Automatisme cardiaque - Pr COURTEIX (1) PDF

UE 2 – Physiologie C. COURTEIX L’automatisme cardiaque et la contraction I- Introduction Les objectifs : Comprendre le fonctionnement autonome du cœur Connaitre les caractéristiques du tissu électrogène et du tissu contractile du cœ...

UE 2 – Physiologie C. COURTEIX L’automatisme cardiaque et la contraction I- Introduction Les objectifs : Comprendre le fonctionnement autonome du cœur Connaitre les caractéristiques du tissu électrogène et du tissu contractile du cœur Reconnaitre le PA d’un myocyte ventriculaire et d’une cellule du NS Expliquer e rôle des ions au cours de la dépolarisation de ces cellules. Comprendre le couplage électromécanique Décrire la régulation nerveuse de l’automatisme cardiaque Comprendre le principe de l’ECG A) Qu’est-ce que l’automatisme cardiaque ? L’automatisme cardiaque est la propriété du cœur lui permettant de se contracter spontanément, de façon autonome et à un rythme régulier. Claude Galien : « La propriété pulsatile du cœur a sa source dans sa propre matière. » Si on prélève un cœur et que ce dernier continue a être perfusé (apports nutritionnels et en dioxygènes nécessaires) alors il continue de battre. Cette propriété est recrutée lors de transplantations cardiaques. L’automatisme est généré par des cellules particulières qui froment un tissu électrogénique spécialisé : le tissu cardionecteur. Il génère automatiquement des potentiels d’action (PA) et les conduit. B) Le tissu électrogénique cardiaque Les cellules du tissu nodal sont des cardiomyocytes communs modifiées pauvres en myofibrilles donc non contractiles ; elles sont riches en glycogènes. Elles sont organisées en nœuds et en faisceaux. Le nœud sinusal (NS) dans la paroi de l’oreillette droite à proximité de l’abouchement de la veine cave supérieure permette de donner un rythme au cœur ; sa fréquence est de 100 PA/min. Cours rédigé par Marine LECUIVRE page 1 sur 2 UE 2 – Physiologie C. COURTEIX Le nœud atrio-ventriculaire (NAV) se trouve dans la paroi intraauriculaire. Ces deux nœuds sont reliés par trois voies internodales. Le faisceau de His et le réseau de Purkinje assurent la conduction de l’influx à l’ensemble du cœur. Ainsi, la propriété des cellules nodales est d’initier l’excitation nerveuse et d’assurer sa propagation dans le muscle cardiaque. Seul le NS impose son rythme, il est responsable de la contraction rythmique cardiaque, ses cellules se dépolarisent spontanément à 100 PA/min ; elles ont la fréquence la plus élevée, assurent l’excitation initiales, imposent leur rythme ; ce sont les cellules pacemaker. Ces cellules ont un potentiel de membrane de repos entre -50 et -60 mV. Le NAV, le faisceau de His, le réseau de Purkinje se dépolarisent spontanément mais ont une fréquence inférieures à celle du NS. C) Les myocytes contractiles Le tissu cardiaque contient aussi des myocytes contractiles qui peuvent se contracter. Ces cellules ont un aspect strié car elles contiennent des filaments d’actines te de myosine qui ont la même organisation que dans le muscle strié squelettique. Les cardiomyocytes contiennent 1 ou 2 noyaux, des réticulum sarcoplasmique (réticulum endoplasmique lisse) de nombreuses mitochondries nécessaires à la production d’énergie utilisée à la contraction du muscle. Les cellules musculaires sont mises bout à bout, leurs membranes forment des bifurcations qui s’emboitent, ce sont les tries scalariformes aussi appelée disques intercalaires. Ces stries scalariformes assurent la cohésion entre deux cellules. Les portions transversales des stries sont riches en jonction adhérentes et compotent des desmosomes (moins nombreux). Les portions longitudinales comportent des jonctions communicantes, nexus. L’ensemble de ces systèmes assurent une communication rapide des cellules et permet au muscle de fonctionner en bloc de manière harmonieuses et homogène. Les tubules transverses pénètrent à proximité du RS qui est le réservoir intracellulaire de Ca. Ces tubules