Introduction
La contraction du muscle cardiaque est un processus complexe et finement régulé, essentiel à la fonction de pompe du cœur. Cette fonction permet d'assurer l'apport sanguin nécessaire aux organes. Cet article explore les mécanismes fondamentaux de cette contraction, en mettant l'accent sur les protéines impliquées, les étapes du processus et les régulations qui permettent d'adapter la force de contraction aux besoins de l'organisme.
Les Protéines Clés de la Contraction Cardiaque
La contraction musculaire repose sur l'interaction de plusieurs protéines, parmi lesquelles :
- L'actine : L'actine monomérique (actine G) est une protéine globulaire qui polymérise pour former des filaments (actine F). Ces filaments sont composés de deux chaînes linéaires enroulées en double hélice.
- La tropomyosine : Cette protéine allongée se lie à l'actine, se logeant dans les sillons de la double hélice formée par l'actine.
- La troponine : Un complexe de trois sous-unités (troponine-T, troponine-I et troponine-C) qui se lie à la tropomyosine à intervalles réguliers le long du filament d'actine.
- La myosine II : Une protéine allongée composée de deux chaînes lourdes et de quatre chaînes légères. Chaque chaîne lourde possède une queue C-terminale fibrillaire et une tête globulaire N-terminale dotée d'une activité ATPasique. Plusieurs centaines de molécules de myosine II s'assemblent pour former un filament épais. Les têtes globulaires dépassent en périphérie du filament et sont disponibles pour se fixer aux filaments d'actine.
La myosine, un moteur moléculaire, interagit avec l'actine. Pour réguler la puissance des contractions du cœur, cet organe ajuste le nombre de moteurs actifs en fonction des besoins. La myosine peut en effet adopter un état « de repos » : l’état séquestré, qui est une structure particulière pour laquelle deux moteurs s’inhibent l’un l’autre. Or personne n’avait jamais vu à quoi ressemblait cet état de près… jusqu’à maintenant.
Le Cycle de Contraction Musculaire
La contraction musculaire est initiée par une augmentation de la concentration intracellulaire en calcium. Au repos, cette concentration est faible (environ 0,1 μmol.L-1), mais elle peut augmenter considérablement lors d'une stimulation (jusqu'à 0,1 mmol.L-1).
Couplage Excitation-Contraction
Ce processus débute par l'arrivée d'un potentiel d'action au niveau de la terminaison nerveuse d'un neurone moteur, déclenchant la libération d'acétylcholine dans la fente synaptique. L'acétylcholine se lie à son récepteur sur la membrane musculaire, entraînant une dépolarisation locale. Cette dépolarisation se propage le long du sarcolemme (membrane plasmique musculaire) sous forme d'un potentiel d'action musculaire.
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La vague de dépolarisation pénètre au cœur de la cellule via les tubules transverses, qui sont en contact étroit avec les citernes terminales du réticulum sarcoplasmique. Dans la membrane des citernes terminales se trouve le récepteur à la ryanodine (RyR), un canal calcique. La dépolarisation de la membrane et l'augmentation de la concentration intracellulaire en calcium, dues à l'ouverture des canaux calciques de type L (DHPR), entraînent l'ouverture du RyR.
L'ouverture du RyR permet la libération massive d'ions calcium stockés dans le réticulum sarcoplasmique, où le calcium est lié à la calséquestrine. Ce mécanisme est appelé « Calcium-Induced Calcium Release ».
Interaction Actine-Myosine
Lorsque la troponine C n'est pas liée au calcium, la troponine I inhibe l'interaction actine-myosine en bloquant le site de liaison de la myosine sur l'actine. La liaison du calcium à la troponine C provoque un changement de conformation de la troponine, déplaçant la tropomyosine et démasquant ainsi les sites de liaison actine-myosine.
La suite des événements peut être découpée en quatre étapes :
- Au repos, la myosine est couplée à de l'ADP et du phosphate inorganique (Pi).
- Le départ du phosphate inorganique, puis de l'ADP, stabilise la liaison actine-myosine et entraîne un changement de conformation de la myosine. L'angle que fait la tête de myosine avec la queue allongée diminue de 90° à 45°. Ce changement de conformation provoque un mouvement relatif entre les filaments d'actine et de myosine.
- La liaison d'une molécule d'ATP à la tête de myosine induit la dissociation de la liaison actine-myosine.
- L'hydrolyse de l'ATP en ADP + Pi entraîne un changement de conformation de la myosine : l'angle formé par la tête et la queue de myosine revient à sa valeur initiale.
Ce cycle de liaison-dissociation se répète tant que la concentration en calcium reste élevée, entraînant un raccourcissement des sarcomères et donc une contraction musculaire.
