le muscle cardiaque est remarquable. À une fréquence cardiaque moyenne de 70 battements min-1, le cœur doit se contracter et se détendre plus de 100 000 fois par jour sans s’arrêter ni se fatiguer. Le taux et la force de ces contractions doivent varier pour répondre aux défis physiologiques et pathologiques. Cet article donne un aperçu de la physiologie du muscle cardiaque., Nous décrivons la structure du myocyte cardiaque, la génération et la propagation du potentiel d’action cardiaque, le processus de couplage excitation-contraction, le métabolisme et l’énergie du cœur. Enfin, nous discutons de la mécanique de la contraction des fibres musculaires.

Structure du myocyte cardiaque

chaque myocyte cardiaque est entouré d’une membrane cellulaire appelée sarcolemme et contient un noyau. Les cellules sont remplies de mitochondries pour fournir l’apport régulier d’ATP nécessaire pour soutenir la contraction cardiaque., Comme pour le muscle squelettique, les myocytes cardiaques contiennent les protéines contractiles actine (filaments minces) et myosine (filaments épais) ainsi que les protéines régulatrices troponine et tropomyosine. Le muscle cardiaque est strié, bien que le motif ne soit pas aussi ordonné que dans le muscle squelettique.

Fig. La figure 1 montre la disposition des filaments épais et minces. Les myofilaments du myocyte sont entourés de manchons de réticulum sarcoplasmique, analogues au réticulum endoplasmique présent dans d’autres cellules. Les structures tubulaires séparées, les tubules transversaux (tubules T), traversent la cellule., Dans le myocyte cardiaque, le tubule T traverse la ligne Z, contrairement à la jonction A-I dans le muscle squelettique. La lumière du tubule T est continue avec le liquide extracellulaire entourant la cellule et, comme dans le muscle squelettique, le potentiel d’action se propage vers le bas du tubule t. Les myocytes cardiaques adjacents sont joints de bout en bout au niveau de structures appelées disques intercalés. Ceux-ci se produisent toujours à une ligne Z. À ces points, les membranes cellulaires forment un certain nombre de plis parallèles et sont étroitement maintenues ensemble par desmosomes., Il en résulte une forte cohésion de cellule à cellule, permettant ainsi à la contraction d’un myocyte d’être transmise axialement au suivant. Des jonctions interstitielles existent entre les cellules musculaires cardiaques, fournissant des voies de faible résistance pour la propagation de l’excitation d’une cellule à une autre.

membrane au repos et potentiels d’action

les myocytes cardiaques peuvent être divisés en cellules de travail et en cellules de stimulateur cardiaque. Les cellules de travail ont un grand potentiel de membrane de repos stable et présentent un potentiel d’action prolongé avec une phase de plateau., Les cellules du stimulateur cardiaque ont des potentiels de repos instables plus petits et se dépolarisent spontanément, générant l’activité électrique intrinsèque du cœur. Les cellules du stimulateur cardiaque se trouvent dans les ganglions sino-auriculaires (SA) et auriculo-ventriculaires (AV). Les cellules du faisceau de His et certaines cellules de Purkinje sont également capables de tir spontané.

Le potentiel d’action cardiaque

Le potentiel d’action cardiaque est très différente de celle observée dans les nerfs. Il a une phase de plateau prolongée d’environ 300 ms par rapport à 1 ms dans les nerfs. Le potentiel d’action cardiaque a cinq phases comme le montre la Fig. 2., Au cours de la phase 0, la perméabilité de la membrane au potassium diminue et les canaux sodiques s’ouvrent rapidement, produisant une dépolarisation rapide de -90 mV à +10 mV. Au cours de la phase 1, Il y a repolarisation partielle, en raison d’une diminution de la perméabilité au sodium. La Phase 2 est la phase de plateau du potentiel d’action cardiaque. La perméabilité de la Membrane au calcium augmente pendant cette phase, maintenant la dépolarisation et prolongeant le potentiel d’action. La perméabilité de la Membrane au calcium diminue quelque peu vers la fin de la phase 2, et le plateau est partiellement maintenu par un courant de sodium vers l’intérieur., Le Sodium s’écoule dans la cellule à travers l’échangeur sodium–calcium. L’échangeur transfère trois ions sodium dans la cellule en échange d’un ion calcium qui s’écoule, et produit ainsi un courant positif net vers l’intérieur. Comme les canaux calciques inactivent vers la fin de la phase de plateau, un courant de potassium vers l’intérieur produit la repolarisation dans la phase 3. Le potentiel membranaire au repos en phase 4 est d’environ -90 mV., Ceci est produit principalement par la perméabilité sélective de la membrane cellulaire au potassium et le gradient de concentration de potassium qui existe à travers la membrane cellulaire et est proche du potentiel d’équilibre de Nernst pour le potassium.

