Récepteurs canaux ioniques et jonction neuromusculaire
### 1. Définition générale
Les canaux ioniques sont des complexes protéiques transmembranaires assurant un transport passif et sélectif d’ions selon leur gradient électrochimique. Ils participent à la régulation de l’état d’activation des cellules excitable comme les cellules nerveuses et musculaires, en modifiant les flux ioniques et donc la polarisation membranaire. Leur ouverture peut être contrôlée soit par un médiateur hydrosoluble (récepteur canal ionique ligand-dépendant), soit par la variation de potentiel transmembranaire (canal voltage-dépendant).
### 2. Les deux classes de récepteurs canaux
Les récepteurs canaux ioniques se divisent en deux groupes selon leur mode de fonctionnement :
- **Récepteurs ionotropes** : le récepteur correspond directement au canal ionique. L’activation résulte de la fixation d’un ligand spécifique qui déclenche un changement de conformation et l’ouverture du pore. Le flux ionique suit immédiatement le gradient électrochimique. La réponse est rapide et transitoire.
- **Récepteurs métabotropes** : le récepteur et le canal sont deux entités distinctes. Le ligand active un récepteur couplé à une protéine G, ce qui engendre la production ou l’activation d’un second messager intracellulaire responsable de l’ouverture du canal ionique. La réponse est lente et prolongée. Ces récepteurs déclenchent souvent des cascades de signalisation intracellulaire.
### 3. Récepteurs cholinergiques : deux familles
L’acétylcholine possède deux types de récepteurs cholinergiques :
- **Récepteur nicotinique** : de type ionotrope, activé par la nicotine.
- **Récepteur muscarinique** : de type métabotrope, activé par la muscarine (alcaloïde issu d’amanites).
Ces deux récepteurs ne partagent pas le même mécanisme, le premier entraînant une dépolarisation rapide de la membrane, le second modulant des cascades intracellulaires via la protéine G.
### 4. Récepteur nicotinique : structure moléculaire
Le récepteur nicotinique est un canal cationique perméable au sodium. Il est localisé sur la membrane postsynaptique de la jonction neuromusculaire ainsi que dans le système nerveux central et périphérique.
Il s’agit d’un canal pentamérique formé de cinq sous-unités glycoprotéiques associées : deux sous-unités alpha, une bêta, une delta et une epsilon.
Chaque monomère présente un domaine N-terminal extracellulaire comportant un site de fixation pour l’acétylcholine, un domaine C-terminal extracellulaire et quatre segments transmembranaires en hélice alpha notés M1, M2, M3 et M4.
Les segments M2 des cinq sous-unités sont hydrophiles et s’assemblent pour délimiter le port ionique hydrophile. L’activation se produit lorsque deux molécules d’acétylcholine se lient simultanément aux sites des deux sous-unités alpha, provoquant un changement de conformation qui ouvre le canal pendant environ une demi-seconde. Durant ce laps de temps, environ 10⁴ ions sodium traversent le pore, produisant une dépolarisation locale de la membrane.
Le signal s’interrompt lorsque la concentration de ligand diminue ou lorsque l’acétylcholine est hydrolysée par l’enzyme acétylcholinestérase présente dans la fente synaptique. L’inactivation peut aussi résulter d’une phosphorylation du récepteur.
### 5. Fonctionnement de la jonction neuromusculaire
La jonction neuromusculaire (ou plaque motrice) assure la transmission du signal entre le motoneurone et la fibre musculaire squelettique.
Le motoneurone libère l’acétylcholine dans la fente synaptique par exocytose de vésicules synaptiques. Le neurotransmetteur se fixe sur les récepteurs nicotiniques situés sur le sarcolemme de la cellule musculaire, provoquant l’ouverture des canaux sodium. L’entrée de Na⁺ entraîne une dépolarisation locale de la membrane postsynaptique.
Cette dépolarisation active ensuite les canaux sodium voltage-dépendants du sarcolemme, ce qui propage le potentiel d’action le long de la fibre jusqu’aux tubules transverses (tubules T).
Les tubules T sont des invaginations profondes du sarcolemme en contact étroit avec le réticulum sarcoplasmique, équivalent du réticulum endoplasmique. Cette association forme une triade fonctionnelle assurant la transduction du signal électrique en signal chimique.
La dépolarisation des tubules T induit l’ouverture des canaux calciques voltage-dépendants de type dihydropyridine, qui transmettent une activation aux récepteurs ryanodine du réticulum sarcoplasmique. Le calcium est alors libéré massivement du réticulum vers le cytosol (sarcoplasme).
L’augmentation de la concentration cytosolique en Ca²⁺ déclenche l’interaction entre l’actine et la myosine, entraînant la contraction musculaire. Une fois la contraction terminée, le calcium est rapatrié activement dans le réticulum sarcoplasmique par une pompe Ca²⁺-ATPase, où il est stocké sous forme complexée à la calcéquestrine.
### 6. Conséquences fonctionnelles
Les récepteurs nicotiniques sont responsables de la génération de potentiels postsynaptiques excitateurs rapides, permettant le déclenchement d’un potentiel d’action musculaire. Ils constituent une cible pharmacologique majeure pour de nombreuses substances, agonistes ou antagonistes, agissant sur la transmission
neuromusculaire.
