p2-ue5-ranouil-physiologie_cardiaque-25-10-16-pdf

UE5 - Ranouil
Physiologie cardiaque
Date :25/10/1016
Promo :2016/2017
Ronéistes :
LAMY Pierre
MARBOIS Simon
I.
Généralités
Histologie
Propagation du PA
Couplage
Contraction
Relaxation
Régulation
Conclusion
Sources d'énergie du muscle cardiaque/myocarde
1.
2.
3.
4.
5.
6.
IV.
Généralités
Rappel anatomique
Electrophysiologie du tissu nodal
Propagation
Régulation
Electrophysiologie des myocytes
Conclusion
Couplage excitation-contraction
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
III.
Dr.RANOUIL
Automatisme cardiaque et tissu nodal
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
II.
16h15-18h15
Généralités
Les substrats
Les mitochondries
Le cycle de Krebs
La chaine respiratoire
Conclusion
Annales
1/25
I. Automatisme cardiaque et tissu nodal
1. Généralités
Le cœur est un muscle automatique, c’est-à-dire il se contracte tout seul.
Cet automatisme est lié à la présence de cellules aux propriétés spécifiques regroupées au sein d’un tissu : le
tissu nodal qui donne au cœur la caractéristique de se contracter spontanément.
Le cœur est donc constitué de deux populations cellulaires :
– les myocytes contractiles, assurant le travail mécanique et donnant l’énergie nécessaire à la propulsion du
sang.
– les myocytes automatiques, assurant l’automatisme cardiaque (moins nombreuses).
2. Rappel anatomique
Le tissu nodal comprend :
- Le nœud sinusal (situé dans la partie haute de l’OD au pied de la VCS) qui a une taille d’environ
15mm de long sur 8mm de diamètre se contractant à l’environ de 100 batt/min et donnant la cadence
au cœur.
- Le nœud auriculo ventriculaire (situé à la jonction des oreillettes et des ventricules, près de la valve
tricuspide dans la partie basse du septum Interventriculaire sur le versant droit) avec une fréquence
de 60-70 batt/min.
En raison de son emplacement, on peut accéder à sa physiologie en mettant des sondes dans la cavité
droite par exemple.
- Le faisceau de His dont le tronc chemine dans le septum IV et se divise en deux branches : droite et
gauche. Il faut savoir que le ventricule gauche est plus important, il occupe 2/3 de l’espace
ventriculaire total. Donc la branche gauche va encore se subdiviser en 2 hémi-branches : la première
branche est pour le bloc antérieur (HBAG pour hémi-branche antérieure gauche) et la seconde est
pour le bloc postérieur (HBPG pour hémi-branche postérieure gauche).
- Le réseau de Purkinje complète le maillage en s’enfonçant dans l’épaisseur du myocarde
ventriculaire de façon à amener l’activité électrique au plus près des cellules de l’ensemble du muscle
cardiaque en particulier pour les cellules des ventricules qui assurent l’essentielle de l’activité
musculaire cardiaque.
3. Electrophysiologie du tissu nodal
La fréquence de dépolarisation du NS est de 100 battements/min.
Le nœud AV a une fréquence de dépolarisation plus lente 60-70 battements/min. Cette fréquence est définie
en partie par la génétique. Il joue un rôle de frein à l’activité du NS.
En situation normale le NS impose sa fréquence à l’ensemble du cœur car il est situé plus en hauteur, les
autres éléments s’y adaptent.
Le faisceau de His et le réseau de Purkinje assurent une conduction rapide de la dépolarisation à l’ensemble
du myocarde ventriculaire à la vitesse d’au moins 1 m/s.
Les cellules sont chargées négativement, cette charge se traduit par une différence de potentiel (DDP) entre
l’intérieur et l’extérieur de la cellule de -70 à -90mv.
Cette DDP est liée à des échanges de Na+, K+, Cl-, Ca2+ permanents, par des phénomènes passifs (gradient
de concentration) mais aussi actifs avec des pompes échangeuses d’ions qui fonctionnent grâce à l’énergie
fournie par l’ATP. C’est une forme d’équilibre instable qui permet aux cellules à un moment donné d’être
dans un état excitable.
2/25
Les cellules du NS ont une dépolarisation automatique spontanément (sans influx initiateur), ces propriétés
s’expliquent par une courbe de potentiel de membrane particulière.
Le potentiel de repos est instable spontanément, il oscille entre -90 mV et -70 mV (pas horizontale mais
légèrement ascendant sur un graphe). A partir de la valeur la plus négative du potentiel de membrane
(appelé potentiel diastolique maximal), la cellule se dépolarise lentement jusqu’à un certain seuil (= pente
diastolique), niveau à partir duquel la dépolarisation va être brutale.
Cette propriété de dépolarisation spontanée et permanente est liée à la présence d’un canal particulier appelé
canal if ou funny échangeur de Na+, pour l’entrée de Na+ dans la cellule. Ce canal est inhibé par le césium
et certaines molécules comme l’Ivabradine. Ces molécules sont utilisées pour ralentir la fréquence
cardiaque en modifiant la vitesse de dépolarisation spontanée du NS dont les cellules seront moins vite
dépolarisées. Ce ralentissement permet de diminuer la consommation en oxygène du myocarde ce qui peut
avoir un intérêt dans certaines pathologies comme les cardiopathies.
Comme le potentiel de repos est instable il va augmenter progressivement et lorsqu’il atteint le potentiel
seuil, puis sous l’action de ce canal funny, il y a ouverture de canaux calciques voltages dépendants (ne
s’ouvre qu’à partir d’une certaine valeur du potentiel) et une entrée massive de Ca2+ dans la cellule ce qui
entraine une dépolarisation rapide de la cellule.
Ainsi, on observe un potentiel d’action réel de la cellule avec une entrée de Ca2+ puis le Na+ ce qui entraine
une dépolarisation de la cellule qui était majoritairement négative et qui devient donc positive.
