Physiologie animale : les grandes fonctions
Compte rendu de TP
Etude de substances pharmacodynamiques
sur le cœur isolé de grenouille
Notre but sera d’étudier les caractéristiques contractiles du cœur isolé de grenouille perfusé par du
liquide de Ringer ainsi que l’action de certaines substance pharmacologique sur la contraction
cardiaque.
I.
Généralités
A.
Le cœur de grenouille, anatomie macroscopique
La grenouille est un amphibien de l’ordre des anoures. Le cœur isolé de grenouille présente de
faibles exigences quant aux conditions de température, d'oxygénation et de perfusion (méthode par
imbibition). Il est facile d'obtenir sa survie pendant de nombreuses heures par perfusion à l'aide du
liquide de Ringer.
L’activité autonome du cœur est induite par des tissus autonomes disposés au niveau du cœur. Le
cœur de grenouille est assez différent du cœur de mammifère. Il possède 2 oreillettes et un seul
ventricule, ce qui induit un mélange des sangs (oxygéné et non oxygéné) dans l’organisme qui est
expulsé par l’aorte, qui se sépare en 2 branches par la suite.
Veines caves
Aorte
Sinus veineux situé en arrière de
l’oreillette droite : zone de collecte du
sang qui va arriver par les veines caves
1
2
Oreillette gauche
Oreillette droite
Ventricule unique
3
Schéma simplifié du cœur de grenouille
1 : Nœud de Remak : foyer d’automatisme primaire chez la grenouille.
2 : nœud de Ludwig, 3 : nœud de Bidder : foyers d’automatisme secondaire.
1
Le cœur est enveloppé dans le péricarde, qui est constitué de deux couches, le péricarde fibreux et le
péricarde séreux. Le péricarde fibreux est composé de tissu conjonctif dense et résistant et il permet
notamment l’attachement du cœur dans la cavité générale et constitue une protection. Le péricarde
séreux est formé de deux lames, la lame pariétale, qui tapisse la face interne du péricarde fibreux, et
la lame viscérale, qui tapisse le myocarde. Elles sont reliées au niveau des vaisseaux émergeant du
cœur. Les deux lames sont séparées par la cavité du péricarde renfermant un film de sérosité, jouant
un rôle de lubrifiant évitant les frictions entre les deux lames lors des battements cardiaques.
La paroi du cœur est composée de 3 couches : la lame viscérale du péricarde séreux, le myocarde
(muscle cardiaque) et l’endocarde. Le myocarde se compose des cardiomyocytes associés à du tissu
conjonctif qui permet le maintient d’une structure en faisceaux spiralés ou circulaires. Le tissu
conjonctif se compose de fibres de collagène et d’élastine qui tissent un réseau dense, le squelette
fibreux du cœur (renforce le myocarde), qui, au niveau des vaisseaux et des valves cardiaques,
s’épaissit et forme des anneaux fibreux (soutient du point d’émergence du vaisseau dans le cœur). Ce
squelette fibreux permet un parcours bien défini de la contraction cardiaque. L’endocarde est
composé d’un épithélium simple squameux qui tapisse l’intérieur de la cavité cardiaque.
B.
Anatomie microscopique du muscle cardiaque.
Les cellules cardiaques ont de nombreuses similitudes avec les fibres musculaires striées
squelettiques. Cependant la cellule musculaire cardiaque détient des caractéristiques propres à son
fonctionnement.
Les cellules musculaires sont appelées cardiomyocytes (littéralement cellule musculaire cardiaque).
Ce sont des cellules courtes, épaisses ramifiées et anastomosées. L’espace intercellulaire est comblé
par un tissu conjonctif, comportant de nombreux capillaires sanguins ( l’endomysium).
Figure 1 : Schéma d'une jonction GAP
Les cellules cardiaques sont étroitement liées. En
effet une contraction coordonnée des cellules est
nécessaire pour un bon fonctionnement du cœur.
La jonction entre 2 cellules est appelée disque
intercalaire. Cette structure est caractérisée par
une ondulation de la membrane plasmique des
deux cellules adjacentes, ce qui permet une bonne
liaison entre les cellules. De plus, on y trouve de
nombreux desmosomes qui permettent le
maintient de la structure lors de la contraction. On
y trouve des jonctions GAP (connexon : assemblage
de molécules de connexine au niveau des
membranes plasmiques de 2 cellules voisines, ce
qui créé une lacune (pore dans la membrane) qui
peut laisser passer des molécules), qui vont
permettent des transferts ioniques, et alors
transmettre le courant dépolarisant dans le tissu
cardiaque. La présence de ce type de jonction
permet à l’ensemble des cellules cardiaques de se comporter comme un syncitium fonctionnel.
