Schéma simplifié du cœur de grenouille

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.
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.
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 cardiaquesont de nombreuses similitudes avec les fibres musculaires striées
squelettiques. Cependantla cellule musculaire cardiaque détient des caractéristiques propres à
son fonctionnement.
Les cellules musculaires sont appeléescardiomyocytes (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).
Les
cellul
es 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.
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 striesA 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.
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 faisceaux de myofilaments (4).
On distingue par ailleurs le disque intercalaire (5), liaison entre 2 cellules musculaires.
A. Contraction cardiaque
1. Rappel : Contraction musculaire
Figure 1 : Schéma d'une jonction GAP
Figure 2 : Schéma général de l'organisation des fibres cardiaques

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.

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.
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.
II. Manipulations et résultats
A. Enregistrement normal
Figure 3 : Tracé montrant l'activité contractile du cœur dans des conditions normales