Faculté de Médecine Paris DiderotFaculté de Médecine Paris Diderot

Master 1 Médical – UE8Master 1 Médical – UE8

16 octobre 200716 octobre 2007

Couplage Excitation – Contraction -Couplage Excitation – Contraction -

du myocyte cardiaquedu myocyte cardiaque

Pr Jean-Jacques MercadierPr Jean-Jacques MercadierDépartements de Physiologie et de CardiologieDépartements de Physiologie et de Cardiologie

et Inserm U698et Inserm U698Groupe Hospitalier Bichat – C. Bernard, Paris, FranceGroupe Hospitalier Bichat – C. Bernard, Paris, France

Role of CaRole of Ca2+2+ cycling in excitation-contraction coupling cycling in excitation-contraction coupling and relaxation of cardiac myocytesand relaxation of cardiac myocytes

[Ca2+]i=10-7M (dia.)[Ca2+]i=10-5M (sys.)

[Ca2+]SR=10-3M

Bers 2002, Nature

ContractionRelaxation

Myocarde

TubulesTubulestransversetransverse Sacs

latéraux

Mitochondrie

Membrane Plasmique(sarcolèmme)

Système longitudinalRéticulum

sarcoplasmique

Myofibrilles

Cytosol

Appareil contractile d’une cellule musculaireAppareil contractile d’une cellule musculaire

Attention: Triades: plutôt dans les cellules musculaires squelettique Diades: plutôt dans les cellules musculaires cardiaques

Diades\Triades

Le système tubulaire TransverseLe système tubulaire Transverse

Tubules transverse Segments du réticulumsarcoplasmique Myofibrilles

Ouverture du tubule transverse à l’espace extra-cellulaire

Sarcolèmme

Le réticulum Sarcoplasmique LongitudinalLe réticulum Sarcoplasmique Longitudinal

Ca2+-ATPase du sarcolemme = PMCA

« Calcium leak »

Calséquestrine

Ca2+-ATPase du RS (SERCA)+ Phospholamban (PL)

Canal calcique de type L

Canal calcique du RSRécepteur à la Ryanodine

Échangeur Na-Ca = NCX

Cytosol

Tubule T

Membrane cellulaire du myocyte=Sarcolemme

RS LongitudinalRS Longitudinal

RS CorbulaireRS Corbulaire

RS JonctionnelRS Jonctionnel

ZSarcomère Sarcomère

Ca2+

« Synapse »calcique

Répartition ionique intra et extra cellulaireRépartition ionique intra et extra cellulaire

A-A-

A-A-

A-A-

A-A-

ClCl--ClCl--140140

AnionsAnions

NaNa++

NaNa++

KK++

KK++

CaCa2+2+CaCa2+2+

140140

140140

1 à 21 à 2

5 à 155 à 15

3à53à5

0.0001 0.0001 à 0.001à 0.001

CationsCations

1 μM1 μM

100 nM100 nM

Signal Signal calciquecalcique RapportRapport

RapportRapport

RapportRapport

1010

1000 à 100001000 à 10000

3535

Les différents courants constitutifs du PA du myocyte cardiaqueLes différents courants constitutifs du PA du myocyte cardiaque

25 mV25 mV

100 ms100 ms

11

22

33

44

00

44

Phases 1 et 3 :Phases 1 et 3 :

Courants Courants KvKv

Ito (Kv4.3)Ito (Kv4.3)

IKur (Kv1.5)IKur (Kv1.5)

IKr (Herg)IKr (Herg)

IKs (KvLQT1/IsK)IKs (KvLQT1/IsK)

Kv Kv = courants = courants potassiques potassiques dépendants du dépendants du potentielpotentiel

Phases 0 et 2 :Phases 0 et 2 :

Courants NaCourants Na++ et Ca2 et Ca2++ entrants entrants

INaINa++ (SCN5A) (SCN5A)

ICaICa2+2+LL (CACNA1C/CACNA2/CANB1) (CACNA1C/CACNA2/CANB1)

INa-Ca (NCX1) = courant d’échange Na-CaINa-Ca (NCX1) = courant d’échange Na-Ca

0 mV0 mVPhases 3 et 4 :Phases 3 et 4 :

Courants KCourants K++ à à rectification entranterectification entrante

IKATP (Kir6.2/SUR2)IKATP (Kir6.2/SUR2)

IK1IK1 (Kir2.1, 2, 3)(Kir2.1, 2, 3)

IAch (Kir3.1/Kir3.4)IAch (Kir3.1/Kir3.4)

VV

IItempstemps

Role of CaRole of Ca2+2+ cycling in excitation-contraction coupling cycling in excitation-contraction coupling and relaxation of cardiac myocytesand relaxation of cardiac myocytes

[Ca2+]i=10-7M (dia.)[Ca2+]i=10-5M (sys.)