2
Le cardiomyocyte comporte 1 ou 2 noyaux en son centre et un grand nombre de mitochondries qui
occupent environ 25 % du volume de la cellule. Les sarcomères présentes des stries A et I, formées
de myosine et d’actine. On trouve également des lignes Z. On note que les myofilaments cardiaques
ont un diamètre variable et sont moins organisés que dans les muscles squelettiques. Ils se ramifient
pour contourner les nombreuses mitochondries présentes dans le sarcoplasme. Les stries sont donc
moins bien définies.
L’organisation des tubules transverses est différente que dans les cellules musculaires. On n’en
trouve qu’un par cellule, plus large, qui pénètre au niveau des lignes Z. Le réticulum sarcoplasmique
est moins développé et on ne trouve pas de citernes terminales, donc il n’y a pas de triades au niveau
des cardiomyocytes, mais ce que l’on appelle diade, une intéraction entre un tubule transverse et un
saccule du réticulum sarcoplasmique.
Figure 2 : Schéma général de l'organisation des fibres cardiaques
Sur ce schéma de cardiomyocyte, on
distingue la proximité entre les
saccules du réticulum sarcoplasmique
(2) et le tubule transverse ou
invagination du sarcolemme (T) au
niveau de la ligne Z. L’interaction est
noté (3) sur le Schéma.
La lame basale est représentée
(endomysium) (1) avec ses filament
d’élastine (6).
On retrouve les
myofilaments (4).
faisceaux
de
On distingue par ailleurs le disque
intercalaire (5), liaison entre 2 cellules
musculaires.
3
A.
Contraction cardiaque
1.
Rappel : Contraction musculaire
C’est un muscle strié : le processus de contraction est similaire à celui de la contraction des muscles
striés squelettiques. La libération de calcium dans le cytosol va provoquer la contraction. Le calcium
se fixe sur la troponine C. La troponine C fait partie d’un complexe comprenant également la
troponine I et la troponine T. On trouve ce complexe entre les filaments d’actine et les têtes de
myosines. Fixée à ce complexe on trouve la tropomyosine, qui empêche l’interaction entre myosine
et actine. En faible concentration en Ca2+, il n’y a pas d’interaction entre actine et myosine. En forte
concentration en Ca2+, il y a changement de conformation de la troponine C. Ceci entraine une
modification du complexe des troponines, ce qui déplace la tropomyosine et favorise l’interaction
actine-myosine, et donc à l’activation de l’activité ATPasique des têtes de myosines. On a alors
hydrolyse de L’ATP et ainsi libération d’énergie qui va permettre le glissement des fibres de la
myosine le long des fibres d’actine, entrainant le raccourcissement des fibres musculaires ce qui
correspond au phénomène de contraction.
La reprise du calcium par le RS, grâce à la pompe SERCA (ATP dépendante), provoque une transition
conformationelles du complexe des troponines induisant le masquage du site de liaison des têtes de
myosine. L’actine et la myosine ne peuvent plus se lier. On a donc une relaxation.
2.
Automatisme cardiaque
Le cœur possède une activé automatique de contraction, appelé automatisme cardiaque. L’influx
initiateur des contractions part de zones précises et se propage d’une façon bien définie. Ceci
permet au sang d’être expulsé de la cavité cardiaque. Comme il est signalé sur le schéma général du
cœur de grenouille, c’est le nœud de Remak, situé au niveau du sinus veineux, qui va initier la
contraction cardiaque. Si on ligature juste en aval de cette structure, la contraction est inhibée. C’est
une structure qui va envoyer des potentiels d’actions à intervalles réguliers (subit une régulation) qui
vont se propager dans le cœur, selon un parcours bien défini. Le nœud de Bidder, situé à l’apex du
cœur, qui initie les contractions ventriculaires : coupé de l’action des autres nœuds, il génère une
contraction ventriculaire de forte amplitude, à une fréquence relativement lente. Le Nœud de
Ludwig, situé à la liaison entre l’oreillette et le ventricule semble lui coordonner l’action des deux
nœuds. En effet, si on isole le cœur de cette structure (avec une ligature de chaque coté), on observe
une allorythmie (désynchronisation entre la contraction de l’oreillette et du ventricule). On peut
supposer que ce nœud transmet le potentiel d’action émit par le nœud de Remak au nœud de Bidder
pour synchroniser la contraction : on a alors (1) émission du potentiel d’action qui engendre (2) la
contraction de l’oreillette. (3) l’influx passe par le nœud de Ludwig, et est dirigé vers le nœud de
Bidder où il va (4) permettre l’initiation de la contraction du ventricule à partir de ce nœud. On a
ensuite (5) contraction du ventricule, de l’apex vers l’aorte.
