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Qu'est-ce que la « conductance calcique » ?

Qu'est-ce que la « conductance calcique » ?



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Quelle est la signification de la conductance calcique dans les canaux ioniques. J'ai rencontré cela dans le texte suivant :

Il a été établi que les récepteurs opioïdes µ et δ canaux potassiques ouverts, ce qui entraîne une réduction de la conductance calcique (Simon, 2005).

Aussi pourquoi l'ouverture d'un canal potassique devrait-elle réduire la conductance calcique. Comment sont-ils liés ?

Référence:

Simon, E.J. (2005). Opiacés : Neurobiologie. Dans J. H. Lowinson, P. Ruiz, R. B. Millman & J. G. Langrod (Eds.), Substance abuse : a complete textbook (4th ed., pp. xxiv, 1421 p.). Philadelphie : Lippincott Williams & Wilkins.


La conductance est l'inverse de la résistance et mesure la quantité d'une substance donnée qui traverse un canal. Dans ce contexte, cela signifie combien d'ions calcium pénètrent dans la cellule dans un laps de temps.

Il existe au moins deux façons pour les canaux potassiques d'empêcher le calcium de pénétrer dans la cellule.

1) L'apport de potassium par les canaux ioniques diminue le potentiel membranaire, le rétablissant à son état de repos. Étant donné que de nombreux canaux calciques sont dépendants de la tension, une réduction du potentiel membranaire les fermerait, diminuant efficacement la conductance calcique.

2) Les canaux potassiques peuvent être couplés à différentes voies de signalisation (i.e. les protéines G), qui peuvent affecter indirectement d'autres canaux calciques.

Dans le cas des récepteurs opioïdes, il semble que ce soit le premier mécanisme. Avec les canaux potassiques ouverts, le neurone est moins susceptible d'être activé, car il a besoin d'une stimulation plus élevée pour atteindre le potentiel d'action. Les canaux calciques s'ouvrent dans les neurones principalement lors d'événements à potentiel d'action (bien qu'il puisse exister d'autres canaux calciques qui s'ouvrent dans d'autres conditions, c'est-à-dire en réponse à des hormones ou à des neuromodulateurs).


Signalisation neuronale du calcium

Dans les neurones, le calcium joue un double rôle de porteur de charge et de messager intracellulaire. Les signaux calciques régulent divers processus de développement et jouent un rôle clé dans l'apoptose, la libération de neurotransmetteurs et l'excitabilité membranaire. Comment un messager intracellulaire omniprésent peut-il réguler autant de processus vitaux différents en parallèle, mais aussi travailler indépendamment ? La réponse réside dans la polyvalence des mécanismes de signalisation du calcium en termes d'amplitude et de structuration spatio-temporelle au sein d'un neurone. Nous décrivons ici certains des principaux contributeurs à la signalisation calcique neuronale.

Canaux calciques voltage-dépendants (VGCC)

Les canaux calciques voltage-dépendants sont les principaux médiateurs de l'entrée du calcium induite par la dépolarisation dans les neurones. Il existe une grande diversité dans les sous-types de canaux calciques en raison de plusieurs gènes qui codent pour les sous-unités des canaux calciques, l'épissage alternatif et le coassemblage avec une variété de sous-unités auxiliaires des canaux calciques. Cela permet aux VGCC de jouer des rôles distincts dans des sous-types neuronaux spécifiques et à des loci subcellulaires particuliers.

Dans des conditions de repos, les concentrations de calcium intracellulaire se situent dans la plage de 100 nM en raison des molécules tamponnant le calcium et de la séquestration dans les réserves de calcium intracellulaire. L'ouverture des VGCC entraîne un afflux de calcium le long du gradient électrochimique, entraînant une élévation transitoire et localisée de la concentration de calcium intracellulaire dans la plage micromolaire élevée. Cela déclenche à son tour un large éventail de processus dépendant du calcium qui incluent la transcription des gènes, la libération de neurotransmetteurs, l'excroissance des neurites et l'activation d'enzymes dépendant du calcium telles que la protéine kinase II et la protéine kinase C dépendantes de la calmoduline.

Libération de calcium des magasins internes

Le stockage du calcium est l'une des fonctions communément attribuées au réticulum endoplasmique (RE) via les canaux de libération du calcium et les récepteurs de l'inositol triphosphate (IP3Rs) et les récepteurs de la ryanodine (RyRs). Des signaux de calcium résultant de la libération de calcium des réserves internes ont été trouvés dans divers types de neurones à différents stades de développement. Alors que l'IP3- la libération de calcium médiée est principalement déclenchée par des neurotransmetteurs tels que le glutamate (voir ci-dessous), les RyR peuvent être activés par des élévations de la concentration de calcium cytosolique. Cette libération de calcium induite par le calcium et médiée par RyR peut contribuer à l'amplification de l'afflux de calcium généré par la décharge de potentiel d'action dans les neurones. Les deux IP 3Les Rs et RyR sont régulés par le calcium lui-même ainsi que par d'autres facteurs intracellulaires. Cette dépendance au calcium établit une boucle de rétroaction coordonnant l'afflux de calcium des réserves internes dans le cytosol. Dans le cas de la propriété intellectuelle3Rs, l'afflux de calcium joue un rôle essentiel dans la génération d'ondes de calcium dans les neurones néocorticaux et autres.

Récepteurs NMDA

Les récepteurs NMDA sont des récepteurs ionotropes du glutamate et assurent la médiation d'une partie importante de l'afflux de calcium postsynaptique dans les épines dendritiques de divers types de cellules neuronales et du cortex. Cette augmentation de la concentration de calcium dans la colonne vertébrale est particulièrement importante pour la modification à long terme de la force synaptique. Les canaux récepteurs NMDA sont des canaux cationiques non spécifiques qui sont perméables aux ions sodium, potassium et calcium.

Récepteurs AMPA perméables au calcium

Les récepteurs AMPA perméables au calcium sont une autre classe de récepteurs ionotropes du glutamate. On les trouve dans de nombreuses formes de neurones GABAergiques épineux et se caractérisent par l'absence d'une sous-unité de récepteur GluR2. Les récepteurs AMPA dépourvus de GluR2 sont perméables aux ions sodium, calcium, potassium et zinc. Les récepteurs AMPA perméables au calcium ont une conductance élevée en réponse à la stimulation tétanique et permettent aux neurones individuels de produire différents types de réponses à des entrées synaptiques distinctes. Il est important de noter que la présence de récepteurs AMPA contenant du GluR2 (récepteurs AMPA natifs) et dépourvus de GluR2 (récepteurs AMPA perméables au calcium) n'est pas statique, mais est hautement régulée, en particulier en réponse à l'activité neuronale. Ainsi, la perméabilité des récepteurs AMPA au calcium est dynamique au sein d'un neurone donné et peut donc contribuer aux mécanismes de plasticité synaptique dans les neurones épineux.

L'entrée directe de calcium par les récepteurs AMPA est capable de déclencher la mort neuronale. Par conséquent, la divergence de la perméabilité relative au calcium des récepteurs AMPA entre différents types de cellules neuronales pourrait être un déterminant important de la vulnérabilité neuronale sélective.

Récepteurs métabotrophiques du glutamate (mGluR)

Les mGluR sont des récepteurs couplés à la protéine G à 7 transmembranes qui sont largement distribués dans les systèmes nerveux central et périphérique. Ils sont classés dans les mGluR des groupes I, II et III, sont exprimés de manière spécifique au type cellulaire et exercent divers rôles physiologiques. Les classes de récepteurs diffèrent dans leurs mécanismes de signalisation en aval, par exemple, mGluR1 est couplé à la protéine Gq. Dans les systèmes d'expression, le sous-type mGluR1 de ce groupe médie à la fois une augmentation du calcium intracellulaire ainsi qu'un courant entrant TRPC3-dépendant. Lors de l'activation de mGluR1, la phospholipase C médie la génération d'IP3, qui se lie aux récepteurs du RE et induit la libération de calcium. En revanche, une activation de mGluR5 natif dans les neurones induit différents effets cellulaires. Dans les neurones de l'hippocampe, mGluR5 provoque une réponse calcique intracellulaire à pic unique, tandis que dans le néocortex, il induit des oscillations calciques intracellulaires.

Sommaire

Le défi majeur dans l'analyse des différentes sources de signalisation calcique neuronale est qu'elles ne sont généralement pas actives une à la fois, mais ont des activités qui se chevauchent avec de fortes interactions. Par conséquent, l'imagerie calcique est inestimable pour décoder les mécanismes de signalisation spécifiques dans les neurones.


Contenu

Structurellement, les canaux BK sont homologues aux canaux potassiques voltage-dépendants et ligand-dépendants, ayant un capteur de voltage et un pore comme domaine transmembranaire et un domaine cytosolique pour la liaison du calcium et du magnésium intracellulaires. [5] Chaque monomère de la sous-unité alpha formant le canal est le produit du gène KCNMA1 (également connu sous le nom de Slo1). La sous-unité Slo1 a trois domaines structurels principaux, chacun ayant une fonction distincte : le domaine de détection de tension (VSD) détecte le potentiel membranaire à travers la membrane, le domaine cytosolique (détecte la concentration de calcium, les ions Ca²⁺) et le domaine de grille de pores (PGD ) qui s'ouvre et se ferme pour réguler la perméation du potassium. La porte d'activation réside dans le PGD, qui est situé du côté cytosolique de S6 ou du filtre de sélectivité (la sélectivité est la préférence d'un canal pour conduire un ion spécifique). [5] Le domaine de détection de tension et le domaine à pores ouverts sont collectivement appelés domaines transmembranaires et sont formés par les segments transmembranaires S1-S4 et S5-S6, respectivement. L'hélice S4 contient une série de résidus chargés positivement qui servent de capteur de tension primaire. [6]

Les canaux BK sont assez similaires aux canaux K⁺ dépendants de la tension, cependant, dans les canaux BK, un seul résidu chargé positivement (Arg213) est impliqué dans la détection de la tension à travers la membrane. [5] Un segment S0 supplémentaire est également unique aux canaux BK, ce segment est requis pour la modulation de la sous-unité . [7] [8] et sensibilité à la tension. [9]

Le domaine cytosolique est composé de deux domaines RCK (régulateur de conductance potassique), RCK1 et RCK2. Ces domaines contiennent deux sites de liaison Ca²⁺ de haute affinité : l'un dans le domaine RCK1 et l'autre dans une région appelée bol Ca²⁺ qui consiste en une série de résidus d'acide aspartique (Asp) situés dans le domaine RCK2. Le site de liaison Mg²⁺ est situé entre le VSD et le domaine cytosolique, qui est formé par : les résidus Asp dans la boucle S0-S1, les résidus Asparagine à l'extrémité cytosolique de S2 et les résidus Glutamine dans RCK1. [5] En formant le site de liaison Mg²⁺, deux résidus proviennent du RCK1 d'une sous-unité Slo1 et les deux autres résidus proviennent du VSD de la sous-unité voisine. Pour que ces résidus coordonnent l'ion Mg²⁺, le VSD et le domaine cytosolique des sous-unités voisines doivent être à proximité. [5] Les sous-unités bêta modulatrices (codées par KCNMB1, KCNMB2, KCNMB3 ou KCNMB4) peuvent s'associer au canal tétramérique. Il existe quatre types de sous-unités (β1-4), dont chacune a des modèles d'expression différents qui modifient les propriétés de déclenchement du canal BK. La sous-unité 1 est principalement responsable de l'expression des cellules musculaires lisses, les deux sous-unités β2 et 3 sont exprimées neuronalement, tandis que β4 est exprimée dans le cerveau. [5] Le VSD s'associe au DPI via trois interactions majeures :

  1. Connexion physique entre le VSD et le PGD via l'éditeur de liens S4-S5.
  2. Interactions entre le linker S4-S5 et le côté cytosolique de S6.
  3. Interactions entre S4 et S5 d'une sous-unité voisine.