permettent la libération du Ca à proximité de protéines contractiles. Cours rédigé par Marine LECUIVRE page 2 sur 2 Automatisme cardiaque 1 Propriétés électriques du nœud sinusal et du tissu de conduction 1.1 Le potentiel d’action d’une cellule du nœud sinusal On étudiera une cellule nodale du nœud sinusal de l’oreillette droite. Le PA d’une cellule du nœud sinusal est représenté sur un graphique où L’axe des ordonnées représente le potentiel de membrane en mV L’axe des abscisses représente le temps en ms Les variations de Pm à l’origine du PA dépendent de courants ioniques entrant et sortant. Ce PA présente 3 phases de 0 ; 3 à 4. La phase 4 est une phase instable, la ligne est ascendante ; elle commence à un Pm compris entre -50 et -60 mV. La morphologie du PA est particulière. La phase 0 est ascendante générée par un courant calcique ICaL permis par l’ouverture de canaux calciques voltages dépendant de type L. Ces canaux s’ouvrent lorsque le Pm atteint un seuil de -40 mV. Le sommet du PA est arrondi et n’est pas suivit d’une phase 1 ni phase 2. La phase 3 : phase de repolarisation reconduit le pm à -50 mV ; on parle de phase de diastole maximale. Cette phase est permise par un courant potassique retardé sortant, IKr, son inactivation est nécessaire pour la phase suivant (4) La phase 4 correspond à une dépolarisation diastolique de l’activité spontanée. C’est la phase 4 qui est à l’origine de l’automatisme cardiaque. Elle est lente et conduit le Pm, à la fin du PA, vers le seuil (-40 mV) qui entrainera le PA suivant. Cette phase met en jeu des canaux HCN, ils appartiennent à la famille des canaux activés par l’hyperpolarisation membranaire et sont sensible aux nucléotides cycliques intracellulaires comme l’AMPc. Elle augmente la probabilité d’ouverture du canal à un potentiel donnée. Ces canaux permettent des courants funny, If. Ces courants ont perméables aux ions sodiums et potassium ; If s’active lorsque le Pm est négatif (Pm = -55 mV). Au début de la phase de dépolarisation diastolique on remarque l’activation de canaux calciques transitoires qui génèrent un courant de faible amplitude ICaT. En résumé : Le courant If et le courant ICaT, sont les principaux mécanismes générant la dépolarisation diastolique. Le PA se déclenche lorsque le Pm atteinte le seuil d’activation des canaux calciques de type L, seuil à - 40 mV pour le nœud sinusal. Rédigé par Marine Lecuivre 1.2 La dépolarisation du nœud AV Le nœud auriculo-ventriculaire (NAV) aussi appelé nœud d’aschoff tavara, est placé à la jonction Oreillette droite (OD) /septum interventriculaire (Septum IV) et se prolonge dans le septum par le tronc du faisceau de His. Au niveau du NAV, seul point de passage entre les oreillettes et les ventricule, l’influx nerveux est ralenti ce qui permet aux Oreillettes de faire passer le sang aux Ventricules avant que la dépolarisation ne leur soit transmise. A ce niveau l’excitation se propage en sens unique, elle ne peut se diriger des Ventricules vers les Oreillettes. Les fibres du NAV lorsqu’elles ne sont pas dépolarisées par des influx nés du NS peuvent se dépolariser spontanément à une fréquence de 40 à 50/min. L’activité sinusale domine l’automatisme des autres foyers périphériques tel que le NAV ; ce dernier est envahi par l’onde de dépolarisation sinusale avant même d’avoir pu s’exprimer ; cependant en cas d’insuffisance du NS la genèse du PA sera assurée par ce pacemaker du substitution. 1.3 La dépolarisation du faisceau de His et des fibres de Purkinje La dépolarisation atteint alors le tronc commun du faisceau de His qui conduit le PA du NAV aux ventricules. Le tronc se divise en deux branches ; le tissu de conduction se termine dans les ventricules par les fibres ramifiées du réseau de Purkinje dont la conduction est rapide à raison de 1,5 à 4 m/s. cela permet une diffusion rapide et homogène de l’influx à l’ensemble des parois ventriculaires. Le faisceaux de His et les fibres de Purkinje ont aussi la capacité de se dépolariser spontanément à raison de 30 PA/min pour le faisceau de His et 20 PA/min pour les fibres de Purkinje. 