Formation de l’impulsion cardiaque : Cet automatisme est possible grâce à des cellules pacemaker
ou cardionectrices. Elles se dépolarisent en permanence du fait d’une baisse de la conductance
potassique, d’une part, et par l’activation d’un courant IH, d’autre part. Le courant IH, correspond à
une augmentation de la conductance de certains cations. Ceux-ci vont diffuser de l’extérieur vers
l’intérieur de la cellule, ce qui va dépolariser lentement la cellule. Le potassium est, lui, séquestré à
l’intérieur de la cellule, ce qui créer un déséquilibre de charges par rapport au flux entrant de cations
qui n’est pas annulé par le flux sortant de potassium.
4
Le potentiel de membrane devient de plus en plus positif. On appelle ce phénomène le prépotentiel.
Le seuil d’excitabilité est alors atteint, ce qui provoque une entrée massive de calcium, par ouverture
des canaux voltage dépendant. L’inversion de polarité engendre la fermeture des canaux calciques,
et l’ouverture des canaux potassiques. Le courant potassique provoque alors une repolarisation de la
membrane de la cellule pacemaker.
Contraction cardiaque : Contrairement aux cellules musculaires squelettiques où seulement le
sodium joue un rôle, le calcium qui joue un rôle également dans les cellules contractiles cardiaques.
Un potentiel d’action particulier est alors initié. Celui-ci comporte une pointe et un plateau et dure
environ 200 ms.
Les canaux sodiques voltage dépendant sont activés par le PA provenant des cellules cardionectrices
(grâce aux jonctions GAP). On a une ouverture de ces canaux qui provoque une entrée brève mais
brutale de sodium. La cellule est dépolarisée, c’est la pointe du PA.
L’inversion de polarité entraine l’ouverture des canaux calciques voltage dépendants, appelés
canaux lent. Ils restent ouverts durant quelques centièmes de secondes et stimulent l’ouverture des
canaux calciques des saccules du réticulum sarcoplasmique. L’augmentation de la concentration de
calcium, nécessaire pour la contraction musculaire, prolonge le potentiel de dépolarisation, formant
le plateau. Ce phénomène est notamment important par rapport à la période réfractaire des fibres.
Lors de la stimulation des dernières fibres au cours du cycle de contraction, les premières sont
encore en période réfractaire, ce qui leur évite d’être à nouveau stimulés (reentry).
Les canaux potassium activés par le changement de polarité, s’ouvrent en même temps que les
canaux calciques pour faire revenir le potentiel de membrane vers le potentiel de repos.
Le calcium est repris dans le RS, par des pompes SERCA (CA++ ATPase) ainsi que dans le milieu
extracellulaire par une CA++ ATPase ou une pompe 3Na/Ca.
Potentiel de membrane
Pointe
Plateau
Potentiel d’action
0 mV
Seuil d’excitabilité
200 ms
Temps
5
3.
Déroulement de la contraction.
On parle d’une contraction de l’ensemble de l’organe : soit l’organe entier se contracte, soit il ne se
contracte pas. Ceci est permis grâce aux jonctions GAP cités précédemment qui transmettent les
ondes de dépolarisation, ce qui permet une contraction coordonnée des oreillettes, puis du
ventricule.
Le signal est initié par le nœud de Remak puis est transmis par des fibres de conduction cardiaque
dans les oreillettes. Les cellules musculaires sont dépolarisées et se contractent, depuis le sinus
veineux vers la jonction oreillettes/ventricule, grâce à la propagation du potentiel d’action par les
jonctions GAP. On a donc une contraction des oreillettes qui poussent le sang vers les ventricules.
