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Electrogenèse cardiaque...

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Électrogenèse cardiaque

1. Rappels d’électrophysiologie ● Rappels : Les membranes biologiques La bicouche lipidique est composée de phopholipides non conducteurs donnant à la membrane des propriétés capacitives (càd de stocker des charges électriques) = condensateur électrique de capacité Cm (Farad, F) La capacitance s'exprime sous la forme d'un rapport entre la charge électrique de chaque conducteur et la différence de potentiel (Vm) : Cm = Q (Coulombs) / Vm (Volts) ⇔ Vm (Volts) = Q / Cm (Avec Q = capacité de charge) Si on peut enregistrer une différence de potentiel c’est parce que la membrane est chargée et se comporte comme une pile. Les protéines membranaires sont chargées électriquement, elles peuvent induire un courant électrique (I, Ampères, A) = conductance (g), sachant que la conductance est l’inverse de la résistance. g (Siemens, S) = 1 / R (Ohm, Ω) La résistance membranaire (Rm) : Elle est proportionnelle à la quantité de protéines membranaires présentes dans une portion de membrane. Rm = 1 / g Le circuit électrique (⇔ membrane) correspond à celui d’un générateur de courant (pile) dont le pôle + est orienté vers le compartiment extracellulaire et le pôle - vers le compartiment intracellulaire : La membrane est un condensateur.

● Modèle électrique des membranes biologiques Tout déplacement de charges électriques produit un courant électrique (I). La Loi d’Ohm relie le potentiel, le courant et la résistance: U=R.I ou Em=R.I (U tension en Volts et R résistance en Siemens) ⇔ Puisque g = 1/R: I = g.U ou I = g.Em Le courant ionique : représente le flux des ions circulants de part et d’autre d’une membrane. Par convention: - Courant entrant (-) = entrée de cations et/ou sortie d’anions. - Courant sortant (+) = entrée d’anions et/ou sortie de cations. Par convention, le potentiel du milieu exterieur Vext est pris comme référence: → la différence de potentiel transmembranaire Em (mV) = Vint - Vext Configuration ou les ions ne peuvent pas passer ou peuvent passer.

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● Gradients de concentration et diffusion Un ion diffuse à travers la membrane plasmique lorsque celle-ci devient perméable à cet ion en fonction de son gradient de concentration : gradient chimique. L’accumulation des charges (+ ou -) d’un côté du compartiment va s’opposer à ce gradient de diffusion : gradient électrique. (Si on a bcp de sodium d’un côté, il aura tendance à passer du côté où il est le moins concentré, et les charges s’accumulent.) Gradient chimique vs. gradient électrique Si les deux sont égaux = flflux ux nul ⇔ Loi de Nernst

Dès qu’une conductance est possible, on va pouvoir enregistrer des variation de potentiel. On peut observer une électroneutralité à l’échelle de la cellule. Il y a un gradient de concentration de l’extérieur vers l’intérieur pour le sodium, et l’inverse pour le potassium. Le chlorure est le principal anion qui peut diffuser dans les cellules. Potentiel d’équilibre d’un ion: équation de Nernst Le potentiel d'équilibre d'un ion dépend de la nature de l'ion et des concentrations de part et d'autre de la membrane, il est défini par l’équation de Nernst : Eion = RT/zF x Ln Concextra/Concintra R = constante des gaz parfaits (8.31 joules.mole-1.degré K-1) T = température absolue (273°K) F = faraday (95 5000 coulombs par valence) Z = valence de l’ion Ln = 2.30 Log10 Exemple : Calcul rapide à 20°c si la valence de l’ion est +1 :

Eion (mV) = 58 x Log10 Concextra/Concintra

Pour simplifier on va travailler à une température constante, donc l’équilibre de l’ion dépendra du rapport des concentrations. La valence de l’ion : elle est importante aussi : Z=+2 pour le Mg2+ par exemple. Les rapports de concentration extra et intra sont inversés pour un anion. → Ce potentiel d’équilibre de l’ion va correspondre à l’état d’équilibre électrochimique pour lequel le flux net pour un ion sera nul.

