Figure 2 : tracé montrant avec précision les cycles contraction-décontraction du cœur.

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1 A. Régulation de l activité cardiaque. Dans ce TP, nous allons étudier le cœur isolé. Il est donc dépourvu de toute régulation nerveuse, ce qui n est pas le cas dans l organisme. Il est innervé par le système parasympathique, inhibiteur, et le système nerveux sympathique, activateur. Le parasympathique utilise l acétylcholine comme dernier neurotransmetteur et le sympathique la noradrénaline. II. Manipulations et résultats A. Enregistrement normal Figure 1 : Tracé montrant l'activité contractile du cœur dans des conditions normales Figure 2 : tracé montrant avec précision les cycles contraction-décontraction du cœur. On observe le cœur qui se contracte : les oreillettes grossissent puis reviennent à un niveau normal pendant que le ventricule se contracte et se raccourcit. Il se relâche et sa taille augmente, avant que l oreillette ne se contracte à nouveau. Sur les tracés, on ne perçoit que la contraction ventriculaire. Amplitude Période Fréquence 197,23 ms 3145,5 ms 0,32 / s 19,2 / min B. Effet de l adrénaline Le cœur est donc en perfusion de Ringer. On fait passer dans la perfusion une solution d adrénaline. On sort le tuyau du Ringer, on le plonge très vite dans la solution d adrénaline. Lorsque qu une dizaine de cm de tuyau contient la solution on le voit car une bulle d air

2 s est formée lors du passage du Ringer à l adrénaline on retire le tuyau et on le replonge instantanément dans la solution de Ringer. Une deuxième bulle s est formée, on peut alors suivre le parcours de la solution et déterminer le moment où elle perfuse le cœur. Figure 3 : Tracé montrant les effets de la perfusion d'une solution d'adrénaline à M, sur l'activité cardiaque. A cette concentration on constate une légère augmentation de l amplitude(effet chronotrope positif) pendant quelques secondes, puis un retour à la normale au bout de peu de temps. Le maximum d effet est atteint au bout de 10 secondes et on revient à la normale à peu près 25 secondes après ce maximum. La fréquence ne varie pas significativement. Figure 4 : Tracé montrant les effets de la perfusion d'une solution d'adrénaline à 10-6 M, sur l'activité cardiaque. On constate comme précédemment un effet chronotrope positif, mais le retour à la normale est un peu plus long. Un léger effet inotrope positif (augmentation de la fréquence) est décelable. Amplitude (mv) Période (ms) Fréquence en s -1 Fréquence en min -1

3 Solution d adrénaline à Solution d adrénaline à 10-6 avant 219, ,21 0,33 19,98 pendant 257, ,34 0,33 19,55 après 198, ,2 0,31 18,51 avant 211, ,63 0,34 20,50 pendant 250, ,2 0,39 23,13 après 209, ,82 0,38 22,71 On peut calculer le pourcentage d effet, Pe, de l adrénaline pour les 2 concentrations. Pour la solution à , Amplitude : Pe = 257,13 x 100 = 117%. On a donc un effet de 119% (amplitude multipliée par 219,69 1,19) Fréquence : même principe pour le calcul : Pe = 97,5 % : pas de variation significative de la fréquence Pour la solution à 10-6 Amplitude : Pe = 118 % Fréquence : Pe = 112 % (significatif) C. Effet de l acétylcholine Figure 5 : Tracé montrant les effets de la perfusion d'une solution d'acétylcholine à 10-6 M, sur l'activité cardiaque. On constate une diminution brutale de l amplitude de contraction(effet chronotrope négatif), ainsi qu une irrégularité au niveau de la fréquence cardiaque qui diminue globalement(effet inotrope négatif), au moment de l injection de l acétylcholine. L amplitude augmente ensuite doucement et tend vers sa valeur d origine. Amplitude Période Fréquence Avant l injection 244,12 mv 3436,73 ms 0,29 / s 17,4 / min 4375 ms Pendant 65,36 mv (moyenne sur l injection 105 s) 0,23 / s 13,8 / min Fin du tracé, 4min après l injection 183,2 mv 3890,95 ms 0,26 / s 15,6 / min Calcul du pourcentage d effet

