Activité mécanique cardiaque PDF

**Activité mécanique cardiaque** **Enregistrement de la contraction d'un muscle papillaire** I. **Le couplage excitation-contraction** C'est une propriété qu'ont les cellules musculaires qui regroupe l'ensemble des processus qui assurent la transformation du stimulus en un signal intracellulaire...

**Activité mécanique cardiaque** **Enregistrement de la contraction d'un muscle papillaire** I. **Le couplage excitation-contraction** C'est une propriété qu'ont les cellules musculaires qui regroupe l'ensemble des processus qui assurent la transformation du stimulus en un signal intracellulaire qui permet la contraction. Les principales étapes du CEC : - Genèse du potentiel d\'action qui permet l\'augmentation de la concentration intracellulaire en calcium, - Couplage électromécanique au cours duquel le calcium libre se combine avec les protéines contractiles qui vont convertir l\'énergie chimique en énergie mécanique, - Retour de la concentration calcique intracellulaire à son niveau de repos permettant la relaxation musculaire. Le tracé bleu= transitoire calcique. **Les mécanismes cellulaires du couplage excitation contraction** Au repos la concentration calcique dans le cytoplasme des cardiomyocytes et de l'ordre de 100nM. Quand il y a déclenchement de l'activité électrique, on peut ouvrir des canaux calciques voltages dépendants= récepteurs à la dihydropyridine ce qui permet de faire entrer le calcium par les canaux calciques de type L. Cette entrée de Ca n'est pas suffisante pour activer les prot contractiles mais elle va activée des récepteurs à la ryanodine (RyR2) par un mécanisme autocatalytique qu'on appelle calcium induse calcium release. Ce mécanisme d'amplification permet d'atteindre une concentration calcique intracellulaire de 1µM. ce Ca va se fixé sur les prot contractiles. L'ouverture d'un seul canal calcique de type L est suffisant pour déclencher un spark= petite élévation de Ca libre. La sommation de milliers de sparks associés à l'ouverture des canaux ICa de type L va permettre une augmentation massive et transitoire de la concentration calcique intracellulaire. L'amplitude de ce transitoire calcique est prop à l'amplitude du courant calcique de type L mais aussi à la charge du RS. La libération de Ca se fait de proche en proche. La libération de Ca par le RS décrit une courbe en cloche en fonction de la concentration en Ca libre intracellulaire. RyR2 s'active pour des concentration en Ca \> 10nM et plus on augmente cette concentration plus la probabilité d'ouvrir les RyR augmente. Si on continue à augmenter la concentration la probabilité d'ouverture de RyR va diminuer. Le Ca libre va se fixer sur les prot contractiles Le Ca se fixe sur la troponine C se qui entraine un changement conformationnel= démasque le site de fixation sur les têtes de myosine sur l'actine. Le force dvlp dépend de la quantité de Ca libéré par le RS mais aussi de la coopérativité entre la fixation de Ca sur la troponine C et la formation des ponts d'union actine myosine. Plus il y a de ponts d'union formés plus la troponine C aura une forte affinité pour le calcium. **La relaxation** Elle correspond à un retour à l'état initial des sarcomères. Il faut que la Ca libre soit revenu à son état de repos. Pour la diminuer, il existe plusieurs mécanismes dont le principal la pompe SERCA. SERCA est localisée au niveau du réticulum sarcoplasmique longitudinal et son fonctionnement est régulé par le phopholamban. Quand le phospholamban n'est pas phosphorylé sur sa partie cytosolique, il est associé à SERCA et va l'inhiber. Quand il est phosphorylé, il va se détaché de SERCA ce qui va l'activer, il y aura un repompage du Ca dans RS. Il s'agit d'un transport actif contre son gradient. 