● Relation courant-potentiel pour une conductance ohmique Exemple de l’ion K+ : EK = 58 x Log [Kextra]/[Kintra] = 58 x Log(5/140) = - 90mV Flux nul → aucune variatio variation n de courant détectée car autant de flux entrant que sortant.

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Plus on dépolarise, plus le courant est important (force électromotrice importante). → Cela fonctionne dans les deux sens. → C’est vrai pour tous les canaux ioniques.

Exemple du Sodium : ENa+ = +60 mV → À 60 mV, pas de flux. Nécessité de dépolariser pour visualiser un courant (Pour enregistrer l'activité des canaux.) Physiologiquement donc, il n’y a pas de sortie de sodium de la cellule. Exemple du Calcium : ECa++ = +130 mV

● Potentiel de membrane et force électromotrice Le potentiel de membrane est également donné par l’équation de Nernst: Vm ou Em (mV) = RT/zF x Ln Cextracell./Cintracell Le courant (I) généré est déterminé par la différence entre le potentiel de membrane et le potentiel d’équilibre de l’ion.

Attention : “ne vous embêtez pas avec les formules” !!! Ainsi, plus la différence Vm – Eion est grande, plus le courant sera important (et inversement) = force électromotrice.

● Rappels sur les courants et conductances globales et unitaires On distingue courant et conductance unitaire ou globale : L’unitaire est le global divisé par le nombre de canaux .

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2. Chronologie de l’excitabilité cardiaque Dépolarisation de l’oreillette droite → transmission → dépolarisation de l’oreillette gauche → noeud auriculo ventriculaire → dépolarisation ventriculaire → remonte le long de l’apex par le réseau de Purkinje : permet la dépolarisation de l’ensemble du myocarde. Les contraintes du système

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Activation rapide et synchrone de l’ensemble du myocarde (avec chronologie auriculo-ventriculaire). Retour rapide à l’état de repos pour permettre la systole suivante : si dépolarisation, on a contraction et il va falloir ensuite passer en relaxation pour avoir la diastole. Adaptation de la fréquence aux besoins de l’organisme, notamment à l’effort.

Il y a autant de formes de potentiels que de tissus. L’ECG de surface = sommation de tous les Pas.

3. Automatisme cardiaque et potentiel entraîneur ● L’automatisme cardiaque Mise en évidence de l’automatisme cardiaque : Le cœur des mammifères, sorti de l’organisme et correctement perfusé, continue à battre. Le cœur est doué d’automatisme : il engendre et organise lui-même son activité. ➢ Origine : le tissu nodal = 1% des cellules, plus petites que les cardiomyocytes, pauvres en myofibrilles et riches en glycogène. ➢ C’est le nœud sinusal, situé dans l’oreillette droite, qui génère l’excitation cardiaque : c’est l’entraîneur physiologique (pacemaker physiologique). Particularités électrophysiologiques des cellules nodales: le potentiel entraineur. Elles n’ont pas besoin d’être dépolarisées par des terminaisons nerveuses. Il n’y a pas de véritable potentiel de repos.

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● Potentiel entraîneur ou pacemaker Particularité des cellules nodales : il n’existe pas de véritable potentiel de repos, le PA est calcique (non sodique contrairement aux autres). -

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Phase de dépolarisation membranaire spontanée due au courant Ifunny (If), cationique non sélectif (Na+>K+), activé à l’hyperpolarisation (-60 à -40 mV). Gène HCN. Quand hyperpolarisation : entrée de sodium → dépolarisation de la membrane → déclenche potentiel d’action calcique. Phase de repolarisation (K+) : courant potassique retardé (Ikr) et courant d’échangeur Na+/Ca2+. Il y a aussi contribution des canaux calciques de type L et T. La cadence sinusale est dépendante de la pente de dépolarisation diastolique. Plus elle est rapide, plus le rythme sinusal est rapide. Le potentiel entraîneur est modulé par l’activité sympathique et parasympathique.

Fig. A : Le courant est d’amplitude maximale quand l’hyperpolarisation est importante. Sympathique → excitateur / P Parasympathique arasympathique → in inh hibiteur

Récepteur muscarinique → il ralentit la cadence des potentiels d’action, et la pente de dépolarisation est beaucoup moins accentuée. Le SN autonome régule l’activité du pacemaker.

