Canaux ioniques : canaux sodiques (Na⁺)
Canaux sodium voltage-dépendants (Na_v) : structure et sous-unités α

• 1. les canaux sodium dépendants du voltage, voltage-dépendants ou tensiodépendants (" Voltage-gated sodium channel ") dont l'ouverture dépend de la modification de la polarité membranaire ;
• 2. les canaux sodium dépendants du ligand, ligand-dépendants ou chimiodépendants (" Ligand-gated sodium channel "), classe des récepteurs ionotropes dont les membres s'ouvrent en présence d'un ligand ;
• 3. les canaux de fuite (nongated channel ou leakage channel) qui laissent passer les ions librement.

Vue d'ensemble des canaux sodium voltage-dépendants (Na_v)

Les canaux sodiques voltage-dépendants font partie de la superfamille des canaux ioniques (The VGL-Chanome: A Protein Superfamily Specialized for Electrical Signaling and Ionic Homeostasis 2004).

Cependant, contrairement aux autres classes de la superfamille, leurs propriétés fonctionnelles sont relativement similaires.

• Ces canaux sont responsables de la phase ascendante rapide du potentiel d'action dans les nerfs, les muscles et les cellules endocrines. Ils sont 10 fois plus rapides que les canaux K⁺ ou Ca⁺⁺.
• Les médicaments qui bloquent ces canaux sont utilisés pour les anesthésies locales ou celle de la colonne vertébrale, pour le traitement de la douleur, les arythmies cardiaques ou l'épilepsie.

Ceci explique que :

• de nombreuses mutations de ces canaux (plus de 1000) sont retrouvées dans des maladies comme l'épilepsie, les arythmies cardiaques, les troubles musculaires, les douleurs… (Structure-based assessment of disease-related mutations in human voltage-gated sodium channels 2017).
• des toxines (scorpioniques ou tétrodotoxine par exemple) et des médicaments (anesthésiques locaux par exemple) les ont pour cible (Voltage gated sodium channels as drug discovery targets 2015).

Structure générale des Na_v

Ces canaux sodium sont composés (Voltage-Gated Na⁺ Channels 2012 et Structure of a eukaryotic voltage-gated sodium channel at near-atomic resolution 2017) :

• d'une sous-unité α, suffisante pour former le canal Na⁺ (260 kD) pour le passage des ions,
• de sous-unités β qui facilitent leur localisation membranaire et permettent la modulation de leurs propriétés.

Sous-unités α

La sous-unité α possède 4 sous-domaines (I à IV), chacun représentant le motif structural commun de la superfamille : cette structure est proche de celle des canaux calcique voltage-dépendants (Ca_v).

On trouve plusieurs sous-unités α (International Union of Pharmacology. XLVII. Nomenclature and Structure-Function Relationships of Voltage-Gated Sodium Channels 2005).

• Neuf isoformes " classiques " des canaux de mammifères : Na_v1.1 à Na_v1.9 .
• Na_vX, une isoforme atypique est impliquée dans la régulation du comportement de consommation du sel (Nav2/NaG Channel Is Involved in Control of Salt-Intake Behavior in the CNS 2000).
• Nav2 / NAG est un canal sodique putatif, dont le rôle physiologique est depuis longtemps une énigme. Nous generatedNa v 2 souris déficientes en gène par insertion du gène lacZ. L'analyse de la souris ciblée nous a permis d'identifier les cellules productrices Nav2 en examinant l'expression de lacZ. De plus dans les poumons, le cœur, les ganglions de la racine dorsale, et les cellules de Schwann dans le système nerveux périphérique, Nav2 a été exprimé dans les neurones et les cellules épendymaires dans des zones restreintes du système nerveux central, en particulier dans les organes circumventriculaires, qui sont impliqués dans l'homéostasie du fluide corporel. Dans des conditions appauvri en eau, l'expression de c-fos a été nettement augmentée dans les neurones dans l'organe subfornical et organum vasculosum lames terminale par rapport aux animaux de type sauvage, ce qui suggère un état hyperactif chez les souris theNav2 nulles. En outre, les mutants nuls ont montré des apports anormaux de solution saline hypertonique dans le cadre à la fois l'eau et les conditions de sel appauvri. Ces résultats suggèrent que le canal Nav2 joue un rôle important dans la détection centrale du niveau de sodium fluide corporel et régulation du comportement de consommation de sel.