Le potentiel d’action arrive au nœud de Ludwig, où on a un ralentissement, du fait de fibres de
conduction d’un diamètre moins important. Ceci permet, au sang de passer par gravité de l’oreillette
au ventricule.
L’influx va stimuler le nœud de Bidder. Il possède aussi une activité autonome, mais plus lente que
dans le nœud de Remak. La conductance potassique y est moins inhibée, ce qui fait que moins de
potentiels d’actions sont générés pour un même laps de temps. Le potentiel d’action arrivant va
accélérer la dépolarisation et donc initier la contraction du ventricule à partir de l’apex vers
l’embouchure de l’aorte. Les valves auriculo-ventriculaires sont refermées lors de la contraction mais
ne s’ouvrent pas vers les oreillettes, grâce à des muscles papillaires qui se contractent grâce au
potentiel d’action et les empêche de s’ouvrir. La valve du tronc aortique d’ouvre du fait de la
pression exercée par le ventricule, puis se referme quand le sang a quitté le ventricule.
B.
Régulation de l’activité cardiaque.
Dans ce TP, nous allons étudier le cœur isolé. Il est donc dépourvu de toute régulation nerveuse, ce
qui n’est pas le cas dans l’organisme. Il est innervé par le système parasympathique, inhibiteur, et le
système nerveux sympathique, activateur. Le parasympathique utilise l’acétylcholine comme dernier
neurotransmetteur et le sympathique la noradrénaline.
6
II.
Manipulations et résultats
A.
Enregistrement normal
Figure 3 : Tracé montrant l'activité contractile du cœur dans des conditions normales
Figure 4 : tracé montrant avec précision les cycles contraction-décontraction du cœur.
7
On observe le cœur qui se contracte : les oreillettes grossissent puis reviennent à un niveau normal
pendant que le ventricule se contracte et se raccourcit. Il se relâche et sa taille augmente, avant que
l’oreillette ne se contracte à nouveau. Sur les tracés, on ne perçoit que la contraction ventriculaire.
Amplitude
197,23 ms
B.
Période
3145,5 ms
Fréquence
0,32 / s
19,2 / min
Effet de l’adrénaline
Le cœur est donc en perfusion de Ringer. On fait passer dans la perfusion une solution d’adrénaline.
On sort le tuyau du Ringer, on le plonge très vite dans la solution d’adrénaline. Lorsque qu’une
dizaine de cm de tuyau contient la solution – on le voit car une bulle d’air s’est formée lors du
passage du Ringer à l’adrénaline – on retire le tuyau et on le replonge instantanément dans la
solution de Ringer. Une deuxième bulle s’est formée, on peut alors suivre le parcours de la solution
et déterminer le moment où elle perfuse le cœur.
Figure 5 : Tracé montrant les effets de la perfusion d'une solution d'adrénaline à 5.10-7 M, sur l'activité cardiaque.
A cette concentration on constate une légère augmentation de l’amplitude (effet chronotrope
positif) pendant quelques secondes, puis un retour à la normale au bout de peu de temps. Le
maximum d’effet est atteint au bout de 10 secondes et on revient à la normale à peu près 25
secondes après ce maximum. La fréquence ne varie pas significativement.
8
Figure 6 : Tracé montrant les effets de la perfusion d'une solution d'adrénaline à 10-6 M, sur l'activité cardiaque.
On constate comme précédemment un effet chronotrope positif, mais le retour à la normale est un
peu plus long. Un léger effet inotrope positif (augmentation de la fréquence) est décelable.
Solution
d’adrénaline à
5.10-7
Solution
d’adrénaline à
10-6
avant
pendant
après
avant
pendant
après
Amplitude
(mV)
Période
(ms)
Fréquence
en s-1
Fréquence
en min-1
219,69
257,13
198,21
211,09
250,93
209,99
3003,21
3068,34
3241,2
2926,63
2594,2
2641,82
0,33
0,33
0,31
0,34
0,39
0,38
19,98
19,55
18,51
20,50
23,13
22,71
On peut calculer le pourcentage d’effet, Pe, de l’adrénaline pour les 2 concentrations.
Pour la solution à 5.10-7,
Amplitude : Pe =
257,13
219,69
x 100 = 117 %. On a donc un effet de 119% (amplitude multipliée par 1,19)
Fréquence : même principe pour le calcul : Pe = 97,5 % : pas de variation significative de la fréquence
Pour la solution à 10-6
Amplitude : Pe = 118 %
Fréquence : Pe = 112 % (significatif)
9
C.