Les canaux BK sont associés et modulés par une grande variété de facteurs intra et extracellulaires, tels que les sous-unités auxiliaires (β, γ), les Slobs (slo binding protein), la phosphorylation, la tension membranaire, les ligands chimiques (Ca²⁺, Mg²⁺), la PKC , Les sous-unités BK s'assemblent 1:1 avec quatre types auxiliaires différents de sous-unités (β1, β2, β3 ou β4). [dix]

Le trafic et l'expression des canaux BK dans la membrane plasmique sont régulés par des motifs d'épissage distincts situés dans les domaines RCK C-terminaux intracellulaires. En particulier, une variante d'épissage qui excluait ces motifs a empêché l'expression à la surface cellulaire des canaux BK et suggère qu'un tel mécanisme a un impact sur la physiologie et la physiopathologie. [dix]

Les canaux BK dans le système vasculaire sont modulés par des agents produits naturellement dans le corps, tels que l'angiotensine II (Ang II), l'hyperglycémie ou l'acide arachidonique (AA) qui est modulé dans le diabète par le stress oxydatif (ROS). [dix]

Une sensibilité à la tension plus faible permet aux canaux BK de fonctionner dans une large gamme de potentiels de membrane. Cela garantit que le canal peut remplir correctement sa fonction physiologique. [11]

L'inhibition de l'activité du canal BK par phosphorylation de S695 par la protéine kinase C (PKC) dépend de la phosphorylation de S1151 dans l'extrémité C de la sous-unité alpha du canal. Une seule de ces phosphorylations dans la structure tétramère doit se produire pour que l'inhibition réussisse. La protéine phosphatase 1 neutralise la phosphorylation de S695. La PKC diminue la probabilité d'ouverture du canal en raccourcissant le temps d'ouverture du canal et en prolongeant l'état fermé du canal. La PKC n'affecte pas la conductance monocanal, la dépendance à la tension ou la sensibilité au calcium des canaux BK. [11]

Les canaux BK sont activés de manière synergique par la liaison des ions calcium et magnésium, mais peuvent également être activés via la dépendance à la tension. [10] L'activation dépendante du Ca²⁺ se produit lorsque le Ca²⁺ intracellulaire se lie à deux sites de liaison de haute affinité : l'un situé dans l'extrémité C-terminale du domaine RCK2 (bol Ca²⁺) et l'autre situé dans le domaine RCK1. [5] Le site de liaison dans le domaine RCK1 a une affinité quelque peu plus faible pour le calcium que le bol Ca²⁺, mais est responsable d'une plus grande partie de la sensibilité Ca²⁺. [12] La tension et le calcium activent les canaux BK en utilisant deux mécanismes parallèles, les capteurs de tension et les sites de liaison Ca²⁺ se couplant indépendamment à la porte d'activation, à l'exception d'une faible interaction entre les deux mécanismes. Le bol de Ca²⁺ accélère la cinétique d'activation à de faibles concentrations de Ca²⁺ tandis que le site RCK1 influence à la fois les cinétiques d'activation et de désactivation. [11] Un modèle de mécanisme a été proposé à l'origine par Monod, Wyman et Changeux, connu sous le nom de modèle MWC. Le modèle MWC pour les canaux BK explique qu'un changement de conformation de la porte d'activation dans l'ouverture du canal s'accompagne d'un changement de conformation du site de liaison Ca²⁺, ce qui augmente l'affinité de la liaison Ca²⁺. [12]

L'activation dépendante du magnésium des canaux BK s'active via un site de liaison aux métaux de faible affinité qui est indépendant de l'activation dépendante du Ca²⁺. Le capteur Mg²⁺ active les canaux BK en déplaçant la tension d'activation vers une plage plus négative. Mg²⁺ active le canal uniquement lorsque le domaine du capteur de tension reste à l'état activé. Le domaine de queue cytosolique (CTD) est un capteur chimique qui possède plusieurs sites de liaison pour différents ligands. Le CTD active le canal BK lorsqu'il est lié au Mg²⁺ intracellulaire pour permettre l'interaction avec le domaine du capteur de tension (VSD). [11] Le magnésium est principalement coordonné par six atomes d'oxygène des chaînes latérales des résidus contenant de l'oxygène, des groupes carbonyle de la chaîne principale dans les protéines ou des molécules d'eau. [12] D99 à l'extrémité C-terminale de la boucle S0-S1 et N172 dans la boucle S2-S3 contiennent des oxygènes de chaîne latérale dans le domaine du capteur de tension qui sont essentiels à la liaison du Mg²⁺. Tout comme le modèle d'activation dépendant du Ca²⁺, l'activation dépendante du Mg²⁺ peut également être décrite par un modèle de déclenchement allostérique MCW. Alors que le calcium active le canal en grande partie indépendamment du capteur de tension, le magnésium active le canal par canal par une interaction électrostatique avec le capteur de tension. [12] Ceci est également connu sous le nom de modèle Nudging, dans lequel le magnésium active le canal en poussant le capteur de tension via des interactions électrostatiques et implique les interactions entre les chaînes latérales dans différents domaines structurels. [5] L'énergie fournie par la tension, le Ca²⁺ et la liaison au Mg²⁺ se propagera jusqu'à la grille d'activation des canaux BK pour initier la conduction ionique à travers le pore. [5]

Niveau cellulaire Modifier

Les canaux BK aident à réguler à la fois l'activation des neurones et la libération des neurotransmetteurs. [13] Cette modulation de la transmission synaptique et de la décharge électrique au niveau cellulaire est due à l'expression du canal BK en conjonction avec d'autres canaux potassium-calcium. [10] L'ouverture de ces canaux provoque une poussée vers le potentiel d'équilibre potassique et joue ainsi un rôle dans l'accélération de la repolarisation des potentiels d'action. [10] Cela permettrait effectivement une stimulation plus rapide. [10] Il y a aussi un rôle joué dans la formation de la repolarisation générale des cellules, et donc après l'hyperpolarisation (AHP) des potentiels d'action. [14] Le rôle que les canaux BK ont dans la phase rapide de l'AHP a été largement étudié dans l'hippocampe. [14] Il peut également jouer un rôle dans l'inhibition de la libération de neurotransmetteurs. [15] Il existe de nombreux canaux BK dans les cellules de Purkinje du cervelet, soulignant ainsi leur rôle dans la coordination et la fonction motrices. [14] De plus, les canaux BK jouent un rôle dans la modulation de l'activité des dendrites ainsi que des astrocytes et de la microglie. [15] Ils jouent non seulement un rôle dans le SNC (système nerveux central) mais aussi dans les contractions des muscles lisses, la sécrétion des cellules endocrines et la prolifération des cellules. [13] Diverses sous-unités γ au cours du développement précoce du cerveau sont impliquées dans l'excitabilité neuronale et dans les cellules non excitables, elles sont souvent responsables en tant que force motrice du calcium. [10] Par conséquent, ces sous-unités peuvent être des cibles pour des traitements thérapeutiques en tant qu'activateurs des canaux BK. [10] Il existe d'autres preuves que l'inhibition des canaux BK empêcherait l'efflux de potassium et réduirait ainsi l'utilisation d'ATP, permettant ainsi la survie neuronale dans des environnements à faible teneur en oxygène. [10] Les canaux BK peuvent également fonctionner comme un protecteur neuronal en limitant l'entrée du calcium dans les cellules par l'oxydation de la méthionine. [dix]

Niveau d'orgue Modifier

Les canaux BK jouent également un rôle dans l'audition. [14] Cela a été trouvé lorsque la sous-unité BK a été éliminée chez la souris et qu'une perte progressive des cellules ciliées cochléaires, et donc une perte auditive, a été observée. [14] Les canaux BK ne sont pas seulement impliqués dans l'audition, mais aussi dans les rythmes circadiens. Les protéines de liaison Slo (Slobs) peuvent moduler les canaux BK en fonction des rythmes circadiens dans les neurones. [10] Les canaux BK sont exprimés dans le noyau suprachiasmatique (SCN), qui est caractérisé pour influencer la physiopathologie du sommeil. [14] Les ouvreurs de canaux BK peuvent également avoir un effet protecteur sur le système cardiovasculaire. [10] À une faible concentration de calcium, les canaux BK ont un impact plus important sur le tonus vasculaire. [10] De plus, le système de signalisation des canaux BK dans le système cardiovasculaire a une influence sur le fonctionnement du flux sanguin coronaire. [10] L'une des fonctions de la sous-unité β dans le cerveau comprend l'inhibition des canaux BK, permettant le ralentissement des propriétés des canaux ainsi que la capacité d'aider à prévenir les crises dans le lobe temporal. [dix]

Niveau de fonction corporelle Modifier

Les mutations des canaux BK, entraînant une plus faible quantité d'expression dans l'ARNm, sont plus fréquentes chez les personnes souffrant de troubles mentaux (par hypofonction [15] ), schizophrènes ou autistes. [10] De plus, une repolarisation accrue causée par des mutations des canaux BK peut entraîner une dépendance à l'alcool, l'initiation de dyskinésies, d'épilepsie ou de troubles du mouvement paroxystiques.[10] Non seulement les canaux BK sont importants dans de nombreux processus cellulaires chez l'adulte, mais ils sont également cruciaux pour une alimentation adéquate du fœtus en développement. [10] Ainsi, les œstrogènes peuvent provoquer une augmentation de la densité des canaux BK dans l'utérus. [10] Cependant, une expression accrue des canaux BK a été trouvée dans les cellules tumorales, et cela pourrait influencer la future thérapie contre le cancer, discutée plus dans la section pharmacologie. [10] Les canaux BK sont omniprésents dans tout le corps et ont donc un impact important et vaste sur le corps dans son ensemble et à un niveau plus cellulaire, comme indiqué.

Problèmes potentiels Modifier

Plusieurs problèmes se posent lorsqu'il y a un déficit de chaînes BK. Les conséquences d'un dysfonctionnement du canal BK peuvent affecter le fonctionnement d'une personne de plusieurs manières, certaines plus mortelles que d'autres. Les canaux BK peuvent être activés par des polluants exogènes et des gazotransmetteurs endogènes, le monoxyde de carbone, [16] [17] l'oxyde nitrique et le sulfure d'hydrogène. [18] Des mutations dans les protéines impliquées dans les canaux BK ou les gènes codant pour les canaux BK sont impliquées dans de nombreuses maladies. Un dysfonctionnement des canaux BK peut proliférer dans de nombreux troubles tels que : l'épilepsie, le cancer, le diabète, l'asthme et l'hypertension. [13] Plus précisément, le défaut β1 peut augmenter la pression artérielle et la rétention d'hydrosaline dans le rein. [13] On a découvert que les mutations de perte de fonction et de gain de fonction étaient impliquées dans des troubles tels que l'épilepsie et la douleur chronique. [15] En outre, l'augmentation de l'activation des canaux BK, par le biais de mutants à gain de fonction et d'une amplification, a des liens avec l'épilepsie et le cancer. [13] De plus, les canaux BK jouent un rôle dans les tumeurs ainsi que dans les cancers. Dans certains cancers, la gBK, un canal ionique variant appelé canal BK du gliome, peut être trouvé. [14] On sait que les canaux BK influencent d'une manière ou d'une autre la division des cellules pendant la réplication, qui, lorsqu'elle n'est pas régulée, peut entraîner des cancers et des tumeurs. [14] De plus, un aspect étudié comprend la migration des cellules cancéreuses et le rôle dans lequel les canaux BK peuvent faciliter cette migration, bien que beaucoup soit encore inconnu. [14] Une autre raison pour laquelle la compréhension du canal BK est importante concerne son rôle dans la chirurgie de transplantation d'organe. Ceci est dû à l'activation des canaux BK influençant la repolarisation du potentiel membranaire au repos. [10] Ainsi, la compréhension est cruciale pour la sécurité d'une transplantation efficace.

