Couplage Excitation – Contraction - du myocyte cardiaque Faculté de Médecine Paris Diderot Master 1 Médical – UE8 16 octobre 2007 Couplage Excitation – Contraction - du myocyte cardiaque Pr Jean-Jacques Mercadier Départements de Physiologie et de Cardiologie et Inserm U698 Groupe Hospitalier Bichat – C. Bernard, Paris, France

Role of Ca2+ cycling in excitation-contraction coupling and relaxation of cardiac myocytes [Ca2+]i=10-7M (dia.) [Ca2+]i=10-5M (sys.) [Ca2+]SR=10-3M Relaxation Contraction  Bers 2002, Nature

Myocarde

Appareil contractile d’une cellule musculaire Système longitudinal Réticulum sarcoplasmique Diades\Triades Myofibrilles Cytosol Membrane Plasmique (sarcolèmme) Tubules transverse Sacs latéraux Mitochondrie Attention: Triades: plutôt dans les cellules musculaires squelettique Diades: plutôt dans les cellules musculaires cardiaques

Ouverture du tubule transverse à l’espace extra-cellulaire Le système tubulaire Transverse Ouverture du tubule transverse à l’espace extra-cellulaire Sarcolèmme Tubules transverse Segments du réticulum sarcoplasmique Myofibrilles

Membrane cellulaire du myocyte=Sarcolemme Le réticulum Sarcoplasmique Longitudinal Membrane cellulaire du myocyte=Sarcolemme Ca2+-ATPase du sarcolemme = PMCA Cytosol « Calcium leak » Calséquestrine Ca2+-ATPase du RS (SERCA) + Phospholamban (PL) Tubule T RS Longitudinal Z Sarcomère Ca2+ « Synapse » calcique RS Corbulaire RS Jonctionnel Canal calcique de type L Échangeur Na-Ca = NCX Canal calcique du RS Récepteur à la Ryanodine

Répartition ionique intra et extra cellulaire Na+ K+ Ca2+ 140 1 à 2 5 à 15 3à5 0.0001 à 0.001 Cations 1 μM 100 nM Signal calcique Rapport 10 1000 à 10000 35 A- Cl- 140 Anions

Les différents courants constitutifs du PA du myocyte cardiaque Kv = courants potassiques dépendants du potentiel 1 Phases 1 et 3 : Courants Kv 2 Phases 3 et 4 : 0 mV Ito (Kv4.3) Courants K+ à rectification entrante IKur (Kv1.5) IKATP (Kir6.2/SUR2) IK1 (Kir2.1, 2, 3) IAch (Kir3.1/Kir3.4) IKr (Herg) 25 mV 100 ms IKs (KvLQT1/IsK) 3 4 4 I temps V Phases 0 et 2 : Courants Na+ et Ca2+ entrants INa+ (SCN5A) ICa2+L (CACNA1C/CACNA2/CANB1) INa-Ca (NCX1) = courant d’échange Na-Ca

Role of Ca2+ cycling in excitation-contraction coupling and relaxation of cardiac myocytes [Ca2+]i=10-7M (dia.) [Ca2+]i=10-5M (sys.) [Ca2+]SR=10-3M Relaxation Contraction  Bers 2002, Nature

Le récepteur à la Ryanodine Ca2+ Canaux Calciques de type L Entrée de Ca2+ Le récepteur à la Ryanodine Dépolarisation + + + + Tubule T Relargage de Ca2+ Par le canal du récepteur à la Ryanodine Ca2+ Induit par le changement de conformation RyR Le Pied du récepteur à la ryanodine COOH M1 M2 M3 M4 Réticulum Sarcoplasmique Lumière

La stimulation b-adrénergique Xiao et al. Circulation Research 1999;85:1092

Cardiac intracellular calcium release channels Marks AR, Circ Res 2000;87:8-11

« CICR » System of Ca2+ extrusion from the SR and coupled gating of ryanodine receptors (RyRs) L-type Ca2+ channels SR membrane sarcolemma 10-25 L-CaCh:100 RyR 15nm CSQ junction Free Ca2+ Ca2+ CSQ Bound Ca2+ CSQ (Calsequestrin)  Bers 2004, JMCC RS TT cytosol Coupled gating of RyRs: synchronous opening and closure of all RyRs located in a couplon: major role of FKBP12.6 (Calstabin 2) FKBP12.6 RyR2 « CICR »

Excitation – contraction – relaxation of cardiac myocytes sarcolemma SR Calreticulin Histidine-rich Ca2+ BP Ca2+ CSQ FKBP 12.6 RyR2 L-type Ca2+ channel Ca2+ Ca2+ SERCA2a Ca2+ 1 PL P Troponin C Ca2+ 4 Mitochondria 3 2 PMCA Na+ NCX