Une grande partie de l’afflux de calcium dans la phase de plateau se produit par des canaux calciques de type L (longue ouverture). L’activation accrue des canaux de type L se produit avec l’exposition aux catécholamines, alors qu’ils sont bloqués par des antagonistes des canaux calciques tels que le vérapamil.

le potentiel d’action cardiaque dure environ 300 ms. pour la grande majorité de ce temps, la cellule est absolument réfractaire à une stimulation supplémentaire. En d’autres termes, un potentiel d’action supplémentaire ne sera généré que lorsque la repolarisation sera pratiquement terminée. Cela empêche la tétanie de se produire., Si un stimulus supramaximal se produit pendant la période réfractaire relative, le potentiel d’action résultant a un taux de dépolarisation plus lent et est de plus petite amplitude que la normale, produisant une contraction beaucoup plus faible que la normale.

le potentiel du stimulateur cardiaque

le potentiel du stimulateur cardiaque est observé dans les cellules des nœuds SA et AV. Comme indiqué dans la Fig. 3, il diffère du potentiel d’action des myocytes cardiaques en ce que les phases 1 et 2 sont absentes. Le cœur présente une autorythmicité: un cœur dénervé (comme le cœur d’un patient greffé cardiaque) continue de se contracter spontanément., Les cellules du stimulateur cardiaque n’ont pas de potentiel d’action stable au repos, et c’est la dépolarisation spontanée du potentiel du stimulateur cardiaque qui donne au cœur son auto-rythmicité. Le potentiel du stimulateur cardiaque est produit par une diminution de la perméabilité de la membrane au potassium, un courant lent vers l’intérieur en raison de l’afflux de calcium via les canaux calciques de type T (transitoires) et un courant de sodium accru en raison de l’échange sodium-calcium. Une fois le potentiel de seuil atteint, les canaux calciques de type L s’ouvrent, les ions calcium pénètrent dans la cellule et la dépolarisation se produit., Contrairement au potentiel d’action des myocytes cardiaques, il n’y a pas de mouvement vers l’intérieur des ions sodium pendant la dépolarisation. La repolarisation (phase 3 du potentiel d’action) se produit en raison d’une augmentation de la perméabilité au potassium. Au niveau du nœud SA, la perméabilité au potassium peut être encore améliorée par la stimulation vagale. Cela a pour effet d’hyperpolariser la cellule et de réduire la cadence de tir. La stimulation sympathique a l’effet inverse.

taux, conduction et vitesse

le nœud SA, les autres centres auriculaires, le nœud AV et le faisceau de His ont tous une activité stimulateur cardiaque inhérente. Le nœud SA a le taux le plus élevé de dépolarisation spontanée et supprime donc les autres stimulateurs cardiaques. Dans le cœur dénervé, le nœud SA se décharge à une vitesse d’environ 100 fois min-1., Le tonus Vagal entraîne une diminution de la fréquence cardiaque chez les sujets sains au repos. À partir du nœud SA, les impulsions se propagent dans les oreillettes jusqu’au nœud AV à un taux de 1 m s−1. Le nœud AV est le seul moyen de connexion électrique entre les oreillettes et les ventricules. La Conduction ici est lente (environ 0,05 m s−1). Cela signifie que le nœud AV ne transmettra qu’un maximum de 220 impulsions min-1, protégeant ainsi les ventricules des taux élevés de dépolarisation auriculaire.