Effet de l’acétylcholine
Figure 7 : Tracé montrant les effets de la perfusion d'une solution d'acétylcholine à 10-6 M, sur l'activité cardiaque.
On constate une diminution brutale de l’amplitude de contraction (effet chronotrope négatif), ainsi
qu’une irrégularité au niveau de la fréquence cardiaque qui diminue globalement (effet inotrope
négatif), au moment de l’injection de l’acétylcholine. L’amplitude augmente ensuite doucement et
tend vers sa valeur d’origine.
Amplitude
Période
Fréquence
Avant l’injection
244,12 mV
0,29 / s
17,4 / min
Pendant l’injection
65,36 mV
0,23 / s
13,8 / min
Fin du tracé, 4min
après l’injection
3436,73 ms
4375 ms
(moyenne sur
105 s)
183,2 mV
3890,95 ms
0,26 / s
15,6 / min
Calcul du pourcentage d’effet
Amplitude : Pe = 65,36 / 244,12 x 100 = 26,77 % : l’amplitude au maximum de l’effet de
l’acétylcholine est égale à 26% de l’amplitude normale.
Fréquence : Pe = 13,8 / 17,4 x 100 = 79,3 % : la fréquence, irrégulière, est globalement égale à 79,3 %
de la fréquence normale.
D.
Effet de l’atropine
On perfuse pendant un temps relativement important, avec une solution de Ringer contenant de
l’atropine. On perfuse ensuite avec le Ringer sans atropine puis on injecte les solutions
10
d’acétylcholine et d’adrénaline utilisées précédemment, de la même façon que celle employée dans
les autres expériences.
1.
Atropine seule
Figure 8 : Tracé montrant les effets de la perfusion d'une solution d'atropine sur l'activité cardiaque.
On constate une légère augmentation après le début de la perfusion, puis une stabilisation.
L’atropine seule ne devrait pas avoir d’effet, ce phénomène sera expliqué dans les interprétations.
11
2.
Effet de l’adrénaline après atropinisation
Figure 9 : Tracé montrant l'effet, après action de l'atropine, de la perfusion d'une solution d'adrénaline à 10-6 M sur
l'activité cardiaque.
Nous n’utilisons pas nos résultats pour cette partie, l’expérimentation ayant échouée. On constate
que l’effet est le même que lors de l’expérience sans atropine. On a un effet chronotrope positif.
Cependant, on ne constate pas d’effet inotrope positif.
Avant l’injection
Après l’injection
Amplitude
Période
Fréquence en s-1
Fréquence en min-1
281 mV
322 mV
1128 ms
1188 ms
0,89
0,87
53,4
52,6
Pourcentage d’effet
Amplitude : Pe = 322 / 281 x 100 = 114 %
Fréquence : Pe = 52,6 / 53,4 x 100 = 98,5 % : pas significatif
12
3.
Effet de l’Acétylcholine après atropinisation
Figure 10 : Tracé montrant l'effet, après action de l'atropine, de la perfusion d'une solution d'acétylcholine à 10-6 M, sur
l'activité cardiaque.
On constate que l’effet de l’acétylcholine précédemment observé n’a pas lieu.
13
III.
Interprétations
A.
Enregistrement normal
On observe une succession de cycles contraction-relaxation correspondant à la systole ventriculaire
et à la diastole ventriculaire, comme on ne voit pas la contraction auriculaire sur les tracés. Lors de la
systole ventriculaire, le ventricule se contracte et le sang est expulsé vers le système circulatoire.
Lors de la diastole ventriculaire, la pression dans le ventricule s’abaisse par rapport au pic atteint
pendant la systole.
B.
Effet de l’adrénaline
L’adrénaline, qui porte aussi le nom d’épinéphrine, est à la fois une hormone et un
neurotransmetteur appartenant à la famille des catécholamines. Elle est synthétisée par les cellules
chromaffines des glandes de la médullosurrénale. Là, elle est secrétée dans la circulation sanguine
pour aller se fixer sur les récepteurs adrénergiques α et β, récepteurs hélicoïdaux couplés à une
protéine G trimérique, et agir en tant qu’hormone sur les organes cibles. La biosynthèse des
catécholamines est assurée par une voie métabolique commune. Le précurseur de cette voie de
synthèse est la tyrosine qui est captée dans le milieu extracellulaire par un système de transport
actif. La tyrosine est hydroxylée en dihydroxyphénylalanine (DOPA) par la tyrosine-3-hydroxylase. La
DOPA subit alors une décarboxylation grâce à une décarboxylase spécifique, utilisant le phosphate de
pyridoxal, pour donner la dopamine. Celle-ci peut-être méthylée par la dopamine-β-hydroxylase pour
donner la noradrénaline qui peut elle-même être réduite en adrénaline.
