Structure et fonction
La contraction et la relaxation rapides et involontaires du muscle cardiaque sont vitales pour pomper le sang dans tout le système cardiovasculaire. Pour y parvenir, la structure du muscle cardiaque présente des caractéristiques distinctes qui lui permettent de se contracter de manière coordonnée et de résister à la fatigue.
La cellule individuelle du muscle cardiaque (cardiomyocyte) est une structure tubulaire composée de chaînes de myofibrilles, qui sont des unités en forme de tige à l’intérieur de la cellule. Les myofibrilles sont constituées de sections répétées de sarcomères, qui sont les unités contractiles fondamentales des cellules musculaires. Les sarcomères sont composés de longues protéines qui s’organisent en filaments épais et fins, appelés myofilaments. Les myofilaments minces contiennent la protéine actine, et les myofilaments épais contiennent la protéine myosine. Les myofilaments glissent les uns sur les autres lorsque le muscle se contracte et se relâche. Ce processus est activé par la libération de calcium du réticulum sarcoplasmique (RS) lors de la délivrance d’un potentiel d’action au muscle, dans un processus appelé couplage excitation-contraction. Le glissement de l’actine et de la myosine l’une sur l’autre produit la formation de « ponts croisés », ce qui provoque la contraction du cœur et la génération de force.
Les cardiomyocytes sont des cellules rectangulaires et ramifiées qui ne contiennent généralement qu’un seul noyau situé au centre. Cette disposition contraste avec les cellules musculaires squelettiques, qui contiennent souvent de nombreux noyaux. Les cardiomyocytes contiennent de nombreuses mitochondries pour produire de grandes quantités d’adénosine triphosphate (ATP) et de la myoglobine pour stocker l’oxygène afin de répondre aux exigences de la contraction musculaire.
Comme le muscle squelettique, l’organisation des myofilaments fins et épais qui se chevauchent dans le sarcomère de la cellule produit un aspect strié lorsqu’on l’observe au microscope. Cet aspect caractéristique se compose de bandes A épaisses de couleur sombre (principalement composées de myosine) avec une zone H relativement claire au centre, et de bandes I de couleur plus claire (principalement de l’actine) avec une ligne centrale sombre en Z (également appelée disque Z) reliant les filaments d’actine.
L’extérieur du cardiomyocyte est entouré d’une membrane plasmique appelée sarcolemme qui agit comme une barrière entre les contenus extracellulaires et intracellulaires. Les invaginations du sarcolemme dans le cytoplasme du cardiomyocyte sont appelées tubules T, et elles contiennent de nombreuses protéines comme les canaux calciques de type L, les échangeurs sodium-calcium, les ATPases calciques et les récepteurs bêta-adrénergiques qui permettent l’échange d’ions avec le liquide extracellulaire entourant la cellule. Au niveau de la ligne Z du cardiomyocyte, les tubules T sont adjacents à des zones élargies du réticulum sarcoplasmique appelées cisternes terminaux, et la combinaison d’un seul tubule T avec un cisterna terminal est appelée diade. Cette configuration contraste avec le muscle squelettique, qui combine 2 cisternes terminaux avec 1 tubule T pour former des « triades », qui apparaissent à la jonction A-I.
Les cardiomyocytes voisins sont réunis à leurs extrémités par des disques intercalaires pour créer un syncytium de cellules cardiaques. Au sein du disque intercalaire, il existe trois types différents de jonctions cellulaires : les fascias adherens, les desmosomes et les jonctions gap. La face transversale des disques intercalaires est perpendiculaire aux fibres musculaires au niveau des lignes Z et fournit un composant structurel via les connexions fascia adherens et desmosomes. La face latérale des disques contient des jonctions lacunaires qui permettent la communication intercellulaire en permettant aux ions d’un cardiomyocyte de se déplacer vers une cellule voisine sans devoir être excrétés dans l’espace extracellulaire au préalable. La faible résistance des jonctions gap permet à la dépolarisation de se propager rapidement dans tout le syncytium, ce qui facilite la transmission rapide des potentiels d’action pour produire une contraction synchronisée des cardiomyocytes à l’unisson.