Les cellules du tissu nodal ne présentent pas de phase de plateau, la repolarisation débute dès le pic atteint et
correspond au retour à l'état de départ par sortie du K+ de la cellule, la cellule retrouve alors son potentiel de
membrane de départ (potentiel diastolique maximal) et peut donc débuter un nouveau cycle.
3/25
On a :
- le potentiel diastolique maximum qui correspond à l'état de base de la cellule instable,
- puis la dépolarisation lente instable qui est spécifique aux cellules du nœud sinusal avec une pente liée aux
canaux if,
- puis le seuil est franchi donc on a une ouverture des canaux calciques et sodiques et la genèse d'un potentiel
d'action permettant à la cellule de devenir fortement positive,
- puis absence de plateau, on a la repolarisation avec une sortie de K+ permettant à la cellule de revenir à son
potentiel diastolique maximum pour recommencer un cycle.
.
Donc la cellule va se dépolariser régulièrement à une fréquence prédéfinie par certains éléments notamment
génétique mais pas seulement. C’est cette fréquence de dépolarisation c’est-à-dire le temps qui sépare 2
potentiels d’action qui va définir la fréquence cardiaque de repos du nœud sinusal qu’il va imposer à
l’ensemble des autres cellules du myocarde.
4. Propagation
Le potentiel d'action ainsi généré au niveau du nœud sinusal par cet automatisme va se propager aux cellules
musculaires car le NS et le myocarde sont en contact de façon continue. Il y a donc une propagation du
potentiel d’action de proche en proche aux autres cellules.
La propagation commence avec les cellules en contact avec le nœud sinusal : les myocytes auriculaires, puis
elle continue de proche en proche et arrive au nœud auriculo-ventriculaire. Ce nœud a un rôle de ralentisseur
de la fréquence cardiaque. L’influx continue de se propager à travers les fibres du tissu nodal avec le tronc
du faisceau de His avec ses 2 branches (droite et gauche) qui correspondent à des voies de conduction
rapides de la base vers la pointe. Puis ça se disperse dans le myocarde grâce au réseau de Purkinje en
particulier dans les ventricules pour qu’ils puissent se contracter de manière coordonnée, synchrone et
symétrique. Et enfin, à l’intérieur du myocarde par des cellules musculaires de proche en proche (myocytes
ventriculaires).
S’il y a un problème de conduction, les 2 ventricules ne se contractent pas en même temps ce qui peut
aboutir à des déficiences mécaniques qui peuvent se traduire en clinique par des symptômes comme
l’essoufflement.
4/25
- Nœud sinusal : potentiel instable (120 coups/min)
- Nœud auriculo-ventriculaire : les cellules du NAV ont les mêmes propriétés que les cellules du NS mais à
leur état de base sans stimulation du NS, elles ont une fréquence de dépolarisation un peu plus lente. Si le
NS donne le tempo, elles vont suivre son rythme et se contracter à la fréquence prédéfinie.
- Cellules du myocarde (auriculaire et ventriculaire) : il y a une stabilité du potentiel de membrane au repos
car elles ne sont pas douées d’automatisme, lorsqu'elles sont stimulées par une impulsion des cellules
automatiques, elles se dépolarisent puis se contractent. On notera la présence d’un plateau inexistant au
niveau du SN et du NAV.
Donc l’intégrité de ce système est indispensable au bon fonctionnement du muscle cardiaque car lorsque le
tissu nodal est défaillant cela aboutit au décès du patient ou à la mise en place d’un pace maker (appareil
électrique qui va délivrer une impulsion et va venir remplacer l’automatisme cardiaque qui est défaillant
pour des raisons variées comme des pathologies ou le vieillissement).
5. Régulation
L’activité du NS est modulée par le SNA (vie végétative), en effet les cellules du NS reçoivent de
nombreuses afférences des nerfs sympathiques et parasympathiques.
Ci-dessous, le centre parasympathique qui est cardio inhibiteur ou modérateur et entraine le ralentissement
de la fréquence cardiaque par l’intermédiaire du nerf pneumogastrique ou nerf vague (X). En effet le nerf
vague a un impact sur le nœud sinusal en le ralentissant dès que la synapse cholinergique fonctionne à
l’acétylcholine dans le bulbe rachidien.
Le centre orthosympathique est stimulateur, il a un effet accélérateur, tachycardisant. Il agit par
l’intermédiaire d’une première synapse dans la moelle épinière dorsale et ensuite avec un relais
ganglionnaire qui a une première connexion cholinergique et une deuxième connexion adrénergique avec de
l’adrénaline. C’est la modulation de ces 2 systèmes agissant de manière concertée qui va définir la fréquence
cardiaque qui va être propre à chaque individu en fonction des circonstances, par exemple lors d’un stress la
stimulation orthosympathique l’emporte (accélération de la fréquence cardiaque) alors que dans le cas d’un
mal du transport la stimulation parasympathique l’emporte (ralentissement de la fréquence cardiaque, pâleur,
nausées, vomissement).
5/25
Au niveau du cœur, il y a des capteurs présents principalement au niveau du glomus carotidien mais aussi
au niveau de l'aorte qui agissent comme des nerfs « sensitifs » et indiquent notamment la pression, le pH,
l’acidité du sang et permettent en fonction de la demande métabolique d'informer les centres médullaires
(cardio modulateurs et cardio excitateurs), c’est pour cela que lors d’une hypoxie le cœur s’accélère par
exemple. Cela permet au cœur d’adapter sa fréquence cardiaque, sa force de contraction, etc.
Cette régulation se fait soit par la stimulation des récepteurs Béta adrénergiques (système sympathique)
soit par la stimulation des récepteurs à Acétylcholine essentiellement muscarinique et atropinique. La
stimulation des récepteurs Béta adrénergiques par libération d’adrénaline aboutit à une accélération du
rythme sinusal par accélération de la pente diastolique du potentiel instable, le seuil est plus rapidement
franchi donc le temps pendant lequel la cellule est non dépolarisée est plus court. Il y a également un
accroissement du courant calcique L (dépolarisation plus rapide) et du courant potassique (= repolarisation
plus rapide) pour que la cellule puisse être excitée plus rapidement. Les cycles peuvent donc s’enchainer
plus rapidement.
