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).
Figure 1 : Schéma d'une jonction GAP
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.
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 faisceaux de myofilaments (4).
On distingue par ailleurs le disque intercalaire (5), liaison entre 2 cellules musculaires.
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.
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
Figure 4 : tracé montrant avec précision les cycles contraction-décontraction du cœur.
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.
Période
Fréquence
Amplitude
3145,5 ms
0,32 / s
19,2 / min
197,23 ms
B.
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.
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.
Amplitude
Période
Fréquence
Fréquence en
(mV)
(ms)
en s-1
min-1
Solution
d’adrénaline
à 5.10-7
avant
pendant
après
219,69
257,13
198,21
3003,21
3068,34
3241,2
0,33
0,33
0,31
19,98
19,55
18,51
Solution
d’adrénaline
à 10-6
avant
211,09
2926,63
0,34
20,50
pendant
250,93
2594,2
0,39
23,13
après
209,99
2641,82
0,38
22,71
On peut calculer le pourcentage d’effet, Pe, de l’adrénaline pour les 2 concentrations.
Pour la solution à 5.10-7,
257,13
Amplitude : Pe = 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)
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
3436,73 ms
0,29 / s
17,4 / min
4375 ms
Pendant
65,36 mV
(moyenne sur
0,23 / s
13,8 / min
l’injection
105 s)
Fin du tracé, 4min
183,2 mV
3890,95 ms
0,26 / s
15,6 / min
après l’injection
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
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.
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.
Amplitude
Période
Fréquence en s-1
Fréquence en min-1
Avant
l’injection
Après l’injection
281 mV
1128 ms
0,89
53,4
322 mV
1188 ms
0,87
52,6
Pourcentage d’effet
Amplitude : Pe = 322 / 281 x 100 = 114 %
Fréquence :Pe = 52,6 / 53,4 x 100 = 98,5 % : pas significatif
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.
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. Celleci peut-êtreméthylée par la dopamine-β-hydroxylase pour donner la noradrénaline qui peut
elle-même être réduite en adrénaline.
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’ouverturede canaux calciques
de la membrane plasmiqueet 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-ciet 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.
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 métabolismesglucidiques
(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-acétyltransférase, 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.
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 muscariniquevaagir sur des canaux
potassiquesKAchprésents 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’adénylatecyclase, 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.
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
effetschronotropeet 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…