4 Amplitude : Pe = 65,36 / 244,12 x 100 = 26,77 % : l amplitude au maximum de l effet de l acétylcholine est égale à 26% de l amplitude normale. Fréquence : Pe = 13,8 / 17,4 x 100 = 79,3 % : la fréquence, irrégulière, est globalement égale à 79,3 % de la fréquence normale. D. Effet de l atropine On perfuse pendant un temps relativement important, avec une solution de Ringer contenant de l atropine. On perfuse ensuite avec le Ringer sans atropine puis on injecte les solutions d acétylcholine et d adrénaline utilisées précédemment, de la même façon que celle employée dans les autres expériences. 1. Atropine seule Figure 6 : Tracé montrant les effets de la perfusion d'une solution d'atropine sur l'activité cardiaque. On constate une légère augmentation après le début de la perfusion, puis une stabilisation. L atropine seule ne devrait pas avoir d effet, ce phénomène sera expliqué dans les interprétations. 2. Effet de l adrénaline après atropinisation Figure 7 : Tracé montrant l'effet, après action de l'atropine, de la perfusion d'une solution d'adrénaline à 10-6 M sur l'activité cardiaque.

5 Nous n utilisons pas nos résultats pour cette partie, l expérimentation ayant échouée. On constate que l effet est le même que lors de l expérience sans atropine. On a un effet chronotrope positif. Cependant, on ne constate pas d effet inotrope positif. Amplitude Période Fréquence en s -1 Fréquence en min -1 Avant l injection 281 mv 1128 ms 0,89 53,4 Après l injection 322 mv 1188 ms 0,87 52,6 Pourcentage d effet Amplitude : Pe = 322 / 281 x 100 = 114 % Fréquence :Pe = 52,6 / 53,4 x 100 = 98,5 % : pas significatif 3. Effet de l Acétylcholine après atropinisation Figure 8 : Tracé montrant l'effet, après action de l'atropine, de la perfusion d'une solution d'acétylcholine à 10-6 M, sur l'activité cardiaque. On constate que l effet de l acétylcholine précédemment observé n a pas lieu. III. Interprétations A. Enregistrement normal On observe une succession de cycles contraction-relaxation correspondant à la systole ventriculaire et à la diastole ventriculaire, comme on ne voit pas la contraction auriculaire sur les tracés. Lors de la systole ventriculaire, le ventricule se contracte et le sang est expulsé vers le système circulatoire. Lors de la diastole ventriculaire, la pression dans le ventricule s abaisse par rapport au pic atteint pendant la systole. B. Effet de l adrénaline L adrénaline, qui porte aussi le nom d épinéphrine, est à la fois une hormone et un neurotransmetteur appartenant à la famille des catécholamines. Elle est synthétisée par les cellules chromaffines des glandes de la médullosurrénale. Là, elle est secrétée dans la circulation sanguine pour aller se fixer sur les récepteurs adrénergiques α et β, récepteurs hélicoïdaux couplés à une protéine G trimérique, et agir en tant qu hormone sur les organes cibles. La biosynthèse des catécholamines est assurée par une voie métabolique commune. Le précurseur de cette voie de synthèse est la tyrosine qui est captée dans le milieu extracellulaire par un système de transport actif. La tyrosine est hydroxylée en dihydroxyphénylalanine (DOPA) par la tyrosine-3-hydroxylase. La DOPA subit alors une décarboxylation grâce à une décarboxylase spécifique, utilisant le phosphate de pyridoxal,pour donner la dopamine. Celleci peut-êtreméthylée par la dopamine-β-hydroxylase pour donner la noradrénaline qui peut elle-même être réduite en adrénaline.