14
Les catécholamines sont recaptées par les cellules pour y être dégradées, par des monoamines
oxydases (MOA) ou la catéchol-O-méthyltransférase (COMT).
L’adrénaline se fixe sur les récepteurs adrénergiques. Dans le cœur, ce sont des récepteurs β1 qui
sont présents : leur activation stimule les fonctions cardiaques, notamment la fonction inotrope
(augmentation de la force contractile, ici observée légèrement pour la plus faible dilution) et la
fonction chronotrope (augmentation de la fréquence cardiaque, observée pour les deux dilutions).
Les récepteurs β1 sont couplés à une protéine Gs qui va activer l’adénylate-cyclase. Cette enzyme va
alors catalyser la formation de l’AMPc à partir de l’ATP.
Dans les cellules contractiles, la concentration en AMPc va augmenter et ainsi activer sa cible
privilégiée : la protéine kinase A. Celle-ci va alors entrainer l’ouverture de canaux calciques de la
membrane plasmique et une quantité importante de calcium se retrouvera dans le milieu. Celui-ci,
comme décrit dans l’introduction, entrainera un changement de conformation du complexe des
troponines permettant l’interaction actine/myosine, puis au final, une augmentation de la force
contractile cardiaque. On a donc un effet inotrope positif.
Dans les cellules cardionectrices, la protéine kinase A phosphoryle les canaux calcique de la
membrane cytoplasmique. Ceux-ci vont alors laisser rentrer le calcium, ce qui dépolarise doucement
la membrane. De plus l’AMPc fabriqué va se fixer sur le canal IH et l’activer davantage, entrainant
aussi une dépolarisation de la membrane. Ces deux phénomènes vont conduire à l’augmentation de
la pente du prépotentiel. Le seuil de dépolarisation est alors atteint plus rapidement. La fréquence
de dépolarisation est alors augmentée. On a un effet chronotrope positif.
Lors d’une régulation nerveuse de l’activité cardiaque, qui vise à accélérer le cœur et à augmenter
l’amplitude, ce n’est pas l’adrénaline mais la noradrénaline qui est libérée au niveau des différents
nœuds de l’automatisme cardiaque et des fibres contractiles. Les fibres du système nerveux
sympathique font directement des synapses avec ceux-ci et modulent l’activité cardiaque.
L’adrénaline agit lors d’un stress violent, pour initier la réponse de fuite ou d’attaque (« fight or flight
response »), visant à soustraire l’animal de son environnement stressant. Elle est libérée par la
médullo-surénale en réponse à un stimulus donné par l’encéphale. Elle diffuse dans tout l’organisme
grâce au système vasculaire. Elle va agir au niveau du cœur pour faciliter l’apport du sang aux
muscles pour permettre une réaction rapide et intense (nager vite pour fuir un prédateur par
exemple). Elle va également agir sur d’autres cibles, également dans ce sens de répondre rapidement
à une situation. Elle va par exemple permettre la dégradation du glycogène au niveau musculaire et
alors permettre la fabrication de plus d’énergie à partir du glucose, par la glycolyse. Aussi, elle peut
jouer sur d’autres aspects : chez certains poissons, elle permet un changement de la couleur des
écailles, ce qui confère une plus grande discrétion.
15
C.
Effet de l’acétylcholine
L’acétylcholine est un ester acétique de la choline. C’est le premier neurotransmetteur qui a été
caractérisé dès le début du XXe siècle. La choline, nécessaire à la synthèse de l’acétylcholine, a une
origine à la fois exogène par l’alimentation et endogène par biosynthèse à partir de la glycine et par
la dégradation de l’acétylcholine. Les métabolismes glucidiques (par la conversion du pyruvate en
acétylCoA) et lipidique (par la β-oxydation des acides gras) fournit l’acétylcoenzyme A, source de
l’acétylation de la choline par la choline-acétyl-transférase, ainsi que l’énergie nécessaire à sa
synthèse. La choline-acétyl-transférase est synthétisée dans le corps cellulaire et amenée par
transport axonal aux terminaisons nerveuses. C’est là que l’acétylcholine, après sa synthèse, est
stockée dans les nombreuses vésicules de sécrétion utilisables par l’arrivée d’un potentiel d’action.