Développements actuels Modifier

Les canaux BK peuvent être utilisés comme cibles pharmacologiques pour le traitement de plusieurs troubles médicaux, notamment les accidents vasculaires cérébraux [19] et l'hyperactivité vésicale. [20] Il y a eu des tentatives pour développer des molécules synthétiques ciblant les canaux BK, [21] cependant leurs efforts se sont avérés largement inefficaces jusqu'à présent. Par exemple, BMS-204352, une molécule développée par Bristol-Myers Squibb, n'a pas réussi à améliorer les résultats cliniques chez les patients victimes d'AVC par rapport au placebo. [22] Cependant, il y a eu un certain succès de l'agoniste aux canaux BKCa, BMS-204352, dans le traitement des déficits observés chez les souris knock-out Fmr1, un modèle du syndrome de l'X fragile. [23] [24] Les canaux BK fonctionnent également comme un bloqueur dans l'ischémie et sont au centre de l'étude de son utilisation en tant que thérapie pour les accidents vasculaires cérébraux. [dix]

Orientations futures Modifier

Les applications des stratégies thérapeutiques impliquant les canaux BK sont nombreuses. Des recherches ont montré qu'un blocage des canaux BK entraîne une augmentation de la libération de neurotransmetteurs, indiquant efficacement les futures possibilités thérapeutiques d'amélioration de la cognition, d'amélioration de la mémoire et de soulagement de la dépression. [13] Une réponse comportementale à l'alcool est également modulée par les canaux BK, [10] donc une meilleure compréhension de cette relation peut aider le traitement chez les patients alcooliques. Le stress oxydatif sur les canaux BK peut entraîner les altérations négatives de l'abaissement de la pression artérielle par la relaxation cardiovasculaire sur le vieillissement et la maladie. [10] Ainsi, le système de signalisation peut être impliqué dans le traitement de l'hypertension et de l'athérosclérose [10] en ciblant la sous-unité pour prévenir ces effets néfastes. De plus, le rôle connu que les canaux BK peuvent jouer dans le cancer et les tumeurs est limité. Ainsi, il n'y a pas beaucoup de connaissances actuelles concernant les aspects spécifiques des canaux BK qui peuvent influencer les tumeurs et les cancers. [14] Une étude plus approfondie est cruciale, car cela pourrait conduire à un immense développement des traitements pour les personnes souffrant de cancer et de tumeurs. On sait que les épilepsies sont dues à une surexcitabilité des neurones, dont les canaux BK ont un impact important sur le contrôle de l'hyperexcitabilité. [4] Par conséquent, la compréhension pourrait influencer le traitement de l'épilepsie. Dans l'ensemble, les canaux BK sont une cible pour les futurs agents pharmacologiques qui peuvent être utilisés pour des traitements bienveillants de la maladie.


Potentiel membranaire

Introduction

Une membrane excitable a un potentiel stable lorsqu'il n'y a pas de courant ionique net circulant à travers la membrane. Deux facteurs déterminent le flux net d'ions à travers un canal ionique ouvert : le potentiel membranaire et les différences de concentrations d'ions entre les espaces intracellulaire et extracellulaire. Parce que les cellules ont des potentiels intracellulaires négatifs, la force électrique aura tendance à diriger les ions chargés positivement (des cations tels que le sodium, le potassium et le calcium) vers une cellule. Par conséquent, les forces électriques dirigeront un flux entrant d'ions sodium, potassium et calcium et un flux sortant d'ions chlorure. La direction du mouvement des ions produit par la «force de concentration» dépend des différences de concentration de l'ion entre les compartiments intracellulaire et extracellulaire. Les ions sodium, calcium et chlorure ont des concentrations extracellulaires plus élevées que les concentrations intracellulaires. La concentration intracellulaire de potassium est supérieure à la concentration extracellulaire. Les forces de concentration dirigent un flux entrant d'ions sodium, calcium et chlorure et un flux sortant d'ions potassium. Le potentiel de membrane auquel les forces électriques et de concentration sont équilibrées pour un ion donné est appelé potentiel d'équilibre ou potentiel de Nernst pour un ion donné. Au potentiel d'équilibre, les mouvements de courant entrant et sortant sont équilibrés pour un ion spécifique en raison de l'équilibrage des forces électriques et de concentration. Pour un cation donné, à des potentiels membranaires négatifs par rapport au potentiel d'équilibre, les ions pénètrent dans la cellule, et à des potentiels membranaires plus positifs que le potentiel d'équilibre, le courant transporté par l'ion spécifique sortira de la cellule. La direction du mouvement du courant pour un ion spécifique tend toujours à ramener le potentiel de membrane au potentiel d'équilibre pour cet ion spécifique. Des exemples de potentiels d' équilibre approximatifs pour les ions dans le muscle squelettique sont présentés dans le tableau 1 .

Tableau 1 . Potentiels d'équilibre

IonPotentiel d'équilibre (mV)
Sodium65
Potassium−105
Calcium&gt100
Chlorure-95 (potentiel de repos)
Potentiel de repos−95

Le potentiel membranaire représente un équilibre entre les potentiels d'équilibre des ions auxquels la membrane est perméable. Plus la conductance d'un ion est grande, plus cet ion influencera le potentiel membranaire de la cellule. Les principales conductances responsables de l'établissement du potentiel membranaire au repos sont celles du chlorure, du potassium et du sodium. La conductance du chlorure est importante dans les fibres musculaires squelettiques, dans lesquelles elle est médiée par les canaux chlorure du muscle squelettique. Les fibres nerveuses périphériques ont des conductances de chlorure plus petites. Dans le muscle squelettique, le chlorure est la conductance membranaire dominante, représentant environ 80 % de la conductance membranaire au repos. Les canaux chlorure dans le muscle squelettique sont inhabituels en ce qu'ils sont bloqués par la présence d'ions au niveau des orifices intracellulaires et extracellulaires plutôt que par le potentiel membranaire. Le canal est susceptible de s'ouvrir lorsqu'un ion chlorure se présente. Les propriétés de déclenchement uniques des canaux chlorure font que les ions chlorure sont distribués à travers la membrane en accord avec le potentiel membranaire. Par conséquent, la conductance du chlorure ne définit pas le potentiel de membrane.

Au lieu de cela, la conductance du chlorure agit comme un frein pour rendre plus difficile la dépolarisation de la membrane. Par conséquent, la conductance du chlorure fournit une influence stabilisatrice importante sur le potentiel de membrane.

L'ion dominant dans la fixation du potentiel membranaire au repos est le potassium. La conductance potassique représente environ 20 % de la conductance membranaire au repos dans le muscle squelettique et représente la majeure partie de la conductance au repos dans les neurones et les fibres nerveuses. Ceci est principalement attribuable aux canaux ioniques non contrôlés, qui sont constitués d'un redresseur vers l'intérieur et de canaux « à fuite lente ». Les canaux redresseurs entrants sont responsables du maintien du potentiel membranaire en l'absence de courant électrique d'excitation. Ce sont les canaux ioniques non contrôlés qui sont responsables des différences de réponse électrique de divers types de cellules. Par exemple, les neurones, qui contiennent des canaux ioniques non contrôlés pour le potassium, le sodium et le chlorure, ont un potentiel membranaire au repos qui s'écarte du potentiel de Nernst calculé pour K + (en particulier à de faibles concentrations) tandis que les cellules gliales, qui contiennent des canaux ioniques non contrôlés pour seulement potassium, ont un potentiel de membrane au repos qui correspond étroitement au potentiel de Nernst calculé pour K + .

La faible quantité de conductance sodique dans le muscle squelettique au repos, ou membrane nerveuse, fait que le potentiel membranaire au repos est légèrement positif ou dépolarisé par rapport au potentiel d'équilibre du potassium (tableau 2). La classe spécifique de canaux potassiques qui détermine le potentiel membranaire au repos est le canal potassique rectificateur vers l'intérieur ou anormal. La conductance du calcium au repos est extrêmement faible. Par conséquent, le calcium ne contribue pas au potentiel membranaire au repos.

Tableau 2 . Potentiel membranaire dans différentes conditions

État de la membraneConductance dominante de la membranePotentiel membranaire
ReposK + Proche du potentiel d'équilibre K +, environ -95 mV
Pic de potentiel d'actionNon + Proche du potentiel d'équilibre Na +, environ 40 mV

Lors d'un potentiel d'action, les canaux Na + s'ouvrent et la conductance membranaire dominante est celle de Na + . Par conséquent, le potentiel de membrane est approximativement le même que le potentiel d'équilibre Na + (tableau 2).


Autres issues

Des modèles basés sur la conductance pour les cellules excitables sont développés pour aider à comprendre les mécanismes sous-jacents qui contribuent à la génération de potentiel d'action, au déclenchement et à l'éclatement répétitifs (c'est-à-dire aux modèles oscillatoires), etc. À leur tour, ces caractéristiques intrinsèques affectent les comportements dans les réseaux neuronaux.

Cependant, à mesure que le nombre de courants inclus dans les modèles basés sur la conductance augmente, il devient plus difficile de comprendre et de prédire la dynamique du modèle résultant en raison du nombre croissant d'équations différentielles. Par exemple, le modèle original de Hodgkin-Huxley est un système d'EDO du 4ème ordre. Des efforts ont été faits non seulement pour capturer la dynamique qualitative des modèles basés sur la conductance (par exemple, le modèle FitzHugh-Nagumo) mais aussi pour réduire la complexité du système (par exemple, Kepler et al. 1992).

Des distinctions mathématiques dans les modèles basés sur la conductance utilisant des analyses de système dynamique et de bifurcation sont disponibles. Les détails sont décrits dans Izhikevich (2007).


La structure tridimensionnelle d'un canal bactérien K + montre comment un canal ionique peut fonctionner

La capacité remarquable des canaux ioniques à combiner une sélectivité ionique exquise avec une conductance élevée a longtemps intrigué les scientifiques. Les canaux de fuite K +, par exemple, conduisent K + 10 000 fois mieux que Na + , mais les deux ions sont des sphères sans particularité avec des diamètres similaires (0,133 nm et 0,095 nm, respectivement). Une seule substitution d'acide aminé dans le pore d'un canal K + peut entraîner une perte de sélectivité ionique et la mort cellulaire. La sélectivité normale ne peut pas être expliquée par la taille des pores, car Na + est plus petit que K + . De plus, le taux de conductance élevé est incompatible avec des canaux ayant des sites de liaison K + sélectifs et de haute affinité, car la liaison des ions K + à de tels sites ralentirait considérablement leur passage.

L'énigme a été résolue lorsque la structure d'un bactérien K + canalisera été déterminée par cristallographie aux rayons X. Le canal est constitué de quatre sous-unités transmembranaires identiques, qui forment ensemble un pore central à travers la membrane (Figure 11-23). Les acides aminés chargés négativement sont concentrés à l'entrée cytosolique du pore et sont censés attirer les cations et repousser les anions, rendant le canal sélectif des cations. Chaque sous-unité contribue à deux hélices transmembranaires, qui sont inclinées vers l'extérieur dans la membrane et forment ensemble un cône, avec son extrémité large tournée vers l'extérieur de la cellule où les ions K + sortent du canal. La chaîne polypeptidique qui relie les deux hélices transmembranaires forme une courte hélice α (la hélice des pores) et une boucle cruciale qui fait saillie dans la section large du cône pour former le filtre de sélectivité. Les boucles de sélectivité des quatre sous-unités forment un pore court, rigide et étroit, qui est bordé par les atomes d'oxygène carbonyle de leurs squelettes polypeptidiques. Étant donné que les boucles de sélectivité de tous les canaux K+ connus ont des séquences d'acides aminés similaires, il est probable qu'elles forment une structure étroitement similaire. La structure cristalline montre deux ions K + en file indienne dans le filtre de sélectivité, séparés par environ 8 Å. On pense que la répulsion mutuelle entre les deux ions aide à les déplacer à travers le pore dans le liquide extracellulaire.

