Bases de la signalisation ionique cellulaire

Chapitre 1 : Bases de la signalisation ionique cellulaire

I. Les gradients ioniques transmembranaires

Les concentrations ioniques sont très différentes entre les milieux intra et extracellulaires. Par exemple, il y a 10 fois plus de sodium à l'extérieur de la cellule (140mM) qu'à l'intérieur (14mM). La membrane cellulaire est une bicouche lipidique hydrophobe, empêchant le passage des ions par simple diffusion passive. Ces gradients sont maintenus par des transporteurs ioniques.

A. Au niveau de la membrane plasmique

• Transport actif: Nécessite de l'énergie (ATP) pour déplacer les ions contre leur gradient de concentration ou électrochimique.

• Transport passif: Ne nécessite pas d'énergie, les ions se déplacent selon leur gradient.

B. Au niveau des membranes intracellulaires

Différentes structures intracellulaires (réticulum endoplasmique, mitochondries, lysosomes, vésicules) possèdent également des pompes et des canaux pour réguler les ions, notamment le calcium. Ces systèmes sont essentiels pour le stockage et la libération de Ca++ et influencent le pH interne.

Les protéines responsables des équilibres ioniques sont :

• Pompes

• Canaux

• Échangeurs

• Transporteurs

Ciblant environ 15% des médicaments, ces protéines sont cruciales pour le fonctionnement cellulaire et peuvent être modifiées par des substances pharmacologiques, entraînant des effets directs ou indirects.

Nomenclature des systèmes de transport

Les transporteurs sont classés en fonction de :

• Le mode d'activation: actif (pompes ATPasiques, transport actif secondaire) ou passif (canaux ioniques ouverts).

• Le nombre et le sens des éléments transportés: uniport (1 ion), symport (2 ions dans le même sens), antiport (2 ions dans des sens différents).

• Le bilan des charges transportées: électroneutre ou électrogène.

Systèmes de transports actifs

• Pompes à activité ATPasique (primaire): Utilisent l'hydrolyse de l'ATP pour fonctionner. Ex: La pompe Na+/K+ ATPase, essentielle au maintien des gradients, consomme 90% de l'ATP au repos.

• Échangeurs ioniques (secondaire): Utilisent l'énergie du gradient électrochimique d'un ion pour transporter un autre ion contre son gradient. Ex: Antiport (Na+ sort, Ca++ sort) ou Symport (Na+ et acides aminés rentrent). Ils complètent l'action des pompes.

Systèmes de transports passifs

Ils fonctionnent toujours dans le sens du gradient électrochimique et sont assurés par des canaux ioniques ouverts. Le sens du flux ionique dépend du gradient chimique (concentration) et du gradient électrique (différence de potentiel), formant la force électrochimique.

II. Le potentiel d'équilibre de chaque ion

Le potentiel d'équilibre d'un ion (Eion) est le potentiel de membrane auquel le flux net de cet ion à travers la membrane est nul. Il est calculé par l'équation de NERNST:

Eion = 2,3 x (RT/ZF) x log ([ion]ext / [ion]int)

Où Z est la charge de l'ion, R la constante des gaz parfaits, T la température absolue et F la constante de Faraday.

Exemples de potentiels d'équilibre :

• ECa = +116mV

• ECl = -58mV

• ENa = +58mV

• EK = -84mV

Le potentiel de repos de la cellule (Vm), stable, correspond à la différence de potentiel transmembranaire. L'intérieur de la cellule est chargé négativement (-20mV à -90mV). Le Vm dépend principalement des canaux ioniques K+ et Na+.

Les pompes ioniques jouent un rôle important dans le maintien du potentiel de repos, tandis que les cellules non excitables ont un Vm proche de -20mV avec peu de canaux ioniques.

III. Le potentiel d'action, variation du potentiel de membrane

Le potentiel d'action est une modification temporaire et rapide du potentiel de membrane, causée par un déséquilibre transitoire.

Définitions :

• Influx de cations (entrée de charges positives) → dépolarisation (le potentiel de membrane augmente, devenant moins négatif).

• Efflux de cations (sortie de charges positives) / Influx d'anions (entrée de charges négatives) → hyperpolarisation ou repolarisation (le potentiel de membrane diminue, devenant plus négatif ou revenant au repos).

Exemples de variations du potentiel de membrane :

1. Le potentiel d'action neuronal et la conduction axonale

Un potentiel d'action neuronal comporte plusieurs phases:

1. Dépolarisation: Provoquée par un influx massif de Na+ suite à l'ouverture de canaux sodiques voltage-dépendants, atteignant le potentiel d'équilibre du Na+.

2. Repolarisation: Le K+ sort de la cellule via l'ouverture des canaux potassiques et la fermeture des canaux sodiques, ramenant le Vm vers le potentiel de repos.

3. Hyperpolarisation: Phase transitoire où le Vm descend en dessous du potentiel de repos, due à la cinétique lente de fermeture des canaux potassiques.

4. Rétablissement des gradients: La pompe Na+/K+ ATPase ramène la cellule à son état initial.

Pendant la période réfractaire absolue, aucun nouveau potentiel d'action ne peut être généré. La période réfractaire relative permet un nouveau potentiel d'action avec un stimulus plus fort.

2. Les potentiels d'action cardiaques

Le tissu cardiaque contient plusieurs types de cellules avec différents potentiels d'action. L'électrocardiogramme (ECG) reflète ces événements électriques.

A. Potentiel d'action du nœud sinusal (cellules auto-excitables)

• Dépolarisation diastolique: Une phase lente d'entrée de cations (canaux HCN et KACH) qui détermine la fréquence cardiaque (fonction chronotrope). La pente de cette dépolarisation est influencée par des effets sympathiques (accélérateur) et parasympathiques (ralentisseur).

• Dépolarisation rapide: Entrée de Ca++ via des canaux calciques de type L.

• Repolarisation: Efflux de K+ via des canaux potassiques.

B. Potentiels d'action des fibres contractiles (myocytes auriculaires et ventriculaires, faisceau de His, Purkinje)

Ces cellules ont une réponse rapide:

• Dépolarisation rapide: Influx massif de Na+ et Cl-.

• Plateau de dépolarisation: Due à un courant entrant de Ca++ (canaux de type L), prolongeant la contraction cardiaque et déterminant la force contractile (fonction inotrope).

• Repolarisation: Efflux de K+, ramenant le potentiel au repos sans phase d'hyperpolarisation significative.