1.4 Les cellules pacemaker : C’est le nœud sinusal qui donne le rythme au cœur à raison de 100 PA/ min, on parle alors de rythme sinusal; c’est le principal pacemaker du cœur. AU sein du tissu nodal il existe des pacemakers latents ce sont les autres foyers d’automaticité : NAV : 40 à 50 PA/min Système de conduction (His et Purkinje) : 20 à 30 PA/min. L’onde de dépolarisation s’éloigne du NS pour se disséminer dans les deux oreillettes. Cette onde est responsable de leur contraction. L’onde atteint le NAV où elle sera retardée ; cela permet aux oreillettes de déverser le sang qu’elles contiennent dans les ventricules. La dépolarisation est en-suite transmise rapidement dans le faisceau de His, ses branches puis le réseau de Punkinje. Ces fibres de Purkinje distribuent rapidement la dépolarisation aux myocytes ventriculaires. Cela entraine la contraction ventriculaire. His et NAV : 40 à 50 NS : 100 PA/min Punrkinje : 30 PA / min à 20 PA / min Rédigé par Marine Lecuivre  0. NS 30 ms 1. NAV retardé pendant 90 ms 2. His 40 ms 60 ms 3. Punrkinje Au total, la conduction de la dépolarisation entre le NS et la ramification des fibres de Purkinje dure 220 ms. La repolarisation est un phénomène spécifique à chaque cellule ; elle ne se transmet pas ainsi il n’existe pas d’onde de repolarisation comme l’onde de dépolarisation. La repolarisation des cellules auriculaire sur le même chemin que celui de la dépolarisation. Pour les ventricules, la repolarisation va dans sens épicarde – endocarde. 2 Les propriétés électriques des myocytes contractiles On étudiera l’exemple d’un myocyte contractile ventriculaire. 2.1 Le potentiel d’action d’un myocyte contractile ventriculaire Le PA d’un myocyte contractile ventriculaire se transcrit sur un graphique dont : L’axe des abscisses donne le temps en ms L’axe des ordonnées donne le potentiel membranaire en mV. Le PA du myocarde ventriculaire a une allure différente de celui du nœud sinusal ; en effet les courants ioniques sollicités sont différents. Le PA se présente en 5 phases de 0 à 4. La phase 4 correspond au potentiel de repos qui approche le potentiel d’équilibre du potassium ; Pm = - 90 mV. Il est plus négatif que celui du nœud sinusal, il est stable alors que celui du NS ne l’est pas. Rédigé par Marine Lecuivre La phase 0 est la phase ascendante du PA qui correspond à une phase de dépolarisation rapide qui mène le pm de -90 mV à un Pm de + 20 à + 30 mV. Cette dépolarisation est permise par l’ouverture de canaux sodiques voltage dépendants appelés canaux NaV, ils permettent l’entrée passive de sodium dans la cellule par augmentation de leur conductance. L’ouverture est brève (1ms) et les canaux sont très rapidement inactifs. La phase 1 est une phase de repolarisation brève et modeste par baisse de la conductance du Na, inactivation des canaux NaV et sortie modeste de potassium. La phase 2 : est la phase plateau du PA qui dépend d’un courant entrant de calcium grâce à un canal calcique de type L (ICaL) et d’un ralentissement du courant potassique sortant. La phase 3 : est la phase de repolarisation rapide qui dépend d’une sortie d’ions potassium ramenant le potentiel de membrane à sa valeur de repos (-90 mV). Plusieurs canaux seront sollicités, leur conductance est alors augmentée. La phase 4 : correspond au retour du pm au repos, à -90 mV. Pour l’atteindre, il faut rétablir les concentration sodiques te potassique de part et d’autres de la membrane ; pour ce faire elle utilisera la pompe Na+/K+ ATPase: Le PA a augmenté la concentration sodique intracellulaire, la pompe fait alors sortir 3 Na+. Le PA a diminué la concentration potassique intracellulaire, la pompe fait alors entrer 2 K+. Cette pompe utilise de l’énergie qui sera fournie par l’hydrolyse d’ATP, cette phase est donc couteuse en énergie. Rédigé par Marine Lecuivre 2.2 La période réfractaire (PR) du PA : Une particularité