80 à 90% du Ca libre cytosolique est repompé par le RS, les 10 à 20% restants sont expulsés hors de la cellule par les échangeurs Na/Ca. Concernant la Ca ATPase joue un rôle dans l'homéostasie mais pas vraiment dans la relaxation. **Différences de mécanismes de couplage excitation-contraction entre l'oreillette et le ventricule chez les mammifères** Ces différences se concentrent sur 3 points : - La répartition des différentes parties du RS - La répartition des RyR2 - Localisation des canaux calciques de type L [Le ventricule : ] Les canaux calciques de type L font face au RyR qui permet lors de l'entrée de Ca d'activer les RyR. Activation en profondeur des RyR. [L'oreillette : ] Il n'y a pas de tubules T mais dvlpt du RS qui se présente différemment avec des tubules Z, il n'y a pas de contact avec le milieu extracellulaire et la mb. La répartition des canaux calciques de type L se trouve seulement dans la partie supérieure, il n'y en a pas en profondeur. Lors de la dépolarisation, les canaux calciques de type L ne vont permettre l'activation que des RyR2 auquel ils font face. Il y a donc peu de RyR jonctionnels mais des non-jonctionnels qu'on retrouve le long des tubules Z. [Différences des mécanismes impliqués ] Dans l'oreillette, l'initiation du couplage EC va se faire à la périphérie de la cellule, il n'y aura donc pas de variation de concentration de Ca en profondeur de la cellule. Au fur et à mesure que les RyR vont être activés, le Ca libéré va augmenter puis activer d'autres RyR et ainsi de suite. La propagation de la siganlisation calcique va se faire progressivement dans la profondeur de la cellule. II. **Propriétés cardiaques** **Chronotrope** : modification de la fréquence cardiaque ; (+ : augmentation, - : diminution) **Inotrope :** modification de la contractilité cardiaque ; **Lusitrope** : modification de la relaxation cardiaque : **Dromotrope** : modification de la conduction cardiaque (concerne le tissu conducteur) ; **Bathmotrope** : modification de l'excitabilité cardiaque (concerne les cellules excitables) III. **Caractéristiques de la contraction cardiaques** **Contraction du cœur entier** Le myocarde ventriculaire est constitué d'une seule bande enroulée sur elle-même en double hélice avec une continuité à l'apex entre les fibres myocardiques droite et gauche. Les fibres naissent à la base du cœur puis vont descendre en s'enroulant jusqu'au niveau de l'apex. Puis ces fibres vont pénétrer à l'intérieur des cavités pour former des piliers (muscles papillaires). Les fibres sont constituées de 3 couches : sous-endocardiques (orientées vers le bas et la droite), de mi-paroi (circonférentielles et perpendiculaires à l'axe du cœur), sous-épicardiques (orientées en bas et gauche). Il existe un angle de 90° entre les fibres sous-endocardique et sous-épicardique qui est essentiel pour la contraction ventriculaire. Cette organisation conduit au fait que la contraction du cœur à 3 composantes : longitudinale, circonférentielle et radiale. [Le raccourcissement longitudinal] : il permet de diminuer la distance entre la base et l'apex. Au repos ce raccourcissement est de l'ordre de 20 à 25% et la longueur du ventricule gauche va diminuer de 20% environ. Le raccourcissement du ventricule droit est plus important que le gauche et il s'agit d'une composante essentielle pour la contraction du ventricule droit. Les fibres impliquées sont les fibres sous-endocardiques (majeure partie) et les fibres sous-épicardiques [Le raccourcissement circonférentiel] : il est dû à la contraction des fibres de mi-paroi, il s'agit de mvt opposé de contraction et de relaxation dans le sens horaire au niveau de la base de l'ordre de 5° dans le sens horaire et dans le sens anti-horaire au niveau de l'apex de l'ordre de 10 à 15°. Ce qui entraine une rotation du ventricule de 15 à 16°, il s'agit d'un mouvement important pour la contraction et éjection du sang à partir du ventricule gauche. Il participe pour 15 à 16% de la contraction du cœur. [L'épaississement radial] : il résulte de la contraction des fibres myocardiques circonférentielles et longitudinales. Il participe pour 30 à 40% de la contraction du cœur. **La contraction cardiaque graduée** Chez le muscle cardiaque, lorsque 80% des sarcomères sont allongés, on a seulement 25% de la force maximale. Il existe donc une réserve de ponts d'union entre l'actine et la myosine qui peut être utilisé en cas de besoin. La force produite par le muscle cardiaque est prop au nombre de ponts d'union actifs entre la myosine et l'actine. La force maximale dépend de la longueur initiale des sarcomères mais aussi de la quantité de Ca disponible pour se fixer sur