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Ici, la courbe 1 est la courbe normale de départ. Si l’on accélère le rythme cardiaque sous l’effet du système
sympathique, plusieurs mécanismes sont possibles :
-
Le premier consiste à abaisser le seuil de stimulation en le faisant passer du niveau A au niveau B.
Ce niveau étant plus bas le seuil sera plus rapidement franchi, la cellule se dépolarisera donc plus
rapidement. Au lieu de se dépolariser à -70mV, elle dépolarisera à -80mV : le laps de temps sera
ainsi plus court. Par exemple au lieu d’1 seconde elle sera de 0.8 seconde (= courbe 4). Donc la
fréquence cardiaque sera plus rapide et au lieu d’être de 60bpm elle sera de 85bpm.
-
Le second mécanisme est d’augmenter la vitesse de dépolarisation diastolique en modifiant la pente
de dépolarisation, la courbe sera plus aiguë que la 1 : donc la dépolarisation spontanée lente (passage
de -70mV à -60 mV) est plus rapide, on franchit plus vite le seuil A. La FC (fréquence cardiaque) est
plus rapide car le PA (potentiel d’action) est atteint plus rapidement (= courbe 2).
-
Enfin, on peut aussi modifier le potentiel diastolique maximum, c’est-à-dire qu'on part d'une moindre
négativité, on a une plus grande facilité à franchir le seuil du potentiel d'action. Mais c'est une
dépolarisation partielle.
Avec ces mécanismes cellulaires on constate une extraction du calcium diminuée, une dépolarisation
partielle plus rapide, des catécholamines qui agissent pour augmenter la vitesse de dépolarisation où une
intoxication avec un médicament qui s’appelle la digitaline (à dose thérapeutique il diminue la fréquence
cardiaque mais à une dose trop importante il a un effet inverse). Donc il y a de nombreuses solutions
ioniques qui entrainent une modification du rythme cardiaque.
7/25
Ici, la courbe 1 est la courbe normale de départ. Si l’on diminue le rythme cardiaque sous l’effet du système
parasympathique, plusieurs mécanismes sont possibles :
- Pour la solution de la courbe 4, on augmente le seuil qui passe de A à B (où B est moins négatif que A).
Donc il faudra plus de temps pour le franchir ce qui ralentit le rythme cardiaque.
- Pour la courbe 2, on diminue la vitesse de dépolarisation, par conséquent on prendra plus de temps pour
arriver au seuil A ce qui diminue la fréquence cardiaque.
- Pour la courbe 3, on a une polarisation diastolique maximale plus négative/basse donc il est évident que
pour passer de -100 à -70 on prendra plus de temps que pour passer de – 75 à – 70.
On voit que l’acétylcholine utilise deux mécanismes pour ralentir le rythme cardiaque : la modification de la
vitesse de dépolarisation diastolique et la polarisation diastolique maximale permettant ainsi d’avoir un
franchissement de seuil retardé et une fréquence cardiaque ralentie.
2 médicaments anti-arythmiques : digitaline et quinidine qui à dose curative permettent la diminution de la
fréquence cardiaque mais qui sont peu utilisés aujourd’hui en clinique.
6. Electrophysiologie des myocytes
Les myocytes contractiles ont eux un potentiel de repos stable, ils ne sont dépolarisés que par une
dépolarisation imposée par les cellules du tissu nodal ou par contact direct avec une cellule contractile
déjà excitée. Ils ne sont donc pas doués d'automatisme.
Les myocytes ont un PA différent avec d’emblée une dépolarisation maximale très rapide (quasi verticale)
qui provient d’une entrée de Na+ par des canaux voltages dépendants en très grande quantité (l’entrée du
courant Na+ est à la fois très intense, très brutale et très courte avec une loi du « tout ou rien »). Ensuite une
fois que la cellule est dépolarisée, des courants repolarisants de Ca2+ et surtout de K+ vont progressivement
ramener la cellule à son état de base, état qui est stable pour attendre à nouveau une nouvelle stimulation car
le cœur se contracte en permanence.
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Le potentiel de la cellule musculaire est représenté ici avec la loi du tout ou rien. Les stimulations 1 et 2 sont
inférieures au seuil donc il ne se passe rien. La stimulation 3 arrive au potentiel seuil qui est ici de – 70 mV
donc on a une entrée massive de Na+, la cellule devient très fortement positive. Ensuite on a une
dépolarisation rapide, puis un plateau suivie d’une dépolarisation plus rapide avec un retour au potentiel de
membrane de repos qui est stable et qui attend une nouvelle dépolarisation.
- Phase 0 : dépolarisation rapide (entrée brutale de Na+ qui va être plus faible ensuite)
- Phase 1 : repolarisation précoce (sortie de K+ par canal It0) qui ne dure pas, stabilité plateau. Action de
Na+
- Phase 2 : dépolarisation en plateau (sortie K+ et entrée de Ca2+ par canaux L et T)
- Phase 3 : repolarisation (sortie K+)
- Phase 4 : retour au potentiel stable des membranes
Résumé des 4 phases ci-dessus
/!\ Il faut juste bien comprendre qu’il y a deux types de cellule :
- Celles avec un potentiel instable caractérisées ici par un aspect de repos
- Celles avec un potentiel stable caractérisées par l’horizontalisation du potentiel et qui ont la nécessité
de recevoir une impulsion pour pouvoir se contracter alors que les autres n’en n’ont pas besoin.
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La cellule du tissu nodal va se dépolariser spontanément et une fois qu’elle s’est dépolarisée, elle va
dépolariser la cellule musculaire et lorsque cette cellule est dépolarisée, elle se repolarise. Lors de cette
repolarisation elle a 2 périodes particulières :
- PRA = période réfractaire absolue : temps durant lequel la cellule ne peut pas être à nouveau excitée.