des myocytes ventriculaires liée aux canaux Na V impliqués à la phase 0. Le PA est soumis à une période réfractaire ; c’est la période à partir du début du PA (phase 0) pendant laquelle un nouveau PA normal ne pourra être déclenché. La PR dure 300 ms, cela correspond à la durée de contraction du myocarde. La PR est liée à l’inactivation des canaux sodiques qui doivent d’abord sortir de leur état inactif avant de s’ouvrir à nouveau et provoquer un nouveau PA. La PR se décompose en deux phase : Période réfractaire absolue qui dure 250 ms La PR relative qui sure 50 ms. 2.2.1 La période réfractaire absolue (PRA) : C’est une période au cours de laquelle aucun PA ne pourra être créé car les canaux Nav sont toujours à l’état d’inactivation ; ils ne sont pas à un état de repos pendant lequel une stimulation entraînerai leur ouverture et permettrait la formation d’un nouveau PA. Ce phénomène dure jusqu’à ce que la cellule se soit repolarisée à -70 mV, de ce fait la PRA dure presque aussi longtemps que la contraction associée soit environ 250 ms. Cela permet d’éviter la tétanisation du myocarde ventriculaire. Au moment où le muscle cardiaque peut être à nouveau stimulé, sa contraction dût au PA précédent s’est déjà terminée. Le cœur fonctionne comme une pompe et nécessite une alternance de contraction et relaxation afin que les cavités puissent se remplir et se vider correctement. Une contraction continue, une tétanie du muscle cardiaque empêcherait le remplissage des cavités. 2.2.2 La période réfractaire relative (PRR) : Elle suit la PRA et dure les 50 ms restantes du PA ventriculaire. Des PA peuvent être générés ; toutefois le myocarde reste difficile à exciter et nécessite un stimulus d’intensité supranormal (plus grand que d’habitude). Le PA sera de vitesse et d’amplitude modeste et pourra croitre à mesure que la levée de l’inactivation des canaux sodiques. Cette période démarre lorsque le Pm a atteint la valeur de -70 mV. 2.2.3 Pour conclure sur la période réfractaire du muscle ventriculaire : La PR du myocarde est presque aussi longe que la durée de contraction du muscle c’est-à-dire 300 ms. Pour cette raison le muscle ne peut être restimulé avant que la contraction ne se soit achevée. Le pompage du sang nécessite une alternance de contraction et décontractions du muscle cardiaques, associés à une vidange et remplissage de la pompe cardiaque ; ainsi une tétanie serait mortelle car ne permettrai pas le remplissage des cavités. Rédigé par Marine Lecuivre UE 2 - Physiologie C. COURTEIX Automatisme cardiaque 3. Couplage excitation - contraction Dans cette 3ème partie, nous allons aborder les mécanismes qui font qu’une dépolarisation s’accompagne d’une contraction du muscle cardiaque. La dépolarisation a pour effet de contracter les fibres myocardiques pour un cours délais, puis la repolarisation va précéder la relaxation, c’est ce que l’on appelle le couplage électromécanique ou couplage excitation-contraction. Lors de ce couplage l’ion calcium libre intracellulaire va jouer un rôle très important. La membrane du cardiomyocyte est imperméable au calcium, et le milieu extra-cellulaire est riche en calcium (1mM). Dans la cellule le calcium est stocké dans le réticulum sarcoplasmique (= en bleu sur le schéma) et la concentration libre du calcium est faible soit 0,001 mM. 3.1 Entrée du calcium et contraction A la dépolarisation, il y a propagation de cette dépolarisation vers l’intérieur de cardiomyocyte et ceci le long des tubules transverses qui sont notés « t tubules » sur la diapo. La dépolarisation va provoquer l’ouverture de canaux Cav qui sont des canaux calciques de type L, du système T et provoquer l’entrée de calcium dans la cellule : ➔ cette entrée de calcium peut être stimulée par le système nerveux parasympathique et des catécholamines ➔ elle est inhibée par des agents pharmacologiques qui sont des inhibiteurs des canaux calciques. Par contre cette entrée de calcium est insuffisante pour activer les protéines