

Les canaux sodiques ont des propriétés spécifiques : 1- ils sont dépendants du voltage de la membrane, c’est-à-dire que le taux de dépolarisation de la membrane détermine leur niveau d’activation ; 2- ils sont perméables aux ions sodium (Na+) de façon sélective ; 3- ils sont activés très rapidement (1-5 millisecondes) ; 4- ils s’inactivent rapidement après leur ouverture (3-10 millisecondes) ; 5- les canaux ioniques au Na+ causent un courant d’ions Na+ entrant (dû au gradient des ions au sodium) qui dépolarise la membrane, ce qui déclenche l’influx nerveux.

 

Tétrodon produit la tétrodotoxine qui paralyse en bloquant les canaux sodiques
Par ailleurs, une toxine produite par le poisson tétrodon, la tétrodotoxine (TTX), est un paralysant très puissant. Le tétrodon est considéré au Japon comme une délicatesse culinaire. Chaque année, plusieurs Japonais meurent d’avoir mangé un tétrodon mal apprêté (la tétrodotoxine se concentrant dans certains organes spécifiques). La TTX vient bloquer les canaux ioniques au Na+, ce qui empêche la propagation des influx nerveux, d’où son effet paralysant.

 

Voltage imposé, technique de choix pour étudier les canaux ioniques

Comment les chercheurs sont-ils capables d’étudier les canaux ioniques ? En électrophysiologie comme ailleurs, il faut revenir à la base de l’électricité : la loi d’Ohms (V = R x I) qui stipule que le produit du courant (I) par la résistance (R) est égal au voltage (V). Dans une membrane cellulaire, la résistance est déterminée par la membrane avec ses lipides et ses canaux ioniques.
Technique de voltage imposé pour l'étude des canaux ioniques au sodium. En haut, traces de voltage imposé, au centre, courbes enregistrées des courants sodiques et en bas courbe I-V des canaux sodiques.
Avec seulement des lipides, la résistance de la membrane serait énorme. Cependant, l’ouverture des canaux ioniques réduit fortement la résistance membranaire. La résistance est donc déterminée uniquement par les canaux ioniques insérés dans la membrane. L’électrophysiologiste peut donc étudier cette résistance de deux façons : (1-) soit qu’il impose un courant et enregistre le voltage (courant imposé, current-clamp), ou (2-) qu’il impose le voltage et enregistre le courant (voltage imposé, voltage-clamp). La méthode de courant imposé est plus naturelle pour l’étude de l’activité des neurones. C’est cette approche qui est utilisée pour mesurer des potentiels d’action. Par contre, la méthode de voltage imposé permet de mieux suivre la dynamique des canaux ioniques.

 

La première figure montre un exemple d’expérience en voltage imposé. L’expérimentateur place une électrode à l’intérieur de la cellule et une à l’extérieur. A plusieurs reprises, l’expérimentateur impose à travers la membrane à l’aide de ses électrodes (superposées en haut) tout en mesurant le courant que laisse passer la membrane (en bas). Les couleurs aident à associer les traces entre elles. L’activité des canaux ioniques au Na+ est facilement déterminée par les courbes de courant enregistrées. A bas voltage (exemple -40, en rouge), les canaux Na+ s’ouvrent lentement et peu, mais à un plus haut niveau de dépolarisation (0mV, en vert), les canaux Na+ s’activent rapidement et fortement. L’ouverture des canaux ioniques au Na+ cause des courants entrants, ce qui en temps normal dépolariserait encore plus la cellule.

 

On peut facilement tracer une courbe I-V de l’amplitude du courant en fonction du voltage imposé.
Boucle de rétroaction des canaux ioniques pour dépolariser la membrane.
On y voit que les canaux ioniques au Na+, silencieux aux potentiels proches du potentiel de repos (-70mV), laissent entrer un courant maximale autour de 0mV, mais laissent passer un courant sortant dépassé +40mV (on appelle cette valeur potentiel de réversion, ER). Normalement, la dépolarisation de la membrane active les canaux ioniques au Na+, qui laissent entrer des ions sodiques chargés positivement, qui dépolarisent la membrane encore plus… La courbe I-V des canaux ioniques au Na+ supporte cette idée de boucle de rétroaction positive. Le courant maximal à 0mV et nul à +40mV établissent la zone maximale du potentiel d’action : jamais un potentiel d’action ne pourrait naturellement dépasser +40mV puisque le courant des canaux ioniques au Na+ qui le produit serait incapable de pousser la dépolarisation plus loin.