4. Potentiel d’action cardiaque (phases 4, 0 et 1) Il se décompose en 5 phases : -Phase 0 = phase de dépolarisation : augmentation soudaine de la conductance sodique, suite à l'activation de canaux Na+ dépendants du potentiel. L'entrée de cations/d’ions sodium induit la dépolarisation. -Phase 1 = phase de repolarisation transitoire à l’étage atrial : activation transitoire d'une population spécifique de canaux K + dépendants du potentiel. La sortie de cations induit la légère repolarisation. La repolarisation se met en place, mais elle est avortée. Les cellules ne reviennent pas au repos. -Phase 2 = plateau calcique : augmentation soutenue de la conductance calcique, suite à l’ouverture des canaux calciques de type L (d’inactivation lente, « long lasting »).

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Phase 3 = phase de repolarisation finale : augmentation de la conductance potassique suite à l’ouverture de canaux K + dépendants du potentiel à activation retardée. Phase 4 = phase de repos : le potentiel de repos est assuré notamment par l'activité de courants potassiques (IK1, inward rectifier), de la pompe Na/K-ATPase, les courants de fuite et l’échangeur Na/Ca (NCX). Canaux potassiques à ouverture retardée.

Il y a donc différentes familles de canaux qui participent à la mise en place de ce potentiel d’action. Au niveau atrial, on retrouve un canal (KV1.5) qui porte un courant que l’on n’enregistre pas du tout à l’étage ventriculaire.

● Zoom sur la phase 4 du PA : Le potentiel de repos Trois mécanismes sont impliqués : 1. Le courant potassique de base à rectification entrante IK1 (canaux Kir) IK1= inward rectifier, est un canal potassique qui va conduire le potassium à l’extérieur de la cellule. Il s’inactive = blocage par des résidus Mg2+. Au repos, son potentiel est proche du potentiel d’équilibre du potassium. Le flux net va être de plus 1 pour l’extérieur, perte de cation pour l’intérieur → hyperpolarisation.

2. Le courant de pompe Na-K ATPase 3. Les courants de fuite K+ (two pores / background K+, K2p)

● Zoom sur la phase 0 du PA : Le potentiel d’action sodique Une entrée rapide de sodium dans la cellule au niveau de la membrane (cf. INa) va créer dépolarisation. ➢ La sous-unité ɑ du canal est constituée de 24 segments TM organisés en 4 domaines (~260 kD). ➢ Il existe 9 isoformes du canal sodique (NaV1.1-9), l’isoforme NaV1.5 (codée par le gène SCN5A) est majoritaire dans le cœur. ➢ Les segments S5 et S6 de chaque domaine s’assemblent pour former le pore du canal (sélectivité Na+: résidus Asp, Glu, Lys, Ala). ➢ L’inactivation rapide du canal fait intervenir 3 résidus (Méth, Phén, Iso) entre les segments SIII et SIV, qui vont boucher le pore du canal. Rappel : Les trois états d’un canal dépendant du potentiel Il est soit fermé, soit ouvert, soit inactivé. L’ouverture et la fermeture d’un canal dépendant du potentiel fait intervenir deux portes qui fonctionnent de façon indépendante et dont les activités régissent l’activation et l’inactivation du canal. 6

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Porte m → Activation, les ions peuvent passer. Porte h → Inactivation. Il s’agit d’une porte physique, car ce sont des résidus qui viennent se coller et empêcher le passage des ions.

Les deux portes fonctionnent de manière indépendante, et c’est leur activité qui régit l’état d’activation/inactivation du canal. -

Le potentiel d’action cardiaque monte rapidement d’un potentiel de repos de ~80 mV et atteint son pic en 1 ms (DVDT). Une fois le seul seuil de dépolarisation atteint, les canaux sodiques s’activent, s’ouvrent et font entrer rapidement les ions Na+ (“hyper pas longtemps quoi”). Mais … ils commencent à s’inactiver aussi rapidement qu’ils s’ouvrent et sont inactivés à 98-99% en quelques millisecondes ! De plus, ils commencent à se désactiver dès qu’ils s’activent.

