Les canaux potassiques jouent un rôle crucial dans la régulation de l'excitabilité cellulaire, le déclenchement et la propagation du potentiel d'action, ainsi que dans les couplages excitation-contraction et excitation-sécrétion. Ces protéines membranaires contrôlent le flux de potassium à travers la membrane, influençant ainsi la contraction musculaire. Cet article explore en profondeur le fonctionnement des canaux potassiques, leur implication dans la contraction musculaire et les pathologies associées à leur dysfonctionnement.
Introduction aux Canaux Ioniques et Canalopathies Musculaires
Les canalopathies musculaires sont des maladies rares, touchant aussi bien les enfants que les adultes, dues à des anomalies génétiques dans un canal ionique. Ces anomalies perturbent la contraction du muscle. Un canal ionique est une protéine insérée dans la membrane des cellules et qui la traverse, permettant l’entrée et la sortie dans la cellule musculaire d’un ion donné : chlore (Cl-), sodium (Na+), calcium (Ca2+) ou potassium (K+). Les différents canaux ioniques jouent un rôle déterminant dans la contraction et le relâchement des muscles.
Une canalopathie musculaire peut impliquer un canal sodium (gène SCNA4), un canal potassium (gènes KCNJ2 ou KCNJ5), un canal calcium (gène CACN1AS) ou un canal chlore (gène CLNC-1).
Le caractère fluctuant des manifestations cliniques complique et retarde l’identification de la maladie. Or, connaître le diagnostic est essentiel pour bénéficier de conseils et de médicaments adaptés. Ce sont des maladies chroniques qui doivent bénéficier d’un suivi spécialisé.
Rôle du Potassium dans l'Organisme
Le potassium (K) est un minéral essentiel pour l’organisme, impliqué dans de nombreux processus physiologiques. Il contribue notamment au fonctionnement normal du système nerveux, à une fonction musculaire normale et au maintien d’une pression sanguine normale.
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Bienfaits du Potassium
- Équilibre acido-basique et pH cellulaire: Le potassium joue un rôle dans la régulation du pH et du volume cellulaire. Il permet de réguler l’équilibre acido-basique. La sécrétion de potassium est réduite lors de l’acidose aiguë et augmentée par l’alcalose aiguë. Un pH plus élevé augmente l’activité des canaux potassium et l’activité de la pompe potassium/sodium. En général, l’acidose métabolique chronique est encore habituellement associée à une hypokaliémie.
- Synthèse protéique et fonctionnement enzymatique: Le potassium entre dans la synthèse protéique et dans le fonctionnement de nombreuses enzymes. De plus, le gradient de potassium transmembranaire va contrôler les productions cellulaires, l’excitabilité neuromusculaire et la rythmicité cardiaque.
- Hydratation optimale: Du fait de son rôle associé au sodium au niveau des pompes, le potassium permet de maintenir une hydratation optimale des cellules en régulant les échanges d’eau intra et extra-cellulaires. Une hydratation optimale est nécessaire surtout chez les populations plus fragiles comme les adolescents, les femmes enceintes, les personnes âgées ou les personnes souffrant d’insuffisance rénale.
- Santé urinaire, musculaire et cardiovasculaire: Le citrate de potassium étant un sel alcalin, il peut être utilisé à des fins médicales efficaces pour réduire la douleur et la fréquence des mictions lorsqu'elles sont causées par une urine très acide. Il peut être utilisé à cette fin en tant que diurétique non irritant. Il est également utilisé comme agent alcalinisant dans la prise en charge des infections bénignes des voies urinaires telles que la cystite. Un taux de potassium trop bas peut entraîner une faiblesse musculaire ou des crampes. L’apport en potassium permet de conserver une bonne santé musculaire, notamment chez les sportifs. Il permet également une bonne distribution du glucose vers les muscles, prévenant ainsi certaines manifestations comme les nausées ou les contractions musculaires involontaires. Le potassium exerce une influence sur la tension artérielle. Une étude récente a recensé l’ensemble des analyses portant sur la consommation de potassium et la pression artérielle. Celle-ci a mis en évidence une association entre une consommation importante de potassium et une diminution de la pression artérielle. Le rein est l’organe responsable de la régulation de la balance du sodium, du chlorure et du potassium et de nombreuses études montrent que le rein joue un rôle prépondérant dans la régulation de la pression artérielle. En revanche, pour un effet efficace sur la tension, l’apport en sodium doit être également diminué.