6 Les catécholamines sont recaptées par les cellules pour y être dégradées, par des monoamines oxydases (MOA) ou la catéchol-o-méthyltransférase (COMT). L adrénaline se fixe sur les récepteurs adrénergiques. Dans le cœur, ce sont des récepteurs β1 qui sont présents : leur activation stimule les fonctions cardiaques, notamment la fonction inotrope (augmentation de la force contractile, ici observée légèrement pour la plus faible dilution) et la fonction chronotrope (augmentation de la fréquence cardiaque, observée pour les deux dilutions). Les récepteurs β1 sont couplés à une protéine Gs qui va activer l adénylate-cyclase. Cette enzyme va alors catalyser la formation de l AMPc à partir de l ATP. Dans les cellules contractiles, la concentration en AMPc va augmenter et ainsi activer sa cible privilégiée : la protéine kinase A. Celle-ci va alors entrainer l ouverturede canaux calciques de la membrane plasmiqueet une quantité importante de calcium se retrouvera dans le milieu. Celui-ci, comme décrit dans l introduction, entrainera un changement de conformation du complexe des troponines permettant l interaction actine/myosine, puis au final, une augmentation de la force contractile cardiaque. On a donc un effet inotrope positif. Dans les cellules cardionectrices, la protéine kinase A phosphoryle les canaux calcique de la membrane cytoplasmique. Ceux-ci vont alors laisser rentrer le calcium, ce qui dépolarise doucement la membrane. De plus l AMPc fabriqué va se fixer sur le canal IH et l activer davantage, entrainant aussi une dépolarisation de la membrane. Ces deux phénomènes vont conduire à l augmentation de la pente du prépotentiel. Le seuil de dépolarisation est alors atteint plus rapidement. La fréquence de dépolarisation est alors augmentée. On a un effet chronotrope positif. Lors d une régulation nerveuse de l activité cardiaque, qui vise à accélérer le cœur et à augmenter l amplitude, ce n est pas l adrénaline mais la noradrénaline qui est libérée au niveau des différents nœuds de l automatisme cardiaque et des fibres contractiles. Les fibres du système nerveux sympathique font directement des synapses avec ceux-ciet modulent l activité cardiaque. L adrénaline agit lors d un stress violent, pour initier la réponse de fuite ou d attaque («fight or flight response»), visant à soustraire l animal de son environnement stressant. Elle est libérée par la médullo-surénale en réponse à un stimulus donné par l encéphale. Elle diffuse dans tout l organisme grâce au système vasculaire. Elle va agir au niveau du cœur pour

