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Neurone
Canaux ioniques au potassium
Erik Harvey-Girard


Structure cristallographique des canaux ioniques au potassium dépendant du voltage (Kv). A- Vue de côté. TM: sous-unités alpha transmembranaires , Béta: sous-unités béta. B- Une sous-unité alpha avec une sous-unité béta. S1-S6: segments hélicoïdaux de la sous-unité alpha. N: début de la protéine. C: fin de la protéine. C- Vue de dessus (extracellulaire) des sous-unités alpha.(Référence: Long et al. (2005) Crystal structure of a mammalian voltage-dependent Shaker family K+ channel.Science, vol. 309, pp.897-903).
Les canaux ioniques au potassium (IK) sont responsables de l’hyperpolarisation du potentiel membranaire ce qui diminue leur chance de pouvoir des potentiels d’action (influx nerveux). Il existe un grand nombre de canaux perméables au K+, allant des canaux ioniques au K+ dépendants du voltage (Kv) aux récepteurs sensibles à certains messagers chimiques, en passant par des canaux potassiques activés par le calcium (canaux IKCa de types BK et SK), des canaux K+ de fuite (« leak K+ channels») et des canaux K+ à rectification entrante (« 
inward rectifier potassium channel »). Les canaux ioniques au K+ dépendants du voltage jouent des rôles centraux dans l’excitabilité des neurones puisqu’ils sont responsables de l’établissement du potentiel de repos, des phases de repolarisation et d’hyperpolarisation de l’influx nerveux (voir Génie 102). Ils sont aussi grandement responsables de la dynamique en rafale des neurones et de l’établissement du rythme régulier de certains neurones (voir RAP et Garde le rythme !). Tout come les canaux sodiques (voir C.I Na+), les canaux potassiques dépendants du voltage ont une architecture moléculaire qui leur est propre et qui leur confére des propriétés électrophysiologiques nécessaires à l’accomplissement de leurs rôles pour les cellules excitables.

Structure, propriétés et diversité

Les canaux ioniques au potassium sont des protéines transmembranaires que l’on retrouve à la surface des cellules excitables. Dans les neurones, ils se localisent dans l’axone, au cône d’émergence, au soma et dans les dendrites. On les retrouve aussi dans les fibres musculaires et, particulièrement intéressant pour notre sujet, dans les cellules de l’organe électrique de tous les poissons électriques.

Le coeur des canaux potassiques est placé dans la membrane cytoplasmique des neurones et est composé de quatre sous-unités a. Chaque sous-unité a possède un senseur au voltage, tandis que l’assemblage des quatre sous-unités forme le pore. Chaque sous-unité a d’un canal K+ est semblable à un des domaines des canaux sodiques (voir C.I. Na), avec six segments transmembranaires nommés S1 à S6. Du côté cytoplasmique, quatre sous-unités b servent de régulateurs.

Les canaux potassiques dépendants du voltage 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 et d’ouverture ; 2- ils sont perméables aux ions potassium (K+) de façon sélective ; 3- ils s’activent plus lentement que canaux ioniques au Na+; 4- ils s’inactivent parfois et s’ils le font, ils s’inactivent plus lentement que canaux ioniques au Na+; 5- les canaux ioniques au K+ causent un courant d’ions K+ sortant (dû au gradient des ions au potassium) qui repolarise, voire hyperpolarise la membrane et souvent abrège l’influx nerveux.

Il y a plusieurs types de canaux ioniques au K+ dépendants du voltage. Pour y voir plus clair, on les a classifiés par des groupes notés de Kv1 à Kv4, selon leur vitesse d’activation, leur taux d’inactivation, leur sensibilité à diverses drogues et leur code génétique. Les canaux du groupe Kv1 représentent les canaux potassiques classiques responsables de la repolarisation de l’influx nerveux.

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. 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 K+ est facilement déterminée par les courbes de courant enregistrées. A bas voltage (exemple -80, en rouge), les canaux K+ s’ouvrent peu, mais à un plus haut niveau de dépolarisation (0mV, en vert), les canaux K+ s’activent fortement. L’ouverture des canaux ioniques au K+ cause des courants sortants, ce qui en temps normal hyperpolariserait la cellule.

On peut facilement tracer une courbe I-V de l’amplitude du courant en fonction du voltage imposé. On y voit que les canaux ioniques au K+, légèrement ouverts aux potentiels proches du potentiel de repos (-70mV), laissent entrer un courant toujours plus grand lors des dépolarisations, mais laissent passer un courant entrant sous les -90mV quand ils sont ouverts (on appelle cette valeur potentiel de réversion, ER). Normalement, la dépolarisation de la membrane active les canaux ioniques au K+, qui laissent sortir des ions potassiques chargés positivement, qui hyperpolarisent la membrane. La courbe I-V des canaux ioniques au K+ supporte l’idée d’une boucle de rétroaction négative, à l’inverse des canaux ioniques au sodium. Les canaux ioniques au potassium agissent donc comme des atténuateurs.

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 potassium 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 potassiques est supportée par des segments d’acides aminés de la protéine.

Par exemple, les segments S4 de chaque sous-unité contrôlent la dépendance des canaux K+ 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. Le nombre de charges positives sur les segments S4 détermine le taux d’activation des canaux potassiques.

Les canaux ioniques au potassium sont spécifiquement perméables aux ions potassium (K+). Ils agissent donc comme des filtres sélectifs pour les ions K+. Le pore et le filtre sélectif aux ions K+ 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 parfaites pour laisser passer les petits ions K+, mais bloquer les autres ions. Comme on a vu précédemment, il y a un gradient d’ions K+ de chaque côté de la membrane du neurone établi grâce à la pompe échangeuse Na+/K: les ions K+ sont fortement plus concentrés à l’intérieur qu’à l’extérieur du neurone (voir Génie 102). Lorsque les canaux potassiques sont ouverts, les ions K+ 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 sortant d’ions K+ s’établit lorsque les canaux potassiques sont ouverts.

Le taux d’inactivation à aussi un support moléculaire d’une grande ingéniosité. Le bout N-terminal de la séquence en acides aminés de chaque sous-unité peut être représenté comme un boulet chargé au bout d’une chaîne (« ball and chain mechanism »). Normalement, ce boulet peut se « promener librement » au bout de sa chaîne. Lorsque le canal K+ est ouvert, il arrive qu’au hasard de ses « élans », le boulet vienne se prendre dans la face cytoplasmique du pore et bloque le canal K+. Ainsi, le canal potassique est inactivé. Encore plus surprenant est que la longueur de la « chaîne », le nombre de charges sur le « boulet » et la grosseur de celui-ci déterminent le taux et la vitesse d’inactivation des divers canaux potassiques.

 

Références
Erik Harvey-Girard.  "Canaux ioniques au potassium."  Apteronote. Ed. Erik Harvey-Girard. Ottawa: Mai 1, 2007. <  >

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