Fiche de révision : Électrophysiologie et contraction cardiaque

📋 Plan du Cours

1. Signal électrique cardiaque et ECG
2. Conduction et spécialisation cardiaques
3. Membrane et courants ioniques
4. Gradients et potentiel d’équilibre
5. Phases du potentiel d’action et maintien du potentiel de repos
6. Canaux sodiques et périodes réfractaires
7. Courants ioniques cardiaques
8. Canaux potassiques et automatisme cardiaque
9. Propagation électrique et connexions myocardiques
10. Gradient de repolarisation myocardique
11. Couplage excitation-contraction et diade
12. Canaux calciques, signal contractile et libération du calcium par les RyR2
13. Mécanismes de relaxation cardiaque
14. Innervation autonome du cœur
15. Signalisation et modulation cardiaque

📖 1. Signal électrique cardiaque et ECG

🔑 Notions clés & Définitions

• Potentiel d’action : Activité électrique d’une cellule, correspondant à une variation de son potentiel de membrane.

★ À maîtriser

• L’électrocardiogramme de surface enregistre l’activité électrique cardiaque au moyen d’électrodes et reflète la somme des activités électriques des cellules du cœur.

• Sur l’électrocardiogramme, l’onde P correspond à la dépolarisation des oreillettes, le complexe QRS à celle des ventricules et l’onde T à la repolarisation des ventricules.

Compléments

• L’activité électrique cardiaque consiste en une succession de dépolarisation puis de repolarisation, qui ramène la cellule au repos et permet l’initiation du cycle suivant.

📖 2. Conduction et spécialisation cardiaques

★ À maîtriser

• Le nœud sinusal, situé dans la paroi de l’oreillette droite près de l’abouchement de la veine cave supérieure, le long de la crête terminale, initie l’activité cardiaque automatique.

• 🔄 La conduction de l’influx suit cet ordre :

  1. Nœud sinusal vers le massif auriculaire
  2. Nœud auriculo-ventriculaire et tronc du faisceau de His
  3. Deux branches du faisceau de His
  4. Ramifications du système His-Purkinje vers les myocytes du myocarde

• Les potentiels d’action cardiaques sont longs, présentent une phase en plateau et ont des morphologies différentes selon les cellules.

Compléments

• La dépolarisation du massif auriculaire correspond à l’onde P sur l’électrocardiogramme de surface.

• Le système de conduction coordonne l’activité des deux cavités auriculaires et des deux cavités ventriculaires et contribue à donner le rythme cardiaque.

💡 Astuce mémo

Nœud sinusal → câble auriculo-ventriculaire → faisceau de His → réseau His-Purkinje

📖 3. Membrane et courants ioniques

🔑 Notions clés & Définitions

• Potentiel de membrane : Apparaît lorsqu’il existe une asymétrie de charge électrique entre les faces interne et externe de la membrane.
• Capacitance membranaire : Caractérise la capacité de la membrane biologique à accumuler des charges électriques de part et d’autre de ses faces.

★ À maîtriser

• Le myocarde est le siège de la génération de l’activité électrique et de l’activité contractile élémentaire.

Compléments

• Les myocytes cardiaques représentent environ 70 à 80 % de la masse du cœur et constituent les acteurs clés du myocarde.

• Les myocytes sont organisés en carrelage, ce qui permet la transmission de l’activité électrique et de la contraction d’un myocyte à l’autre.

• Les potentiels d’action cellulaires participent à la spécialisation des éléments du système électrique en automatisme, transmission et contraction.

• La membrane plasmique, constituée essentiellement de phospholipides et de cholestérol, agit comme un isolant électrique séparant les charges de ses faces interne et externe.

📐 Formule - Selon la loi d’Ohm, la tension est égale au produit de la résistance par l’intensité du courant : $U = R I$.

• Les systèmes électrogènes membranaires permettent le passage des ions et génèrent des courants électriques; la conductance est l’inverse de la résistance.

💡 Astuce mémo

La membrane lipidique forme l’isolant d’un condensateur, tandis que les ions circulent par des canaux.

