5 Régulation des concentrations intracellulaires d’anions
La régulation du chlorure dépend de la coordination de plusieurs processus (figure 2). Certains canaux de fuite de chlorure ont été suggérés pour réduire la concentration intracellulaire de chlorure en agissant comme des valves à sens unique. Cette idée découle de l’observation que les canaux de chlorure comme ClC-2 (gène clcn2) sont plus perméables au chlorure sortant de la cellule qu’au chlorure entrant dans la cellule.35 Indépendamment de cette perméabilité différentielle, que l’on appelle rectification, la direction du flux de chlorure dépend toujours de la force motrice du chlorure. Cela signifie que le chlorure n’aura que rarement, voire jamais, l’occasion de sortir de la cellule via ClC-2, car la force motrice du chlorure est presque toujours dans la direction opposée. Parce que la « valve » est imparfaite, les canaux ClC-2 laissent en fait le chlorure s’infiltrer dans la cellule.36
L’incapacité des canaux à laisser le chlorure sortir de la cellule met en évidence la nécessité de différents mécanismes de transport d’ions qui peuvent déplacer le chlorure contre son gradient.37 Les cotransporteurs, ou symporteurs, déplacent deux ou plusieurs espèces d’ions dans la même direction à travers la membrane cellulaire ; le chlorure peut se déplacer contre son gradient en s’accrochant à un autre ion qui se déplace vers le bas de son gradient. Les échangeurs, ou antiporteurs, font effectivement la même chose, mais en couplant le mouvement des espèces ioniques qui traversent la membrane dans des directions opposées. Le principal extrudeur de chlorure dans les neurones est le cotransporteur potassium-chlorure 2 (KCC2) (gène slc12a5). Le KCC2 laisse le chlorure s’accrocher aux ions potassium qui descendent leur gradient et sortent de la cellule. Le processus est électroneutre en raison de la stœchiométrie 1:1 du chlorure et du potassium. Le processus n’est pas actif dans la mesure où il n’implique pas directement l’hydrolyse de l’ATP (et ne doit donc pas être qualifié de pompage) ; au contraire, le processus est secondairement actif puisque KCC2 s’appuie sur le gradient de potassium qui est maintenu par l’ATPase sodium-potassium, qui pompe le potassium dans la cellule.
Le sodium-potassium-chlorure-cotransporter 1 ou NKCC1 (gène slc12a2) est un autre contributeur important à l’homéostasie neuronale du chlorure. Le NKCC1 exploite le gradient de sodium pour faire entrer le potassium et le chlorure dans la cellule, ce qui entraîne une concentration élevée de chlorure intracellulaire. C’est bien sûr l’inverse de la façon dont KCC2 agit sur le chlorure. L’expression relative de NKCC1 et KCC2 dicte donc la concentration intracellulaire de chlorure, nonobstant les effets de la charge en chlorure à travers divers canaux de chlorure, y compris les canaux GABAA et glycine activés. Plusieurs points sont à noter. Tout d’abord, NKCC1 est fortement exprimé au début du développement tandis que KCC2 n’est que faiblement exprimé, mais un changement de développement se produit qui conduit au schéma inverse à l’âge adulte.38,39 Dans la corne dorsale de la moelle épinière du rat, Eanion semble atteindre sa valeur mature environ 2 semaines après la naissance,40 mais la pleine capacité d’extrusion de chlorure n’est pas atteinte avant 3-4 semaines après la naissance41 ; en d’autres termes, les charges de chlorure dépassent plus facilement l’extrusion de chlorure médiée par KCC2 dans les jeunes neurones. Deuxièmement, le changement de développement ne se produit pas dans les neurones afférents primaires, ce qui signifie que les niveaux de NKCC1 restent élevés, entraînant des concentrations élevées de chlorure intracellulaire dans ces cellules42,43. Troisièmement, NKCC1 et KCC2 ne sont pas exprimés uniformément au sein même d’un seul neurone, ce qui peut entraîner une concentration élevée de chlorure intracellulaire dans un compartiment (tel que le segment initial de l’axone) et une faible concentration de chlorure intracellulaire dans d’autres compartiments (tels que le soma et les dendrites).44,45 Et enfin, les niveaux normaux d’expression de KCC2 chez l’adulte peuvent être pathologiquement altérés (section 8).
Il faut mentionner la façon dont les enregistrements électrophysiologiques sont réalisés car cela peut (délibérément ou par inadvertance) entraîner des modifications de la concentration intracellulaire de chlorure. Avec la technique du patch clamp à cellule entière, la membrane cellulaire est rompue pour obtenir un accès électrique à la cellule après avoir scellé la pipette de patch à la membrane cellulaire ; par conséquent, le cytosol est dialysé avec la solution de la pipette. La solution de la pipette est souvent conçue pour avoir une concentration de chlorure proche du niveau intracellulaire naturel, mais parfois elle a délibérément une concentration de chlorure élevée afin d’augmenter la force motrice du chlorure (par exemple, pour faciliter la détection de petits courants postsynaptiques inhibiteurs). Les deux approches sont acceptables en fonction de la question posée. Mais, dans les deux cas, la dialyse de la cellule signifie que le chlorure intracellulaire est effectivement bloqué au niveau ou près du niveau de chlorure dans la solution de la pipette, ce qui n’est évidemment pas approprié pour mesurer le niveau naturel de chlorure dans la cellule. Ce problème peut être résolu en utilisant la technique du patch perforé.46 Ceci dit, la dialyse de la cellule peut être utilisée pour tester la capacité d’extrusion en déterminant si la concentration de chlorure intracellulaire s’équilibre avec la concentration de la pipette ou si la cellule parvient à maintenir un niveau inférieur grâce à ses mécanismes d’extrusion.47,48 De plus, dans le clampage en tension, le potentiel de la membrane est brusquement modifié et maintenu à des valeurs choisies arbitrairement, ce qui peut conduire à des forces motrices de chlorure très peu naturelles. Comme l’expliquent Ratté et Prescott,36 de tels détails expérimentaux doivent être soigneusement pris en compte pour éviter les erreurs d’interprétation.
Comme déjà mentionné, le bicarbonate s’écoule par les récepteurs GABAA et glycine activés. La probabilité que l’efflux de bicarbonate provoque une accumulation extracellulaire est faible étant donné la diffusion relativement peu restreinte du bicarbonate dans l’espace extracellulaire, mais l’efflux de bicarbonate peut épuiser les niveaux de bicarbonate intracellulaire et provoquer une baisse du pH49. Cependant, cela n’a pas tendance à se produire dans des conditions normales car le bicarbonate intracellulaire est reconstitué par la conversion du dioxyde de carbone et de l’eau en bicarbonate et protons par l’enzyme anhydrase carbonique ; en tant que gaz, le dioxyde de carbone diffuse librement à travers la membrane cellulaire. Le bicarbonate intracellulaire peut être épuisé (et son efflux ainsi freiné) par le blocage de l’anhydrase carbonique par l’acétazolamide32, qui peut en fait avoir des effets analgésiques (section 9). La régulation du pH implique d’autres réactions chimiques et mécanismes de transport, et le bicarbonate lui-même peut être transporté à travers la membrane cellulaire en échange de chlorure50 .