11-23

La structure d'un canal K + bactérien. (A) Seules deux des quatre sous-unités identiques sont représentées. Du côté cytosolique, le pore s'ouvre dans un vestibule au milieu de la membrane. Le vestibule facilite le transport en permettant aux ions K+ de (suite.)

La structure du filtre de sélectivité explique l'exquise sélectivité ionique du canal. Pour qu'un ion K + pénètre dans le filtre, il doit perdre presque toutes ses molécules d'eau liées et interagir à la place avec les oxygènes carbonyles qui tapissent le filtre de sélectivité, qui sont espacés de manière rigide à la distance exacte pour accueillir un ion K +. Un ion Na +, en revanche, ne peut pas pénétrer dans le filtre car les oxygènes carbonylés sont trop éloignés du plus petit ion Na + pour compenser la dépense énergétique associée à la perte de molécules d'eau nécessaires à l'entrée (Figure 11-24).

11-24

Spécificité K+ du filtre de sélectivité dans un canal K+. Le dessin montre les ions K + et Na + (A) dans le vestibule et (B) dans le filtre de sélectivité du pore, vu en coupe transversale. Dans le vestibule, les ions sont hydratés. Dans le filtre de sélectivité, (suite. )

Des études structurelles du canal K + bactérien ont indiqué comment ces canaux peuvent s'ouvrir et se fermer. Les boucles qui forment le filtre de sélectivité sont rigides et ne changent pas de conformation lorsque le canal s'ouvre ou se ferme. En revanche, les hélices transmembranaires interne et externe qui tapissent le reste du pore se réarrangent lorsque le canal se ferme, provoquant la constriction du pore comme un diaphragme à son extrémité cytosolique (Figure 11-25). Bien que le pore ne se ferme pas complètement, la petite ouverture qui reste est bordée de chaînes latérales d'acides aminés hydrophobes, qui bloquent l'entrée des ions.

11-25

Un modèle pour le gating d'un canal K + bactérien. Le canal est vu en coupe transversale. Pour adopter la conformation fermée, les quatre hélices transmembranaires internes qui tapissent le pore du côté cytosolique du filtre de sélectivité (voir Figure 11-22) se réorganisent (plus.)

Les cellules qui utilisent le plus les canaux ioniques sont les neurones. Avant de discuter de la façon dont ils le font, nous devons faire une parenthèse pour examiner brièvement comment un neurone typique est organisé.


Les canaux SK régulent les propriétés de repos et la fiabilité de la signalisation d'un neurone à pic rapide en développement

Une transmission de signal fiable et précise est essentielle dans les circuits du tronc cérébral auditif pour coder la synchronisation avec une précision inférieure à la milliseconde. Les cellules buissonnantes globulaires transfèrent de manière fiable et fidèle les signaux de pointe aux principaux neurones du noyau médial du corps trapézoïdal (MNTB) via la synapse glutamatergique géante, le calice de Held. Ainsi, le MNTB fonctionne comme un noyau relais qui préserve le schéma temporel de tir à haute fréquence. À l'aide d'enregistrements patch-clamp de cellules entières, nous avons observé une conductance K + médiée par des canaux potassiques activés par le calcium (SK) de petite conductance dans les neurones MNTB de rats des deux sexes. Les canaux SK ont été activés par des étincelles de Ca 2+ intracellulaires et des courants sortants transitoires spontanés dans le développement des neurones MNTB. Les canaux SK ont également été activés par l'afflux de Ca 2+ via des canaux Ca 2+ voltage-dépendants et des récepteurs NMDA activés de manière synaptique. Le blocage des canaux SK avec l'apamine a dépolarisé le potentiel membranaire au repos, réduit la conductance au repos et affecté la réactivité des neurones MNTB aux entrées de signaux. De plus, les canaux SK étaient activés par des potentiels d'action et affectaient le pic après hyperpolarisation. Le blocage des canaux SK a perturbé la transmission du signal un à un des calices présynaptiques aux neurones postsynaptiques de la MNTB et a induit des potentiels d'action postsynaptiques supplémentaires en réponse à la décharge présynaptique. Ces données révèlent que les canaux SK jouent un rôle crucial dans la régulation des propriétés de repos et le maintien d'une transmission fiable du signal des neurones MNTB.ÉNONCÉ D'IMPORTANCE Une transmission de signal fiable et précise est requise dans les circuits auditifs du tronc cérébral pour localiser la source sonore. Le calice de la synapse de Held dans le noyau médian des mammifères du corps trapézoïdal (MNTB) joue un rôle important dans la localisation du son. Nous avons étudié les canaux potassiques qui façonnent la fiabilité du transfert de signal à travers la synapse calycée et observé une conductance potassique médiée par des canaux potassiques activés par le calcium (SK) de faible conductance dans les principaux neurones MNTB du rat. Nous avons constaté que les canaux SK sont activés toniquement et contribuent aux propriétés membranaires au repos des neurones MNTB. Fait intéressant, les canaux SK sont activés de manière transitoire par des étincelles de calcium et un afflux de calcium pendant les potentiels d'action et contrôlent la transmission de signaux un à un des calices présynaptiques aux neurones postsynaptiques de la MNTB.

Mots clés: MNTB SK canal excitabilité canal potassique au repos potentiel transmission fidélité.

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Les figures

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Les canaux SK ont arbitré les STOC. UNE , Enregistrements STOC en contrôle et après bain…

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Changement de développement des STOC. UNE , Des enregistrements STOC représentatifs dans des neurones MNTB de rat…

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Des étincelles de calcium ont activé le courant SK transitoire. UNE , Enregistrements STOC sous contrôle…

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Courant tonique SK. UNE , B , Pas de tension dépolarisante (15 s) à partir de…

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Activation du courant SK. UNE , Une rampe de tension lente (5 mV/s) évoquée…

Effets des canaux SK sur…

Effets des canaux SK sur les propriétés membranaires au repos des neurones MNTB. UNE ,…

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Effets des canaux SK sur la réactivité. UN D , Réponses en tension aux formes d'onde de type synaptique…

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Activation des canaux SK par l'influx de Ca 2+ via les récepteurs NMDA. UNE ,…

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Activation des canaux SK pendant le potentiel d'action. UNE , Une brève étape de tension…

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L'activation du canal SK était nécessaire pour une transmission de signal très fiable. UNE , Trace représentative…


Contenu

Un équilibre en magnésium est vital pour le bien-être de tous les organismes. Le magnésium est un ion relativement abondant dans la croûte terrestre et le manteau et est hautement biodisponible dans l'hydrosphère. Cette disponibilité, en combinaison avec une chimie utile et très inhabituelle, peut avoir conduit à son utilisation dans l'évolution en tant qu'ion pour la signalisation, l'activation enzymatique et la catalyse. Cependant, la nature inhabituelle du magnésium ionique a également conduit à un défi majeur dans l'utilisation de l'ion dans les systèmes biologiques. Les membranes biologiques sont imperméables au magnésium (et à d'autres ions), les protéines de transport doivent donc faciliter le flux de magnésium, à la fois dans et hors des cellules et des compartiments intracellulaires.

La chlorophylle des plantes convertit l'eau en oxygène sous forme d'O2. L'hémoglobine chez les animaux vertébrés transporte l'oxygène sous forme d'O2 Dans le sang. La chlorophylle est très similaire à l'hémoglobine, sauf que le magnésium est au centre de la molécule de chlorophylle et le fer est au centre de la molécule d'hémoglobine, avec d'autres variations. [6] Ce processus maintient les cellules vivantes sur terre en vie et maintient les niveaux de base de CO2 et ô2 dans l'atmosphère.

Santé humaine Modifier

Un apport insuffisant en magnésium provoque fréquemment des spasmes musculaires et a été associé à des maladies cardiovasculaires, au diabète, à l'hypertension artérielle, aux troubles anxieux, aux migraines, à l'ostéoporose et à l'infarctus cérébral. [7] [8] La carence aiguë (voir hypomagnésémie) est rare et est plus fréquente en tant qu'effet secondaire médicamenteux (comme la consommation chronique d'alcool ou de diurétique) que d'un faible apport alimentaire en soi, mais elle peut survenir chez les personnes nourries par voie intraveineuse. pendant des périodes prolongées.

Le symptôme le plus courant d'un apport excessif en magnésium par voie orale est la diarrhée. Les suppléments à base de chélates d'acides aminés (tels que le glycinate, le lysinate, etc.) sont bien mieux tolérés par le système digestif et n'ont pas les effets secondaires des anciens composés utilisés, tandis que les compléments alimentaires à libération prolongée préviennent l'apparition de diarrhée. [ citation requise ] Étant donné que les reins des humains adultes excrètent efficacement l'excès de magnésium, l'empoisonnement au magnésium par voie orale chez les adultes ayant une fonction rénale normale est très rare. Les nourrissons, qui ont moins de capacité à excréter l'excès de magnésium même lorsqu'ils sont en bonne santé, ne devraient pas recevoir de suppléments de magnésium, sauf sous les soins d'un médecin.

Les préparations pharmaceutiques contenant du magnésium sont utilisées pour traiter des affections telles que la carence en magnésium et l'hypomagnésémie, ainsi que l'éclampsie. [9] Ces préparations sont généralement sous forme de sulfate ou de chlorure de magnésium lorsqu'elles sont administrées par voie parentérale. Le magnésium est absorbé avec une efficacité raisonnable (30% à 40%) par l'organisme à partir de tout sel de magnésium soluble, tel que le chlorure ou le citrate. Le magnésium est également absorbé à partir des sels d'Epsom, bien que le sulfate de ces sels ajoute à leur effet laxatif à des doses plus élevées. L'absorption du magnésium à partir des sels d'oxyde et d'hydroxyde insolubles (lait de magnésie) est erratique et de moindre efficacité, car elle dépend de la neutralisation et de la dissolution du sel par l'acide de l'estomac, qui peut ne pas être (et n'est généralement pas) complète .

