Diapositive 1

1
Canaux ioniques

• I. Généralités sur les canaux ioniques
• II. Exemples de rôle des canaux ioniques dans des
  fonctions cellulaires
• III. Quelques exemples de canalopathies
• IV. Les canaux ioniques  cibles thérapeutiques
  et de toxines
• V. structure moléculaire de canaux ioniques
• http//perso.univ-rennes1.fr/francois.tiaho
• Dossier Phycel

2
I. Généralités sur les canaux ioniques

• 1.1. Propriétés et fonctions générales
• 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.
• - Potentiel de membrane
• - Potentiel récepteur, potentiel post-synaptique
• - Excitabilité
• - Neurotransmission
• - Couplage excitation contraction
• - Différenciation cellulaire (neurones, muscles)
• - Transduction des signaux dans la communication
  cellulaire
• - Sécrétion
• - Excrétion

3
Prix Nobel de Physiologie et Médecine 1963
Hodgkin et Huxley
C Courants sodique et potassique du PA
A Laxone géant de Calmar
Schéma A issu de Neurosciences, Purves et al.
B La technique de potentiel imposé
D PA et conductances ioniques
Figures B, C et D issues de Principles of
neural sciences, 4ème édition, Kandel et al.
4
prix Nobel de Physiologie et Médecine 1991 Neher
et Sakmann
A Configuration inside-out
B Courants nicotiniques unitaires
Figures A et B issues de Principles of neural
sciences, 4ème édition, Kandel et al.
5
Prix Nobel de Chimie 2003 MacKinon Roderick
Structure cristalline par diffraction aux RX de
canaux KIR (KcsA) de bactérie, Streptomyces
lividans
Figures issues de Principles of
neural sciences, 4ème édition, Kandel et al.
6
I. Généralités sur les canaux ioniques

• 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.
• - Potentiel de membrane
• - Potentiel récepteur, potentiel post-synaptique
• - Excitabilité
• - Neurotransmission
• - Couplage excitation contraction
• - Différenciation cellulaire (neurones, muscles)
• - Transduction des signaux dans la communication
  cellulaire
• - Sécrétion
• - Excrétion

7
1.2. Principes de diffusion des ions à travers
les canaux ioniques

• Gradients ioniques
• Gradient électrique
• Gradient électro-chimique et Equation de NERNST
• Intensité du courant unitaire et global

8
Gradient chimique
Concentrations extracellulaires Na 150 mM Cl
150 mM K 5 mM Ca2 mM
ATP
Ca2
K
Na
Cl-
Ca2
ATP
HCO3-
Cl-
Concentrations intracellulaires K 150 mM Na
10 mM Cl 20 mM Ca10 nM
9
Gradient électrique
Genèse
K
Na
Cl-
Ca2
10
Gradient électro-chimique
Equation de Nernst
Ex (RT/ZF)Ln (Xo/Xi)
Ip,Na-K
K
Na
Cl-
Ca2
Na
K
ICa,F
Ik,F
INa,F
Ix G (V-Ex)
11
Courants unitaires
Exemple cas de ik,V
Courant membranaire Global
Po dépend de leffecteur (Vm, ligand, étirement)
Exemple cas de iNa,V
12
1.3 classification électrophysiologique des
canaux ioniques

• En fonction de la sélectivité ionique
• - Na, K, Ca2, cationiques, Cl-
• En fonction du facteur contrôlant la probabilité
  douverture
• fuite (Na, K, Ca2, Cl-) 
• exemples ENaC, canaux à 2-P, KIR et ECaC
• potentiel de membrane
• ligand chimique
• médiateur, second messager
• Mécano-récepteur

13
II. Exemples de rôle des canaux ioniques dans des
fonctions cellulaires

• 2.1 Dans les cellules excitables
• 2.2 Dans la sécrétion hormonale exemple de
  linsuline.
• 2.3 Dans lexcrétion
• exemple des excrétions hydrominérales de
  cellules épithéliales pulmonaires.