la dépolarisation se propage du nœud AV au faisceau de His dans le septum interventriculaire., Le faisceau se divise en branches droite et gauche, alimentant les ventricules respectifs. Le faisceau gauche lui-même se divise en divisions antérieure et postérieure. À partir des branches du faisceau, les impulsions traversent le muscle ventriculaire via un réseau de fibres de Purkinje, à une vitesse de 1-4 m s−1. Le système conducteur est disposé de sorte que les apex des ventricules se contractent avant les bases, propulsant le sang hors des chambres.

couplage de contraction D’Excitation

c’est le processus reliant l’excitation électrique à la contraction., Le Calcium a un rôle essentiel dans ce processus; une concentration de calcium intracellulaire élevée est le déclencheur qui active la contraction. Une compréhension de la manipulation du calcium est essentielle pour comprendre la fonction du cœur. La concentration intracellulaire d’ions calcium dans le myocyte cardiaque au repos est de 0,0001 mm litre−1 et celle dans le liquide extracellulaire est de 1,2 mM litre−1. Pendant la phase de plateau du potentiel d’action, les ions calcium descendent ce gradient de concentration abrupt et pénètrent dans le myocyte., La majeure partie de ce calcium pénètre par les canaux de type L, situés principalement aux jonctions du réticulum sarcolemmal/sarcoplasmique. L’afflux de calcium déclenche la libération de calcium supplémentaire du réticulum sarcoplasmique via les récepteurs de la ryanodine. Cette libération de calcium déclenchée par le calcium contraste avec le muscle squelettique, où le potentiel d’action déclenche directement la libération de calcium.

le calcium intracellulaire libre interagit avec la sous-unité C de la troponine. Cela conduit à un changement de configuration dans le complexe troponine/tropomyosine, permettant à l’actine d’interagir avec la myosine., Le cycle de pont croisé se produit, conduisant à un raccourcissement du sarcome et à la contraction musculaire qui en résulte. Lorsque les concentrations de calcium intracellulaire diminuent pendant la repolarisation, le calcium se dissocie de la troponine lorsque la concentration de calcium intracellulaire diminue, ce qui entraîne une relaxation. La relaxation diastolique est un processus actif (ATP-dépendant). Le transport du Calcium hors du cytosol se fait par une Ca2 + – ATPase du réticulum sarcoplasmique, par un échange na+/Ca2 + sarcolemmal, par une Ca2+-ATPase sarcolemmale, et enfin par l’utilisation d’un Uniport Ca2+ mitochondrial.,

la force d’une contraction peut être modifiée en augmentant la quantité de calcium intracellulaire libre, en modifiant la sensibilité des myofilaments au calcium, ou les deux. Ce dernier se produit lors de l’étirement des myofilaments et est responsable du mécanisme Frank–Starling (discuté plus loin). La sensibilité au calcium du Myofilament est réduite par l’acidose. Des concentrations élevées de phosphate et de magnésium altèrent également la fonction cardiaque.,

les catécholamines activent les récepteurs bêta-adrénergiques dans le cœur pour produire une augmentation de l’AMPc médiée par la protéine G et une activité accrue d’une protéine kinase dépendante de l’AMPc. Ceci mène à la phosphorylation des canaux de membrane de calcium, augmentant l’entrée de calcium dans la cellule. La Phosphorylation de la myosine se produit également, augmentant le taux de cycle de pont croisé. Les catécholamines augmentent également le taux de Ré-absorption du calcium dans le réticulum sarcoplasmique, facilitant ainsi la relaxation.,

métabolisme et énergie

La consommation d’oxygène du cœur battant est en moyenne de 9 ml par 100 g min−1 au repos. Cela augmente pendant l’exercice. L’extraction d’oxygène du sang dans la circulation coronaire est élevée; par conséquent, une augmentation de la demande en oxygène doit être satisfaite par une augmentation du flux sanguin coronaire.

Le cœur est très polyvalent dans son utilisation de substrats métaboliques. L’utilisation des glucides représente 35 à 40% de la consommation totale d’oxygène. Le Glucose et le lactate sont utilisés dans des proportions à peu près égales., Une petite quantité d’énergie peut être dérivée des cétones; cependant, 60% des besoins énergétiques de base sont fournis par les graisses. La proportion des substrats utilisés peut varier en fonction de l’état nutritionnel de la personne. Après un grand repas contenant du glucose, plus de pyruvate et de lactate sont utilisés. Pendant les périodes de famine, plus de graisse est utilisé. L’insuline améliore l’absorption du glucose dans les myocytes cardiaques, et dans le diabète non traité, proportionnellement plus de graisse est utilisée. Normalement <1% de l’énergie utilisée par le myocarde est produite par le métabolisme anaérobie., Cette proportion augmente pendant les périodes d’hypoxémie; cependant, l’acidose lactique altère la fonction myocardique et peut finalement entraîner la mort des cellules myocardiques.