Carence et excès de Potassium
Un taux de potassium trop bas dans le sang (hypokaliémie) peut survenir en cas de perte digestive par diarrhées ou vomissements ou peut être la conséquence de déperditions urinaires excessives liées à un abus médicamenteux (utilisation de diurétiques). Cette carence entraîne une faiblesse musculaire, une apathie, un gonflement abdominal ou des arythmies cardiaques.
L'hyperkaliémie (potassium dans le sang trop élevé) est une concentration sérique de potassium > 5,5 mEq/L (> 5.5 mmol/L), résultant généralement d'une diminution de l'élimination de potassium au niveau des reins ou d'un déplacement anormal de potassium hors des cellules. Une hyperkaliémie peut également survenir dans le cas d’une acidose métabolique. Une concentration trop élevée en potassium peut entraîner une diminution de la fonction rénale, des carences en insuline ou une insuffisance surrénalienne. Une surcharge de potassium dans le sang, liée à des prises de diurétiques, exige une surveillance étroite. Le risque principal est la survenue d'arythmies cardiaques et, dans les cas les plus sévères, d'une fibrillation et d'un arrêt cardiaque. Pour réguler un excès de potassium, il convient de limiter la consommation d’aliments ou d’eaux riches en potassium, de réduire la consommation de viande, d’éviter la cuisson rapide et de limiter la consommation en alcool ainsi qu’en café.
Besoins Journaliers et Sources Alimentaires
L’apport quotidien moyen de potassium dans l’alimentation est d’environ 40 à 120 mmol. Ce sont essentiellement les reins qui assurent la régulation de la balance potassique. Le taux sanguin de potassium est appelé kaliémie. Dans le sang d'un adulte de poids moyen à jeun, il doit être compris entre 3,5 et 4,5 mmol/L.
Les apports nutritionnels conseillés en potassium sont de :
- 750 mg /jour pour les enfants de 7 à 12 mois,
- 800 mg/jour de 1 à 3 ans,
- 1100 mg/jour de 4 à 6 ans,
- 1800 mg/jour de 7 à 10 ans,
- 2700 mg/jour de 11 à 14 ans,
- 3500 mg/jour à partir de 15 ans et
- 4000 mg (4 g) par jour pour les femmes allaitantes.
De nombreux aliments sont riches en potassium : on en retrouve dans les pois secs (930 mg/100 g), les lentilles (837 mg/100 g), le pruneau (732 mg/100 g), les amandes (728 mg/100 g), les châtaignes (600 mg/100 g), le radis noir (554 mg/100 g), l’avocat (485 mg/100 g), les épinards (466 mg/100 g), la pomme de terre (379 mg/100 g), les tubercules en général, le céleri-rave, le navet, la banane (358 mg/100 g), le piment (322 mg/100 g), le kiwi (270 mg/100 g), la carotte (320 mg/100 g), le melon (300 mg/100 g), la tomate (280 mg/100 g), le potiron (223 mg/100 g) et le jus d’orange (200 mg/100 g). D’autres sources comme les abricots secs, le raison, l’artichaud cuit, le persil, le poulet ou encore l’espadon peuvent contribuer à l’apport en potassium.
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Les Canaux Potassiques : Structure et Fonction
Les canaux ioniques sont des pores dans la membrane cellulaire qui permettent le passage des ions à travers la membrane cellulaire lipidique imperméable. Le flux de calcium, de potassium et de sodium est très important dans de nombreux processus cellulaires tels que la contraction du muscle cardiaque, la libération d’insuline dans le pancréas, la transmission d’impulsions dans le système nerveux comme la douleur, et l’activation des lymphocytes T.
Les canaux potassiques constituent le groupe le plus important et le plus diversifié des canaux ioniques, et ils s’expriment dans pratiquement tous les types de cellules. Les canaux potassiques sont responsables d’un grand nombre de fonctions cellulaires, notamment du maintien et de la régulation du potentiel membranaire, de la sécrétion du sel, des hormones et des neurotransmetteurs.