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Relaxation Musculaire
L'augmentation de la concentration en calcium intracellulaire ne dure que quelques millisecondes. Le temps nécessaire pour ramener le taux de calcium intracellulaire à sa valeur de repos est de l'ordre de 30 ms. La concentration en calcium diminuant, on a dissociation du calcium lié à la troponine C, ceci entraînant le rétablissement de l’inhibition exercée par la troponine I sur la liaison actine-myosine. Le calcium est repompé activement dans le réticulum sarcoplasmique par une Ca2+-ATPase et est également expulsé de la cellule par un échangeur sodium-calcium.
Spécificités du Muscle Cardiaque
L'ultrastructure du muscle cardiaque est similaire à celle du muscle strié squelettique, de même que le mécanisme de la contraction contrôlée par le calcium. Cependant, on trouve dans le muscle cardiaque, des canaux différents de ceux trouvés dans le muscle squelettique, aussi bien dans la membrane sarcolemmale que dans le réticulum sarcoplasmique.
Cellules Pace-Maker
Dans la membrane sarcolemmale des cellules pace-maker, cellules localisées dans le centre générateur des battements cardiaques, on trouve un canal très particulier dit canal de fuite. Ce canal n’est jamais complètement fermé, même si sa conductance est faible, de sorte qu’il laisse en permanence échapper des ions K+ et entrer des ions Na+. Cette fuite entraîne une dépolarisation lente de la membrane plasmique. Lorsque la différence de potentiel transmembranaire passe la valeur seuil d’activation des canaux voltage-dépendants responsables du potentiel d’action, ces canaux vont s’ouvrir, provoquant l’apparition d’un potentiel d’action classique, mais sans intervention d’un neurone excitateur.
Propagation de l'Onde de Dépolarisation
Bien sûr, il faut que ce potentiel d’action soit transmis aux autres cellules musculaires cardiaques. La vague de dépolarisation suit un trajet bien précis. Prenant naissance dans le nœud sinusal localisé au niveau de l’oreillette droite près de l’abouchement de la veine cave supérieure, elle se propage dans tout le myocarde, des oreillettes jusqu’au nœud auriculoventriculaire situé à la jonction oreillettes-ventricules. Après un court délai, cette vague de dépolarisation va se propager le long du septum auriculoventriculaire via le tronc du faisceau de Hiss, la branche droite et la branche gauche, les fibres de Purkinje, et enfin dans tout le myocarde ventriculaire à travers les cellules musculaires.
Différences Moléculaires
On trouve dans les cardiomyocytes des isoformes spécifiques du RyR (RyR2 au lieu de RyR1 dans le muscle squelettique) et du DHPR. Leur organisation spatiale en est modifiée, la principale différence étant que ces deux canaux ne sont plus en interaction directe (même s’ils restent à proximité). La vague de dépolarisation qui parcours la membrane plasmique ouvre les DHPR. Des ions calcium extracellulaires entrent dans la cellule, provoquant une petite augmentation de la concentration intracellulaire en calcium. Cette augmentation va directement agir sur les RyR2, entraînant leur ouverture et la libération massive des ions calcium stockés dans le réticulum sarcoplasmique. Ce mécanisme est appelé « Calcium-Induced Calcium Release » pour « libération du calcium induite par le calcium ».
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Régulation de la Contraction Cardiaque
La contraction cardiaque est régulée par des mécanismes intrinsèques et extrinsèques.
Mécanismes Intrinsèques
Le principal mécanisme intrinsèque est représenté par la loi de Starling (augmentation de la contraction induite par une dilatation cardiaque). Il est dû à l'allongement des sarcomères et à une augmentation du niveau d'activation.
Mécanismes Extrinsèques
Les catécholamines sont les hormones régulatrices principales. Au niveau cellulaire, elles agissent sur un complexe étroitement couplé associant le récepteur β-adrénergique, la protéine Gs et l'adénylate cyclase qui produit l'adénosine monophosphate cyclique (AMPc) qui active la protéine kinase A.
Approches d'Étude de la Contraction Cardiaque
La contraction du muscle cardiaque isolé est étudiée par la relation liant force de contraction, vitesse de la contraction et longueur instantanée, ce qui définit, dans un espace tridimensionnel, une surface indépendante du temps représentant la contractilité qui peut être évaluée par un index (Vmax). Sur le coeur entier, la fonction ventriculaire peut être évaluée par la relation pression-volume télésystolique qui est théoriquement indépendante du remplissage ventriculaire et prend en compte la postcharge.
Implications Pathologiques
Des mutations sur la myosine cardiaque peuvent être à l’origine de maladies. Il a été montré que ces mutations n'augmentent pas l'activité de la myosine, mais empêchent d'atteindre ou de se maintenir dans l’état séquestré.
Thérapeutiques
Les médicaments principaux qui modifient directement la contraction sont les médicaments qui agissent sur les récepteurs adrénergiques et leurs voies de signalisation ainsi que les antagonistes des canaux calciques et les digitaliques qui bloquent la sodium-potassium ATPase. De nombreux agents thérapeutiques dont les inhibiteurs de l'enzyme de conversion de l'angiotensine agissent essentiellement en périphérie.
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