La composition des domaines transmembranaire et extracellulaire est homoloque à plus de 50%. Les articles précédents sont très détaillés, mais le tableau de Wikipedia les résume (expression selon les cellules).

On trouve des canaux Na_v chez les bactéries (NaChBac - Na-selective Channel of Bacteria) par exemple), identiques aux canaux K_v et formés de 4 sous-unités identiques.

Le motif structural de ces sous-domaines, commun de la superfamille, est composé chacun, comme pour les canaux potassiques voltage dépendants K_v (structure des K_v), de 6 segments transmembranaires (T ou TM) et un pore (P), d'où l'appelation 6TM + 1P.

On peut suivre l'évolution des canaux sodiques voltage-dépendants (Adaptive evolution of voltage-gated sodium channels: The first 800 million years 2012).

1. Les 6 segments transmembranaires classiques (S1 à S6) comprennent :

• les hélices S1 à S4 qui constituent le domaine de capteur de tension (VSD) ;
• les hélices S5 et S6 sont les domaines qui forment le pore (PD).

2. La boucle extra et intra-membranaire (rentrante) entre S5 et S6 est appelé boucle P (P pour pore).

• 6 segments transmembranaires (S1 à S6),
• une boucle extra et intra-membranaire (rentrante) entre S5 et S6 ou boucle P (P pour pore).

Certains Na_v sont asymétriques comme Na_V1.7 (Structure-based assessment of disease-related mutations in human voltage-gated sodium channels 2017).

3. La région C-terminale peut contenir des motifs de liaison à des molécules de modulation des propriétés des canaux.

Dans les Na_v1.5, des mains EF vestigiales, i.e. qui ne possèdent pas les résidus acides essentiels pour la liaison au Ca⁺⁺, jouent un rôle essentiel dans l'inactivation liée au calcium (CDI), par l'intermédiaire de la calmoduline (CaM).

Pore du canal

Filtre sélectif (SF)

Les segments S5 et S6 de chaque domaine forment le pore.

La partie du pore proche du milieu extracellulaire comprend deux anneaux sélectifs, dont le filtre sélectif, hautement conservé dans les canaux voltage-dépendants qui joue un rôle différent dans la perméabilité ionique canalaire.

• Ces deux anneaux font partie de la boucle re-entrante P, stabilisée par de nombreux ponts-disulfure (Selectivity filters and cysteine-rich extracellular loops in voltage-gated sodium, calcium, and NALCN channels 2015).

• 

  Ils seraient responsables des inactivations autres que rapides (par le motif IFMT de la porte d'inactivation), i.e. intermédiaire, lente et ultralente (Sodium Channels: Ionic Model of Slow Inactivation and State-Dependent Drug Binding 2007).

1. L'anneau intérieur est le filtre sélectif DEKA (dit aussi anneau de retrécissement), i.e. aspartate dans le domaine I, glutamate dans le II, lysine dans le III et alanine dans le IV (D372, E898, K1419 et A1711).

Pour mieux comprendre le fonctionnement des canaux sodiques, deux articles ont on a étudié l'impact de mutations sur les sites du pore de Na_vAb, un canal sodium voltage-dépendant de la bactérie Arcobacter butzleri. Deux articles sont essentiels pour ces études :

• Structure of a Prokaryotic Sodium Channel Pore Reveals Essential Gating Elements and an Outer Ion Binding Site Comon to Eukaryotic Channels (2014),
• Structural basis for Ca2+ selectivity of a voltage-gated calcium channel (2014) dans lequel Na_vAb, est comparé à Ca_vAb, un canal calcium voltage-dépendant.

En revanche, le SF des canaux calciques voltage-dépendants Ca_v est constitué de quatre acides glutamiques, EEEE, tandis que Na_vAb et Na_vRh contiennent respectivement TLESWS ou TLSSWE sur chaque protomère.

Le rôle de la lysine (K) est primordial dans sa sélectivité au sodium, malgré un diamètre presque identique à l'ion calcique.

• Le remplacement par une alanine abolit complètement la sélectivité du canal.
• La mutation des résidus DEKA en glutamates (EEEE) est sélectif du Ca⁺⁺.

En outre, ce résidu K possède une longue chaine latérale qui adopte des états conformationnels différents (The Mechanism of Na⁺/K⁺ Selectivity in Mammalian Voltage-Gated Sodium Channels Based on Molecular Dynamics Simulation 2015).