Parmi les divers canaux ioniques, un groupe d’ions est spécialement activé par le voltage (c’est-à-dire par les modifications du potentiel). Ce groupe comporte NA+, K+, CA2+, CL-. Chacun d’eux possède plusieurs gènes spécifiques produisant des protéines dont l’expression diffère selon les tissus. La catégorie la plus étendue et la mieux connue est celle des canaux K+ dont sont individualisés plus de cent gènes et dont une des fonctions les plus importantes porte sur le potentiel de membrane (ces canaux s’ouvrant lors de l’hyperpolarisation et fixant le potentiel de repos). De sorte que l’augmentation de la conductance membranaire potassique crée une hyperpolarisation avec diminution de l’excitabilité neuronale. Inversement l’inactivation des canaux potassiques voltages dépendants est à l’origine d’une dépolarisation prolongée entraînant une hyperactivité des potentiels d’action.
Il existe trois grandes classes de canaux potassium : canaux voltage-dépendant (Kv et KCa+), canaux à rectification entrante (Kir), canaux à deux domaines (K2p)
- Canaux Voltage-Dépendants (Kv et KCa+): Les canaux dépendant du potentiel sont les mieux connus, principalement ceux appartenant au groupe Shaker : neuromyotonie et maladie de Morvan, encéphalite limbique, ataxie épisodique de type 1. La sémiologie et la génétique de ces formes sont rappelées. Les canalopathies potassiques encéphalo-cardiaques sont un groupe séparé, avec les mutations de KCNQ1 à l’origine du syndrome de long QT de type 2 d’évolution sévère. Les mutations du canal Kv réunissant les 7 perturbations de KCNQ2 et de KCNQ3 sont surtout à l’origine de convulsions néonatales familiales bénignes. Les mutations du gène du canal potassium activé par le calcium entraînent épilepsies et dyskinésies paroxystiques.
- Canaux à Rectification Entrante (Kir): Les canaux à rectification entrante (inward rectifier K+ channel) maintiennent l’homéostasie du potassium. De la mutation du gène KCNJ1 résultent le syndrome DEND, canalopathie potassique curable du pancréas et du cerveau et le syndrome d’Andersen par mutation du gène KCNJ2 avec paralysie périodique, arythmie cardiaque, dysmorphies.
Rôle des Canaux Potassiques dans le Potentiel d'Action
Toute cellule vivante possède une membrane plasmique et il y a une différence de charges de part et d’autre de celle-ci (appelée différence de potentiel). En plaçant une microélectrode d’enregistrement d’une part dans le milieu intracellulaire et d’autre part dans le milieu extracellulaire on observe, pour un neurone, la valeur de -60mV. Cela signifie que l’intérieur de la cellule est chargé négativement par rapport à l’extérieur de la cellule, au proche de la membrane plasmique. C’est ce qui est observé pour un neurone au repos. L’intérieur d’une cellule possède plus de potassium que l’extérieur mais moins de sodium que l’extérieur.
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Les scientifiques ont observé que deux ions principaux sont impliqués dans la genèse du potentiel d’action: le potassium K+ et le sodium Na+.
- Phase de Dépolarisation: Les ions sodium (Na+) rentrent à l’intérieur de la cellule grâce à des canaux.
- Phase de Repolarisation: Après que la cellule s’est dépolarisée elle tend à revenir à son équilibre passé. Ainsi les ions potassium (K+) sortent de la cellule grâce aux canaux potassium (K+).
- Phase d’Hyperpolarisation: Les ions potassiums (K+) sont plus longs à effectuer leur déplacement car les ions sodiums demandent de l’ATP (énergie) pour rejoindre le milieu extracellulaire.
- Potentiel de Repos: Cette dernière étape apparaît quand le processus de polarisation est terminé.
Ce potentiel d’action va permettre à l’influx nerveux de libérer des neurotransmetteurs entre deux synapses.
Les Canalopathies Musculaires : Symptômes et Traitements
Les canalopathies musculaires sont des maladies chroniques, dont les premiers manifestations surviennent le plus souvent dans l’enfance ou à l’adolescence. Elles se manifestent dans la plupart des cas de façon intermittente, par :
- Des crises de paralysie ou de faiblesse musculaire, qui durent de quelques minutes à plusieurs jours, pour une paralysie périodique ; le syndrome d’Andersen-Tawil peut se manifester aussi par des troubles du rythme cardiaque, qui nécessite un suivi par un cardiologue spécialisé.