 

Ingénierie d’un canal

Comme toutes les protéines, on découvre de plus en plus par des études de mutagénèse ciblée que les canaux ioniques au sodium sont des chefs-d’œuvre d’architecture moléculaire alliant structure et fonction. Le génie inventif du vivant dépasse de loin les balbutiements nanotechnologiques des humains. Ainsi, chaque fonction des canaux sodiques est supportée par des segments d’acides aminés de la protéine.

 

Par exemple, les segments S4 de l’unité a contrôlent la dépendance des canaux sodiques au voltage de membrane. Ces segments S4 sont placés à travers la membrane et contiennent des charges positives qui se déplacent quant il y a dépolarisation. Le mouvement du segment S4 et de ses charges positives force des changements de conformation qui induisent l’ouverture du pore du canal.

 

Les canaux ioniques au sodium sont spécifiquement perméables aux ions sodium (Na+). Ils agissent donc comme des filtres sélectifs pour les ions Na+. Le pore et le filtre sélectif aux ions Na+ sont contrôlés par les segments d’acides aminés entre les segments S5 et S6 (lien S5-S6). La forme du pore et les charges des acides aminés juxtaposés sont parfaite pour laisser passer les petits ions Na+, mais bloquer les autres ions. Comme on a vu précédemment, il y a un gradient d’ions Na+ de chaque côté de la membrane du neurone établi grâce à la pompe échangeuse Na+/K: les ions Na+ sont fortement plus concentrés à l’extérieur qu’à l’intérieur du neurone (voir Génie des neurones 102). Lorsque les canaux sodiques sont ouverts, les ions Na+ ont plus de chance de rentrer dans la cellule que d’en sortir parce qu’ils sont plus concentrés à l’extérieur du neurone. De ce fait, un courant entrant d’ions Na+ s’établit lorsque les canaux sodiques sont ouverts.

 

Un dernier exemple d’ingénierie des canaux Na+. L’inactivation rapide des canaux sodiques est produite par un segment entre les domaines III et IV qui forme un bouchon du côté intracellulaire du pore. Par mutagénèse, si on change sa forme ou si on change les charges de ce segment, l’inactivation rapide des canaux sodiques est altérée.

 

Variation sur un même thème évolutif

Comparaison phylogénique des canaux ioniques au sodium chez les mammifères et les poissons ainsi que leurs sites d'expression.
Chez les mammifères, il y a dix différentes sous-unités
a des canaux ioniques au sodium, notées NaV1.1 à NaV1.9 et Nax, et par conséquent, présente une séquence en acides aminés différente des autres types de canaux.. Chacune est codée par un gène différent localisé sur divers chromosomes. Chaque sous-unité présente des différences qui lui confèrent des propriétés électrophysiologiques (s’activant ou s’inactivant plus ou moins rapidement) et moléculaires distinctes (expression et localisation cellulaire, régulation et interaction avec d’autres protéines).

 

Ces différences de régulation, de dépendance au voltage et d’inactivation (parmi d’autres propriétés) sont affectées par divers segments d’acides aminés (voir plus haut). Chez les mammifères, plusieurs d’entre elles sont expriment par des neurones, une forme est exprimée spécifiquement par les cellules cardiaques (NaV1.5) et une autre est particulière aux cellules musculaires (NaV1.4). Certains canaux au Na+ sont exprimés dans le système nerveux (en vert et orange), tandis que d’autres sont exclusifs aux cellules musculaires squelettiques (en rose) ou cardiaques (en bleu).

 

Chez les poissons, les gènes de canaux ioniques au Na+ différent de ceux des mammifères. L’équipe de Zakon a montré qu’il existe six isoformes des canaux ioniques au Na+ répartis dans les grands groupes que l’on retrouve chez les mammifères avec une expression similaire dans les cellules excitables. Les poissons électriques nous surprennent encore une fois avec leurs canaux ioniques au sodium. En effet, chez les poissons électriques, les canaux sodiques de type NaV1.4a sont spécifiquement exprimés dans les organes électriques. Leurs gènes ont été modifiés au cours de l'évolution pour permettre l'émission de pulses électriques plus rapides (voir Rythme évolué).

  

Bref, les canaux ioniques au sodium sont des protéines transmembranaires qui détectent le voltage membranaire et laissent passer sélectivement des ions Na+ sous forme d’un petit courant électrique entrant de façon transitoire selon le gradient électrochimique des ions Na+. Ces propriétés sont essentielles car elles permettent la montée de la vague de propagation du potentiel d’action (le déplacement de l’influx nerveux)

 

Références
Erik Harvey-Girard.  "Canaux ioniques au sodium (INa)."  Apteronote. Ed. Erik Harvey-Girard. Ottawa: Dec 7, 2006. <  >

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