- PRR = période réfractaire relative : temps au bout duquel la cellule peut être excitée par un stimulus
mais soit le stimulus devra être plus important soit la réponse sera plus faible, car la cellule n'est pas revenue
à son niveau de base. Cette période est plus courte et se situe à la fin de la repolarisation.
La PRA dure jusqu'à la fin de la phase 3 à peu près (impossible d’exciter la cellule). Une fois la PRA
terminée, on entre dans la zone de la PRR (un stimulus peut entrainer une réponse : s’il est très précoce, il
entrainera une réponse faible, s’il est un peu plus tardif, la réponse sera un peu plus élevée mais elle n’est
pas encore complète). Ce n’est qu’à la fin de la PRR qu’on peut retrouver un PA normal.
7. Conclusion
Les caractéristiques électrophysiologiques originales des cellules du tissu nodal expliquent le
fonctionnement automatique du cœur (dépolarisation spontanée). Il reçoit des afférences centrales et
périphériques essentiellement par les systèmes parasympathiques et sympathiques qui permettent
l'adaptation de la fréquence et de la contraction cardiaque aux besoins de l'organisme.
10/25
II.
Couplage-Excitation-Contraction
1. Généralités
Couplage excitation-contraction = transformer l’énergie électrique en énergie mécanique.
La contraction du muscle cardiaque résulte de la contraction automatique de chaque unité élémentaire : les
myofibrilles.
L'activation des myofibrilles provient de l'automatisme des cellules du tissu nodal.
Le myocarde est un muscle strié un peu particulier, son unité de base est la cellule musculaire myocardique
qui mesure entre 50 et 100 microns. Elle possède une membrane, un noyau central, des mitochondries, un
sarcoplasme, des capillaires en grand nombre, des protéines contractiles spécifiques (présentes que dans le
muscle cardiaque) qui permettent au muscle cardiaque de se contracter pendant des dizaines d’années avec
une très bonne efficacité. Il y a également du tissu conjonctif d’emballage qui peut avoir une importance
dans certaines pathologies.
Les cellules musculaires sont regroupées sous forme de myofibrilles qui sont des unités longitudinales. Il y a
de nombreuses mitochondries car le tissu cardiaque est le tissu le plus riche en mitochondries vu qu’il a
toujours besoin d’énergie. I
L y a également de nombreux filaments telles que l’actine et la myosine et le tout est enveloppé dans une
membrane appelée le sarcomère.
11/25
Les myofibrilles sont une succession d’unités fondamentales : les sarcomères reliés les uns aux autres de
manière longitudinale et proche des filaments de myofibrilles, on trouve les apports d'énergie que sont les
mitochondries ainsi que des vaisseaux à proximité.
2. Histologie
La spécificité des cellules myocardiques tient à la présence de protéines contractiles :
- myosine : filament épais
- actine : filament fin
- troponines (3 types)
L'assemblage de ces protéines constitue l'unité de base de la cellule musculaire : le sarcomère.
Le sarcomère est défini par la zone entre deux stries Z (zone où se relie les filaments d’actine), il mesure 1,8
micromètres au repos et 2,3 micromètres lorsqu'il est étiré. On distingue différentes zones : la Bande A
(myosine + actine) et la Bande I (actine, zone où il n’y a que les filaments fins). Un troisième filament (pour
l’élasticité et la rigidité) : la titine relie la strie Z à la bande M qui se situe au milieu de la bande H, de plus
elle assure le rôle de détection de longueur et de tension pour la régulation. La bande H est une zone où il
n’y a que les filaments de myosine.
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Schéma de myofibrilles en coupe longitudinale où l’on visualise les relations entre les mitochondries, les
invaginations de la membrane qui descendent dans la profondeur près de la strie Z (= tubules T transverses),
les citernes du réticulum sarcoplasmique = citernes ou tubules L (latéraux) situés sur le côté et qui se
répartissent tout le long des myofibrilles, proches des filaments d’actine et de myosine.
Sur ce schéma, on constate que la strie Z est un point d’ancrage où il y a l’insertion de la titine et de la
myosine.
• Myosine :
- Protéine hexamèrique (6 sous-unités) : 2 sous-unités lourdes (MHC pour myosine heavy chain), 2 paires de
sous unités légères (MLC pour myosine light chain) : 1 essentielle (MLC1) et 1 régulatrice de l’activité
mécanique (MLC2). Elle est schématisée par une crosse de hockey.
- La tête de la myosine est formée de l’extrémité N-terminale et porte un site de fixation pour l’ATP
(pour l’hydrolyse d’ATP) qui sert d’apport d’énergie et un site de fixation pour l’actine.
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• Actine :
- Il est représenté par 2 chaines hélicoïdales qui s’entrecroisent.
- Il est formé de l’actine G globulaire et l’actine F filamentaire.
- Dans la gouttière de l’actine F on trouve une molécule de tropomyosine : elle participe à la rigidité et à la
stabilité de l’actine ainsi qu’à la régulation de la contraction en bloquant l’interaction avec les têtes de
myosine. C’est une sorte de masquage du site d’action : le site n’étant pas visible, la tête de myosine ne
prend pas appui dessus.
• Troponine :
- Elle est constituée de 3 sous-unités qui régulent la contraction :
 Tn I : inhibe l’action de l’actine et la contraction
 Tn C : fixe le calcium
 Tn T : se fixe à la tropomyosine.
Lors d’un infarctus une cellule détruite libère son contenu notamment les protéines contractiles comme la
troponine dans le sang. Ainsi, en dosant la troponine, on va avoir la certitude que des cellules cardiaques ont
été détruites ce qui permet d’affirmer ou d’infirmer un certain nombre de diagnostic. En temps normal le
taux de troponine dans le sang est extrêmement bas.
3. Propagation du PA
Le potentiel d’action se propage par l’intermédiaire du tissu nodal et des cellules musculaires par contiguïté
et contact direct.
La propagation par contiguïté est facilitée par l’organisation du muscle en syncytium : les fibres se
terminent par des disques intercalaires en continuités avec le sarcolemme.