14
Prix Nobel de Physiologie et Médecine 1963
Hodgkin et Huxley
C Courants sodique et potassique du PA
A Laxone géant de Calmar
Schéma A issu de Neurosciences, Purves et al.
B La technique de potentiel imposé
D PA et conductances ioniques
Figures B, C et D issues de Principles of
neural sciences, 4ème édition, Kandel et al.
15
(No Transcript)
16
Rôle des canaux ioniques dans la sécrétion
d insuline
17
Sécrétion hydrominérale pulmonaire chez lhomme
et la souris
lumière
Sang
K
K
Homme
Cl-
NaCl
Homme
RCPG1
PKA

Souris
SNS
Cl-
K
KCl
Cl-

Na
Eau
CaMKII
K
Souris
RCPG2
SNP
Na
Eau
Eau
Membrane Apicale
Membrane Basolatérale
18
III Canalopathies

• 3.1 Mucoviscidose CFTR (Cystic Fibrosis
  Transmembrane conductance Reguator).
• 3.2 Myotonies (crampes) ClC (voltage-sensitive
  Cl- Channels).
• 3.3 HypoPP (paralysie musculaire) Cav et Nav
• 3.4 syndrome du QT Long Kv et Nav
• 3.5 Myopathie de Lambert Eaton Cav
• 3.6 Myasthénie Gravis R-Ach
• 3.7 Polykystose rénale TRP

19
Canalopathies
Définition  Maladies génétiques affectant
lactivité de canaux ioniques.
Canalopathies Canaux impliqués Mécanisme ionique Prévalence Signes cliniques Thérapie
Mucovicidose Cl- Cl- inactivé 12/105 Troubles respiratoire et de digestion Kinésithérapie respiratoire, antibiothérapie,
Myotonie Cl- Cl- inactivé 5/105 Crampes musculaires Anti-arythmiques (bloqueurs de Na)
HypoPP Ca2, Na Inactivation 1/105 Paralysie musculaire Perfusion de K
LQT K Na K inactivé Na activé 25/105 Syncope, mort subite ß-bloquant
Myasthénie de Lambert-Eaton Ca2 Ca2 inactivé par des anticorps 1/105 Fatigue et faiblesse musculaire Bloqueurs canaux K Immunosppression Echange plasmatique
Myasthénie Gravis R-Nic R-Nic inactivé par des anticorps 1/105 Fatigue et faiblesse musculaire Anticholinesrérase Immunosuppression Echange plasmatique
Polykistose rénale TRP (Ca2) TRP inactivé 6.5/105 Kystes rénaux et hépatiques Dialyse rénale
http//www.orpha.net/orphacom/cahiers/docs/FR/Prev
alence_des_maladies_rares.pdf Les Cahiers
dOrphanet - Prévalence des maladies rares Une
enquête bibliographique.
20
Bibliographie canalopathies

• Tristani-Firouzi and Etheridge. Kir 2.1
  channelopathies the AndersenTawil syndrome.
  Pflugers Arch - Eur J Physiol (2010) 460289294.
  
• Olson Terzic.  Human KATP channelopathies
  diseases of metabolic homeostasis Pflugers Arch
  - Eur J Physiol (2010) 460295306.
• Anumonwo Lopatin. Cardiac strong inward
  rectifier potassium channels. JMCC 48 (2010)
  4554.
• 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, 2004.
• Balser.  The Cardiac Sodium Channel Gating
  Function and Molecular Pharmacology. J Mol Cell
  Cardiol 33, 599613 (2001)

21
Sécrétion hydrominérale Pulmonaire chez l homme
et la souris
lumière
Sang
K
K
Homme
Cl-
NaCl
Homme
RCPG1
PKA

Souris
SNS
Cl-
K
KCl
Cl-

Na
Eau
CaMKII
K
Souris
RCPG2
SNP
Na
Eau
Eau
Membrane Apicale
Membrane Basolatérale
22
Canalopathies de canaux chlores
Le canal chlore CLC1 est un dimère
23
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.
• 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.
• Le forme à transmission récessive est plus sévère
  et s'accompagne d'une faiblesse musculaire de
  façon transitoire lors des efforts.

24
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.
• 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.
• 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.
• La rupture d'un anévrisme des artères cérébrales
  est une complication grave.

25
4.1. Canaux et thérapie

• 4.1.1. Anesthésiques locaux NaV (lidocaïne,
  procaïne)
• 4.1.2. Anesthésiques généraux et sédatifs
• Récepteur GABA (Barbituriques tels que pheno- et
  pento-barbital, benzodiazépines tel que valium)
• Canaux de fuite potassique (halothane, riluzole)
• 4.1.3. Antihypertenseur Cav (nifedipine),
  KIR-ATP (Cromakalim, minoxidil, Nicorandil).
• 4.1.4. Diabète (Sulfonylurée) KIR-ATP
  (glibenclamide, tolbutamide).