→ Plus puissant dans les myocytes ventriculaires. → Il s’agit une activation en fonction du temps.

● Relation courant - potentiel du canal sodique Le canal sodique, comme tous les canaux dependants du potentiel, commence à s’activer à partir de certaines valeurs de potentiel. C’est donc different d’une conductance purement ohmique où I = g*V. Lorsque tous les canaux sont activés, la conductance est maximale (g max) et le courant suit la loi d’Ohm : INa = gNa (ENa – Em). C’est à partir de ces enregistrements que l’on peut monter une courbe d’activation. → Rq: On enregistre un courant d’amplitude max à +10 mV.

Comme tous les canaux voltages dépendants, ils ne suivent pas uniquement la loi d’Ohm. Quel que soit le potentiel impliqué, on devrait enregistrer un courant mais ce n’est pas le cas. Il y a des potentiels pour lesquels il n’y a pas de courant. Ils ont besoin d’être suffisamment dépolarisés pour être recrutés.

Activation du courant sodique : porte m Densité de courant (pA/pF) : • Amplitude du courant normalisée à la capacité membranaire (reflet de la taille de la cellule). • Nombre de canaux fonctionnels par unité de surface.

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Dépendance au potentiel : V1/2 : demi-potentiel auquel la moitié des canaux sont ouverts K : facteur de pente

V1/2 : demi-potentiel auquel la moitié des canaux sont ouverts K : facteur de pente Relation linéaire qui passe par 0 : si on avait continué la dépolarisation on aurait un courant sortant → c’est la conductance maximale. Ils obéissent donc purement à la loi d’Ohm.

Plus on a un grand courant plus on a une différence importante ? On peut donc faire un courbe d’activation : on travaille sur la conductance. Elle va permettre de travailler sur la porte m. Elle permet de déterminer : → Le voltage (demi-potentiel = moitié des canaux activés = V1/2) → La Pente (K), qui peut être modifiée (mais rarement car revient à modifier la sélectivité ionique)

Activation du courant sodique : dépendance au potentiel On va pouvoir savoir si le canal fonctionne correctement ou pas → car beaucoup de mutations peuvent affecter les activités biophysiques du canal. On parle de perte ou gain de fonctions pour les canaux. Le facteur de pente (K) n’est pas supposé• changer sauf s’il y a un changement de conductance (perméabilité• à d’autres espèces ioniques) ● Si V1/2 va vers des valeurs plus positives = perte de fonction : les canaux seront activés pour des valeurs de potentiel plus positives. Il faut dépolariser plus pour activer ces canaux. ● Si V1/2 va vers des valeurs plus négatives = gain de fonction : les canaux seront activés pour des valeurs de potentiel plus négatives. C’est l’inverse. La perte ou le gain de fonction peuvent avoir des effets délétères car il ne faut pas s’éloigner des valeurs normales.

Inactivation du courant sodique (porte h) : disponibilité des canaux à la dépolarisation Courbe d’inactivation : déterminer le nombre de canaux disponibles pour une nouvelle dépolarisation. Permet de déterminer le temps d’inactivation des canaux. ●

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On utilise un protocole un peu différent : Pour déterminer la fraction de canaux activables à un potentiel donné (qui physiologiquement correspond à l’état de dépolarisation de la cellule), on réalise 2 dépolarisations successives, dont l’un est déterminé par rapport au protocole d’activation réalisé précédemment. On mesure la densité courant lors du 2nd pulse qui correspond au potentiel pour lequel on a une réponse maximale lors de l’activation pour monter la courbe d’inactivation : Ipic (Vtest) / Imax V1/2 : demi-potentiel auquel la moitié des canaux sont inactivés.

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K : facteur de pente.

Rq: A -140mv → 100% des canaux sont activables.