la troponine C. Ainsi si la concentration de Ca est faible dans le cytosol, certains ponts d'union ne sont pas activés et la force de contraction est faible. S'il y a plus de Ca, il y aura plus de fixation sur la troponine C et donc plus de ponts d'union. **Plus le muscle cardiaque est étiré plus sa contraction est forte** La force de contraction dvlp par le muscle cardiaque dépend de la longueur initiale des sarcomères. En fonction de la longueur, on peut obtenir une courbe en cloche. Si la longueur est trop longue, il n'y a plus de chevauchement des sarcomères donc pas de contraction. Inversement si la longueur est très faible, le chevauchement est trop important donc la contraction n'est pas possible. Plus on étire le sarcomère, plus la force de contraction va augmenter jusqu'à atteindre un maximal et si l'on continu la force va diminuée. Dans le cœur entier, l'étirement des cellules cardiaques et donc des sarcomères est fonction du volume de sang dans les cavités. Plus il y a de sang, plus la force va augmenter. Cette relation entre la force de contraction et le volume de sang dans le ventricule est une propriété fondamentale de la fonction cardiaque. **Relation force-fréquence** Quand on augmente la fréquence de stimulation, on augmente la force de contraction jusqu'à un certain niveau. Phénomène de l'escalier : (effet Bowditch) positif : on augmente l'amplitude de la contraction quand on augmente la fréquence ce qui participe à l'augmentation de 40% du débit cardiaque. Négatif : on augmente la fréquence de stimulation et diminution de la force de contraction. Ce phénomène provient du cycle du Ca et notamment est lié au modification d'activité ou du nombre de pompes SERCA. Ainsi dans l'insuffisance cardiaque, il y a diminution de SERCA et de son activité ce qui signifie qu'il y aura moins de Ca stocké dans le réticulum donc une plus faible libération de Ca. Cette relation dans les conditions normales n'est pas toujours positive, chez les rongeurs elle est négative : effet Woodworth. Effectivement les rongeurs ont une fréquence cardiaque plus élevée que l'homme. **Comparaison de la contraction muscle cardiaque -- muscle squelettique** Jaune= période réfractaire Le PA du muscle cardiaque est beaucoup plus long que chez le muscle squelettique de ce fait la période réfractaire est très brève chez le MC. Pas de tétanos dans le MC. IV. **Le cycle cardiaque** Il fait référence aux deux phases : systole ( contraction) et diastole (relaxation et remplissage des cavités). **Durée du cycle cardiaque** **Les différentes phases du cycle cardiaque** La circulation du sang dans le cœur est régit par des variations de pression qui résulte par des phases de contraction et relaxation et le sang s'écoule tjr selon un gradient de pression (de haute vers basse). Quand les parois se contractent, la pression augmente. Ces variations de pression permettent l'ouverture et fermeture des valves cardiaques. Entre la mésodiastole et télédiastole (phase de fin de diastole) : le cœur est relâché = phase de remplissage ventriculaire ce qui signifie que la pression dans les cavités est basse, le sang s'écoule donc de façon passive des oreillettes vers le ventricule. Les ventricules se remplissent pour 80% de cette manière puis les oreillettes se dépolarisent et vont se contracter (systole ventriculaire) donc augmentation de pression dans l'oreillette. Cela apporte du sang supplémentaire dans le ventricule = remplissage actif pour 20% du ventricule. A la fin de la phase, il y a la télédiastole où il y a un maximum de sang dans les cavités = volume télédiastolique. Fermeture des valves auriculoventriculaire, les ventricules commencent à se contracter alors que les valves semilunaires sont contractées= contraction isovolumique. La pression va augmenter dans le ventricule ce qui va permettre l'ouverture des valves semilunaires = éjection du sang. La pression même quand le sang est éjecté continu d'augmenter dans le ventricule. Quand il y a moins de sang, la pression va diminuée = fermeture des valves semilunaires. On aura une période où le ventricule commence à se relâcher et toutes les valves sont fermées = phase de relaxation isovolumique (protodiastole). La pression