Au cours de l’influx nerveux, l’acétylcholine est libérée au niveau des synapses des neurones dit
cholinergiques du système nerveux périphérique, pour transmettre l’information nerveuse d’un
neurone au suivant. Ces synapses utilisant l’acétylcholine comme neurotransmetteur sont appelées
synapses cholinergiques. Lorsque le neurotransmetteur est libéré, il agit sur ces récepteurs puis il
subit immédiatement une hydroxylation par l’acétylcholinestérase qui est déjà présente dans la fente
synaptique, ce qui lui confère une action très précise dans le temps.
L’acétylcholine est stockée dans les terminaisons nerveuses présynaptiques des neurones
cholinergiques, au niveau de vésicules de sécrétion, à raison de 5000 à 10000 molécules par vésicule.
Les récepteurs cholinergiques sont de deux types : les récepteurs muscariniques et les récepteurs
nicotiniques. Les récepteurs nicotiniques sont présents dans le cerveau, la moelle épinière, les
ganglions des systèmes nerveux sympathiques et parasympathiques, et dans la synapse entre les
neurones sympathiques et les effecteurs. Ce sont des récepteurs pentamériques formant un canal
qui ne s’ouvre qu’après fixation de deux molécules d’acétylcholine. Les récepteurs muscariniques
appartiennent à la famille des récepteurs métabotropes à sept domaines transmembranaires. Ils sont
largement distribués dans l’organisme et sont très représentés dans le cerveau. Ce sont eux qui nous
intéresseront pour les interprétations de l’effet observé. Ils sont divisés en 5 classes de M1 à M5. M1,
M3 et M5 possèdent une activité excitatrice tandis que M2 et M4 sont des inhibiteurs. On étudiera
donc ici les récepteurs M présents dans le cœur. Les récepteurs muscariniques sont tous couplés à
une protéine G. C’est l’expérience avec l’atropine qui permettra de confirmer l’action de récepteurs
muscariniques.
16
Cellules cardionectrices : Une injection d’acétylcholine dans le cœur fait ici diminuer le rythme
cardiaque, ou effet chronotrope négatif. En effet, la protéine Gq, activé après fixation de
l‘acétylcholine sur un récepteur muscarinique va agir sur des canaux potassiques KAch présents dans
le nœud sinusal cardiaque. Les canaux potassiques s’ouvrent : on a alors une augmentation de la
perméabilité membranaire au K+. Celui-ci peut alors sortir de la cellule et contre balancer le flux
entrant de cations. La dépolarisation spontanée des cellules pacemaker est alors ralentie.
L’acétylcholine agit également sur le canal IH. Sa fixation sur un récepteur active une protéine Gi.
Celle-ci va inhiber l’adénylate cyclase, ce qui stoppe la synthèse d’AMPc : le canal IH N’est donc plus
stimulé par l’AMPc, ce qui contribue à l’effet chronotrope positif
On peut également observer que l’entrée d’acétylcholine dans le cœur à un effet inotrope négatif.
Cet effet se fait indirectement car il touche les cellules contractiles mais l’acétylcholine n’a pas de
récepteur sur ces cellules. La baisse de la fréquence des impulsions entraine des dépolarisations
moins rapprochées. Le calcium a donc plus de temps pour être repris par le réticulum
sarcoplasmique et/ou sortir de la cellule. La concentration cytosolique en calcium est donc moindre
lors de la dépolarisation, ce qui engendre une baisse de la force de contraction.
Les fibres parasympathiques innervent le cœur directement au niveau des nœuds de l’automatisme
cardiaque, notamment au niveau du nœud sinusal (nœud de Remak).
D.