On note la présence de gap jonctions (Nexus) et desmosomes entres les membranes des cellules au niveau
des disques intercalaires qui permettent le contact et le passage rapide de la propagation du PA par
l’intermédiaire de canaux ioniques (canaux K+, Ca2+, Na+) alors que les membranes, normalement formées
de phospholipides, sont beaucoup plus étanches aux ions et rendent le passage beaucoup plus lent et difficile.
Ces canaux de jonction sont formés par des protéines qui réalisent des sortes de pores qui permettent de faire
passer des ions par des canaux généralement hydrophobes.
Au niveau des disques intercalaires la membrane est moins épaisse, ce qui permet un échange d’ions facilité.
En effet, on observe un phénomène de Gap (« trou ») qu’on peut schématiser sous la forme de protéines
assemblées les unes aux autres et qui constituent un passage en ligne direct au travers de la double couche
phospholipidique qui constitue la membrane de chacune des cellules.
14/25
4. Couplage
Une fois l'activation propagée, il faut réussir à transformer une activité électrique en une activité mécanique,
c'est le couplage.
Le couplage excitation-contraction assure la transformation du stimulus électrique (le potentiel d’action) en
un signal intracellulaire qui permet la contraction de la cellule = phénomène mécanique.
Et ce couplage met en jeu plusieurs récepteurs qui vont agir de façon plus ou moins coordonnée.
La dépolarisation membranaire (le potentiel d'action qui s'est propagé de proche en proche) entraîne
l’ouverture du canal calcique L (=CCL) voltage dépendant aussi appelé DHPR (=CCL) pour récepteur à la
dihydropiridine. Les dihydropiridines sont des médicaments vasodilatateurs et des antihypertenseurs
principalement (parce qu'ils modulent l'action du calcium et donc la contraction cellulaire au niveau des
vaisseaux), certains d’entre eux diminuent la fréquence et la contraction cardiaque.
Le canal s’ouvre, le calcium entre alors dans la cellule mais il n’est pas suffisamment important en volume
(en quantité) pour permettre la contraction. Il faut donc un 2e élément, un phénomène d’amplification
caractérisé par un récepteur, celui à la ryanodine (RYR) qui est situé à côté du DHPR sur le réticulum
sarcoplasmique qui est le lieu de stockage du Ca2+. Lorsque le Ca2+ se fixe sur le RYR, ce dernier s’ouvre
et libère cette fois-ci une grande quantité de calcium dans le cytosol de la cellule musculaire. L’entrée de
calcium va alors permettre la réalisation de la contraction par l'action du calcium qui va interagir avec la
myosine, l'actine et la troponine (Ce calcium va se fixer sur les protéines contractiles en particulier la
troponine C) ce qui permettra la contraction musculaire cardiaque. Ce phénomène est un phénomène auto
catalytique ou auto induit par le CICR (Ca induced - Ca release : fait que la libération de Ca2+ augmente
l’activité d’un récepteur qui favorise la libération massive et brutale de Ca2+ par le réticulum
sarcoplasmique  phénomène d’auto amplification).
NB : les deux récepteurs sont situés côte à côte pour des raisons d’efficacité et c’est la modification de
conformation du premier récepteur (DHPR) qui vient entraîner la sortie de calcium qui va jouer un rôle sur
la déformation du deuxième récepteur qui lui va faire rentrer des doses plus importantes de calcium.
Le potentiel d'action chemine a la surface de la membrane , il rencontre le récepteur au DHP (qui est situé au
niveau des tubules T au niveau des diades) qui vient d'un milieu extracellulaire et qui descend dans la
profondeur de la cellule et qui vient se mettre au contact du réticulum sarcoplasmique (lieu de stockage du
calcium)(Histologie importante , car c'est parce que il y a une proximité géographique entre le DHPR, situé
au niveau des tubules T, et le RYR, situé sur le réticulum sarcoplasmique et dont l'activation entraîne une
15/25
libération d'une grande quantité de calcium et permet la contraction, qu'il peut y avoir une interaction entre
ces 2 récepteurs)
L'excitation chemine donc à la surface des tubules en T, et la contraction (le tout se faisant grâce à ces 2
récepteurs principalement, et le relargage de façon majeur de calcium). Une fois que le calcium est était
relarguer et utiliser, pour permettre une nouvelle contraction il va être recapter depuis le cytoplasme vers le
réticulum sarcoplasmique par l’intermédiaire d'une protéine qui s'appelle SERCA(=SERCA1) (voir 6
Relaxation), évidemment tout sa consomme de l'ATP. Ainsi, le recaptage (= la relaxation) en elle-même est
coûteuse d’énergie, donc c'est un phénomène ACTIF.
Le couplage permet donc la transformation d'une activité électrique en mouvement mécanique par
l'intermédiaire de potentiels d’actions, de 2 récepteurs qui agissent de façon coordonnée et d'un certain
nombre d'échange d'ions (calcium principalement, mais aussi sodium et potassium, mais calcium rôle
majeur). Le calcium libérer, va venir interagir avec les filaments d'actine et de myosine. La libération se fait,
à l'endroit où il y a un contact entre l'actine et la myosine c'est-à-dire essentiellement au niveau de la bande
M et donc de la bande H.
Il y a aussi une interaction avec les mitochondries qui fournissent l'énergie, celles-ci sont très volumineuses,
nombreuses et au contact des myofibrilles. Ainsi, l’énergie produite et la libération du calcium permettent
l'activité mécanique.
Le Ca2+ ainsi libéré (du réticulum) va se fixer sur la troponine C et lever l’inhibition de la troponine I par
rotation. Ceci permet le pivotement du complexe actomyosine sur les filaments d’actine et la prise de
contact entre les têtes de myosine et l’actine par démasquage du site de liaison. Les têtes de myosine peuvent
venir en contact avec l’actine, ces têtes de myosines possèdent une extrémité N terminale avec un site
catalytique de l’ATP, celui-ci est alors hydrolyser (ADP+Pi+Énergie) ce qui produit l’énergie nécessaire à la
bascule des têtes de myosine et un raccourcissement du sarcomère qui permet la contraction de la cellule
musculaire (et donc d'une activité mécanique).