L'orotate de magnésium peut être utilisé comme traitement adjuvant chez les patients recevant un traitement optimal de l'insuffisance cardiaque congestive sévère, augmentant le taux de survie et améliorant les symptômes cliniques et la qualité de vie du patient. [dix]

Conduction nerveuse Modifier

Le magnésium peut affecter la relaxation musculaire par une action directe sur les membranes cellulaires. Les ions Mg 2+ ferment certains types de canaux calciques, qui conduisent les ions calcium chargés positivement dans les neurones. Avec un excès de magnésium, plus de canaux seront bloqués et l'activité des cellules nerveuses diminuera. [11] [12]

Hypertension Modifier

Le sulfate de magnésium par voie intraveineuse est utilisé dans le traitement de la pré-éclampsie. [13] Pour l'hypertension autre que liée à la grossesse, une méta-analyse de 22 essais cliniques avec des gammes de doses de 120 à 973 mg/jour et une dose moyenne de 410 mg, a conclu que la supplémentation en magnésium avait un effet faible mais statistiquement significatif, diminuant la pression artérielle systolique de 3 à 4 mm Hg et la pression artérielle diastolique de 2 à 3 mm Hg. L'effet était plus important lorsque la dose était supérieure à 370 mg/jour. [14]

Diabète et tolérance au glucose Modifier

Des apports alimentaires plus élevés en magnésium correspondent à une incidence plus faible du diabète. [15] Pour les personnes diabétiques ou à haut risque de diabète, la supplémentation en magnésium abaisse la glycémie à jeun. [16]

L'Institute of Medicine des États-Unis (IOM) a mis à jour les besoins moyens estimés (EAR) et les apports nutritionnels recommandés (AJR) pour le magnésium en 1997. S'il n'y a pas suffisamment d'informations pour établir les BME et les AJR, une estimation appelée Apport suffisant (AI) est utilisée à la place. . Les BME actuels pour le magnésium pour les femmes et les hommes âgés de 31 ans et plus sont respectivement de 265 mg/jour et 350 mg/jour. Les AJR sont de 320 et 420 mg/jour. Les RDA sont plus élevés que les EAR afin d'identifier les montants qui couvriront les personnes ayant des besoins supérieurs à la moyenne. L'AJR pour la grossesse est de 350 à 400 mg/jour selon l'âge de la femme. La RDA pour la lactation varie de 310 à 360 mg/jour pour la même raison. Pour les enfants âgés de 1 à 13 ans, la RDA augmente avec l'âge de 65 à 200 mg/jour. En ce qui concerne la sécurité, l'IOM fixe également des niveaux d'apport supérieurs tolérables (AMT) pour les vitamines et les minéraux lorsque les preuves sont suffisantes. Dans le cas du magnésium, l'UL est fixé à 350 mg/jour. L'UL est spécifique au magnésium consommé comme complément alimentaire, la raison étant que trop de magnésium consommé en une seule fois peut provoquer des diarrhées. L'UL ne s'applique pas au magnésium d'origine alimentaire. Collectivement, les EAR, les RDA et les UL sont appelés apports nutritionnels de référence. [17]

Apport Journalier de Référence en magnésium [18]
Âge Homme Femelle Grossesse Lactation
De la naissance à 6 mois 30 mg* 30 mg*
7 à 12 mois 75 mg* 75 mg*
1-3 ans 80 mg 80 mg
4-8 ans 130 mg 130 mg
9-13 ans 240 mg 240 mg
14-18 ans 410 mg 360 mg 400 mg 360 mg
19-30 ans 400 mg 310 mg 350 mg 310 mg
31-50 ans 420 mg 320 mg 360 mg 320 mg
51+ ans 420 mg 320 mg

L'Autorité européenne de sécurité des aliments (EFSA) fait référence à l'ensemble collectif d'informations sous le nom de valeurs nutritionnelles de référence, avec l'apport de référence pour la population (PRI) au lieu de RDA, et l'exigence moyenne au lieu de EAR. AI et UL ont la même définition qu'aux États-Unis. Pour les femmes et les hommes de 18 ans et plus, les IA sont respectivement fixées à 300 et 350 mg/jour. Les AI pour la grossesse et l'allaitement sont également de 300 mg/jour. Pour les enfants âgés de 1 à 17 ans, les IA augmentent avec l'âge de 170 à 250 mg/jour. Ces IA sont inférieures aux RDA américaines. [19] L'Autorité européenne de sécurité des aliments a examiné la même question de sécurité et a fixé son UL à 250 mg/jour - inférieur à la valeur américaine. [20] L'UL magnésium est unique en ce qu'il est inférieur à certains RDA. Elle s'applique uniquement à l'apport provenant d'un agent pharmacologique ou d'un complément alimentaire et n'inclut pas l'apport provenant d'aliments et d'eau.

Aux fins de l'étiquetage des aliments et des compléments alimentaires aux États-Unis, la quantité dans une portion est exprimée en pourcentage de la valeur quotidienne (% VQ). Aux fins de l'étiquetage du magnésium, 100 % de la valeur quotidienne était de 400 mg, mais en date du 27 mai 2016, elle a été révisée à 420 mg pour la mettre en accord avec la RDA. [21] [22] La conformité à la réglementation mise à jour en matière d'étiquetage était requise d'ici le 1er janvier 2020, pour les fabricants avec 10 millions de dollars ou plus de ventes annuelles de produits alimentaires, et d'ici le 1er janvier 2021, pour les fabricants avec moins de 10 millions de dollars de ventes annuelles de produits alimentaires. [23] [24] [25] Au cours des six premiers mois suivant la date de conformité du 1er janvier 2020, la FDA prévoit de travailler en coopération avec les fabricants pour répondre aux nouvelles exigences de l'étiquette de la valeur nutritive et ne se concentrera pas sur les mesures d'application concernant ces exigences au cours de cette période. temps. [23] Un tableau des valeurs quotidiennes anciennes et nouvelles pour les adultes est fourni à l'apport quotidien de référence.

Les légumes verts tels que les épinards fournissent du magnésium en raison de l'abondance des molécules de chlorophylle, qui contiennent l'ion. Les noix (en particulier les noix du Brésil, les noix de cajou et les amandes), les graines (par exemple, les graines de citrouille), le chocolat noir, les graines de soja grillées, le son et certains grains entiers sont également de bonnes sources de magnésium. [26]

Bien que de nombreux aliments contiennent du magnésium, il se trouve généralement en faibles niveaux. Comme pour la plupart des nutriments, il est peu probable que les besoins quotidiens en magnésium soient satisfaits par une portion d'un seul aliment. Manger une grande variété de fruits, de légumes et de céréales aidera à assurer un apport adéquat en magnésium. [ citation requise ]

Parce que le magnésium se dissout facilement dans l'eau, les aliments raffinés, qui sont souvent transformés ou cuits dans l'eau et séchés, en général, sont de mauvaises sources de nutriments. Par exemple, le pain de blé entier contient deux fois plus de magnésium que le pain blanc, car le germe et le son riches en magnésium sont éliminés lors de la transformation de la farine blanche. Le tableau des sources alimentaires de magnésium suggère de nombreuses sources alimentaires de magnésium. [ citation requise ]

L'eau "dure" peut également fournir du magnésium, mais l'eau "douce" contient moins d'ions. Les enquêtes diététiques n'évaluent pas l'apport en magnésium de l'eau, ce qui peut conduire à sous-estimer l'apport total en magnésium et sa variabilité.

Trop de magnésium peut rendre difficile l'absorption du calcium par le corps. [ citation requise ] Une quantité insuffisante de magnésium peut entraîner une hypomagnésémie comme décrit ci-dessus, avec des battements cardiaques irréguliers, une hypertension artérielle (un signe chez l'homme mais pas chez certains animaux de laboratoire tels que les rongeurs), de l'insomnie et des spasmes musculaires (fasciculation). Cependant, comme indiqué, on pense que les symptômes de faible teneur en magnésium dus à une carence alimentaire pure sont rarement rencontrés.

Voici quelques aliments et la quantité de magnésium qu'ils contiennent : [27]

    graines, sans coques (1/4 tasse) = 303 mg , (1/4 tasse) = 162 mg [28] farine (1/2 tasse) = 151 mg (1/4 tasse) = 125 mg
  • Son d'avoine, cru (1/2 tasse) = 110 mg
  • Poudre de cacao (1/4 tasse) = 107 mg (3 oz) = 103 mg (1/4 tasse) = 99 mg (1/4 tasse) = 89 mg
  • Farine de blé entier (1/2 tasse) = 83 mg , bouillie (1/2 tasse) = 79 mg , bouillie (1/2 tasse) = 75 mg , 70% cacao (1 oz) = 73 mg , ferme (1/ 2 tasse) = 73 mg , bouilli (1/2 tasse) = 60 mg , cuit (1/2 tasse) = 59 mg (2 cuillères à soupe) = 50 mg (1/4 tasse) = 46 mg , décortiqué (1/4 tasse) = 41 mg , bouilli (1/2 tasse) = 39 mg , bouilli (1/2 tasse) = 37 mg , bouilli (1/2 tasse) = 36 mg , cuit (1/2 tasse) = 32 mg ( 1 cuillère à soupe) = 32 mg , sans gras (1 tasse) = 27 mg , expresso (1 oz) = 24 mg (1 tranche) = 23 mg

Chez les animaux, il a été démontré que différents types de cellules conservent différentes concentrations de magnésium. [29] [30] [31] [32] Il semble probable qu'il en soit de même pour les plantes. [33] [34] Cela suggère que différents types de cellules peuvent réguler l'afflux et l'efflux de magnésium de différentes manières en fonction de leurs besoins métaboliques uniques. Les concentrations interstitielles et systémiques de magnésium libre doivent être délicatement maintenues par les processus combinés de tamponnage (liaison des ions aux protéines et autres molécules) et d'étouffement (le transport des ions vers les espaces de stockage ou extracellulaires [35] ).

Chez les plantes, et plus récemment chez les animaux, le magnésium a été reconnu comme un ion de signalisation important, à la fois activant et médiateur de nombreuses réactions biochimiques. Le meilleur exemple en est peut-être la régulation de la fixation du carbone dans les chloroplastes au cours du cycle de Calvin. [36] [37]

Le magnésium est très important dans la fonction cellulaire. La carence en nutriments provoque la maladie de l'organisme affecté. Dans les organismes unicellulaires tels que les bactéries et les levures, de faibles niveaux de magnésium se manifestent par des taux de croissance considérablement réduits. Dans les souches de bactéries knock-out pour le transport du magnésium, des taux sains ne sont maintenus qu'avec une exposition à des concentrations externes très élevées de l'ion. [38] [39] Chez la levure, la carence en magnésium mitochondrial conduit également à la maladie. [40]

Les plantes carencées en magnésium montrent des réponses au stress. Les premiers signes observables de la privation de magnésium et de la surexposition chez les plantes sont une diminution du taux de photosynthèse. Cela est dû à la position centrale de l'ion Mg 2+ dans la molécule de chlorophylle. Les effets ultérieurs de la carence en magnésium sur les plantes sont une réduction significative de la croissance et de la viabilité reproductive. [4] Le magnésium peut également être toxique pour les plantes, bien que cela ne soit généralement observé que dans des conditions de sécheresse. [41] [42]

Chez les animaux, une carence en magnésium (hypomagnésémie) est observée lorsque la disponibilité environnementale du magnésium est faible. Chez les ruminants, particulièrement vulnérables à la disponibilité du magnésium dans les graminées des pâturages, la condition est connue sous le nom de « tétanie des graminées ». L'hypomagnésémie est identifiée par une perte d'équilibre due à une faiblesse musculaire. [43] Un certain nombre de troubles d'hypomagnésémie génétiquement attribuables ont également été identifiés chez l'homme. [44] [45] [46] [47]

Une surexposition au magnésium peut être toxique pour les cellules individuelles, bien que ces effets aient été difficiles à démontrer expérimentalement. [ citation requise ] L'hypermagnésémie, une surabondance de magnésium dans le sang, est généralement causée par une perte de la fonction rénale. Les animaux sains excrètent rapidement l'excès de magnésium dans l'urine et les selles. [48] ​​Le magnésium urinaire est appelé magnésurie. Les concentrations caractéristiques de magnésium dans les organismes modèles sont : dans E. coli 30-100 mM (lié), 0,01-1 mM (libre), dans la levure bourgeonnante 50 mM, dans la cellule de mammifère 10 mM (liée), 0,5 mM (libre) et dans le plasma sanguin 1 mM. [49]

Mg 2+ est le quatrième ion métallique le plus abondant dans les cellules (par moles) et le cation divalent libre le plus abondant - en conséquence, il est profondément et intrinsèquement tissé dans le métabolisme cellulaire. En effet, les enzymes dépendantes du Mg 2+ apparaissent dans pratiquement toutes les voies métaboliques : une liaison spécifique du Mg 2+ aux membranes biologiques est fréquemment observée, le Mg 2+ est également utilisé comme molécule de signalisation, et une grande partie de la biochimie des acides nucléiques nécessite du Mg 2+ , y compris toutes les réactions qui nécessitent la libération d'énergie de l'ATP. [50] [51] [37] Dans les nucléotides, la fraction triple phosphate du composé est invariablement stabilisée par association avec Mg 2+ dans tous les processus enzymatiques.

