Calcium intracellulaire - Rôle

Les variations de la concentration du Ca2+ intracellulaire interviennent dans l'initiation des phénomènes électriques et mécaniques : dépolarisation, contraction des muscles lisses ou striés, sécrétion hormonale, activation d'enzymes comme la phospholipase A2 ou diverses protéases.

Dépolarisation cellulaire

Au niveau du coeur :

La dépolarisation diastolique lente est à l'origine de l'automatisme cardiaque. Le mécanisme de cette dépolarisation, encore mal connu, pourrait être une entrée de calcium et de sodium et une inhibition de la sortie de potassium.
La phase 0 de dépolarisation est plus ou moins rapide selon le tissu considéré :
- au niveau du sinus et du noeud auriculo-ventriculaire, elle est lente et correspond essentiellement à l'entrée du calcium.
- au niveau du tissu conducteur comme le faisceau de His, elle est plus rapide et correspond surtout à l'entrée de sodium.
Au niveau des neurones :

Les canaux de type T ou N en laissant entrer le calcium dans le neurone participent à sa dépolarisation.

Contraction musculaire

L'augmentation de la concentration de calcium est à l'origine de la contraction musculaire et sa diminution de la relaxation. Cependant les transferts de calcium diffèrent selon la nature des muscles : muscle strié cardiaque, muscle strié squelettique, muscle lisse vasculaire.

Dans la contraction du muscle strié cardiaque interviennent à la fois l'entrée du Ca2+ extracellulaire par des canaux de la membrane plasmique et sa libération par le réticulum sarcoplasmique. La variation de la concentration de Ca2+ myocardique durant la révolution cardiaque illustre la rapidité et l'importance des échanges : elle est environ 10 fois plus élevée pendant la systole que pendant la diastole.

Le calcium extracellulaire pénètre dans la cellule pendant la phase 2 ou plateau du potentiel d'action. Les canaux calciques voltage-dépendants concourent à l'élévation de la concentration de calcium intracytoplasmique des fibres myocardiques. Cette augmentation provoque un renforcement de leur contraction.
L'inhibition de l'entrée de calcium par les anticalciques peut provoquer un effet inotrope négatif.
L'élévation de la concentration d'AMP cyclique intracellulaire, en favorisant la phosphorylation des canaux calciques voltage-dépendants, tend à augmenter l'entrée de calcium. L'AMP cyclique augmente de plus le repompage du calcium par le réticulum sarcoplasmique, ce qui diminue la durée de la contraction.
Dans la contraction des muscles striés squelettiques, c'est la libération de calcium intracellulaire et sa recapture par le réticulum sarcoplasmique qui jouent le rôle essentiel; ceci est une des explications de l'absence d'effet des inhibiteurs des canaux calciques sur les muscles striés squelettiques.

Le calcium augmente la force de contraction en levant l'effet inhibiteur de la troponine : en présence de calcium, la troponine change de conformation et libère l'actine, laquelle peut interagir avec la myosine phosphorylée.
Dans la contraction des fibres des muscles lisses, la pénétration du calcium extracellulaire joue un rôle plus important que son relargage par le réticulum sarcoplasmique.

Leur contraction est, d'autre part, indépendante des canaux sodiques dont l'inhibition par la tétrodotoxine est sans effet.
Au niveau des fibres lisses vasculaires, le calcium agit essentiellement par l'intermédiaire de la calmoduline. Le calcium se combine à la calmoduline et le complexe calcium-calmoduline active la MLCK (myosin light chain kinase) en formant avec elle un complexe ternaire. Ce complexe transforme la myosine en myosine phosphorylée qui se combine à l'actine, entraînant une contraction des fibres lisses. Le complexe Ca2+/calmoduline active diverses autres enzymes.

Remarque

L'élévation de l'AMP cyclique dans les muscles lisses a un effet opposé à celui du calcium, car elle transforme la MLCK, inactive mais activable, en MLCK phosphorylée qui ne peut pas se combiner à la calmoduline pour phosphoryler la myosine. Or c'est la myosine phosphorylée qui, en se liant à l'actine avec libération d'énergie à partir de l'ATP transformée en ADP, provoque la contraction musculaire. Des médicaments antagonistes de la calmoduline sont en cours d'étude.

Transports intracellulaires

Le calcium intervient dans la migration d'organites intracellulaires : récepteurs, vésicules. Il joue un rôle déterminant dans les sécrétions et les phénomènes d'exocytose.

Modulation de l'activité de diverses enzymes

Enzymes cytoplasmiques

Le calcium active diverses protéines kinases, dont la protéine kinase C, la calmoduline, la calpaïne qui hydrolyse de nombreuses protéines, la phospholipase A2...
Enzymes mitochondriales

L'augmentation du calcium intramitochondrial active les deshydrogénases responsables de la transformation du pyruvate en acétate, de l'isocitrate en a-cétoglutarate et de l'a-cétoglutarate en succinyl-CoA. En un mot, l'augmentation du calcium intramitochondrial active le cycle de Krebs et la formation de NADH et augmente la synthèse d'ATP. Les médicaments qui augmentent la concentration de calcium intra-mitochondrial, en inhibant par exemple l'échangeur Na+/Ca2+ mitochondrial, auraient un effet bénéfique dans certaines cardiomyopathies.
Enzymes nucléaires

Les variations du calcium intranuclélaire modulent l'activité de diverses enzymes comme les endonucléases.
Il intervient également par la calmoduline dans l'activation du cycle cellulaire.

Remarque

Le calcium est indispensable au fonctionnement de la cellule et à sa replication mais son excès a des effets néfastes. Ainsi, au cours du stress oxydatif ou à la suite de l'hyperstimulation des récepteurs de type glutamate, l'augmentation du Ca2+ intracellulaire entraîne une hypercontracture des muscles striés ou lisses, une hyperactivation d'enzymes comme les phospholipases et surtout les endonucléases qui, par altération du DNA, participent à l'apoptose.