ventriculaire devient plus faible que celle de l'oreillette = ouverture des valves auriculoventriculaire remplissage passif des ventricules par les oreillettes. VTS= volume télésystolique = volume de sang restant dans le ventricule en fin de systole. La partie verte : pendant la méso et télédiastole baisse de la pression dans l'aorte. Dans le VG : pression entre 80 et 160mmHg et dans le VD la pression est plus faible. **Courbe pression-volume** La partie 1 correspond à la phase de remplissage du ventricule avec d'abord un remplissage passif puis actif, on arrive donc au VTD. La phase 2 correspond à la contraction isovolumique, avec l'ensemble des valves fermées on a une augmentation de la pression. La phase 3 correspond à la phase d'éjection ventriculaire avec le VTS La phase 4= retour à la phase initiale= relaxation isovolumique Cette courbe permet de traduire des disfonctionnement du cœur On peut déterminer le PTDVG= pression télediastolique = pression en fin de diastole  **Les différents types de contraction** Soit la contraction est isométrique ou isovolumique lorsque la longueur des cellules reste inchangée ou le volume sanguin reste inchangé. La contraction isométrique débute avec la fermeture des valves auriculoventriculaire et se termine avec l'ouverture des valves sigmoïdes. La contraction est dite isotonique lorsque la cellule se raccourcit sans changement de la force dvlp. On a aussi une relaxation isotonique qui correspond à la phase de remplissage des ventricules entre l'ouverture et la fermeture des valves auriculo ventriculaire. Enfin on a une contraction auxotonique lorsque la force et la longueur de la cellule ou le volume de sang dans le ventricule est modifié = correspond à la phase d'éjection du sang suite à l'ouverture des valvules. **Précharge et postcharge** On peut étudier les variations de charge à partir de dispositifs expérimentaux simples. On peut suspendre une charge au muscle papillaire avant que le muscle ne se contracte. Cette charge est appelée la précharge. On peut aussi rajouter une charge qui sera initialement soutenue et devra être soulevée lorsque le muscle se contracte. Cette deuxième charge se nomme la postcharge Pour étudier les prop contractiles du muscle cardiaque on devra préciser le degré de tension musculaire au début de la contraction. Cette tension s'appelle la précharge. Précharge= volume de sang présent dans un ventricule à la fin de la diastole= VTD La précharge est en lien avec l'étirement des sarcomères. Plus il y a de sang dans le ventricule, plus on étire le sarcomères et donc plus la tension sera puissante. Il faut préciser la charge contre laquelle le muscle devra exercer sa force pour éjecter le sang = postcharge. Cette force est retrouvée au niveau de la pression qui règne dans l'artère issue du ventricule. Plus la pression de l'artère est élevée \*\*\*\*\* **Volume d'éjection systolique** = volume de sang pompé comme un ventricule lors d'une contraction, il se mesure en mL VES= VTD -- VTS Si on prend un adulte de taille moyenne, on a 135mL de VTD et 65mL pour VTS donc dans ce cas VES = 70mL. VTS n'est pas constant et va varier en fonction des besoins de l'organisme et peut atteindre jusqu'à 100mL durant un exercice physique intense. **Le débit cardiaque** Afin d'évaluer l'efficacité de la pompe cardiaque, on mesure le débit cardiaque. Il correspond à la quantité de sang pompé par le ventricule en un temps donné. Tout le sang qui sort du ventricule gauche va passer dans les tissus. Le débit cardiaque ne renseigne pas sur la répartition du sang dans les organes. Cette répartition se fait par des mécanismes locaux. DC= FC x VES Chaque minute le ventricule pompe un volume de sang sensiblement équivalent au volume sanguin (= 5L/min) Le débit cardiaque varie en fonction des besoins en oxygène des tissus. Il augmente sous l'influence de l'émotion, de l'hyperthermie, digestion et de l'exercice physique. Il diminue pendant le sommeil. Lors d'un exercice physique, il peut être multiplié par 4, on peut atteindre 20 à 25L/min. Chez les sportifs de haut niveau, il peut atteindre 35L/min. Il diminue de 15-20% du passage de la position couché à debout : orthostatisme. Cette diminution est consécutive