📖 4. Gradients et potentiel d’équilibre

🔑 Notions clés & Définitions

• Courant sortant : Courant repolarisant correspondant à une sortie de charges positives et/ou à une entrée de charges négatives.
• Courant entrant : Courant dépolarisant correspondant à une entrée de charges positives et/ou à une sortie de charges négatives.

★ À maîtriser

• Le milieu intracellulaire est riche en K⁺, tandis que le milieu extracellulaire est riche en Na⁺; le milieu extracellulaire contient aussi du K⁺ et du Ca²⁺.

• Un ion diffuse à travers la membrane selon son gradient de concentration lorsque la membrane devient perméable à cet ion, par exemple par l’intermédiaire d’un canal.

• Pour le K⁺, lorsque la membrane lui est perméable, le potentiel d’équilibre est d’environ −100 mV.

• Au potentiel d’équilibre du potassium d’environ −100 mV, le courant potassique net est nul, car les flux opposés d’ions K⁺ se compensent, sans que les ions cessent de se déplacer.

• Quand le potentiel membranaire s’écarte du potentiel d’équilibre d’un ion, un courant ionique s’active et tend à ramener le potentiel vers l’équilibre.

📐 Formule - Le courant ionique suit la loi d’Ohm : $I = gU$, où $g$ est la conductance de l’ion et $U$ la force électromotrice liée à la différence entre le potentiel d’équilibre et le potentiel mesuré.

Compléments

• La concentration extracellulaire en Na⁺ est de 140.

• L’électroneutralité est maintenue par des protéines non diffusibles chargées négativement dans le milieu intracellulaire et par le Cl⁻ associé au Na⁺ dans le milieu extracellulaire.

• L’équation de Nernst donne le potentiel d’équilibre en fonction du rapport des concentrations intracellulaire et extracellulaire, ainsi que de constantes comprenant la valence ionique et la température absolue.

• Pour le K⁺, une dépolarisation de −100 mV à −90 mV provoque sa sortie de la cellule et un courant sortant repolarisant, tandis qu’une membrane plus négative favorise son entrée et un courant entrant dépolarisant.

💡 Astuce mémo

K⁺ est surtout intracellulaire, tandis que Na⁺ est surtout extracellulaire.

📖 5. Phases du potentiel d’action et maintien du potentiel de repos

🔑 Notions clés & Définitions

• Courant IK1 : Courant potassique de base à rectification entrante, associé à un pore passif qui laisse passer le K⁺ en permanence.

★ À maîtriser

• Le potentiel d’action cardiaque comprend cinq phases :

  • phase 0 : dépolarisation très rapide
  • phase 1 : repolarisation transitoire
  • phase 2 : plateau
  • phase 3 : repolarisation rapide
  • phase 4 : repos diastolique

• Les variations du potentiel membranaire pendant le cycle cardiaque résultent des changements de diffusion ionique qui génèrent des courants à cinétiques d’activation et d’inactivation différentes.

• Trois mécanismes contribuent au maintien d’un potentiel de repos diastolique proche de $E_K = -90\,\text{mV}$ : le courant potassique IK1, la pompe Na⁺-K⁺-ATPase et les courants de fond K2P à deux pores.

• La pompe Na⁺-K⁺-ATPase expulse le sodium et fait entrer le potassium contre leurs gradients de concentration en consommant de l’ATP, ce qui contribue au maintien du potentiel de repos.

Compléments

• Le plateau de la phase 2 du potentiel d’action cardiaque dure environ 100 ms.

• Les courants dépolarisants correspondent notamment à l’entrée de Na⁺ et de Ca²⁺, tandis que les courants repolarisants correspondent aux mouvements de K⁺.

• Les canaux ioniques sont des protéines membranaires dont l’ouverture et la fermeture régulent le passage des ions à travers la bicouche lipidique.

• Lors d’une dépolarisation, des protéines telles que la spermine pénètrent dans le pore IK1 sous l’effet du champ électrique et le bouchent, ce qui interrompt le courant entrant.