[Ca2+]SR=10-3M

Bers 2002, Nature

ContractionRelaxation

Le récepteur à Le récepteur à la Ryanodinela Ryanodine

M1 M2 M3 M4

COOH

Réticulum Sarcoplasmique

Lumière

RyRRyR

+ + + + Tubule T

Dépolarisation

Ca2+

Canaux Calciques de type L

Entrée de Ca2+

Ca2+Ca2+ Ca2+ Ca2+

Relargage de Ca2+Par le canal du récepteur

à la Ryanodine

Ca2+

Relargage de Ca2+

Relargage de Ca2+Induit par le changement

de conformation

Le Pied du récepteur à la ryanodine

Xiao et al. Circulation Research 1999;85:1092

La stimulation La stimulation -adrénergique-adrénergique

Cardiac intracellular calcium release channels

Marks AR, Circ Res 2000;87:8-11

Ca2+

Free Ca2+

cytosol RSTT

Bound Ca2+

CSQ

15nm

CSQ

junction

10-25 L-CaCh:100 RyR

L-typeCa2+

channels

RyR2 FKBP12.6

sarc

olem

ma

SR m

embr

ane

CSQ

Bers 2004, JMCC

« CICR »

(Calsequestrin)

System of Ca2+ extrusion from the SRand coupled gating of ryanodine receptors (RyRs)

Coupled gating of RyRs: synchronous opening and closure of all RyRs located in a couplon:

major role of FKBP12.6 (Calstabin 2)

NCX

PMCA

L-type Ca2+

channel

RyR2

Troponin C Ca2+

SR

SERCA2a

sarcolemma

Ca2+

Ca2+ Ca2+

Ca2+ CSQ

Mitochondria

1

3 2

4

PPL

FKBP 12.6

Excitation – contraction – relaxationof cardiac myocytes

Ca2+ Ca2+

Na+

• Calreticulin• Histidine-rich Ca2+ BP

La contraction : le SarcomèreLa contraction : le Sarcomère

Fibrille

Sarcomère

Coupe transversale du SarcomèreCoupe transversale du Sarcomère

Bande I

zz

z z

m

Bande A = 15 microns

Zone h

Sarcomère sectionné

FilamentsDe

myosine

Filamentsd’actine et de

myosine

Filaments d’actine

La Molécule de MyosineLa Molécule de Myosine

Queue

900 Å 400 Å 200 Å

Tête

LMM HMM

Lightchains

LC1

LC1

LC2*

LC2*

P

Organisation de la myosineOrganisation de la myosineOrganisation antiparallèle des molécules de myosine dans le filament épais.

Tête de myosine

Le Filament FinLe Filament Fin

365Å

Complexe des Troponines

Actine

Tropomyosine

Relation Filament fin et le Filament épaisRelation Filament fin et le Filament épais

Protéine C liant la myosine=

Myosin Binding Protein CFilament

Fin

Filamentépais

TnTTnT TMTM

ActineActine

ActineActine

TMTM TnTTnT

TnCTnC

TnCTnC

TnITnI

TnITnITête deTête deMyosineMyosine Tête deTête de

MyosineMyosine

TM: TropomyosineTM: Tropomyosine

TnC: Troponine TnC: Troponine CC fixe les ions fixe les ions CCa 2+a 2+

TnT: Troponine T, lie les troponines à la TM et à l’actine TnT: Troponine T, lie les troponines à la TM et à l’actine

TnI: Troponine TnI: Troponine II empêche l’ empêche l’iinteraction actine-myosine en absence de Ca2+nteraction actine-myosine en absence de Ca2+

Le Calcium dans l’initiation d’interaction de la myosine et de l’actineLe Calcium dans l’initiation d’interaction de la myosine et de l’actine1 : en absence de Ca1 : en absence de Ca2+2+ (Ca (Ca2+2+ <100 nM) <100 nM)

Ca2+Ca2+

Ca2+Ca2+

TnTTnT TMTM

TnCTnC

TnITnI

ActineActine

ActineActine

Tête deTête deMyosineMyosine

Tête deTête deMyosineMyosine

Ca2+Ca2+

Le Calcium dans l’initiation d’interaction de la myosine et de l’actineLe Calcium dans l’initiation d’interaction de la myosine et de l’actine1 : en présence de Ca1 : en présence de Ca2+2+ (Ca (Ca2+2+ 1 1 M)M)

En présence de Ca2+ sur la TnC, la Tropomyosine et les troponines basculent En présence de Ca2+ sur la TnC, la Tropomyosine et les troponines basculent et libèrent l’espace nécessaire à l’interaction actine-myosine. et libèrent l’espace nécessaire à l’interaction actine-myosine.