à la diminution\*\*\*\* Chez l'adulte normal au repos allongé, a jain depuis au moins 12h, le DC est compris entre 5 et 6L/min et le VES est compris entre 70 à 90 mL. Pour pouvoir comaprer le DC de sujet différents, on l'apporte à la surface corporel= index cardiaque qui est de 3,1 à 3,8L/min/m2. **Le retour veineux** Tout étirement des cellules cardiaques entraine l'augmentation de la force de contraction= précharge. Le principal facteur du muscle cardiaque est le VTD. Retour veineux = quantité de sang qui retourne au cœur par les veines et qui va distendre les ventricules. Plus il y a de sang qui revient au cœur, plus les cellules seront étirées et plus leur contraction sera importante. **Énergétique cardiaque** Le cœur est un organe des plus oxydatif, il représente environ 0,4% du poids d'un individu. Mais il utilise 11% de la consommation en O. Cet O est utilisé par la synthèse de l'ATP par les mitochondries, elles occupent entre 20 à 40% du volume cellulaire d'un cardiomyocyte. Environ 95% de la production d'énergie cardiaque provient du métabolisme oxydatif. Dans les conditions normales de contraction, le myocarde utilise 1mM d'ATP/s et possède de très faible réserve en énergie ( 8mM d'ATP et 15 mM de phosphocréatine. Il fonctionne selon un flux d'énergie. Dépendance très forte du myocarde vis-à-vis de l'O, il n'y a pas d'excès de la capacité mitochondriale à produire de l'ATP car lors d'un exo physique le corps utilise 90 à 95% de ses capacités oxydatives. Ses capités sont de l'ordre de 20µM/g decœurr/min. Ceci conduit à la consommation d'O du myocarde qui est désigné par MVO2. Chez le sujet sain au repos, la MVO2 est de l'ordre de 8 à 10 mL pour 100g de tissu par min. [Détermination du coefficient d'extraction de l'oxygène ]  MVO2 = DC x ( CaO2-CvO2) Le myocarde extrait beaucoup de dioxygène même au repos. Au repos, le myocarde extrait 70à 80% de dioxygène contenu dans la circulation coronaire cela contraste avec les tissus qui retire 20%. Au cours d'un exercice physique pour satisfaire les besoins du myocarde, il faut une augmentation du débit coronaire qu'il faut augmenter de 4 à 5 fois par rapport au repos. On peut l'augmenter avec l'augmentation du métabolisme du myocarde qui va libérer des facteurs dilatateurs, locaux et hormonaux. Lors de l'exo physique, on a une augmentation de la pression dans l'aorte, il y a donc plus de sang poussé dans les artères coronaires. En cas de manque d'oxygène, il y a une dilatation des vaisseaux donc peu apporter plus de sang aux cellules du myocarde. Le flux et reflux de sang dans les artères coronaires suit chaque phase du cycle cardiaque. Le débit coronaire est 2,5 x plus important en diastole que dans la systole, lors de la systole, le cœur fait retrécire les artères coronaires donc il y aura moins de sang. Le myocarde doit tjr avoir une quantité suffisante d'O car il produit difficilement de l'énergie en aérobiose. [Utilisation de substrats ] Le myocarde possède le plus grand nombre de mitochondries. Le myocarde a une très grande densité de capillaires sanguins environ 3 000 par mm2. Le métabolisme cardiaque a un caractère aérobie. Il y a un renouvellement de l'ATP complet du myocarde toutes les 10s. Le cœur utilise des substrats pour regénérer l'ATP : acides gras et le glucose. En période postprandiale, le myocarde utilise les acides gras principalement et les glucides pour 30%. Si repas riche en glucide, le cœur pourra s'adapter à l'utilisation des glucides, et pourra utiliser uniquement les glucides pour générer de l'ATP. Lors de l'exo physique, le cœur peut utiliser des cétones ou acides aminés si nécessaire. Ce qui signifie que dans les cellules cardiaques il existe des voies de dégradation pour transformer le substrat en ATP. Au cours de l'ischémie, la circulation coronaire sera incapable de fournir de l'oxygène et les substrats aux cellules cardiaques pour le mécanisme aérobie et dans ces conditions particulières, le cœur pourra utiliser le glycogène pour la production d'ATP et acide lactique. Cependant la production d'ATP par cette voie est très faible par rapport à la quantité nécessaire. Le cœur a une teneur limitée en glycogène, il sera donc rapidement épuisé en cas d'ischémie.