• Lors d’un infarctus du myocarde ou d’une souffrance ischémique, la pompe Na⁺-K⁺-ATPase peut cesser de fonctionner et la membrane devient moins bien polarisée.

• Une augmentation de la concentration de K⁺, par exemple lors d’une acidose, modifie le potentiel d’équilibre et entraîne une dépolarisation susceptible d’interrompre le processus de déclenchement du potentiel d’action.

💡 Astuce mémo

Du repos en phase 4, le cycle monte en phase 0, puis traverse 1 et 2 avant la repolarisation en phase 3.

📖 6. Canaux sodiques et périodes réfractaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Période réfractaire effective : La période réfractaire effective est la période durant laquelle une cellule ou un tissu ne peut pas générer de nouveau potentiel d’action propagé ; elle comprend la période réfractaire absolue et résulte principalement de l’inactivation des canaux sodiques voltage-dépendants.
• Période réfractaire relative : Période durant laquelle une cellule ou un tissu ne peut être excité que par une stimulation supérieure au seuil, lorsque les canaux sont partiellement inactivés.

★ À maîtriser

• La phase 0 du potentiel d’action cardiaque résulte de l’ouverture de canaux sodiques voltage-dépendants et d’une entrée massive de Na⁺ qui fait passer le potentiel membranaire d’une valeur négative à une valeur positive.

• La vitesse de dépolarisation de la phase 0 contribue à synchroniser la contraction des myocytes cardiaques et à transmettre l’activité électrique au potentiel suivant.

• 🔄 Les états du canal voltage-dépendant se succèdent ainsi :
  1. Au repos, la porte d’activation est fermée et la porte d’inactivation est ouverte.
  2. Lors de la dépolarisation, les deux portes sont ouvertes.
  3. Lors de l’inactivation, la porte d’inactivation se ferme et bouche le canal.

Compléments

• La fin de la phase 3 correspond à une période de vulnérabilité où des canaux partiellement inactivés peuvent permettre la réexcitation de la cellule et favoriser une arythmie cardiaque.

💡 Astuce mémo

Repos prêt à s’ouvrir → activation avec les deux portes ouvertes → inactivation par fermeture de la porte d’inactivation.

📖 7. Courants ioniques cardiaques

★ À maîtriser

• Les courants potassiques participent à la repolarisation, notamment en phase 3, et contribuent à ramener le potentiel vers le potentiel de repos, ce qui permet de refermer le cycle électrique.

Compléments

• Le courant calcique joue un rôle clé dans la contraction cardiaque.

💡 Astuce mémo

Na⁺ et Ca²⁺ entrent et dépolarisent ; K⁺ sort et repolarise.

📖 8. Canaux potassiques et automatisme cardiaque

🔑 Notions clés & Définitions

• Courant If : Courant entrant de charges positives qui empêche la membrane de rester clampée à −90 mV et contribue à la dépolarisation spontanée.

★ À maîtriser

• Les courants à rectification retardée comprennent IKr, porté par HERG, et IKs, porté par KvLQT1.

• Dans le nœud sinusal, la phase 4 du potentiel d’action correspond à une dépolarisation spontanée qui participe à l’automatisme cardiaque.

Compléments

• Les courants potassiques transitoires sortants comprennent Ito et IKur, associés aux cardiopathies et aux arythmies.

• IKr est un courant de fin de potentiel d’action dont le canal fixe de nombreuses molécules, ce qui explique son implication dans l’iatrogénie.

• IKs, associé à KvLQT1, est lié au QT long.

• Les cellules du nœud sinusal, situé à l’abouchement de la veine cave supérieure, sont polarisées autour de −60 mV plutôt que −90 mV.

• Le Procoralan bloque les canaux pacemakers If et ralentit le cœur en diminuant la pente de dépolarisation diastolique.

📖 9. Propagation électrique et connexions myocardiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Propagation anisotrope : Propagation du courant dépolarisant plus efficace dans le sens longitudinal des myocytes que dans le sens transversal.
• Jonction communicante : Canal formé par l’assemblage de deux hémi-connexons, chacun apporté par une cellule, et laissant passer des ions et des facteurs de croissance entre les cellules.