contractiles d’actine et de myosine qui sont représentées en bas de la diapo. Ce calcium a un rôle majeur car il entraine la libération de calcium stocké dans le réticulum sarcoplasmique grâce à la stimulation des récepteurs qui sont situés sur la membrane du réticulum sarcoplasmique. Ce sont des récepteurs de la ryanodine de type 2 (RyR2 sur la diapo). Ils sont perméables au calcium donc in fine ce sont les ions calcium qui sont rentrés dans la cellule par les canaux Cav de type L Cours rédigé par Camille DUMAS page 1 sur 3 UE 2 - Physiologie C. COURTEIX qui vont induire la libération de calcium par le réticulum sarcoplasmique. Ce mécanisme est noté CICR (Calcium Induce Calcium Release) Il y a donc une augmentation très importante de calcium dans le cytosol et lorsque celle-ci est de 1 mM, ce calcium va se lier à la troponine C ce qui va découvrir les sites de l’actine pour la myosine. Puis il y aura une augmentation de l’affinité entre ces 2 protéines puis une activation de la myosine ATPase et donc hydrolyse de l’ ATP et les filaments d’actine et de myosine glissent l’un sur l’autre ce qui va induire un raccourcissement des sarcomères par glissement de ces myofilaments, notamment des petits filaments d’actine vers le centre du sarcomère. On a donc une contraction. 3.2 Régulation de la concentration calcique intracellulaire ➔ au maximum de la contraction de l’appareil contractile, la concentration en calcium libre atteint 100mM ➔ à la relaxation 80% du calcium est repompé par le réticulum sarcoplasmique grâce à la protéine SERCA-2 qui est une calcium ATPase du réticulum sarcoplasmique qui pompe le calcium intracytoplasmique vers le réticulum. Cette pompe est régulée positivement par le phospholamban quand celui- ci est phosphorylé. Sinon il inhibe l’activité de SERCA-2 sous forme non phosphorylé. Dans le réticulum sarcoplasmique, il y a une protéine importante qui est la plus abondante du Réticulum Sarcoplasmique : calséquestrine qui va permettre de réguler la concentration de calcium libre dans la lumière ce réticulum. En effet, elle est capable de piéger ce calcium et former un polymère qui va se retrouver accrocher avec le récepteur de la ryanodine et réguler ainsi le récepteur de la ryanodine. On retrouve cette organisation dans le muscle squelettique. - Donc il y a repompage de 80% du calcium grâce à la pompe SERCA-2. - Les 20% de calcium restant vont être extrait à l’intérieur de la cellule par l’échangeur sodium/calcium et la pompe calcium ATPase du sarcolemme - Le fonctionnement de l’échangeur sodium/calcium dépend du gradient de concentration de sodium de part et d’autre du sarcolemme et ce gradient est fourni grâce au fonctionnement de la pompe Na/K/ATPase. En effet elle extrait 3 ions sodium de la cellule et fait rentrer 2 ions potassium - L’échangeur sodium/calcium est électrogénique car il fait rentrer 3 ions sodium (donc 3 charges +) et sortir 1 ions calcium (donc 2 charges +). Cette entrée nette de charge positive va permettre de maintenir la phase plateau du PA c’est-à-dire la phase 2 du PA. Cours rédigé par Camille DUMAS page 2 sur 3 UE 2 - Physiologie C. COURTEIX Les glucosides cardiotoniques comme les digitaliques peuvent ralentir la pompe Na/K, ce qui va réduire le gradient de sodium et donc en retour accroitre la concentration intracellulaire de calcium. Ce mécanisme va contribuer aux effets positifs des glucosides cardiotoniques sur la force contraction cardiaque par un effet ionotrope positif. Cours rédigé par Camille DUMAS page 3 sur 3 Automatisme cardiaque 4 L’électrocardiogramme On peut enregistrer les fluctuations des potentiels du cœur grâce à l’ECG. L’ECG est un examen non invasif qui est réalisé à partir d’électrodes posées sur la peau. Il permet de suivre l’activité électrique du cœur entier au cours de la dépolarisation et repolarisation. Le tracé obtenu correspond à la somme des PA des fibres myocardiques qui se propagent dans le cœur. 4.1 Le dipôle cardiaque On peut assimiler le cœur à un