● Inactivation du courant sodique : dépendance au potentiel Il y a des répercussions fonctionnelles importantes lorsqu’il y a une perte ou gain de fonction. → Perte de fonction car des canaux sont indisponibles pour des valeurs de potentiels plus négatives. Exemple : Le syndrome de Brugada Perte de fonction du canal sodique et arythmies → Diagnostic : élévation du segment ST 30% des patients sont porteurs de mutations sur ce gène (SCN5A) qui code pour les canaux sodiques. Il y a un shift des courbes d’activation et d'inactivation : décalage vers la gauche de la courbe d’inactivation. Les propriétés biophysiques sont altérées : anomalies du rythme chez le patient. Nb : La perte de fonction d’un canal peut avoir plusieurs causes diversifiées : Altération de l’activité canal, altérations transcriptionnelles / traductionnelles, altérations post-transcriptionnelles, environnement / architecture, altération pharmacologique, altération du trafic intra-cellulaire de ces canaux. Technique du macropatch : enregistrer plusieurs canaux, sans faire de trous dans la membrane, permet d’enregistrer dans des domaines spécifiques comme le disque intercalaire ou la membrane latérale. → La concentration des canaux aux disques intercalaires favorise la transmission du signal longitudinale plutôt que transversale : C’est l’anisotropie. Mutation Brugada : On perd le marquage au niveau du disque intercalaire. Mutation au niveau du canal sodique → il ne peut plus interagir avec sa protéine d’ancrage au disque intercalaire.

● Zoom sur la phase 1 du PA : La repolarisation transitoire Différents canaux potassiques : Courant d’échangeur qui peut fonctionner dans les deux sens en phase de repolarisation : sortie de sodium et entrée de potassium. Ikur : Spécifique de l’oreillette. Il y a de nombreux canaux potassiques : ce sont les plus nombreux. 46 gènes codent pour ces différents canaux potassiques. Il y a aussi les canaux de courants de background, les canaux ATP sensibles, ou encore les canaux sensibles au courant comme les Kir.

Diversité des canaux potassiques cardiaques Canaux K+ voltages dépendants : (~70 kDa). Gènes KCND2/3, KCNA5

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Sous-unité a composée de 6 segments TM Les segments S5 et S6 forment le domaine pore Les segments S1-4 constituent le domaine voltage-senseur S’assemblent en tétramères

Canaux Kir : (~50-70 kDa) - 2 segments TM - S’assemblent en tétramères autour d’un pore Canaux K2P : - 4 segments TM - S’assemblent en dimères Tous s’assemblent à des protéines auxiliaires cytosoliques ou membranaires. La repolarisation transitoire est principalement portée par : • Les canaux K + voltage-dépendants Ito et Ikur (gènes KCND2, KCND3, et KCNA5) • L’échangeur Na/Ca (NCX). - Ito → niveau auriculaire et ventriculaire. Le courant ITO est voltage dépendant → gamme de potentiel ou il n’est pas activé. - Courant sortant à la dépolarisation, permet la repolarisation. ➔ Le courant d’échangeur Il est aussi électrogène mais cette fois fait sortir 3 ions sodium pour 1 de calcium → repolarisation. Le courant Ito est important car exprimé différentiellement au niveau épicardique (extérieur) et endocardique (intérieur). La repolarisation va se faire de la même façon dans tout le cœur, avec un gradient de repolarisation plus important en épicardique. Côté cavité, Les potentiels d’action ont des durées de cinétique très différentes. → Ce gradient de repolarisation avec des PA plus courts au niveau épicardique permet d’empêcher l’activation rétrograde des feuillets épicardiques.

Gradients d’expression de KChIP2 et d’Ito : expression différentielle à l’origine du gradient transmural d’Ito. L’amplitude du courant Ito est beaucoup plus petit dans l’endocarde que dans l’épicarde. C’est intéressant car ce canal Ito est associé à la protéine KChIP, donc les protéines auxiliaires jouent un rôle important dans l’activation de ces courants. → La perte du gradient transmural d’Ito favorise les tachycardies ventriculaires. Ce gradient de KChIP détermine le gradient d’Ito. Si on fait un KO KChIP, il y a moins de courant Ito dans les cellules, mais on va aussi observer un allongement du segment ST comme dans le Brugada. Ces souris délétées et KO pour la protéine auxiliaire vont être susceptibles aux tachycardies ventriculaires. Elle met du temps à revenir à un rythme sinusal normal. Ce gradient d’It...