TMTMTnTTnT

TnCTnC

TnITnI

Ca2+Ca2+

Ca2+Ca2+

Ca2+Ca2+

Ca2+Ca2+

Ca2+Ca2+

Ca2+Ca2+

Ca2+Ca2+

Cycle ATPasique de la MyosineCycle ATPasique de la Myosine

Sans ActineSans Actine

ActineActine

MK1

M*-T M**-D-Pi M+-D-PiK9

M*-DK11

MK5 K7

R N

N

R

AM AMAM*-T

K2 K3

K4( AM**-D-Pi ) AM+-D-Pi

K13

K6 K8

K14

( 90° )( 90° )

AM*-D

( 45° )( 45° )K10 K12

K15 K2

{Etape du développement de la force par le pont Actine-MyosineEtape du développement de la force par le pont Actine-MyosineL’arrivée de l’ATP détache la L’arrivée de l’ATP détache la

Tête de Myosine du filament d’actineTête de Myosine du filament d’actine

La Myosine est Réfractaire à la liaison à l’actineLa Myosine est Réfractaire à la liaison à l’actine

Non-RéfractaireNon-Réfractaire

Série de réactions prépondérantesSérie de réactions prépondérantes ATP ADP + Pi

M = Myosine

A = Actine

T = ATP

D = ADP

Signalisation de la contraction des cellules musculaires lissesSignalisation de la contraction des cellules musculaires lisses

Relaxation :Relaxation :Exemple de stimulation duExemple de stimulation duRécepteur β2-adrénergiqueRécepteur β2-adrénergique

ContractionContraction

βARβAR

AMPcAMPc

MLCKMLCK

MLCPMLCP

Myosine LC2Myosine LC2--PP actineactineRelaxationRelaxation Myosine LC2Myosine LC2

PKAPKA

MLCK--MLCK--PP

[Ca2+]i + CaM[Ca2+]i + CaM

CaCa2+2+ du RS/RE du RS/RE

Le CaLe Ca2+2+ qui active la qui active la Calmoduline provient du Calmoduline provient du réticulum sarcoplasmiqueréticulum sarcoplasmique

11

44

4 Ca4 Ca2+2+ --CaM --CaM

Calmoduline Calmoduline La MLCK est La MLCK est activée par la calmoduline activée par la calmoduline quand celle-ci à fixé le Caquand celle-ci à fixé le Ca2+2+

22

ContractionContraction55

33

GTPGTP GDPGDP

RhoKRhoK

RhoARhoA

α1α1

AIIAIIETET

Régulation de la contraction des cellules musculaires lissesRégulation de la contraction des cellules musculaires lissesOrigine du Calcium venant activer la MLCKOrigine du Calcium venant activer la MLCK

GG

α1α1AIIAII

ETETAutresAutres

RécepteurRécepteur

PP

PP PP

PhosphatidylPhosphatidylInositolInositol

PLCPLC DAGDAG

IP3IP3

VasoconstricteursVasoconstricteurs

IP3-RIP3-R

CaCa2+2+-CaM-CaM

SRSR

CaCa2+2+ CaCa2+2+

ROCROC VOCVOC

++

CaCa2+2+

SERCASERCA

Kinase de laKinase de lachaîne légèrechaîne légèrede la myosinede la myosine

ContractionContractionvasculairevasculaire

RhoARhoA

RhoAKinaseRhoAKinase

PhosphatasePhosphatase

PPPiPi

Récepteurs à 7 domainesRécepteurs à 7 domainestransmembranairestransmembranaires

MyosineMyosine

ActineActine

GuanylateGuanylatecyclasecyclase

particulaireparticulaire

ANPANPBNPBNP

GTPGTP

GMPcGMPc

GuanylateGuanylatecyclase solublecyclase soluble

NONO

Le réticulum Sarcoplasmique LongitudinalLe réticulum Sarcoplasmique Longitudinal

Ca2+-ATPase du sarcolemme = PMCA

« Calcium leak »

Calséquestrine

Ca2+-ATPase du RS (SERCA)+ Phospholamban (PL)

Canal calcique de type L

Canal calcique du RSRécepteur de la Ryanodine

Échangeur Na-Ca = NCX

Cytosol

Tubule T

Membrane cellulaire du myocyte=Sarcolemme

RS LongitudinalRS Longitudinal

RS CorbulaireRS Corbulaire

RS JonctionnelRS Jonctionnel

ZSarcomère Sarcomère

Ca2+

« Synapse »calcique