• L'état " on " autorise Na⁺ à pénétrer,
• l'état " off " l'en empêche. Dans cet état, la chaîne latérale de K1419 interagit avec le groupe carboxylate de E898 du filtre DEKA et les atomes d'oxygène de la chaîne latérale de S1710, un résidu de la paroi des pores residues, ce qui lui permet de bloquer le pore pour tous les cations ( Conformational changes of the pore domain segments between Na_vPaS and Ca_v1.1 - 2017 -).

Ce processus pourrait également bloquer le déplacement en sens inverse de l'ion lors de l'activation.

L'étroitesse du pore de 0,3 à 0,5 nm, ne permet que le passage d'un ion Na⁺ et d'une molécule d'eau, les cations plus gros, comme le K⁺, ou des acides aminés positifs ne peuvent s'y engouffrer.

2. L'anneau extérieur EEDD est formé de quatre acides aminés, i.e. glutamate dans le domaine I et II, aspartate dans le III et le IV (E375, E901, D1423 et D1714) qui garde l'entrée du vestibule.

Des ions sodium sont piégés dans le vestibule externe du canal en forme d'entonnoir, processus rapide et spontané, i.e. sans modification du potentiel membranaire, attribué à son fort potentiel négatif (Mechanism of Ion Permeation in Mammalian Voltage-Gated Sodium Channels 2015).

Structure of a Prokaryotic Sodium Channel Pore Reveals Essential Gating Elements and an Outer Ion Binding Site Common to Eukaryotic Channels 2014

Capteur de tension et porte d'activation

Les segments S1 à S4 de chaque domaine est un capteur de tension (" VSD ", Voltage-Sensing Domain).

La porte d'activation, constituée du faisceau des S6 comme dans les K_v et les Ca_v, est asymétrique.

1. Lors de l'état inactivé, R1 est en interaction avec An1 et R4 avec An2.

2. Lors de la dépolarisation, S4 se déplace vers le milieu extracellulaire pour ouvrir la poret d'activation.

Porte d'inactivation rapide

Entre les domaines III et IV, une boucle d'inactivation intracellulaire comporte formé par un motif hydrophobe IFMT (isoleucine-phénylalanine-méthionine-thréonine) : on la nomme porte d'inactivation rapide (Structure of the voltage-gated calcium channel Cav1. 1 at 3.6 Å resolution 2015).

• Cette structure rigide, formée de la succession de deux boucles et d'une hélice, obture le pore 1 à 2 ms après son ouverture (Solution Structure of the Sodium Channel Inactivation Gate 1999 et Sodium Channel Inactivation: Molecular Determinants and Modulation 2005).

• 

  Cette inactivation exerce un contrôle sur la conductance du canal de sodium, i.e. capacité d'un corps, soumis à une différence de potentiel, à laisser passer une certaine quantité de courant électrique, ce qui permet une succession rapide d'ouvertures et de fermetures du canal pour générer des salves rapides et brefs de potentiel d'action.

La présence d'une courte hélice après le motif IFMTF participerait au phénomène en participant à une interaction avec la terminaison COOH du canal pour stabiliser la fermeture de la porte et minimiser la réouverture de canal (The Na⁺ Channel Inactivation Gate Is a Molecular Complex 2004).

D'autres inactivations plus lentes sont possibles et ne font pas intervenir cette porte, mais sont dépendantes de la conformation du filtre séléctif.

Autres domaines

1. Les domaines extracellulaires sont représentés par :

• Ψ, les sites probables de N-glycosylation dans le domaine I sur le lien S5-S6 ;
• les domaines de liaison des toxines de scorpion sur le lien S3-S4 du domaine II et III pour les toxines β - β-NaScTx - et du domaine IV pour les toxines α - α-NaScTx - (Scorpion venom components that affect ion-channels function 2013).

2. Les domaines intracellulaires sont représentés par les sites de phosphorylation par l'intermédiaire de :

• la protéine kinase A (cercles oranges),
• la protéine kinase C (losanges orange).

Sous-unités β

Pour les canaux voltage-dépendant, si les sous-unités α sont impliquées dans la conductance ionique, des sous-unités complémentaires en modulent les multiples aspects de leur comportement et jouent un rôle crucial dans le contrôle de l'excitabilité neuronale.