- Une raideur musculaire ou des difficultés à relâcher les muscles après un mouvement (myotonie), pour un syndrome myotonique non dystrophique.
L’intensité des symptômes est très variable d’une personne à l’autre. Une gêne respiratoire ou des difficultés à avaler sont possibles, si la paralysie ou la myotonie concerne les muscles respiratoires ou ceux du pharynx. La paralysie ou la raideur s’accompagne parfois de douleurs musculaires et concerne un ou plusieurs muscles (membre, cou, thorax…). Certains facteurs peuvent favoriser la survenue de ces symptômes ou augmenter leur intensité.
Types de Canalopathies Musculaires
- Les paralysies périodiques: comportent :
- Les paralysies périodiques hypokaliémiques de type 1 et de type 2,
- La paralysie périodique hyperkaliémique,
- La paralysie périodique normokaliémique,
- Le syndrome d’Andersen-Tawil.
- Les syndromes myotoniques non dystrophiques: où les muscles ont du mal à se relâcher (hyperexcitabilité); ils touchent environ un millier de personnes en France. Comportent :
- La myotonie congénitale de Thomsen
- La myotonie congénitale de Becker
- La paramyotonie congénitale (ou paramyotonie de von Eulenburg)
- Les myotonies du canal sodium, dont font partie les myotonies aggravées par le potassium et sensible à l’acétazolamide.
Prise en Charge et Traitement
La prise en charge a pour objectif de réduire l’impact de la maladie sur la vie quotidienne et de prévenir les complications. Elle est déterminée au cas par cas, en fonction du type de canalopathie, de la gêne qu’elle entraine et de la fréquence des symptômes.
En cas de paralysie périodique hypokaliémique, le traitement de la crise repose sur la prise de potassium et il faut éviter tout apport sucré concomitant (boisson ou aliment sucré, perfusions glucosées…).
Le traitement de fond a pour objectif de prévenir la survenue des symptômes ou d’en réduire l’intensité, lorsqu’ils sont fréquents et gênants. Ce traitement peut reposer sur différents médicaments : mexilétine, carbamazépine, acétazolamide, spironolactone, dichlorphénamide…
La mexilétine (Namuscla) bénéficie d'une autorisation de mise sur le marché (AMM) dans le traitement symptomatique de la myotonie chez les adultes atteints de troubles myotoniques non dystrophiques.
En complément, des précautions simples sont à prendre au quotidien, pour éviter ou limiter les facteurs qui favorisent ou aggravent les symptômes. Selon la forme de canalopathie, il peut s’agir d’éviter le jeûne, les aliments salés, riches en sucres ou en potassium, les efforts en milieux froids, ou encore les efforts intenses.
Des séances de kinésithérapie (massages, infrarouges, étirements, balnéothérapie) permettent de lutter contre les douleurs musculaires et les rétractions des tendons.
Les personnes atteintes d’un syndrome d’Andersen-Tawil doivent bénéficier d’un suivi par un cardiologue spécialisé dans les maladies neuromusculaires afin de mettre en route un traitement adapté, voire de bénéficier d’un défibrillateur cardiaque implantable, si une anomalie est détectée. Il faut également éviter de prendre certains médicaments, dont la liste peut être téléchargée sur le site du Centre de référence national.
Précautions Anesthésiques
Une canalopathie n’empêche pas de bénéficier d’une anesthésie générale ou d'une péridurale, mais il faut prendre des précautions particulières. Certains produits anesthésiants et certaines circonstances propres à une intervention chirurgicale (froid, jeûne, perfusion de glucose…) peuvent, en effet, provoquer ou aggraver les symptômes. Quelle que soit l’intervention envisagée, il faut donc toujours prévenir l’anesthésiste et le chirurgien que l’on est atteint d’une canalopathie musculaire et leur présenter la Carte d’urgence. L’anesthésiste peut aussi contacter l’équipe du Centre national de référence des canalopathies musculaires ou consulter les recommandations publiées sur leur site internet.
Recherche sur les Canalopathies Musculaires
La recherche sur les canalopathies musculaires est particulièrement active en France. Une équipe dirigée par Bertrand Fontaine, et soutenue par l'AFM-Téléthon, travaille spécifiquement sur ces maladies. Elle anime également un réseau spécialisé sur les canalopathies musculaires, RESOCANAUX, et travaille notamment en collaboration avec des experts du Canada, des États-Unis, de la Grande Bretagne, des Pays-Bas et de l'Italie.