dipôle ; l’ECG enregistre la différence de potentiel détecter entre deux points à la surface du corps grâce à la présence de deux électrodes disposées au pôle négatif et positif du dipôle. Ces électrodes forment alors une dérivation ECG. Au repos la charge est homogène à la surface du corps c’est-à-dire qu’elle est positive en haut et négative en bas. Il n’y a pas de différence de potentiel, le tracé est donc plat, c’est la ligne de base, on parle aussi de tracé isoélectrique. En cours de dépolarisation, une zone reste au repos (positive) et une autre zone est activée (négative), le front d’onde d’activation est la surface qui sépare les ondes activées et les ondes de repos. Lorsque le front d’onde de dirige vers une électrode active, il produit une déflection positive, le tracé est ascendant. Lorsque le front d’onde d’activation s’éloigne de l’électrode active, le produit une onde de déflection négative, le tracé est descendant. 4.2 Les dérivations bipolaires L’ECG peut être obtenue en enregistrement standard avec des dérivations bipolaires, les électrodes sont placées : Bras droit (électrode rouge) Bras gauche (électrode jaune) Jambe gauche (électrode verte) Ainsi grâce à trois paires d’électrodes comportant chacune une électrode + et – on peut enregistrer des dérivations bipolaires dite de Einthoven. Einthoven était un physicien qui a mis au point ce mode d’enregistrement et a été le premier à décrire l’activité électrique du cœur au début du 20 e siècle. Les dérivation enregistre les différences de potentiel entre les 2 électrodes. On décrit 3 dérivations bipolaires : Cours rédigé par Marine Lecuivre  dérivations électrode - électrode + D1 bras droit bras gauche D2 bras droit jambe gauche D3 bras gauche jambe gauche Le triangle de Einthoven Selon l’hypothèse de Einthoven, on admet arbitrairement que ces trois dérivations délimitent un triangle équilatéral au centre duquel se trouve le cœur ; c’est le triangle d’Einthoven. La déflexion observée dans une dérivation indique le degré et le sens la force électromotrice générée dans le cœur. 4.3 Les dérivations unipolaires En plus des dérivations bipolaires, on utilises des dérivations unipolaires qui enregistrent la différence de potentiel entre une électrode active (exploratrice) et une électrode indifférente (de référence). 6 de ces dérivations sont obtenues en plaçant 6 électrodes sur le thorax. Ces dérivations sont les dérivations précordiales nommées de V1 à V6. 3 autres électrodes sont placées sur les bras droits et gauches, ainsi que sur la jambe gauche. Elles enregistrent les dérivations d’amplitudes augmentées appelée AVF, AVL et AVR. AU final il y a 12 dérivations qui enregistrent l’activité électrique du cœur à partir de point d’enregistrement différents, chaque dérivation a son propre tracé pour les 9 dérivations unipolaires et les 3 bipolaires. Cours rédigé par Marine Lecuivre 4.4 Obtention d’un tracé standard en DII On suit la dépolarisation des fibres dans le cœur et on fera le parallèle avec le tracé de dépolarisation standard d’une dérivation DII (bipolaire). 1) L’onde de dépolarisation nait du nœud sinusal et se propage au NAV. Sur le tracé on remarque une onde de déflection positive, le signal se dirige vers une électrode positive. 2) La dépolarisation est freinée au niveau du NAV, il y a une pause. Le tracé est isoélectrique car il n’y a pas de propagation de l’onde de dépolarisation 3) L’onde se propage du NAV jusqu’à la point du septum iV. Le tracé est positif car la dépolarisation se propage vers l’électrode active. 4) L’onde se propage du septum aux ventricules. Le tracé est négatif car la dépolarisation s’éloigne de l’électrode active. 5) L’onde de repolarisation du myocarde se fait de l’épicarpe vers l’endocarde. 6) Un déflection positive peur suivre l’onde 5, elle traduirait la repolarisation ventriculaire lente. 4.5 Ondes et complexes Voici le tracé standard d’une dérivation DII. On remarque : L’onde P : dépolarisation atriale / auriculaire.