7 faciliter l apport du sang aux muscles pour permettre une réaction rapide et intense (nager vite pour fuir un prédateur par exemple). Elle va également agir sur d autres cibles, également dans ce sens de répondre rapidement à une situation. Elle va par exemple permettre la dégradation du glycogène au niveau musculaire et alors permettre la fabrication de plus d énergie à partir du glucose, par la glycolyse. Aussi, elle peut jouer sur d autres aspects : chez certains poissons, elle permet un changement de la couleur des écailles, ce qui confère une plus grande discrétion. C. Effet de l acétylcholine L acétylcholine est un ester acétique de la choline. C est le premier neurotransmetteur qui a été caractérisé dès le début du XXe siècle. La choline, nécessaire à la synthèse de l acétylcholine, a une origine à la fois exogène par l alimentation et endogène par biosynthèse à partir de la glycine et par la dégradation de l acétylcholine. Les métabolismesglucidiques (par la conversion du pyruvate en acétylcoa) et lipidique (par la β-oxydation des acides gras) fournit l acétylcoenzyme A, source de l acétylation de la choline par la choline-acétyltransférase, ainsi que l énergie nécessaire à sa synthèse. La choline-acétyl-transférase est synthétisée dans le corps cellulaire et amenée par transport axonal aux terminaisons nerveuses. C est là que l acétylcholine, après sa synthèse, est stockée dans les nombreuses vésicules de sécrétion utilisables par l arrivée d un potentiel d action.au cours de l influx nerveux, l acétylcholine est libérée au niveau des synapses des neurones dit cholinergiques du système nerveux périphérique, pour transmettre l information nerveuse d un neurone au suivant. Ces synapses utilisant l acétylcholine comme neurotransmetteur sont appelées synapses cholinergiques. Lorsque le neurotransmetteur est libéré, il agit sur ces récepteurs puis il subit immédiatement une hydroxylation par l acétylcholinestérase qui est déjà présente dans la fente synaptique, ce qui lui confère une action très précise dans le temps. L acétylcholine est stockée dans les terminaisons nerveuses présynaptiques des neurones cholinergiques, au niveau de vésicules de sécrétion, à raison de 5000 à molécules par vésicule. Les récepteurs cholinergiques sont de deux types : les récepteurs muscariniques et les récepteurs nicotiniques. Les récepteurs nicotiniques sont présents dans le cerveau, la moelle épinière, les ganglions des systèmes nerveux sympathiques et parasympathiques, et dans la synapse entre les neurones sympathiques et les effecteurs. Ce sont des récepteurs pentamériques formant un canal qui ne s ouvre qu après fixation de deux molécules d acétylcholine. Les récepteurs muscariniques appartiennent à la famille des récepteurs métabotropes à sept domaines transmembranaires. Ils sont largement distribués dans l organisme et sont très représentés dans le cerveau. Ce sont eux qui nous intéresseront pour les interprétations de l effet observé. Ils sont divisés en 5 classes de M1 à M5. M1, M3 et M5 possèdent une activité excitatrice tandis que M2 et M4 sont des inhibiteurs. On étudiera donc ici les récepteurs M présents dans le cœur. Les récepteurs muscariniques sont tous couplés à une protéine G. C est l expérience avec l atropine qui permettra de confirmer l action de récepteurs muscariniques. Cellules cardionectrices : Une injection d acétylcholine dans le cœur fait ici diminuer le rythme cardiaque, ou effet chronotrope négatif. En effet, la protéine Gq, activé après fixation de l acétylcholine sur un récepteur muscariniquevaagir sur des canaux potassiquesk Ach présents dans le nœud sinusal cardiaque. Les canaux potassiques s ouvrent : on a alors une augmentation de la perméabilité membranaire au K+. Celui-ci peut alors sortir