Contraction de la bande musculaire isolée

la mécanique de la contraction des myocytes cardiaques peut être étudiée en laboratoire en examinant le comportement d’une bande musculaire isolée (Fig. 4). Le muscle papillaire est pratique pour cela car ses fibres vont à peu près dans la même direction. Le muscle est placé sous une tension initiale ou une précharge., Si la bande musculaire est ancrée aux deux extrémités et stimulée, elle subit une contraction isométrique. La tension générée lors de la contraction isométrique augmente avec l’augmentation de la longueur initiale (Fig. 4a). L’altération de la longueur initiale de la fibre est analogue à la précharge. L’augmentation du retour veineux vers le cœur entraîne une augmentation du volume diastolique de l’extrémité ventriculaire gauche, augmentant ainsi la longueur des fibres. Cela produit une augmentation de la force de contraction et un volume de course accru, ce qui donne la courbe d’étourneau familière., L’explication conventionnelle en est qu’à une longueur de repos normale, le chevauchement de l’actine et de la myosine n’est pas optimal. L’augmentation de la longueur initiale améliore le degré de chevauchement et augmente donc la tension développée. Il est devenu clair ces dernières années que ce mécanisme est peu susceptible de rendre compte de la forme de la courbe de L’étourneau dans des conditions physiologiques. Plusieurs autres mécanismes possibles ont été impliqués. L’allongement du muscle augmente la sensibilité de la troponine au calcium (sensibilité au calcium dépendante de la longueur) et peut également conduire à une augmentation du calcium libre intracellulaire.,

Si le muscle est capable de raccourcir, mais doit soulever un poids, c’est ce qu’on appelle la contraction isotonique. Le poids déplacé par la bande musculaire représente la postcharge. À mesure que la postcharge augmente, la quantité et la vitesse du raccourcissement diminuent (Fig. 4b et c)., Inversement, la réduction de la postcharge améliore le raccourcissement, un fait d’une importance considérable dans la gestion du cœur défaillant. Si la précharge est augmentée en étirant le muscle et que l’expérience est répétée, la vitesse et le raccourcissement sont améliorés. (Figue. 4b et c).

In vivo, la phase initiale de contraction cardiaque, de la fermeture des valves mitrale et tricuspide à l’ouverture des valves aortique et pulmonaire, est isotonique. La Tension est développée, mais le ventricule n’éjecte pas le sang, car il n’y a pas de raccourcissement des fibres musculaires., Après l’ouverture des valves aortiques et pulmonaires, la contraction devient isotonique, la tension est maintenue, mais le sang est éjecté et un raccourcissement tonique se produit.

In vitro, la perfusion des muscles papillaires avec de la noradrénaline augmente la force et la rapidité de la contraction isométrique. Cette contractilité accrue (c’est-à-dire une force de contraction accrue pour une longueur de fibre donnée) se produit in vivo après stimulation sympathique et libération de catécholamines. Comme mentionné précédemment, les catécholamines peuvent augmenter à la fois la contraction et la relaxation du muscle cardiaque., Cependant, comme les catécholamines augmentent la charge de calcium intracellulaire, plus d’énergie est nécessaire pour alimenter les pompes qui séquestrent le calcium dans la diastole. Dans un myocarde défaillant, la demande d’énergie peut dépasser l’offre (par exemple en raison de sténoses coronaires fixes) et l’ajout de catécholamines peut entraîner une altération de la relaxation diastolique. Levosimendan est un nouveau médicament qui augmente la sensibilité de la troponine au calcium de telle sorte que le cœur fonctionne mieux avec des concentrations de calcium intracellulaire plus faibles. Moins d’énergie est alors nécessaire dans la diastole pour réduire les concentrations intracellulaires de calcium.,