## Récepteurs canaux ioniques, transduction excitation-contraction et régulation neuromusculaire
### 1. Transduction excitation-contraction
- Au niveau du sarcolemme et du tubule T : système de couplage original entre **récepteur de la dihydropyridine** et **récepteur de la ryanodine**.
- Récepteur de la dihydropyridine : canal calcium voltage-dépendant situé dans la membrane du tubule T.
- Activation par dépolarisation → entrée limitée de Ca²⁺ dans le sarcoplasme.
- Interaction directe avec le récepteur de la ryanodine, localisé sur la membrane du réticulum sarcoplasmique.
- Ouverture du canal de la ryanodine → libération massive de Ca²⁺ vers le sarcoplasme.
- Cette sortie de Ca²⁺ déclenche la **contraction musculaire**.
- Le retour au repos implique la recapture du calcium par la pompe Ca²⁺-ATPase du réticulum sarcoplasmique.
### 2. Désactivation de la signalisation cholinergique
- Nécessaire pour répétition rapide de l’activation synaptique.
- Réposant sur la dégradation rapide de l’acétylcholine par l’**acétylcholinestérase** située sur la membrane postsynaptique.
- Cette enzyme hydrolyse l’acétylcholine en **acétate** et **choline**.
- Activité enzymatique très élevée : jusqu’à 3×10⁵ molécules d’acétylcholine dégradées par molécule et par minute.
- La choline est recyclée pour une nouvelle synthèse d’acétylcholine dans le motoneurone.
### 3. Substances pharmacologiques et toxiques affectant la jonction neuromusculaire
- **Agonistes :**
- Acétylcholine : agoniste endogène du récepteur nicotinique.
- Nicotine : agoniste exogène, responsable de la dépendance tabagique.
- **Antagonistes compétitifs :**
- Tubocurarine (curare) : bloque la fixation de l’acétylcholine → paralysie motrice.
- Alpha-bungarotoxine (venin de serpent) : bloque le récepteur nicotinique de façon similaire.
- **Antagonistes non compétitifs :**
- Tétracaïne : bloque le canal sans interagir avec le site de fixation ; utilisée comme anesthésique local (ophtalmologie).
- **Inhibiteurs d’acétylcholinestérase :**
- Physostigmine : alcaloïde naturel inhibiteur réversible → prolonge l’action de l’acétylcholine.
- Pesticides organophosphorés (type Roundup) : inhibiteurs irréversibles → accumulation d’acétylcholine → paralysie respiratoire létale.
- **Toxine botulique :**
- Inhibe la libération présynaptique d’acétylcholine en bloquant les canaux calciques du motoneurone.
- Empêche la fusion des vésicules synaptiques avec la membrane plasmique.
- Utilisée en chirurgie esthétique (myorelaxant).
4. Myasthénie
- Pathologie neuromusculaire auto-immune.
- Production d’anticorps dirigés contre les **récepteurs nicotiniques** du sarcolemme musculaire.
- Réduction du nombre de récepteurs d’environ 60%.
- Transmission neuromusculaire altérée → faiblesse et fatigabilité musculaire.
- Pas d’anomalie d’acétylcholine, mais réponse postsynaptique insuffisante.
- Traitement : anti-acétylcholinestérasiques (exemple : physostigmine) qui prolongent la durée d’action de l’acétylcholine dans la fente synaptique.
- En absence de traitement → risque de paralysie respiratoire mortelle.
5. Récepteurs cholinergiques muscariniques
- Récepteurs métabotropes couplés à la protéine G.
- Traversent sept fois la membrane plasmique (récepteurs à **7 domaines transmembranaires**).
- Fixation de l’acétylcholine → activation d’une **protéine G** intracellulaire.
- Protéine G activée stimule un effecteur enzymatique* selon son type :
- Gq : augmentation du Ca²⁺ intracellulaire, activation de la **protéine kinase C (PKC)**, ouverture de canaux Cl⁻ et K⁺.
- Gi : inhibition de la production d’AMPc, effet inhibiteur sur la cellule cible.
- Chaque type de récepteur muscarinique entraîne une modulation spécifique de l’excitabilité cellulaire.
6. Technique du patch clamp
- Méthode expérimentale pour mesurer les flux ioniques à travers la membrane plasmique.
- Permet d’enregistrer le courant de canaux individuels ou de petits groupes de canaux.
- Le potentiel de membrane de repos est d’environ –70 mV.
- Si un médiateur modifie les flux ioniques, le potentiel change proportionnellement.
Configurations principales :
1. Cellule attachée : la pipette isole une petite zone de membrane ; mesure directe du courant à travers les canaux inclus.
2. En mode ligand interne : ajout du ligand dans la pipette → si flux ionique observé = récepteur ionotrope.
3. En mode ligand externe : ajout du ligand à l’extérieur → si flux observé = récepteur métabotrope.
4. Patch excisé : fragment de membrane arraché → accès à la face intracellulaire ; ajout de seconds messagers pour tester leur action directe sur les canaux.
- Conclusion : si un second messager intracellulaire déclenche un flux ionique, le canal est métabotrope et sensible à ce messager.