📝 Points essentiels

• Les myocytes cardiaques sont fortement liés par leurs extrémités longitudinales, où ils communiquent mieux que par leurs parties latérales.

• Chaque canal d’une jonction communicante comprend deux hémicanaux appelés connexons, chacun constitué de six connexines.

• Les jonctions GAP sont constituées de connexines enchâssées dans la membrane, et la connexine 43 est la plus fréquente.

• Les connexines, abondantes dans le cœur et surtout dans le réseau His-Purkinje, permettent la transmission du courant électrique; le tissu conducteur en compte essentiellement 40.

• Une mutation des connexines chez la souris peut provoquer un trouble de conduction auriculo-ventriculaire avec ralentissement visible à l’ECG.

• Le disque intercalaire comporte : des desmosomes qui accrochent les cellules entre elles, des jonctions communicantes avec des connexines, des myocytes, des mitochondries, des sarcomères

• Les protéines du maillage desmosomal sont :

  • les plakophilines
  • les desmoplakines
  • les desmogléines

💡 Astuce mémo

La propagation passe mieux par les extrémités longitudinales que par les côtés transversaux.

📖 10. Gradient de repolarisation myocardique

★ À maîtriser

• La dépolarisation myocardique commence à la face endocardique, où arrive le système His-Purkinje, puis se propage jusqu’à l’épicarde.

📌 Le potentiel d’action des cellules endocardiques dure plus longtemps que celui des cellules épicardiques, ce qui prolonge la période réfractaire en sous-endocarde.

• La période réfractaire prolongée des couches endocardiques empêche le retour du potentiel d’action depuis les couches superficielles déjà dépolarisées.

Compléments

• Le gradient de repolarisation entre les couches myocardiques est dû aux différents types de canaux potassiques présents dans ces couches.

📌 L’hypertrophie du myocarde modifie le gradient de repolarisation et peut favoriser une arythmie dans l’insuffisance cardiaque.

💡 Astuce mémo

Repolarisation plus tardive en endocarde → période réfractaire prolongée → protection contre le retour du PA.

📖 11. Couplage excitation-contraction et diade

🔑 Notions clés & Définitions

• Couplage excitation-contraction : Processus par lequel l’activité électrique du cœur déclenche une augmentation du calcium intracellulaire nécessaire au raccourcissement des sarcomères.
• Diade : Zone où les tubules T, invaginations de la membrane plasmique contenant des canaux calciques, sont au contact des citernes terminales du réticulum sarcoplasmique.

📝 Points essentiels

• L’activité électrique précède la contraction mécanique du cœur.

• Les citernes terminales du réticulum sarcoplasmique constituent un réservoir de calcium capable d’en libérer dans la cellule.

• La mitochondrie est un acteur essentiel de l’apport d’énergie à la cellule cardiaque.

💡 Astuce mémo

PA électrique → calcium intracellulaire → sarcomères raccourcis.

📖 12. Canaux calciques, signal contractile et libération du calcium par les RyR2

🔑 Notions clés & Définitions

• Calstabine : Petite protéine cytoplasmique du myocyte cardiaque sur laquelle se fixent des agents immunosuppresseurs.

★ À maîtriser

• Les canaux calciques de type L sont des canaux voltage-dépendants dont l’ouverture contrôle l’augmentation du calcium intracellulaire.

• La concentration intracellulaire de calcium suit le courant calcique, et la contraction suit également cette augmentation de calcium.

• Dans le couplage excitation-contraction cardiaque, le potentiel d’action ouvre les canaux calciques, l’entrée de Ca²⁺ ouvre les RyR2, les RyR2 libèrent massivement le calcium puis se ferment pour permettre la diastole.

• Les RyR2 sont associés à la calstabine, ou FKBP12.6, qui synchronise les récepteurs et les maintient fermés pendant la diastole.