Analogie avec moteur de voiture : Activité électrique déclencher par l’étincelle faite par la bougie (elle
même produite au départ par l’énergie électrique lié à la batterie), puis explosion du mélange lié à l'action
des pistons qui vont ainsi transformer une activité électrique en une activité mécanique grâce à l'essence et
de l'oxygène.
16/25
Rq : sur schéma ci-dessus, tête de myosine non représenter.
myosine ATP
calcium
Troponine I
Troponine C
Troponine T
Actine
Tropomyosine
La troponine I empêche le filament globulaire d'être libre, le calcium arrive et se pose sur la troponine C,
d’où basculement du complexe des troponines, d'où arrêt de l'inhibition de la troponine I, donc actine
globulaire est libre d'être mis en contact avec la tête de myosine. La tête de myosine possède de l’ATP, cet
ATP est clivé (ADP+Pi+Énergie) cette énergie permet le basculement de la tête de myosine qui revient en
arrière, d'où raccourcissement du sarcomère. De ce fait, le muscle cardiaque ce contracte.
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5. Contraction
La bascule des têtes de myosine entraîne le glissement des filaments d’actine et de myosine. Le sarcomère se
raccourcit : l’espace entre les deux stries Z diminue. La force ainsi développée dépend du nombre de pont
actine myosine formés et du degré de recouvrement des filaments.
La force développée dépend directement de la concentration de Ca2+ dans la cellule ainsi que de la quantité
de filaments d'actine-myosine formés, et de l’énergie disponible. Plus il y a de ponts formés plus la
Troponine C est affine pour le Ca2+. Pour chaque battement cardiaque seul une petite partie (25%) des ponts
qui sont efficace (il y a donc une réserve contractile, on peut donc recruter des ponts et donc augmenter notre
force, ceci est vrai pour la plupart des organes (poumons, etc.)).
6. Relaxation
La relaxation est très importante car pour faire de la contraction, il faut que le muscle soit relâché.
La relaxation correspond au retour du sarcomère à sa longueur initiale (à son état de base). Elle résulte du
recaptage du calcium par des pompes : SERCA (sarco/endoplasmmic reticulum Ca2+ ATPase) situées sur la
membrane du réticulum sarcoplasmique, donc recaptage du calcium en présence d’ATP (donc coût
énergétique). Ces pompes sont donc consommatrices d’énergie (moins que la contraction). Le calcium est
ensuite séquestré par différentes protéines : calsequestrine, calreticuline, sarculemine (possibilité de devenir
un jour la cible de médicaments car leurs anomalies entrainent des pathologies comme les cardiopathies qui
sont des dysfonctionnements musculaires myocardiques d’origine génétique).
La première étape dans une souffrance cardiaque est une diminution de la relaxation.
C'est un phénomène ACTIF.
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7. Régulation
Il existe de nombreuses régulations de la contraction :
- Par la longueur : Loi de Franck-Starling (longueur/force de contraction et la fréquence, cad que la
fréquence va influencer la force).
- Neuro hormonale.
• Loi de Franck Starling :
- La déformation par le remplissage du ventricule est transmise aux myofibrilles et modifie leurs propriétés.
- C’est une relation tension/longueur.
- Elle s’explique par le changement du nombre de ponts actine myosine pouvant se former en fonction du
nombre de recouvrement des filaments. On peut avoir une plus grande action : plus un muscle est étiré,
plus sa propriété à se contracter est importante et plus on peut développer une force importante (car
une cellule garde le même volume , donc une cellule qui s'étire va entrainer une baisse de son
épaisseur (mais une augmentation de sa longueur) et donc un rapprochement des filaments d'actines
et de myosine , ce qui favorise un certain nombre d'action mécanique , de plus la sensibilité au calcium
dépend du chevauchement qui existe entre les différents espaces inter filamentaires avec rôles de
protéines (non détaillé)). Mais cette propriété n’est pas valable indéfiniment, en effet s’il y a une trop
grande distension on peut avoir une déchirure.
- Cependant la relation tension/longueur s’explique aussi par une plus grande sensibilité des myofilaments
au calcium.
• Force fréquence : potentialisation de la force liée à la durée de la diastole. Rôle de la quantité de Ca2+
disponible et fraction libérée du RS. Si on a une fréquence cardiaque élevée, on va avoir une diastole courte,
et donc la capacité à recapter du calcium sera de plus en plus faible. Donc la capacité de remobilisation sera
aussi plus faible ainsi que la capacité à se contracter. Simplement, plus la fréquence est élevée, plus la
période de relâchement est courte et donc plus il est difficile d'obtenir une contraction. Et inversement, plus
le relâchement est lent (cad plus la diastole est longue), plus c'est facile d'obtenir une quantité de calcium
disponible importante et donc de favoriser une nouvelle contraction.
• Régulation hormonale :
- La stimulation béta adrénergique (essentiellement) par l’adrénaline influe sur la contraction cardiaque en
particulier avec l’activation d’une protéine G (sous membranaire) d’où la production d'AMPc qui
phosphoryle le DHPR (=CCL) ce qui conduit à une ouverture plus ou moins longue du canal calcique et
cette ouverture plus ou moins longue du canal calcique va moduler la stimulation des autres facteurs cad du
RYR et donc de la mise a disposition du calcium (d’où une intensité de contraction plus ou moins
importante.) Ainsi, on peut moduler notre contraction mécanique musculaire par l'utilisation d'hormones qui
agissent sur des récepteurs membranaires qui viennent agir ensuite sur des récepteurs interfèrent avec le
calcium.