26
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. 2010 Sep103(1)95-101.
• Ko et al. Physiological roles of K channels in
  vascular smooth muscle cells. J. Smooth Muscle
  Res. (2008) 44 (2) 6581.
• Christophe Girard et Florian Lesage, Canaux K2P
  neuronaux aspects moléculaires et fonctionnels
  . M/S médecine sciences, vol. 20, n 5, 2004,
  p. 544-549.
• Denac et al. Structure, function and
  pharmacology of voltage-gated sodium channels.
  Naunyn Schmiedebergs Arch Pharmacol. 362, 453-79
  (2000)
• Grover and Garlid, ATP-Sensitive Potassium
  Channels A Review of their Cardioprotective
  Pharmacology J Mol Cell Cardiol 32, 677695
  (2000).

27
Rôle des canaux ioniques dans la sécrétion
d insuline
28
4.2. Toxines de canaux ioniques

• 4.2.1. TTX et saxitoxines NaV (intoxication aux
  fruits de mer )
• 4.2.2. Dendrotoxines (Dendroaspis angusticeps,
  mamba vert) et KV, Charybdotoxines (scorpions)
  apamine (abeilles) IKCa
• 4.2.3. Conus geographus (cone) CaV type N
• 4.2.4. Agelenopsis Aperta (arraignée) CaV type
  P/Q
• 4.2.5.Bungarus multicinctus (serpent) Récepteur
  nicotinique
• 4.2.6. Strychnine Récepteur glycine
• 4.2.7 Toxine dalgue Kaïnate produit par lalgue
  rouge Digenea simplex, bloqueurs de certains
  récepteurs ionotropiques du glutamate.

29
4.2.1 Intoxication aux fruits de mer

• Bloqueurs NaV
• tétrodoxine (bactéries de souche Vibrio
  fischeri,, Vibrio altermonas, Vibrio
  alginolyticus et Pseudomonas spp).
• saxitoxine (dinoflagélés alexandrium spp,
  Gymnodinium spp, Pyrodinium spp),
• Activateurs NaV
• brévétoxine (dinoflagélés Gymnodinium breve)
• ciguatoxine (dinoflagélés Gambierdiscus spp).

30
Intoxication à la TTX

• Stade 1  paresthésies buccales suivies dans
  certains cas de nausées et vomissements.
• Stade 2  paralysie motrice des doigts et des
  membres.
• Stade 3  perte des mouvements musculaires
  volontaires, cyanose, hypotension, dysphagie et
  dysphonie. Détresse respiratoire.
• Stade 4  La mort survient par arrêt
  respiratoire. Les battements cardiaques
  persistent mais sont de courtes durées. Arrêt
  cardiaque par collapsus.

31
4.2.1 Intoxication aux fruits de mer

• La consommation de mollusques (moules, huîtres,
  bourgots, clams et même crabes) surtout de mai à
  septembre, peut provoquer une intoxication grave,
  parfois mortelle, causée par une toxine
  paralysante.
• PSP paralysis shellfish poisoning, la plus
  connue
• DSP Diarrheic shellfish poisoning,
• NSP Neurotoxic shellfish poisoning
• ASP Amnesic shellfish poisoning.
•  

32
(No Transcript)
33
5.1. 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,
  p5809-22.
• 1984 Clonage dADNc codant pour la s.u. alpha du
  canal sodique de la torpille. Noda et al.,
  Nature. 1984, vol. 312, p.121-7.
• 1986 Clonage dADNc codant pour la s.u. alpha de
  récepteur nicotinique de souris. Boulter J et
  al., Nature. 1986, vol. 319, p.368-74.
• 1987 Clonage dADNc codant pour la s.u. alpha du
  canal calcique de muscle squelettique de lapin.
  Tanabe et al., Nature, 1987, vol. 328 p.313-8.
• 1987 Clonage dADNc codant pour le canal
  potassique shaker de drosophile. Tempel et al.
  Science, 1987, vol. 237 p.770-5.
• 1996 Clonage dADNc codant pour le canal
  potassique TWIK humain. Lesage et al. The EMBO
  Journal 1996, vol.15 pp.1004-1011,

34
5.2 familles de canaux potassiques
35
5.2. familles de canaux potassiques
Girard et Lesage 2004, médecine sciences, vol.
20, p. 544-549.
36
Bibliographie canaux  2 TM/P 

• Anumonwo Lopatin. Cardiac strong inward
  rectifier potassium channels. JMCC 48 (2010)
  4554.
• Zünkler. Human ether-a-go-go-related (HERG) gene
  and ATP-sensitive potassium. Pharmacology
  Therapeutics 112 (2006) 1237.
• Grover and Garlid, ATP-Sensitive Potassium
  Channels A Review of their Cardioprotective
  Pharmacology J Mol Cell Cardiol 32, 677695
  (2000).