Une autre caractéristique distincte des fibres musculaires cardiaques est qu’elles ont leur propre rythmicité automatique. Contrairement aux muscles lisses ou squelettiques qui ont besoin d’une entrée neuronale pour se contracter, les fibres cardiaques ont leurs propres cellules pacemaker comme le nœud sinusal (SA) qui se dépolarise spontanément. Ces dépolarisations se produisent à un rythme régulier, mais les cellules pacemaker peuvent également recevoir des entrées du système nerveux autonome pour diminuer ou augmenter la fréquence cardiaque en fonction des besoins de l’organisme.
Le potentiel d’action myocardique se produit en cinq étapes, en commençant par une dépolarisation rapide pendant la phase 0, suivie d’une repolarisation partielle initiale pendant la phase 1, d’une période de plateau de la phase 2, puis d’une repolarisation rapide pendant la phase 3, conduisant à une stabilisation au potentiel de repos pendant la phase 4. Le plateau de la phase 2 est une caractéristique unique du potentiel d’action myocardique qui n’est pas présente dans le muscle squelettique. Il est provoqué par l’équilibrage des effets de l’efflux de potassium de la cellule avec un influx de calcium par les canaux calciques de type L (alias récepteur de la dihydropyridine) à la surface de la cellule. Cet influx de calcium est relativement faible et insuffisant pour provoquer une contraction à lui seul. Néanmoins, il incite le réticulum sarcoplasmique à libérer ses réserves de calcium dans le myoplasme du myocyte au cours d’un processus appelé « calcium-triggered-calcium-release ». Le calcium peut alors se lier à la troponine sur le filament mince et commencer le processus de contraction du myocyte observé à chaque battement de cœur.
La concentration de calcium dans le myocyte est le facteur critique qui détermine la quantité de force générée à chaque contraction. Les cellules musculaires cardiaques peuvent augmenter leur contractilité par l’intermédiaire des récepteurs bêta-1 adrénergiques situés à la surface avec une protéine Gs. Lorsqu’ils sont stimulés par le système nerveux sympathique ou par des médicaments agonistes bêta-1, les Gs activent l’enzyme adénylyl cyclase, qui convertit l’ATP en AMPc. L’AMPc intracellulaire augmente l’activité de la protéine kinase A (PKA), qui phosphoryle ensuite les canaux calciques permettant à davantage de calcium de pénétrer dans la cellule, ce qui entraîne une augmentation de la contraction.
Le muscle cardiaque ne se détend pas et ne se prépare pas au prochain battement cardiaque en cessant simplement la contraction ; cela se produit dans un processus actif appelé Lusitropie. Pendant la lusitropie, les pompes Sarco/réticulum endoplasmique Ca-ATPase (SERCA) sur la membrane du réticulum sarcoplasmique utilisent l’hydrolyse de l’ATP pour transférer le calcium dans le réticulum sarcoplasmique (SR) à partir du cytosol.
La protéine régulatrice phospholamban peut contrôler la vitesse à laquelle la SERCA pompe le calcium dans le SR. Le phospholamban réduit le transfert de calcium par la SERCA (Ca2+ ATPase du réticulum sarcoplasmique) lorsqu’il est lié. Tout comme il peut augmenter la contractilité, le système nerveux sympathique peut également augmenter la lusitropie par stimulation bêta-1 adrénergique en phosphorylant le phospholamban avec la protéine kinase dépendante de l’AMPc (PKA). Lorsqu’il est phosphorylé, le phospholamban cesse d’inhiber le SERCA, ce qui lui permet d’augmenter le taux d’absorption du calcium et la relaxation du muscle cardiaque.