8 de la cellule et contre balancer le flux entrant de cations. La dépolarisation spontanée des cellules pacemaker est alors ralentie. L acétylcholine agit également sur le canal IH. Sa fixation sur un récepteur active une protéine Gi. Celle-ci va inhiber l adénylatecyclase, ce qui stoppe la synthèse d AMPc : le canal IH N est donc plus stimulé par l AMPc, ce qui contribue à l effet chronotrope positif On peut également observer que l entrée d acétylcholine dans le cœur à un effet inotrope négatif. Cet effet se fait indirectement car il touche les cellules contractiles mais l acétylcholine n a pas de récepteur sur ces cellules. La baisse de la fréquence des impulsions entraine des dépolarisations moins rapprochées. Le calcium a donc plus de temps pour être repris par le réticulum sarcoplasmique et/ou sortir de la cellule. La concentration cytosolique en calcium est donc moindre lors de la dépolarisation, ce qui engendre une baisse de la force de contraction. Les fibres parasympathiques innervent le cœur directement au niveau des nœuds de l automatisme cardiaque, notamment au niveau du nœud sinusal (nœud de Remak). D. Effet de l atropine L atropine est un alcaloïde (groupe large de substances organiques d origine végétale) extrait des feuilles de l Atropa belladona(belladone), une plante de la famille des Solonacées. Cette substance est utilisée depuis l Antiquité pour ses propriétés soit toxiques, soit hallucinogènes. Elle est également présente chez la jusquiame, ou la mandragore. C est une substance parasympatholytique : elle s oppose aux effets de l Acétylcholine au niveau des récepteurs muscariniques. On dit également que c est un antagoniste des récepteurs muscariniques. Elle s y fixe et empêche l acétylcholine d y accéder. Sa demi-vie ou période biologique est très longue, car aucun système de la dégrade rapidement au niveau tissulaire. Des récepteurs «atropinisés» le restent pendant un long moment. 1. Atropine seule L effet observé (légère augmentation de l amplitude) résulte surement du fait que le cœur a été stimulé mécaniquement lors de la manipulation du tuyau de perfusion. On pourrait imaginer également que de l acétylcholine était encore fixée à ses récepteurs et exerçait donc son action inotrope et chronotrope négative : l atropine aurait alors déplacé l acétylcholine de ses récepteurs annulant son effet, remontant ainsi l amplitude cardiaque. Cette considération est à nuancer par le fait que l acétylcholine a normalement une durée de vie très courte dans la fente synaptique par la présence de l acétylcholinestérase : il ne devrait plus en rester au moment de la perfusion par l atropine. On peut penser qu il subsiste des libérations résiduelles d acétylcholine au niveau des terminaisons nerveuses, ce qui expliquerait l effet observé. 2. Effet de l adrénaline après atropinisation L atropine étant un parasympatholytique, elle se fixe sur les récepteurs cholinergiques et non sur les récepteurs adrénergiques. L effet observé est donc le même que sans atropine, celle-ci n ayant aucun effet sur l action de l adrénaline. 3. Effet de l Acétylcholine après atropinisation L atropine est donc un antagoniste cholinergique qui agit en se fixant sur les récepteurs muscariniques de l acétylcholine. L acétylcholine injectée ne peut donc pas aller se fixer sur ses récepteurs pour exercer son effet puisque ceux-ci sont bloqués par l atropine. Les effetschronotropeet inotrope négatifs ne sont ainsi pas observés. En effet, les récepteurs

9 n étant pas activés par la fixation de l acétylcholine, la dépolarisation membranaire automatique n est pas affectée ainsi que la formation des complexe actine-myosine. IV. Conclusion A partir d un modèle simple, le cœur isolé de grenouille, moins complexe que le cœur de mammifère, les propriétés contractiles de ce dernier ainsi que leur régulation ont été abordées et expliquées. Le cœur est un organe qui peut fonctionner indépendamment du système nerveux autonome, comme c est le cas chez les personnes greffées du cœur, du moment qu il reçoit tout les éléments nécessaires à son bon fonctionnement. Le système nerveux autonome joue un rôle dans son fonctionnement, en modulant la force de contraction (inotropie) et la fréquence des battements (chronotropie). Cette modulation à pour origine les centres nerveux cardiomodérateurs et cardioaccélérateurs du bulbe rachidien. Le système nerveux parasympathique, par le biais de l acétylcholine comme dernier neurotransmetteur à pour rôle de ralentir le cœur et d amoindrir sa force de contraction. Le système nerveux sympathique, par le biais de la noradrénaline, a l effet inverse. L adrénaline, une hormone qui agit en réponse à un stress, va avoir les mêmes effets que la noradrénaline. Dans le cadre de la santé publique, on peut utiliser ces caractéristiques dans le but de soigner des maladies cardiaques. Par exemple l insuffisance cardiaque chronique est une maladie dans laquelle le cœur n a pas une activité assez forte pour apporter tous les nutriments nécessaires aux différents tissus. L organisme met alors en route des systèmes d adaptations comme la tachycardie pour maintenir une perfusion tissulaire suffisante. Les traitements modernes visent à diminuer la suractivation de ce mécanisme (nuisible pour le muscle cardiaque), engendré par une stimulation trop importante du système nerveux sympathique. Ainsi l utilisation de médicament antagonistes des récepteurs β du cœur, appelés β bloquants, va alors empêcher l action tachycardisante de la noradrénaline et donc ralentir le cœur. Schéma de synthèse aurait été judiscieux