37
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. 544-549.
• Gurney Manoury,  Two-pore potassium channels
  in the cardiovascular system Eur Biophys J
  (2009) 38305318.
• Dedman et al.  The mechano-gated K2P channel
  TREK-1 Eur Biophys J (2009) 38293303.
• Eric Honoré,  The neuronal background K2P
  channels focus on TREK1 Nature Reviews
  Neuroscience 8, 251-261 (2007).
• Sanders and Koh,  Two-pore-domain potassium
  channels in smooth muscles new components of
  myogenic regulation. J Physiol 570.1 (2006) pp
  3743.

38
Bibliographie canaux  6 TM/P 

• Berkefeld et al. Ca2-Activated K Channels
  From Protein Complexes to Function. Physiol Rev
  90 14371459, 2010.
• Anumonwo Lopatin. Cardiac strong inward
  rectifier potassium channels. JMCC 48 (2010)
  4554.
• Zünkler. Human ether-a-go-go-related (HERG) gene
  and ATP-sensitive potassium. Pharmacology
  Therapeutics 112 (2006) 1237.
• 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 803833 (2004).
• Mazzuca et al.  Canaux ioniques et épilepsies .
  Epileptic Disorders Vol. 6, No. special, 2004

39
5.2 Diversité et sous unités auxiliaires des
canaux potassiques
Figures issues de Lesage et al., M/S 2000, vol
16, p663-73
40
Courants potassiques cardiaques
Zünkler 2006, Pharmacology Therapeutics
1121237.
41
Famille des canaux potassium à rectification
entrante (KIR)

• 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) 4554.
42
canaux  4 TM/2P 
Canaux spinaux
Girard et Lesage 2004, médecine sciences, vol.
20, p. 544-549.
43

• TWIK tandem of P domains in a weak inwardly
  rectifying K channel
• TREK TWIK1-related K channel,
• TRAAK TWIK-related arachidonic acid sensitive K
  channel
• TASK TWIK-related acid-sensitive K channel
• THIK TWIK-related halothane-inhibitable K
  channel

44
5.3 structure moléculaires des canaux CaV et NaV
CaV1.X Type L
s.u. a Canaux CaV
CaV2.X Type N, P/Q, R
CaV3.X Type T
-Sous unité alpha -Sous unité bêta1 -Sous unité
bêta2
Canaux NaV
45
5.4.Phylogenèse des canaux ioniques
voltage-dépendants
Canaux 2 TM/P KIR,, IKATP, GIRK
2. Canaux 4 TM/2P TWIK
Duplication puis divergence
Addition puis divergence
Canaux 6TM/P Shaker, HCN, TRP
Duplication puis divergence
I
II
Canaux TPC
INaV ICaV
Canaux TPC canaux calciques vacuolaires
46
5.5. Récepteurs canaux des neuromédiateurs
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)

Récepteur au Glutamate (Na, K, Ca)
47
5.5. Famille des récepteurs canaux
glutamatergiques
Structure moléculaire 3TM

• Récepteur AMPA (a-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxa
  zolepropionate)
• 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.

48
5.6. Sélectivité ionique du canal KCSA de
Streptomyces lividans
Figures issues de Parent et al. 2002, M/S , vol
18, p.605-9
49
Voltage-dependance des canaux KV
(thermophilic archaebacteria Aeropyrum pernix
KvAP)
Segment S4
Segment S4
Jiang et al. Nature 423, 33-41 (2003)
50
Bibliographie structure cristalline de canaux
ioniques

• Jiang et al.  X-ray structure of a
  voltage-dependent K channel. Nature 423, 33-41
  (2003).
• Jiang et al. ltThe principle of gating charge
  movement in a voltage-dependent K channelgt.
  Nature 423, 4248 (2003).
• Jiang, Y. et al. Crystal structure and mechanism
  of a calcium-gated potassium channel. Nature
  417, 515522 (2002).
• Jiang, Y. et al.  The open pore conformation of
  potassium channels . Nature 417, 523526 (2002).
• Schmidt et al. Phospholipids and the origin of
  cationic gating charges in voltage sensors.
  Nature 444, 775-779 (2006).