Effet de l’atropine
L’atropine est un alcaloïde (groupe large de substances organiques d’origine végétale) extrait des
feuilles de l’Atropa belladona (Belladone), une plante de la famille des Solonacées. Cette substance
est utilisée depuis l’Antiquité pour ses propriétés soit toxiques, soit hallucinogènes. Elle est
également présente chez la jusquiame, ou la mandragore. C’est une substance
parasympatholytique : elle s’oppose aux effets de l’Acétylcholine au niveau des récepteurs
muscariniques. On dit également que c’est un antagoniste des récepteurs muscariniques. Elle s’y fixe
et empêche l’acétylcholine d’y accéder. Sa demi-vie ou période biologique est très longue, car aucun
système de la dégrade rapidement au niveau tissulaire. Des récepteurs « atropinisés » le restent
pendant un long moment.
1.
Atropine seule
L’effet observé (légère augmentation de l’amplitude) résulte surement du fait que le cœur a été
stimulé mécaniquement lors de la manipulation du tuyau de perfusion. On pourrait imaginer
également que de l’acétylcholine était encore fixée à ses récepteurs et exerçait donc son action
inotrope et chronotrope négative : l’atropine aurait alors déplacé l’acétylcholine de ses récepteurs
annulant son effet, remontant ainsi l’amplitude cardiaque. Cette considération est à nuancer par le
fait que l’acétylcholine a normalement une durée de vie très courte dans la fente synaptique par la
présence de l’acétylcholinestérase : il ne devrait plus en rester au moment de la perfusion par
l’atropine.
17
On peut penser qu’il subsiste des libérations résiduelles d’acétylcholine au niveau des terminaisons
nerveuses, ce qui expliquerait l’effet observé.
2.
Effet de l’adrénaline après atropinisation
L’atropine étant un parasympatholytique, elle se fixe sur les récepteurs cholinergiques et non sur les
récepteurs adrénergiques. L’effet observé est donc le même que sans atropine, celle-ci n’ayant
aucun effet sur l’action de l’adrénaline.
3.
Effet de l’Acétylcholine après atropinisation
L’atropine est donc un antagoniste cholinergique qui agit en se fixant sur les récepteurs
muscariniques de l’acétylcholine. L’acétylcholine injectée ne peut donc pas aller se fixer sur ses
récepteurs pour exercer son effet puisque ceux-ci sont bloqués par l’atropine. Les effets chronotrope
et inotrope négatifs ne sont ainsi pas observés. En effet, les récepteurs n’étant pas activés par la
fixation de l’acétylcholine, la dépolarisation membranaire automatique n’est pas affectée ainsi que la
formation des complexe actine-myosine.
IV.
Conclusion
A partir d’un modèle simple, le cœur isolé de grenouille, moins complexe que le cœur de
mammifère, les propriétés contractiles de ce dernier ainsi que leur régulation ont été abordées et
expliquées. Le cœur est un organe qui peut fonctionner indépendamment du système nerveux
autonome, comme c’est le cas chez les personnes greffées du cœur, du moment qu’il reçoit tout les
éléments nécessaires à son bon fonctionnement.
Le système nerveux autonome joue un rôle dans son fonctionnement, en modulant la force de
contraction (inotropie) et la fréquence des battements (chronotropie). Cette modulation à pour
origine les centres nerveux cardiomodérateurs et cardioaccélérateurs du bulbe rachidien. Le système
nerveux parasympathique, par le biais de l’acétylcholine comme dernier neurotransmetteur à pour
rôle de ralentir le cœur et d’amoindrir sa force de contraction. Le système nerveux sympathique, par
le biais de la noradrénaline, a l’effet inverse. L’adrénaline, une hormone qui agit en réponse à un
stress, va avoir les mêmes effets que la noradrénaline.
Dans le cadre de la santé publique, on peut utiliser ces caractéristiques dans le but de soigner des
maladies cardiaques. Par exemple l’insuffisance cardiaque chronique est une maladie dans laquelle le
cœur n’a pas une activité assez forte pour apporter tous les nutriments nécessaires aux différents
tissus. L’organisme met alors en route des systèmes d’adaptations comme la tachycardie pour
maintenir une perfusion tissulaire suffisante. Les traitements modernes visent à diminuer la
suractivation de ce mécanisme (nuisible pour le muscle cardiaque), engendré par une stimulation
trop importante du système nerveux sympathique. Ainsi l’utilisation de médicament antagonistes
des récepteurs β du cœur, appelés β bloquants, va alors empêcher l’action tachycardisante de la
noradrénaline et donc ralentir le cœur.
Schéma de synthèse aurait été judiscieux…
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