Compléments

• L’entrée de calcium par les canaux de type L produit un courant entrant dépolarisant de charges positives.

• Le potentiel d’équilibre du calcium est donné comme étant d’environ +100 mV.

• La dépolarisation recrute des événements calciques élémentaires qui se synchronisent en une grande vague calcique, produisant une amplification et une régénération du signal.

📌 Une mutation de FKBP12.6 peut provoquer une fuite de calcium par les RyR2 en dehors de la systole et est associée à l’insuffisance cardiaque.

💡 Astuce mémo

Ouverture des canaux calciques de type L → entrée de Ca²⁺ → augmentation du calcium intracellulaire et contraction.

📖 13. Mécanismes de relaxation cardiaque

🔑 Notions clés & Définitions

• SERCA2 : Pompe calcium-ATPase qui transporte le Ca²⁺ contre son gradient de concentration vers le réticulum sarcoplasmique en consommant de l’ATP.
• Échangeur NCX : Transporteur électrogène qui expulse un ion Ca²⁺ contre l’entrée de trois ions Na⁺, sans nécessiter d’énergie.

★ À maîtriser

• SERCA2 permet le retour de 70 à 80 % du calcium vers le réticulum sarcoplasmique pendant la relaxation.

Compléments

• L’échangeur NCX prend en charge l’excès d’environ 20 % du calcium cellulaire et participe à l’équilibre du potentiel de membrane.

• Une partie du calcium restant, indiquée comme les 10 derniers pour cent, entre dans la mitochondrie.

💡 Astuce mémo

SERCA repompe le Ca²⁺ dans le réticulum ; NCX l’expulse hors de la cellule

📖 14. Innervation autonome du cœur

★ À maîtriser

📌 Au niveau des neurones postganglionnaires, les neurones préganglionnaires libèrent de l’acétylcholine sur des récepteurs nicotiniques, tandis que les terminaisons sympathiques agissent sur des récepteurs alpha ou bêta adrénergiques et les terminaisons parasympathiques sur des récepteurs muscariniques.

Compléments

• Le système sympathique est organisé le long de la moelle épinière avec des ganglions et des expansions qui innervent directement les organes, tandis que le parasympathique possède des noyaux bulbaires dont les terminaisons rejoignent les organes.

• L’atropine bloque l’action de l’acétylcholine sur les récepteurs muscariniques et peut être utilisée lors d’un malaise vagal.

• Les surrénales constituent une autre source de noradrénaline.

💡 Astuce mémo

Sympathique : noradrénaline et récepteurs adrénergiques ; parasympathique : acétylcholine et récepteurs muscariniques

📖 15. Signalisation et modulation cardiaque

★ À maîtriser

• La noradrénaline active la voie sympathique en se liant au récepteur bêta-adrénergique, ce qui active les protéines Gs, l’adénylate cyclase, la production d’AMPc et PKA, puis augmente par phosphorylation l’activité des canaux calciques L et des RyR.

• 🔄 La voie parasympathique suit cette chaîne :

  1. L’acétylcholine se lie au récepteur muscarinique.
  2. Le récepteur active les protéines Gi.
  3. Gi inhibe l’adénylate cyclase.

• La phosphorylation du phospholamban par PKA lève son inhibition sur SERCA et favorise le repompage du calcium dans le réticulum sarcoplasmique.

Compléments

• Dans les cellules du nœud sinusal, l’AMPc se fixe directement au canal If et favorise son ouverture, ce qui accélère la pente diastolique et la fréquence cardiaque.

• La stimulation catécholaminergique augmente le recrutement du calcium et la force de contraction, accélère le repompage du calcium et raccourcit le potentiel d’action.

• La phosphorylation des troponines par PKA diminue l’affinité des myofilaments pour le calcium, de sorte qu’une même contraction nécessite davantage de calcium.

• La stimulation par la noradrénaline augmente à la fois la force de contraction et la relaxation.

💡 Astuce mémo

PKA phosphoryle les cibles cardiaques → davantage de calcium disponible et une relaxation accélérée