- Le phospholamban (situé dans le réticulum sarcoplasmique) qui permet la dissociation de la protéines
SERCA (inhibe les pompes SERCA) (SERCA recapte le calcium). Ainsi, lorsqu’il y a une dissociation, la
recapture du calcium est augmentée, donc le calcium rentre plus vite dans le réticulum sarcoplasmique, donc
plus à même d'être réutiliser, donc relaxation de meilleure qualité, donc une capacité (ou une qualité) de
décontraction qui va être meilleur. Ainsi modulation très importante de la contraction musculaire possible.
- La stimulation, par le système rénine angiotensine (aldostérone) et l'endothéline, qui sont des molécules qui
interviennent principalement au niveau de la tension artérielle, mais qui vont avoir un rôle aussi sur
l'hypertrophie des cellules, sur la production d’énergie, sur la fibrose musculaire et donc qui vaut modifier la
contraction cardiaque. Ce sont des enzymes produites par le foie (angiotensine et l’endothéline) et le rein
(rénine), participe à la régulation. Ces enzymes vont agir sur la contraction cardiaque et la contraction
musculaire des vaisseaux qui vont modifier des caractéristiques de régulation sur des longues durées
(semaines à mois) contrairement à l’adrénaline qui a une régulation plus immédiate.
 Cette régulation se fait par l’intermédiaire de médiateurs intracellulaires qui sont des dilatateurs sous
membranaires ou membranaires.
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Le système orthosympathique accélère le rythme cardiaque et augmente la contraction : l’adrénaline (et
NorAdrénaline) se fixe sur son récepteur, puis il y a activation de la protéine Gs (stimulatrice) qui entraine la
production d’AMPc. L’AMPc agit sur le récepteur IF (des cellules du nœud sinusal) en augmentant l’entrée
de Na+ qui influence le rythme cardiaque et en agissant sur le canal calcique DHPR en augmentant la
concentration en Ca2+ ce qui influence directement la contraction.
Le système parasympathique (cholinergique) lui va inhiber la protéine G.
8. Conclusion
La contraction des cellules musculaires cardiaques provient du glissement des filaments d'actine et de
myosine. Ce mécanisme est finement régulé par des boucles de rétrocontrôles complexes (qui font intervenir
les hormones, la tension, le calcium, etc.). Le calcium y joue un rôle fondamental par l’intermédiaire de deux
récepteurs. Elle nécessite de l'énergie fournie sous forme d'ATP issue de la phosphorylation oxydative,
c’est à dire de la respiration.
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III. Sources d’énergie du muscle cardiaque/myocarde
1. Généralités
Le cœur est un des organes les plus oxydatifs de l’organisme (0.4% du PDC (= Poids du corps) avec 250g à
300g mais 11% de la consommation d’O2) : c’est celui qui a une des plus grandes consommations d’oxygène
car il se contracte en permanence (il fonctionne sous un mode actif et permanent). Ses réserves en oxygène
sont très faibles et ne permettent que quelques secondes d’autonomie (maximum 1min d’énergie ce qui
équivaut à 60-75 battements) : il n’a pas de possibilité de le stocker. Il fonctionne donc selon le principe du
flux tendu (= commande permanente d’ATP car impossibilité de stocker l’oxygène), donc des dégâts
irréversibles.
2. Les substrats
Le cœur est capable d’utiliser tous les substrats endogènes (glycogène, corps cétoniques, acides aminés...) ou
exogènes (lipides, glucose, lactates…) pour fournir l’énergie nécessaire à sa contraction ce qui explique que
c'est l'un des organes à s'arrêter dans les derniers. Le manque d’énergie est donc très rare, même si on
s’arrête de manger. L’oxygène dans l’air est nécessaire au cœur pour pouvoir utiliser les différents substrats
afin qu’ils fournissent de l’énergie. A l’état normal la majeure partie de l’énergie provient de la Béta
oxydation des acides gras, de la phosphorylation oxydative du glucose (glycolyse aérobie) et du lactate.
Au repos (à l'état physiologique), l’oxydation des acides gras représente plus de 60% de l’énergie du
myocarde, le glucose 30% et l’acide lactique 10% et un petit peu les corps cétoniques. A l’effort, les muscles
périphériques produisent de l’acide lactique utilisé par le cœur pour produire de l’énergie : l’oxydation des
acides gras libres diminue (ne représente plus que 20% de l’énergie du myocarde), alors que l’acide lactique
augmente (représente 60%), on utilise un déchet des muscles périphériques pour produire de l'énergie (un
peu comme le recyclage). Seul le métabolisme oxydatif est capable de synthétiser à partir des substrats de
l’ATP en quantité suffisante pour assurer ces besoins le tout en présence d’oxygène (le métabolisme
anaérobie n'est pas suffisant pour produire suffisamment d'énergie). Ceci explique la grande dépendance du
myocarde vis-à-vis de l’oxygène. Ainsi le muscle cardiaque est le muscle le plus vascularisé (coronaire puis
capillaires) avec environ 3000 capillaires/mm2 de façon à ce qu’il y ait toujours de l’oxygène au plus près
des cellules musculaires cardiaques. De plus, ça explique aussi le grand nombre de mitochondries qui
servent à utiliser l’oxygène amené par les capillaires pour fournir de l’énergie sous forme d’ATP à partir des
substrats. Chaque hydrolyse d’une liaison phosphate d’ATP libère 7,3 kcal ou 30,5 KJ (énergie qui permet la
bascule des têtes de myosine).
3. Les mitochondries
Elles fournissent les ATP. Elles sont situées dans la cellule musculaire près des tubules en T (contenant du
Ca2+) et près des zones de filaments d’actine et de myosine (près du cytosquelette et des protéine
contractiles) de façon à ce que les interactions soient plus pertinentes et rapides. Ce sont des structures
sphériques ou en bâtonnets. Elles sont constituées d’une double membrane : une membrane externe
juxtaposée à une membrane interne avec des invaginations ; des crêtes et une matrice au centre (de la
mitochondrie). C’est grâce à cette double membrane qu’est produite l’énergie. Elles sont fortement intégrées
à l’architecture cellulaire en raison de ses interactions avec le cytosquelette (filaments d’actine et de
myosine). Les mitochondries représentent à elles seules 35% (plus du tiers) du volume de la cellule
musculaire cardiaque.
