CANAUX IONIQUES

Les mécanismes moléculaires du fonctionnement des canaux ioniques ; le cas du canal potassique K_csA

Pour transporter les ions à des vitesses impressionnantes (de l'ordre de la centaine de millions d'ions par seconde et par canal), les canaux doivent être capables de leur proposer un cheminement où la barrière énergétique due à l'hydrophobicité des phospholipides membranaires est fortement abaissée. Parallèlement, les canaux sont capables d'être très sélectifs pour les ions qu'ils transportent. Ils ne peuvent donc pas être de simples pores, mais doivent posséder un dispositif permettant, pour une dépense énergétique minimale, de trier sélectivement les ions.

L'analyse de la structure du canal potassique procaryote K_csA, l'un des deux seuls canaux pour lesquels nous disposons d'informations structurales à haute résolution, a permis récemment d'élucider, pour un canal cationique, les bases moléculaires de ces caractéristiques remarquables.

Comme nous pouvons le voir sur la fig. 7a, la majeure partie du pore du canal K_csA est constituée d'un vestibule tapissé de résidus hydrophobes, qui communique librement avec les espaces intracellulaires. Pour des raisons que nous ne détaillerons pas ici, la diffusion des ions potassium hydratés est thermodynamiquement et électrostatiquement facilitée vers l'intérieur de ce vestibule. Les ions s'accumulent alors dans une poche située près de la sortie du canal. Ce dispositif permet donc aux ions de traverser la quasi-totalité du plan de la membrane, sans se heurter à la barrière énergétique constituée par la partie hydrophobe des lipides. Parallèlement, la sélectivité du canal est assurée par la boucle connectant les deux segments transmembranaires de chacune des quatre sous-unités. Cette boucle, ou domaine P, est retrouvée presque à l'identique dans tous les canaux potassiques, et des structures similaires sont très probablement présentes dans les autres canaux cationiques. Comme cela est indiqué sur la figure 7b, les quatre domaines P (un par monomère) sont positionnés de façon que les régions GTG (succession des acides aminés Glycine, Tyrosine, Glycine dans la chaîne polypeptidique) de chaque domaine P soient situés face à face, et forment ainsi le filtre de sélectivité du canal. Le tunnel formé par l'association de quatre régions GTG est tapissé par les atomes d'oxygène des groupements C = O de la chaîne polypeptidique, qui sont à la distance optimale pour se substituer aux atomes d'oxygène de l'eau associés aux ions potassiques, et ainsi les déshydrater. Une fois dans le filtre de sélectivité, les ions cheminent de proche en proche jusqu'à la sortie du canal par répulsion électrostatique. L'efficacité de ce dispositif tient à l'extrême précision de la géométrie de coordination des ions potassiques déshydratés, assurée par l'association optimale des quatre domaines P. Les autres cations, comme les ions sodium, ont un diamètre différent, et leur prise en charge par le filtre de sélectivité est thermodynamiquement défavorisée, à tel point qu'environ un seul ion sodium passe par le canal pour 100 000 ions potassium transportés.