La contraction : le Sarcomère

Coupe transversale du Sarcomère Fibrille Sarcomère sectionné Filaments De myosine d’actine et de d’actine z Sarcomère z m Zone h Bande A = 15 microns z z Bande I

La Molécule de Myosine Tête Queue Light chains P 900 Å 400 Å 200 Å LMM HMM

Organisation de la myosine Organisation antiparallèle des molécules de myosine dans le filament épais. Tête de myosine Le Filament Fin 365Å Complexe des Troponines Actine Tropomyosine

Relation Filament fin et le Filament épais Protéine C liant la myosine = Myosin Binding Protein C Filament Fin épais

1 : en absence de Ca2+ (Ca2+ <100 nM) Le Calcium dans l’initiation d’interaction de la myosine et de l’actine 1 : en absence de Ca2+ (Ca2+ <100 nM) Ca2+ Actine TM TnT TnI Actine TnC Tête de Myosine Tête de Myosine TnC TnI TM TnT Ca2+ TM: Tropomyosine TnT: Troponine T, lie les troponines à la TM et à l’actine TnI: Troponine I empêche l’interaction actine-myosine en absence de Ca2+ TnC: Troponine C fixe les ions Ca 2+

1 : en présence de Ca2+ (Ca2+  1 mM) Le Calcium dans l’initiation d’interaction de la myosine et de l’actine 1 : en présence de Ca2+ (Ca2+  1 mM) TM TnT TnC TnI Ca2+ Ca2+ Ca2+ Actine Tête de Myosine Actine Tête de Myosine TnT TM TnC TnI Ca2+ Ca2+ Ca2+ Ca2+ Ca2+ En présence de Ca2+ sur la TnC, la Tropomyosine et les troponines basculent et libèrent l’espace nécessaire à l’interaction actine-myosine.

{ Cycle ATPasique de la Myosine R N R N AM AM Sans Actine M*-T K1 K5 K7 K9 K11 Sans Actine M M*-T M**-D-Pi M+-D-Pi M*-D M K2 K3 K13 K14 K15 K2 Actine AM AM*-T ( AM**-D-Pi ) AM+-D-Pi { AM*-D AM K4 K6 K10 K12 K8 ( 90° ) ( 45° ) L’arrivée de l’ATP détache la Tête de Myosine du filament d’actine Etape du développement de la force par le pont Actine-Myosine Série de réactions prépondérantes ATP ADP + Pi R M = Myosine La Myosine est Réfractaire à la liaison à l’actine A = Actine T = ATP N Non-Réfractaire D = ADP

Le Ca2+ qui active la Calmoduline provient du réticulum sarcoplasmique Signalisation de la contraction des cellules musculaires lisses [Ca2+]i + CaM Ca2+ du RS/RE Le Ca2+ qui active la Calmoduline provient du réticulum sarcoplasmique 1 Relaxation : Exemple de stimulation du Récepteur β2-adrénergique Contraction MLCK--P 4 Ca2+ --CaM Calmoduline La MLCK est activée par la calmoduline quand celle-ci à fixé le Ca2+ 2 βAR AMPc PKA MLCK 3 4 Contraction 5 Relaxation Myosine LC2 Myosine LC2-P actine MLCP RhoK GTP GDP α1 RhoA AII ET

Régulation de la contraction des cellules musculaires lisses Origine du Calcium venant activer la MLCK ANP BNP G α1 AII ET Autres Récepteur Ca2+ Ca2+ NO ROC VOC Vasoconstricteurs Guanylate cyclase particulaire P Phosphatidyl Inositol PLC DAG IP3 GTP Guanylate cyclase soluble + SR SERCA IP3-R GMPc Ca2+-CaM Contraction vasculaire Kinase de la chaîne légère de la myosine RhoA Ca2+ Pi Myosine Actine P RhoAKinase Récepteurs à 7 domaines transmembranaires Phosphatase

Membrane cellulaire du myocyte=Sarcolemme Le réticulum Sarcoplasmique Longitudinal Membrane cellulaire du myocyte=Sarcolemme Ca2+-ATPase du sarcolemme = PMCA Cytosol « Calcium leak » Calséquestrine Ca2+-ATPase du RS (SERCA) + Phospholamban (PL) Tubule T RS Longitudinal Z Sarcomère Ca2+ « Synapse » calcique RS Corbulaire RS Jonctionnel Canal calcique de type L Échangeur Na-Ca = NCX Canal calcique du RS Récepteur de la Ryanodine