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Elles possèdent un ADN mitochondrial (particulier, tout petit, non nucléaire) fait de 16 569 paires de bases
(portant 37 gènes). Il est extrêmement compact et seul 5 % de cet ADN n’est pas codant (donc c'est un ADN
très codant). Ce qui est le contraire de l’ADN nucléaire qui lui est très peu codant et est très volumineux.
Cet ADN nucléaire est transmis uniquement par la mère. Les mutations sont fréquentes et pourraient
expliquer certaines pathologies musculaires : le dysfonctionnement des mitochondries (non capacité à
produire de l'énergie en termes de qualité, de quantité, etc.) serait la source de dysfonctionnement musculaire
(ainsi qu'insuffisance cardiaque par exemple).
La glycolyse cytotoxique aboutit à la formation de pyruvate (et de 2 ATP directs) puis d’acétyl-CoA dans la
mitochondrie. Les acides gras sont transformés dans le cytosol en acyl-CoA ; dans la mitochondrie les
enzymes de la béta-oxydation des acides gras donnent de l’acétyl-CoA. L’acétyl-CoA est ainsi le carrefour
métabolique de la dégradation des sucres et des graisses, nécessaire a l'utilisation du cycle de Krebs. On a
besoin dans un premier temps de dépenser de l’énergie (obtenir un phosphoglyceraldéhyde = PGAL) pour
pouvoir ensuite en libérer en plus grande quantité (par l'intermédiaire du NAD (phénomène d'oxydo
reduction) qui vont permettre de synthétiser des molécules d'ATP ; pour arriver ensuite au pyruvate et a
l'incorporation a l'intérieur du cycle de Krebs) : il y a donc une consommation d’énergie pour arriver dans
une phase d’investissement de l’énergie et ensuite, pour arriver à la formation de pyruvate on a une
formation d’ATP. Quel que soit le substrat utilisé dans le cytosol, on aboutit à la formation d’acétyl-CoA
qui va entrer dans le cycle de Krebs.
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4. Le cycle de Krebs
Le cycle de Krebs aboutit à la formation de molécules de NADH et de FADH2. Ces molécules en présence
d’oxygène vont permettre aux différents complexes de la chaine respiratoire de produire l’énergie (ATP)
nécessaire : ce qui constitue la phosphorylation oxydative ; le but étant de produire de l’ATP, soit de mettre
en stockage du phosphate/phosphore.
5. La chaine respiratoire
Ces molécules (NADH et FADH2) sont oxydées par le complexe I de la chaine respiratoire. Les réactions de
la chaine respiratoire aboutissent finalement à la formation d’eau. Le gradient électrochimique de part et
d’autre de la membrane est créée par l’expulsion de protons (stocker au niveau du NADH et FADH2) de la
matrice dans la zone inter membranaire, au niveau des zones d'invagination, qui est alors fortement acide
avec un pH bas à l’inverse de la matrice où le pH est élevé. Cette expulsion se fait au niveau des complexes
III et IV de la chaine respiratoire (et est couplée au transfert d’électrons dans les complexes I-III-IV de la
chaine respiratoire.), c'est alors au niveau du complexe V que l'on pourra transformer l'ADP en ATP.
L’ATP synthétase (complexe V ou complexe terminal composer de plusieurs sous unités) utilise ce gradient
de protons générer par le cycle de Krebs pour phosphoryler l’ADP en ATP (grâce a des mouvements de
rotation) qui sera la source d’énergie du myocarde : deux protons repassent vers la matrices via l’ATP
synthétase en formant un ATP.
On a donc du NADH2 et du FADH qui sortent du cycle de Krebs pour être utiliser dans la phosphorylation
oxydative, d'où obtention de FAD et NAD+ ainsi que des protons (H+), ces protons sont envoyés vers
l'espace inter membranaire à partir des complexe II, III, et IV en particulier pour le FADH2, et par les
complexe I, III, et IV pour le NADH. Il y a donc une accumulation d'ions H+ au niveau de l'espace inter
membranaire (Donc pH bas, acidité importante), le proton passe alors par le complexe V (ATP synthétase),
l'énergie fournit par le retour du proton permet la formation d'ATP à partir d'ADP + Pi.
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L’ATP (présent dans les mitochondries) est ensuite transportée vers l’espace inter membranaire par le Trans
locateur des nucléotides adénilyques, puis vers le cytosol par le transporteur VDAC (voltage dépendant
anion chanel). Il pourra alors être utilisé pour la contraction musculaire. L’ATP peut également être utilisé
immédiatement par la créatine kinase qui synthétise de la créatine phosphate (ou phosphocréatine) qui est
une forme chimique de stockage de l’énergie (en petite quantité, pas plus d’une minute de réserve
d’énergie).
6. Conclusion
La mitochondrie est le site de production de l'énergie nécessaire au muscle cardiaque. Elle fait intervenir le
cycle de Krebs qui est la voie finale de catalyse des substrats énergétiques (lipide, glucide, protéine). Celuici permet la production d'ATP par la chaine respiratoire en présence d'oxygène. Le rendement du muscle
cardiaque est de 40%, le reste étant perdu sous forme de chaleur ou en produisant des molécules d’eau
(exemple : si on a 1 cal qui est produite, 0,4 cal sera utiliser pour la contraction et le reste sera perdu sous
forme de chaleur etc.). Le rendement du muscle cardiaque est correct, mais loin d'être exceptionnel.
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IV.
Annales 2014/2015
54. L’automatisme des cellules du nœud sinusal est principalement lié au canal :
A. Calcique
B. Potassique
C. du midi
D. Chlorique
E. Canal If
55. Le canal voltage dépendant activé par le potentiel d’action de la membrane des myocytes contractiles
s’appelle :
A. ABCD
B. DHPR
C. ABC A1
D. DPCG
E. MDRT
56. Sur un sarcomère, il existe :
A. La bande H
B. La Bande FM
C. La strie Z
D. La bande I
E. La bande X
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