Chlorophylle Modifier

Dans les organismes photosynthétiques, Mg 2+ a le rôle vital supplémentaire d'être l'ion de coordination dans la molécule de chlorophylle. Ce rôle a été découvert par Richard Willstätter, qui a reçu le prix Nobel de chimie 1915 pour la purification et la structure de la liaison de la chlorophylle avec le sixième nombre de carbone

Enzymes Modifier

La chimie de l'ion Mg 2+, appliquée aux enzymes, utilise la gamme complète de la chimie de réaction inhabituelle de cet ion pour remplir une gamme de fonctions. [50] [52] [53] [54] Mg 2+ interagit avec les substrats, les enzymes et occasionnellement les deux (Mg 2+ peut faire partie du site actif). En général, Mg 2+ interagit avec les substrats via la coordination de la sphère interne, stabilisant les anions ou les intermédiaires réactifs, incluant également la liaison à l'ATP et l'activation de la molécule contre une attaque nucléophile. Lorsqu'il interagit avec des enzymes et d'autres protéines, le Mg 2+ peut se lier en utilisant la coordination de la sphère interne ou externe, soit pour modifier la conformation de l'enzyme, soit pour participer à la chimie de la réaction catalytique. Dans les deux cas, étant donné que le Mg 2+ n'est que rarement complètement déshydraté pendant la liaison du ligand, il peut s'agir d'une molécule d'eau associée au Mg 2+ qui est importante plutôt que l'ion lui-même. L'acidité de Lewis de Mg 2+ (pKune 11.4) est utilisé pour permettre à la fois des réactions d'hydrolyse et de condensation (les plus courantes étant l'hydrolyse des esters de phosphate et le transfert de phosphoryle) qui nécessiteraient autrement des valeurs de pH très éloignées des valeurs physiologiques.

Rôle essentiel dans l'activité biologique de l'ATP Modifier

L'ATP (adénosine triphosphate), principale source d'énergie des cellules, doit être lié à un ion magnésium pour être biologiquement actif. Ce qu'on appelle ATP est souvent en fait du Mg-ATP. [5]

Acides nucléiques Modifier

Les acides nucléiques ont une gamme importante d'interactions avec Mg 2+ . La liaison de Mg 2+ à l'ADN et à l'ARN stabilise la structure, ce qui peut être observé dans l'augmentation de la température de fusion (Tm) d'ADN double brin en présence de Mg 2+ . [50] De plus, les ribosomes contiennent de grandes quantités de Mg 2+ et la stabilisation apportée est essentielle à la complexation de cette ribo-protéine. [55] Un grand nombre d'enzymes impliquées dans la biochimie des acides nucléiques se lient au Mg 2+ pour l'activité, en utilisant l'ion à la fois pour l'activation et la catalyse. Enfin, l'autocatalyse de nombreux ribozymes (enzymes ne contenant que de l'ARN) est dépendante de Mg 2+ (par exemple les introns d'auto-épissage du groupe II mitochondrial de levure [56] ).

Les ions magnésium peuvent être essentiels au maintien de l'intégrité de position des groupes phosphate étroitement regroupés. Ces amas apparaissent dans de nombreuses parties distinctes du noyau cellulaire et du cytoplasme. Par exemple, les ions Mg 2+ hexahydratés se lient dans le sillon principal profond et à l'embouchure externe des duplex d'acide nucléique de forme A. [57]

Membranes et parois cellulaires Modifier

Les membranes cellulaires biologiques et les parois cellulaires sont des surfaces polyanioniques. Ceci a des implications importantes pour le transport des ions, en particulier parce qu'il a été montré que différentes membranes lient préférentiellement différents ions. [50] Tant Mg 2+ que Ca 2+ stabilisent régulièrement les membranes par la réticulation des groupes de tête carboxylés et phosphorylés des lipides. Cependant, la membrane d'enveloppe de E. coli a également été montré pour lier Na + , K + , Mn 2+ et Fe 3+ . Le transport des ions dépend à la fois du gradient de concentration de l'ion et du potentiel électrique (ΔΨ) à travers la membrane, qui sera affecté par la charge à la surface de la membrane. Par exemple, la liaison spécifique de Mg 2+ à l'enveloppe chloroplastique a été impliquée dans une perte d'efficacité photosynthétique par le blocage de l'absorption de K + et l'acidification subséquente du stroma chloroplastique. [36]

Protéines Modifier

L'ion Mg 2+ a tendance à ne se lier que faiblement aux protéines (Kune ≤ 10 5 [50] ) et cela peut être exploité par la cellule pour activer et désactiver l'activité enzymatique par des changements dans la concentration locale de Mg 2+ . Bien que la concentration en Mg 2+ cytoplasmique libre soit de l'ordre de 1 mmol/L, la teneur totale en Mg 2+ des cellules animales est de 30 mmol/L [58] et chez les plantes la teneur en cellules endodermiques des feuilles a été mesurée à des valeurs jusqu'à 100 mmol/L (Stelzer et al., 1990), dont une grande partie tamponnée dans des compartiments de stockage.La concentration cytoplasmique de Mg 2+ libre est tamponnée par la liaison à des chélateurs (par exemple, l'ATP), mais aussi, ce qui est plus important, par le stockage de Mg 2+ dans des compartiments intracellulaires. Le transport de Mg 2+ entre les compartiments intracellulaires peut être une partie importante de la régulation de l'activité enzymatique. L'interaction du Mg 2+ avec les protéines doit également être prise en compte pour le transport de l'ion à travers les membranes biologiques.

Manganèse Modifier

Dans les systèmes biologiques, seul le manganèse (Mn 2+ ) est facilement capable de remplacer Mg 2+ , mais seulement dans un ensemble limité de circonstances. Le Mn 2+ est très similaire au Mg 2+ en termes de propriétés chimiques, y compris la complexation des enveloppes interne et externe. Mn 2+ lie efficacement l'ATP et permet l'hydrolyse de la molécule d'énergie par la plupart des ATPases. Le Mn 2+ peut également remplacer le Mg 2+ en tant qu'ion d'activation pour un certain nombre d'enzymes dépendantes du Mg 2+, bien qu'une certaine activité enzymatique soit généralement perdue. [50] Parfois, ces préférences de métal enzymatique varient selon les espèces étroitement apparentées : par exemple, l'enzyme transcriptase inverse des lentivirus comme le VIH, le SIV et le FIV dépend généralement de Mg 2+ , alors que l'enzyme analogue pour d'autres rétrovirus préfère Mn 2+ .

Importance dans la liaison médicamenteuse Modifier

Un article [59] étudiant la base structurelle des interactions entre les antibiotiques cliniquement pertinents et le ribosome 50S est paru dans Nature en octobre 2001. La cristallographie aux rayons X à haute résolution a établi que ces antibiotiques ne s'associent qu'à l'ARNr 23S d'une sous-unité ribosomique, et aucun des interactions se forment avec la portion protéique d'une sous-unité. L'article souligne que les résultats montrent "l'importance des ions Mg 2+ putatifs pour la liaison de certains médicaments".

Par les isotopes radioactifs Modifier

L'utilisation d'éléments traceurs radioactifs dans les dosages d'absorption d'ions permet le calcul de km, Ki et Vmax et détermine le changement initial de la teneur en ions des cellules. 28 Mg se désintègre par l'émission d'une particule bêta ou gamma de haute énergie, qui peut être mesurée à l'aide d'un compteur à scintillation. Cependant, la demi-vie radioactive de 28 Mg, le plus stable des isotopes radioactifs du magnésium, n'est que de 21 heures. Cela restreint sévèrement les expériences impliquant le nucléide. De plus, depuis 1990, aucune installation n'a produit systématiquement 28 Mg, et le prix du mCi est maintenant estimé à environ 30 000 $ US. [60] La nature chimique du Mg 2+ est telle qu'elle est étroitement approchée par quelques autres cations. [61] Cependant, Co 2+, Mn 2+ et Ni 2+ ont été utilisés avec succès pour imiter les propriétés de Mg 2+ dans certaines réactions enzymatiques, et les formes radioactives de ces éléments ont été utilisées avec succès dans des études de transport de cations. La difficulté d'utiliser le remplacement d'ions métalliques dans l'étude de la fonction enzymatique est que la relation entre les activités enzymatiques avec l'ion de remplacement par rapport à l'original est très difficile à déterminer. [61]

Par indicateurs fluorescents Modifier

Un certain nombre de chélateurs de cations divalents ont des spectres de fluorescence différents dans les états liés et non liés. [62] Les chélateurs du Ca 2+ sont bien établis, ont une grande affinité pour le cation et une faible interférence avec d'autres ions. Les chélateurs de Mg 2+ sont à la traîne et le principal colorant de fluorescence pour Mg 2+ (mag-fura 2 [63] ) a en fait une affinité plus élevée pour Ca 2+ . [64] Cela limite l'application de ce colorant aux types de cellules où le niveau de repos de Ca 2+ est < 1 M et ne varie pas avec les conditions expérimentales dans lesquelles Mg 2+ doit être mesuré. Récemment, Otten et al. (2001) ont décrit des travaux sur une nouvelle classe de composés qui pourraient s'avérer plus utiles, ayant des affinités de liaison significativement meilleures pour Mg 2+ . [65] L'utilisation des colorants fluorescents est limitée à la mesure du Mg 2+ libre. Si la concentration d'ions est tamponnée par la cellule par chélation ou élimination vers des compartiments subcellulaires, le taux d'absorption mesuré ne donnera que des valeurs minimales de km et Vmax.

Par électrophysiologie Modifier

Premièrement, des microélectrodes spécifiques aux ions peuvent être utilisées pour mesurer la concentration interne en ions libres des cellules et des organites. Les principaux avantages sont que les lectures peuvent être effectuées à partir de cellules sur des périodes de temps relativement longues et que, contrairement aux colorants, très peu de capacité de tampon ionique supplémentaire est ajoutée aux cellules. [66]

Deuxièmement, la technique du voltage-clamp à deux électrodes permet la mesure directe du flux d'ions à travers la membrane d'une cellule. [67] La ​​membrane est maintenue à un potentiel électrique et le courant de réponse est mesuré. Tous les ions traversant la membrane contribuent au courant mesuré.

Troisièmement, la technique du patch-clamp utilise des sections isolées de membrane naturelle ou artificielle de la même manière que le voltage-clamp, mais sans les effets secondaires d'un système cellulaire. Dans des conditions idéales, la conductance des canaux individuels peut être quantifiée. Cette méthodologie donne la mesure la plus directe de l'action des canaux ioniques. [67]

Par spectroscopie d'absorption Modifier

La spectroscopie d'absorption atomique par flamme (AAS) détermine la teneur totale en magnésium d'un échantillon biologique. [62] Cette méthode est destructrice. Les échantillons biologiques doivent être décomposés en acides concentrés pour éviter de boucher l'appareil de nébulisation fine. Au-delà, la seule limitation est que les échantillons doivent être dans un volume d'environ 2 ml et dans une plage de concentration de 0,1 à 0,4 mol/L pour une précision optimale. Cette technique ne permettant pas de distinguer le Mg 2+ déjà présent dans la cellule de celui absorbé lors de l'expérimentation, seule la teneur non absorbée peut être quantifiée.