L’objectif des chercheurs est à la fois de mieux comprendre ces maladies (fonctionnement des canaux ioniques, mutations génétiques, mécanismes pathologiques pour chaque canalopathie…), évaluer l'impact des symptômes sur la qualité de vie des patients et d’étudier des candidats-médicaments, sur des modèles biologiques (en laboratoire) puis chez l'homme (dans le cadre d'essais cliniques).
Des essais cliniques de la mexilétine La mexilétine (Namuscla), un agent bloquant des canaux sodium, permet de diminuer la raideur et les difficultés de décontraction musculaires (myotonie). Bénéficiant d'une autorisation de mise sur le marché dans le traitement symptomatique de la myotonie chez les adultes atteints de troubles myotoniques non dystrophiques, elle a fait l'objet d'un essai clinique, en France, auprès d'enfants et d'adolescents. Un autre essai clinique est en cours en France pour évaluer les effets de la mexilétine chez des adultes sur le long terme.
En règle générale, une paralysie périodique résulte d’une seule mutation du gène SCN4A, qui code le canal sodium. Des médecins japonais ont récemment décrit le cas d’une famille atteinte d’une forme atypique de paralysie périodique hypokaliémique, avec deux mutations (dont une nouvelle) de SCN4A.
Aux États-Unis, des chercheurs ont montré que la rétigabine prévient de façon efficace les accès de faiblesse musculaire dans deux souris modèles de paralysie périodique hypokaliémique. Cette molécule était commercialisée jusqu’en 2017, sous le nom de Trobalt®, pour prévenir les crises d’épilepsie. Elle provoque l’ouverture des canaux potassium. Dans la paralysie périodique hypokaliémique, les accès de paralysie sont causés par un état temporaire d’inexcitabilité de la fibre musculaire.
Mécanismes Moléculaires de la Contraction Musculaire
Pour comprendre l'importance des canaux potassiques dans la contraction musculaire, il est essentiel de connaître les mécanismes moléculaires impliqués.
Rôle du Calcium dans la Contraction Musculaire
Le calcium a de multiples rôles dans l’organisme. Il est le constituant majeur des tissus osseux pour qu’ils soient rigides et solides. C’est le rôle le plus connu du calcium. Il intervient aussi dans la libération de certaines hormones, l’activation de certaines enzymes, la coagulation sanguine, la régulation du rythme cardiaque, la perméabilité des membranes cellulaires, l’excitabilité neuro-musculaire, la conduction nerveuse et la contraction musculaire.
L’organisme est stimulé en permanence par l’environnement. En réaction à un stimulus les informations vont remonter au cerveau par la voie afférente sensorielle. Le cerveau va faire le point sur les informations venues de nos sens (la vue, l’ouïe, l’odorat, le gôut et le toucher) et répondre par une stimulation de la voie efférente motrice. Un influx nerveux est la propagation d’un courant électrique (potentiel d’action) le long d’une fibre nerveuse (axone). Ce potentiel d’action est déclenché en fonction de l’intensité du stimulus. Il se mesure en Mv (milivolt).
Sous l’influence d’un potentiel d’action, les canaux à calcium vont s’ouvrir. Les canaux ligands vont s’ouvrir à la suite de la réception de l’acétylcholine. Cela va produire une entrée / sortie de potassium et de sodium qui vont provoquer un potentiel de plaque (potentiel d’action locale). Les tubules T sont des sortes de tuyaux poreux qui sont répartis le long de la fibre musculaire. Le potentiel d’action va s’infiltrer à l’intérieur du tubule T et déclencher la libération de calcium par le réticulum sarcoplasmique au niveau des muscles.
Interactions Actine-Myosine et Rôle de l'ATP
Le réticulum sarcoplasmique (réserve du calcium) est accroché aux myofibrilles. Les sarcomères sont des agencements de plusieurs protéines qui contiennent l’actine et la myosine. La tête de myosine doit s’accrocher à l’actine pour provoquer une contraction. C’est à ce moment-là que le calcium joue un rôle très important dans la contraction musculaire. Les ions calcium se fixent sur la troponine qui change de conformation et déplace la tropomyosine.
