Canaux sodiques, potassiques et calciques
L’influx nerveux consiste en une vague de dépolarisation / re-polarisation transitoires de la membrane qui traverse la cellule nerveuse et est désignée comme un potentiel d’action. Comme nous l’avons vu au chapitre 9, Canaux et pompes de sodium et de potassium, Alan Hodgkin et Andrew Huxley ont démontré en 1952 qu’une microélectrode implantée dans l’axone géant (le long processus émanant du corps d’une cellule nerveuse) du calmar,3 peut enregistrer un tel potentiel d’action (Hodgkin et Huxley, 1952, Fig. 9.1). Au seuil d’excitation, les canaux Na + commencent à s’ouvrir, suivis de l’ouverture ultérieure des canaux K+. Lorsque les ions Na+ entrent, les ions K+ quittent la cellule. Le résultat est que dans la première ~ 0,5 ms, le potentiel de membrane passe du potentiel de repos d’environ -60 mV à environ + 30 mV. Les canaux Na+ deviennent maintenant réfractaires, et plus de Na+ n’entre dans la cellule, tandis que K+ continue de quitter la cellule, provoquant une repolarisation rapide, ce qui permet au potentiel membranaire de dépasser le potentiel de repos (hyperpolarisation) avant de retrouver sa valeur initiale. Les canaux ioniques Na+ et K+ en tension à travers les membranes axonales créent les potentiels d’action (essentiellement des gradients électrochimiques) qui permettent le transfert d’informations et régulent également la fonction cellulaire.
Les neurones des mammifères expriment un large répertoire de canaux ioniques dépendants de la tension (VDIC), qui présentent une richesse de comportements de tir sur une large gamme de stimuli et de fréquences de tir, assurant ainsi les propriétés électriques intrinsèques, ainsi qu’un traitement et une transmission rapides des signaux synaptiques dans les neurones des mammifères. La plupart des VDIC sont sélectifs pour les ions Na +, K+ et Ca2+, et ils sont situés à des sites spécifiques dans le corps cellulaire neuronal, les dendrites et les axones. Le placement sélectif de types spécifiques de VDIC à des emplacements précis dans les neurones des mammifères, et leur régulation dynamique par des voies de signalisation locales, tient compte de la complexité de la fonction neuronale qui sous-tend la fonction cérébrale.
Les VDIC potassiques de mammifères (canaux Kv) sont constitués d’assemblages tétramériques de six sous-unités α transmembranaires, chacune associée à une sous-unité β auxiliaire. Le génome humain contient un total de 40 gènes codant pour les sous-unités α du canal Kv potassique. Certains de ces gènes génèrent des messages soumis à un épissage alternatif. Dans le cerveau des mammifères, l’expression de plusieurs de ces sous-unités α du canal Kv est limitée aux neurones, bien que les cellules gliales puissent exprimer un sous-ensemble du répertoire neuronal. Les canaux Kv ont parmi les modèles de ségrégation subcellulaire les plus divers. Les canaux Kv1 sont principalement localisés dans les axones. Les canaux Kv1 se trouvent principalement sur les axones et les terminaisons nerveuses, les canaux Kv2 sur les corps cellulaires et les dendrites, les canaux Kv3 dans les domaines dendritiques ou axonaux, selon la sous-unité et le type cellulaire et les canaux Kv4 sont concentrés dans les membranes dendritiques du corps cellulaire.
Comme nous l’avons vu au chapitre 9, Canaux et Pompes de sodium et de Potassium, les canaux de sodium (canaux Nav) sont constitués d’une sous–unité α formant des pores, suffisante pour l’expression fonctionnelle, associée à des sous-unités β auxiliaires qui modifient à la fois la cinétique et la dépendance en tension du canal de déclenchement du canal. Neuf isoformes du canal Nav de mammifères sont connues, dont Nav1.1 et Nav1.3 sont principalement localisées dans les corps cellulaires neuronaux et les dendrites proximales, où elles contrôlent l’excitabilité neuronale en définissant le seuil d’initiation et de propagation du potentiel d’action vers les compartiments dendritique et axonal. Nav1.2 est principalement exprimé en axones non myélinisés, où il conduit des potentiels d’action. Nav1.6 se trouve en évidence aux nœuds de Ranvier, où il propage les potentiels d’action, et aux segments initiaux de l’axone, où les potentiels d’action s’initient. La modulation des courants Nav1 est sans aucun doute importante in vivo, et des mutations qui modifient subtilement la fonction du canal Nav1 peuvent entraîner des maladies humaines d’hyperexcitabilité telles que l’épilepsie.
Les canaux calciques (canaux Cav) médient l’afflux de calcium dans les cellules neuronales en réponse à la dépolarisation membranaire, médiant un large éventail de processus intracellulaires tels que l’activation des enzymes dépendantes du calcium, la transcription des gènes et l’exocytose / sécrétion des neurotransmetteurs. Leur activité est une condition essentielle pour le couplage des signaux électriques dans la membrane plasmique neuronale aux événements physiologiques à l’intérieur des cellules. La caractérisation biochimique des canaux Cav natifs du cerveau a révélé qu’en plus de la grande sous-unité α1 principale, il existe également de nombreuses sous-unités auxiliaires. La sous-unité α1 est la plus grande et principale sous-unité, contenant le pore de conduction ionique, le capteur de tension de membrane et l’appareil de déclenchement. Un certain nombre de sous-unités α1 différentes ont été identifiées et caractérisées dans le système nerveux des mammifères, chacune ayant des fonctions physiologiques spécifiques et des propriétés électrophysiologiques et pharmacologiques.