Le plasma à couplage inductif (ICP) utilisant les modifications par spectrométrie de masse (MS) ou par spectroscopie d'émission atomique (AES) permet également la détermination de la teneur totale en ions des échantillons biologiques. [68] Ces techniques sont plus sensibles que l'AAS à flamme et sont capables de mesurer simultanément les quantités d'ions multiples. Cependant, ils sont aussi nettement plus chers.

Les propriétés chimiques et biochimiques du Mg 2+ présentent un défi important au système cellulaire lors du transport de l'ion à travers les membranes biologiques. Le dogme du transport d'ions stipule que le transporteur reconnaît l'ion puis élimine progressivement l'eau d'hydratation, en éliminant la majeure partie ou la totalité de l'eau à un pore sélectif avant de libérer l'ion de l'autre côté de la membrane. [69] En raison des propriétés du Mg 2+, du grand changement de volume de l'ion hydraté à l'ion nu, de la haute énergie d'hydratation et du très faible taux d'échange de ligand dans la sphère de coordination interne, ces étapes sont probablement plus difficiles que pour la plupart des autres ions. A ce jour, seule la protéine ZntA de la paramécie s'est avérée être un canal Mg 2+. [70] Les mécanismes du transport du Mg 2+ par les protéines restantes commencent à être découverts avec la première structure tridimensionnelle d'un complexe de transport du Mg 2+ résolue en 2004. [71]

L'enveloppe d'hydratation de l'ion Mg 2+ a une enveloppe interne très étroitement liée de six molécules d'eau et une seconde enveloppe relativement étroitement liée contenant 12-14 molécules d'eau (Markham et al., 2002). Ainsi, il est présumé que la reconnaissance de l'ion Mg 2+ nécessite un certain mécanisme pour interagir initialement avec l'enveloppe d'hydratation de Mg 2+ , suivi d'une reconnaissance/liaison directe de l'ion à la protéine. [60] En raison de la force de la complexation de la sphère interne entre Mg 2+ et n'importe quel ligand, de multiples interactions simultanées avec la protéine de transport à ce niveau pourraient retarder considérablement l'ion dans le pore de transport. Par conséquent, il est possible qu'une grande partie de l'eau d'hydratation soit retenue pendant le transport, ce qui permet une coordination plus faible (mais toujours spécifique) de la sphère externe.

Malgré la difficulté mécanique, le Mg 2+ doit être transporté à travers les membranes, et un grand nombre de flux de Mg 2+ à travers les membranes à partir d'une variété de systèmes ont été décrits. [72] Cependant, seule une petite sélection de transporteurs Mg 2+ a été caractérisée au niveau moléculaire.

Blocage du canal ionique du ligand Modifier

Les ions magnésium (Mg 2+ ) en biologie cellulaire sont généralement dans presque tous les sens opposés aux ions Ca 2+, car ils sont également bivalents, mais ont une plus grande électronégativité et exercent donc une plus grande traction sur les molécules d'eau, empêchant le passage à travers le canal (même si le magnésium lui-même est plus petit). Ainsi, les ions Mg 2+ bloquent les canaux Ca 2+ tels que (canaux NMDA) et il a été démontré qu'ils affectent les canaux de jonction lacunaire formant des synapses électriques.

Les sections précédentes ont traité en détail des aspects chimiques et biochimiques du Mg 2+ et de son transport à travers les membranes cellulaires. Cette section appliquera ces connaissances aux aspects de la physiologie de la plante entière, dans une tentative de montrer comment ces processus interagissent avec l'environnement plus vaste et plus complexe de l'organisme multicellulaire.

Besoins nutritionnels et interactions Modifier

Le Mg 2+ est essentiel à la croissance des plantes et est présent dans les plantes supérieures en quantités de l'ordre de 80 µmol g -1 poids sec. [4] Les quantités de Mg 2+ varient selon les différentes parties de la plante et dépendent de l'état nutritionnel. En période d'abondance, l'excès de Mg 2+ peut être stocké dans les cellules vasculaires (Stelzer et al., 1990 [34] et en période de famine, le Mg 2+ est redistribué, dans de nombreuses plantes, des feuilles les plus anciennes aux plus récentes. [4] [73]

Le Mg 2+ est absorbé par les plantes via les racines. Les interactions avec d'autres cations dans la rhizosphère peuvent avoir un effet significatif sur l'absorption de l'ion. (Kurvits et Kirkby, 1980 [74] se produisent n'importe où, des poils absorbants aux cellules situées presque au centre de la racine (limitées uniquement par la bande casparienne). absorption de cations par les cellules racinaires permettant un effet de concentration locale [75] Mg 2+ se lie relativement faiblement à ces charges, et peut être déplacé par d'autres cations, empêchant l'absorption et provoquant une carence dans la plante.

Dans les cellules végétales individuelles, les besoins en Mg 2+ sont en grande partie les mêmes que pour toute vie cellulaire. Le Mg 2+ est utilisé pour stabiliser les membranes, est vital pour l'utilisation de l'ATP, est largement impliqué dans la biochimie des acides nucléiques et est un cofacteur pour de nombreuses enzymes (dont le ribosome). De plus, Mg 2+ est l'ion de coordination dans la molécule de chlorophylle. C'est la compartimentation intracellulaire du Mg 2+ dans les cellules végétales qui conduit à une complexité supplémentaire. Quatre compartiments au sein de la cellule végétale ont signalé des interactions avec Mg 2+ . Initialement, Mg 2+ entrera dans la cellule dans le cytoplasme (par un système encore non identifié), mais les concentrations de Mg 2+ libre dans ce compartiment sont étroitement régulées à des niveaux relativement faibles (≈2 mmol/L) et donc tout excès de Mg 2 + est soit rapidement exporté, soit stocké dans le deuxième compartiment intracellulaire, la vacuole. [76] L'exigence de Mg 2+ dans les mitochondries a été démontrée chez la levure [77] et il semble hautement probable que la même chose s'appliquera aux plantes. Les chloroplastes nécessitent également des quantités importantes de Mg 2+ interne et de faibles concentrations de Mg 2+ cytoplasmique. [78] [79] En outre, il semble probable que les autres organites subcellulaires (par exemple, Golgi, réticulum endoplasmique, etc.) nécessitent également Mg 2+ .

Distribution d'ions magnésium dans la plante Modifier

Une fois dans l'espace cytoplasmique des cellules radiculaires, Mg 2+ , avec les autres cations, est probablement transporté radialement dans la stèle et le tissu vasculaire. [80] À partir des cellules entourant le xylème, les ions sont libérés ou pompés dans le xylème et transportés à travers la plante. Dans le cas du Mg 2+ , qui est très mobile à la fois dans le xylème et le phloème, [81] les ions seront transportés vers le haut de la plante et redescendront dans un cycle continu de reconstitution. Par conséquent, l'absorption et la libération des cellules vasculaires sont probablement un élément clé de l'homéostasie du Mg 2+ de la plante entière. La figure 1 montre combien peu de processus ont été connectés à leurs mécanismes moléculaires (seule la captation vacuolaire a été associée à une protéine de transport, AtMHX).

Le diagramme montre un schéma d'une plante et les processus putatifs de transport du Mg 2+ à la racine et à la feuille où le Mg 2+ est chargé et déchargé des tissus vasculaires. [4] Le Mg 2+ est absorbé dans l'espace de la paroi cellulaire des racines (1) et interagit avec les charges négatives associées aux parois cellulaires et aux membranes. Le Mg 2+ peut être immédiatement absorbé dans les cellules (voie symplasique) ou peut voyager jusqu'à la bande casparienne (4) avant d'être absorbé dans les cellules (voie apoplastique 2). La concentration de Mg 2+ dans les cellules des racines est probablement tamponnée par le stockage dans les vacuoles des cellules des racines (3). Notez que les cellules de la pointe de la racine ne contiennent pas de vacuoles. Une fois dans le cytoplasme des cellules racinaires, le Mg 2+ se déplace vers le centre de la racine par les plasmodesmes, où il est chargé dans le xylème (5) pour être transporté vers les parties supérieures de la plante. Lorsque le Mg 2+ atteint les feuilles, il est déchargé du xylème dans les cellules (6) et est à nouveau tamponné dans des vacuoles (7). On ne sait pas si le cycle du Mg 2+ dans le phloème se produit via les cellules générales de la feuille (8) ou directement du xylème au phloème via les cellules de transfert (9). Mg 2+ peut retourner aux racines dans la sève du phloème.

Lorsqu'un ion Mg 2+ a été absorbé par une cellule qui en a besoin pour des processus métaboliques, on suppose généralement que l'ion reste dans cette cellule aussi longtemps que la cellule est active. [4] Dans les cellules vasculaires, ce n'est pas toujours le cas en période d'abondance, le Mg 2+ est stocké dans la vacuole, ne participe pas aux processus métaboliques quotidiens de la cellule (Stelzer et al., 1990), et est libéré en cas de besoin. Mais pour la plupart des cellules, c'est la mort par sénescence ou blessure qui libère du Mg 2+ et de nombreux autres constituants ioniques, les recyclant dans des parties saines de la plante. De plus, lorsque le Mg 2+ dans l'environnement est limitatif, certaines espèces sont capables de mobiliser le Mg 2+ à partir de tissus plus anciens. [73] Ces processus impliquent la libération de Mg 2+ de ses états liés et stockés et son transport vers le tissu vasculaire, où il peut être distribué au reste de la plante. En période de croissance et de développement, le Mg 2+ est également remobilisé dans la plante à mesure que les relations source et puits changent. [4]

L'homéostasie du Mg 2+ dans les cellules végétales individuelles est maintenue par des processus se produisant au niveau de la membrane plasmique et de la membrane des vacuoles (voir Figure 2). La principale force motrice de la translocation des ions dans les cellules végétales est l'ΔpH. [82] Les H + -ATPases pompent les ions H + contre leur gradient de concentration pour maintenir le différentiel de pH pouvant être utilisé pour le transport d'autres ions et molécules. Les ions H + sont pompés hors du cytoplasme dans l'espace extracellulaire ou dans la vacuole. L'entrée de Mg 2+ dans les cellules peut se produire par l'une des deux voies, via des canaux utilisant le (négatif à l'intérieur) à travers cette membrane ou par symport avec les ions H +. Pour transporter l'ion Mg 2+ dans la vacuole, il faut un transporteur antiport Mg 2+ /H + (comme AtMHX). Les H + -ATPases dépendent du Mg 2+ (lié à l'ATP) pour leur activité, de sorte que Mg 2+ est nécessaire pour maintenir sa propre homéostasie.

Un schéma d'une cellule végétale est montré comprenant les quatre compartiments principaux actuellement reconnus comme interagissant avec Mg 2+. Les H + -ATPases maintiennent un pH constant à travers la membrane plasmique et la membrane vacuolaire. Mg 2+ est transporté dans la vacuole en utilisant l'énergie de pH (en A. thaliana par AtMHX). Le transport de Mg 2+ dans les cellules peut utiliser soit le négatif, soit le pH. Le transport de Mg 2+ dans les mitochondries utilise probablement comme dans les mitochondries de levure, et il est probable que les chloroplastes prennent Mg 2+ par un système similaire. Le mécanisme et la base moléculaire de la libération de Mg 2+ à partir des vacuoles et de la cellule ne sont pas connus. De même, les changements de concentration de Mg 2+ régulés par la lumière dans les chloroplastes ne sont pas entièrement compris, mais nécessitent le transport d'ions H + à travers la membrane thylakoïde.