Pour que la tête de myosine se fixe sur l actine, la myosine doit être fournie en l’Energie (ATP). Pour cela l’ATP va être coupée (hydrolyse) en ADP + Pi (phosphate inorganique) grâce à une enzyme qu’on appelle la myosine ATPase. La fixation d’une molécule d’ADP + Pi (phosphate inorganique) sur la tête de myosine fournit l’énergie nécessaire à sa fixation sur l’actine. La tête de myosine tourne ensuite et entraine avec elle le filament d’actine. Les deux filaments coulissent l’un sur l’autre : le sarcomère se raccourcit.
Pour que la tête de myosine se décroche du filament d’actine et pour que le muscle se décontracte, l’ADP doit subir une phosphorylation. Une phosphorylation est une resynthèse de l’ATP par le gain d’un phosphate. Pour regagner un phosphate, il faut trouver un transporteur. C’est le magnésium qui va jouer ce rôle de transporteur avec le phosphate pour qu’il se fixe sur l’ADP. Le magnésium aide à la décontraction musculaire.
Contraction des Cellules Musculaires Lisses Vasculaires (CMLV)
La contraction des cellules musculaires lisses vasculaires (CMLV) est un processus complexe qui implique plusieurs étapes et mécanismes.
- Activation et Entrée de Calcium: La contraction des CMLV est initiée par une augmentation de la concentration intracellulaire de calcium (Ca2+). Cette augmentation peut être due à l'entrée de Ca2+ extracellulaire à travers les canaux calciques voltage-dépendants ou à la libération de Ca2+ des réservoirs intracellulaires, tels que le réticulum sarcoplasmique.
- Sensibilisation au Calcium: La sensibilisation au calcium est un processus par lequel la CMLV peut maintenir une contraction à des niveaux de Ca2+ intracellulaire relativement bas. Ce processus implique plusieurs protéines, dont la protéine kinase C (PKC) et la Rho-kinase (ROK).
- Phosphorylation de la Chaîne Légère de Myosine (MLC): La phosphorylation de la chaîne légère de myosine (MLC) est une étape clé de la contraction des CMLV. Cette phosphorylation est catalysée par la kinase de la chaîne légère de myosine (MLCK), qui est activée par le complexe calcium-calmoduline (Ca2+-CaM).
- Interaction Actine-Myosine: La phosphorylation de la MLC permet l'interaction entre les filaments d'actine et de myosine, ce qui entraîne la contraction de la CMLV.
Régulation de la Contraction des CMLV
La contraction des CMLV est finement régulée par plusieurs mécanismes, notamment :
- La Calmoduline (CaM): La calmoduline (CaM) est une protéine de liaison au calcium qui joue un rôle central dans la régulation de nombreuses fonctions cellulaires, y compris la contraction des CMLV.
- La Kinase de la Chaîne Légère de Myosine (MLCK): La kinase de la chaîne légère de myosine (MLCK) est une enzyme qui catalyse la phosphorylation de la MLC, une étape clé de la contraction des CMLV.
- La Phosphatase de la Chaîne Légère de Myosine (MLCP): La phosphatase de la chaîne légère de myosine (MLCP) est une enzyme qui catalyse la déphosphorylation de la MLC, ce qui entraîne la relaxation des CMLV.
- La Protéine Kinase C (PKC): La protéine kinase C (PKC) est une famille d'enzymes qui jouent un rôle dans la sensibilisation au calcium et la régulation de la contraction des CMLV.
- La Rho-Kinase (ROK): La Rho-kinase (ROK) est une enzyme qui inhibe l'activité de la MLCP, ce qui favorise la contraction des CMLV.
Pathologies Associées aux Dysfonctionnements des CMLV
Les dysfonctionnements des CMLV peuvent être impliqués dans plusieurs pathologies, notamment :
- L'Hypertension Artérielle: Une contraction excessive des CMLV dans les vaisseaux sanguins peut entraîner une augmentation de la pression artérielle.
- Le Vasospasme: Une contraction excessive des CMLV dans les artères peut entraîner un vasospasme, ce qui peut provoquer une ischémie et des lésions tissulaires.
- L'Asthme: Une contraction excessive des CMLV dans les voies respiratoires peut entraîner une bronchoconstriction, ce qui peut provoquer des difficultés respiratoires.
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