Magnésium, chloroplastes et photosynthèse Modifier

Mg 2+ est l'ion métallique de coordination dans la molécule de chlorophylle, et dans les plantes où l'ion est en grande quantité, environ 6% du total Mg 2+ est lié à la chlorophylle. [4] [83] [84] L'empilement de Thylakoid est stabilisé par Mg 2+ et est important pour l'efficacité de la photosynthèse, permettant aux transitions de phase de se produire. [85]

Le Mg 2+ est probablement absorbé dans les chloroplastes dans une large mesure au cours du développement induit par la lumière du proplaste au chloroplaste ou de l'étioplaste au chloroplaste. A ces moments, la synthèse de la chlorophylle et la biogenèse des empilements membranaires des thylacoïdes nécessitent absolument le cation divalent. [86] [87]

La capacité du Mg 2+ à entrer et sortir des chloroplastes après cette phase initiale de développement a fait l'objet de plusieurs rapports contradictoires. Deshaies et al. (1984) ont découvert que le Mg 2+ entre et sort des chloroplastes isolés de jeunes plants de pois, [88] mais Gupta et Berkowitz (1989) n'ont pas pu reproduire le résultat en utilisant des chloroplastes d'épinards plus vieux. [89] Deshaies et al. avaient déclaré dans leur article que les chloroplastes de pois plus anciens présentaient des changements moins importants dans la teneur en Mg 2+ que ceux utilisés pour formuler leurs conclusions. La proportion relative de chloroplastes immatures présents dans les préparations peut expliquer ces observations.

L'état métabolique du chloroplaste change considérablement entre la nuit et le jour. Pendant la journée, le chloroplaste récupère activement l'énergie de la lumière et la convertit en énergie chimique. L'activation des voies métaboliques impliquées provient des modifications de la nature chimique du stroma lors de l'ajout de lumière. H + est pompé hors du stroma (à la fois dans le cytoplasme et la lumière) conduisant à un pH alcalin. [90] [91] Mg 2+ (avec K + ) est libéré de la lumière dans le stroma, dans un processus d'électroneutralisation pour équilibrer le flux de H + . [92] [93] [94] [95] Enfin, les groupes thiols sur les enzymes sont réduits par un changement de l'état redox du stroma. [96] Des exemples d'enzymes activées en réponse à ces changements sont la fructose 1,6-bisphosphatase, la sedoheptulose bisphosphatase et la ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase. [4] [53] [96] Pendant la période sombre, si ces enzymes étaient actives, un cycle inutile de produits et de substrats se produirait.

Deux grandes classes d'enzymes qui interagissent avec le Mg 2+ dans le stroma pendant la phase légère peuvent être identifiées. [53] Premièrement, les enzymes de la voie glycolytique interagissent le plus souvent avec deux atomes de Mg 2+ . Le premier atome est un modulateur allostérique de l'activité des enzymes, tandis que le second fait partie du site actif et est directement impliqué dans la réaction catalytique. La deuxième classe d'enzymes comprend celles où le Mg 2+ est complexé aux nucléotides di- et tri-phosphates (ADP et ATP), et le changement chimique implique le transfert de phosphoryle.Mg 2+ peut également jouer un rôle de maintien structurel dans ces enzymes (par exemple, l'énolase).

Stress de magnésium Modifier

Les réponses au stress des plantes peuvent être observées chez les plantes qui sont sous ou sur-approvisionnées en Mg 2+ . Les premiers signes observables de stress Mg 2+ chez les plantes pour la famine et la toxicité sont une diminution du taux de photosynthèse, cela est présumé en raison des fortes relations entre Mg 2+ et chloroplastes/chlorophylle. Chez les pins, avant même l'apparition visible de taches jaunissantes et nécrotiques, l'efficacité photosynthétique des aiguilles diminue fortement. [73] Dans la carence en Mg 2+, les effets secondaires signalés incluent l'immobilité des glucides, la perte de la transcription de l'ARN et la perte de la synthèse des protéines. [97] Cependant, en raison de la mobilité du Mg 2+ au sein de la plante, le phénotype de carence peut n'être présent que dans les parties les plus anciennes de la plante. Par exemple, chez Pinus radiata privé de Mg 2+ , l'un des premiers signes d'identification est la chlorose des aiguilles des branches inférieures de l'arbre. C'est parce que Mg 2+ a été récupéré de ces tissus et déplacé vers des aiguilles en croissance (vertes) plus haut dans l'arbre. [73]

Un déficit en Mg 2+ peut être causé par le manque de l'ion dans le milieu (sol), mais provient le plus souvent de l'inhibition de son absorption. [4] Mg 2+ se lie assez faiblement aux groupes chargés négativement dans les parois cellulaires des racines, de sorte que les excès d'autres cations tels que K + , NH4 + , Ca 2+ et Mn 2+ peuvent tous entraver l'absorption. (Kurvits et Kirkby, 1980 [74] Dans les sols acides, Al 3+ est un inhibiteur particulièrement puissant de l'absorption de Mg 2+. [98] [99] L'inhibition par Al 3+ et Mn 2+ sont plus sévères que ce qui peut être expliqué par un simple déplacement, il est donc possible que ces ions se lient directement au système d'absorption de Mg 2+ [4] Chez les bactéries et les levures, une telle liaison par Mn 2+ a Les réponses au stress dans la plante se développent à mesure que les processus cellulaires s'arrêtent en raison d'un manque de Mg 2+ (par exemple, maintien du pH à travers les membranes du plasma et des vacuoles). Mg 2+ lié à la chlorophylle a été enregistré à 50 % [100] Vraisemblablement, ce déséquilibre a des effets néfastes sur d'autres processus cellulaires.

Le stress toxique Mg 2+ est plus difficile à développer. Lorsque Mg 2+ est abondant, en général les plantes absorbent l'ion et le stockent (Stelzer et al., 1990). Cependant, si cela est suivi d'une sécheresse, les concentrations ioniques dans la cellule peuvent augmenter considérablement. Des concentrations élevées de Mg 2+ cytoplasmique bloquent un canal K + dans la membrane d'enveloppe interne du chloroplaste, inhibant à son tour l'élimination des ions H + du stroma chloroplastique. Cela conduit à une acidification du stroma qui inactive les enzymes clés de la fixation du carbone, ce qui conduit à la production de radicaux libres d'oxygène dans le chloroplaste qui provoquent ensuite des dommages oxydatifs. [101]


Qu'est-ce que la « conductance calcique » ? - La biologie

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Qu'est-ce que la « conductance calcique » ? - La biologie

La plasticité synaptique est le renforcement ou l'affaiblissement des synapses au fil du temps en réponse à des augmentations ou des diminutions de leur activité. Le changement plastique résulte également de l'altération du nombre de récepteurs situés sur une synapse. La plasticité synaptique est la base de l'apprentissage et de la mémoire, permettant un système nerveux flexible et fonctionnel. La plasticité synaptique peut être à court terme (rehaussement synaptique ou dépression synaptique) ou à long terme. Deux processus en particulier, la potentialisation à long terme (LTP) et la dépression à long terme (LTD), sont des formes importantes de plasticité synaptique qui se produisent dans les synapses de l'hippocampe : une région du cerveau impliquée dans le stockage des souvenirs.

La potentialisation à long terme et la dépression: L'entrée de calcium par les récepteurs NMDA postsynaptiques peut initier deux formes différentes de plasticité synaptique : la potentialisation à long terme (LTP) et la dépression à long terme (LTD). La LTP survient lorsqu'une seule synapse est stimulée à plusieurs reprises. Cette stimulation provoque une cascade cellulaire dépendante du calcium et de la CaMKII, qui entraîne l'insertion d'un plus grand nombre de récepteurs AMPA dans la membrane postsynaptique. La prochaine fois que le glutamate est libéré de la cellule présynaptique, il se liera à la fois au NMDA et aux récepteurs AMPA nouvellement insérés, dépolarisant ainsi la membrane plus efficacement. LTD se produit lorsque quelques molécules de glutamate se lient aux récepteurs NMDA au niveau d'une synapse (en raison d'un faible taux de décharge du neurone présynaptique). Le calcium qui traverse les récepteurs NMDA initie une cascade différente dépendante de la calcineurine et de la protéine phosphatase 1, ce qui entraîne l'endocytose des récepteurs AMPA. Cela rend le neurone postsynaptique moins sensible au glutamate libéré par le neurone présynaptique.

Amélioration synaptique à court terme et dépression

La plasticité synaptique à court terme agit sur une échelle de temps de quelques dizaines de millisecondes à quelques minutes. L'amélioration synaptique à court terme résulte d'un plus grand nombre de terminaux synaptiques libérant des émetteurs en réponse à des potentiels d'action présynaptiques. Les synapses se renforceront pendant une courte période en raison soit d'une augmentation de la taille du pool facilement libérable d'émetteurs conditionnés, soit d'une augmentation de la quantité d'émetteurs conditionnés libérés en réponse à chaque potentiel d'action. L'épuisement de ces vésicules facilement libérables provoque une fatigue synaptique. La dépression synaptique à court terme peut également résulter de processus post-synaptiques et de l'activation par rétroaction des récepteurs présynaptiques.

Potentiation à long terme (LTP)

La potentialisation à long terme (LTP) est un renforcement persistant d'une connexion synaptique, qui peut durer des minutes ou des heures. LTP est basé sur le principe Hebbian : « les cellules qui se déclenchent ensemble se connectent ensemble. Il existe divers mécanismes, dont aucun n'est entièrement compris, derrière le renforcement synaptique observé avec la LTP.

Un mécanisme connu implique un type de récepteur post-synaptique du glutamate : les récepteurs NMDA (N-Méthyl-D-aspartate). Ces récepteurs sont normalement bloqués par les ions magnésium. Cependant, lorsque le neurone postsynaptique est dépolarisé par plusieurs entrées présynaptiques en succession rapide (soit à partir d'un neurone ou de plusieurs neurones), les ions magnésium sont expulsés et les ions Ca 2+ passent dans la cellule postsynaptique. Ensuite, les ions Ca 2+ entrant dans la cellule initient une cascade de signalisation qui provoque l'insertion d'un type différent de récepteurs du glutamate, les récepteurs AMPA (acide α-amino-3-hydroxy-5-méthyl-4-isoxazolepropionique), dans la membrane postsynaptique. . Les récepteurs AMPA activés permettent aux ions positifs d'entrer dans la cellule.

Par conséquent, la prochaine fois que le glutamate sera libéré de la membrane présynaptique, il aura un effet excitateur plus important (EPSP) sur la cellule postsynaptique car la liaison du glutamate à ces récepteurs AMPA permettra à plus d'ions positifs d'entrer dans la cellule. L'insertion de récepteurs AMPA supplémentaires renforce la synapse de sorte que le neurone postsynaptique est plus susceptible de se déclencher en réponse à la libération de neurotransmetteurs présynaptiques. Certains médicaments cooptent la voie LTP, ce renforcement synaptique peut conduire à une dépendance.

Dépression à long terme (LTD)

La dépression à long terme (LTD) est essentiellement l'inverse de la LTP : il s'agit d'un affaiblissement à long terme d'une connexion synaptique. Un mécanisme connu pour provoquer une LTD implique également les récepteurs AMPA. Dans cette situation, le calcium qui pénètre par les récepteurs NMDA initie une cascade de signalisation différente, ce qui entraîne l'élimination des récepteurs AMPA de la membrane postsynaptique. Avec la diminution des récepteurs AMPA dans la membrane, le neurone postsynaptique est moins sensible au glutamate libéré par le neurone présynaptique. Bien que cela puisse sembler contre-intuitif, LTD peut être tout aussi important pour l'apprentissage et la mémoire que LTP. L'affaiblissement et l'élagage des synapses inutilisées coupent les connexions sans importance, ne laissant que les connexions saillantes renforcées par une potentialisation à long terme.