Cardiomyocytes – Le projet Web de recherche Cardio

Le muscle cardiaque consiste en des faisceaux entrelacés de cardiomyocytes (cellules musculaires cardiaques). Comme le muscle squelettique, le muscle cardiaque est strié de bandes étroites sombres et claires, en raison de la disposition parallèle des filaments d’actine et de myosine qui s’étendent de bout en bout de chaque cardiomyocyte. Cependant, par rapport aux cellules musculaires squelettiques, les cardiomyocytes sont plus étroits et beaucoup plus courts, mesurant environ 25 µm de large et 100 µm de long. Les cardiomyocytes sont souvent ramifiés et contiennent un noyau mais de nombreuses mitochondries, qui fournissent l’énergie nécessaire à la contraction.

Une caractéristique importante et unique du muscle cardiaque est la présence de bandes sombres irrégulièrement espacées entre les cardiomyocytes. Ces bandes sont connues sous le nom de disques intercalés, et elles sont situées dans des zones où les membranes des cardiomyocytes adjacents sont très proches les unes des autres. Les disques intercalés sont, d’un point de vue mécanique, les entités structurelles qui permettent la transmission de la force contractile d’un cardiomyocyte à un autre. Cela permet au cœur de fonctionner comme un seul organe fonctionnel. En revanche, le muscle squelettique est constitué de fibres musculaires multinucléées et ne présente pas de disques intercalés. Une deuxième caractéristique decardiomyocytes est le sarcomère, qui est également présent muscle squelettique. Les arcomères donnent au muscle cardiaque leur aspect strié et sont les répétitions qui composent les myofibrilles. La Figure1 est une image d’immunofluorescence des cardiomyocytes en culture et une représentation de la structure des cardiomyocytes. Plusieurs autres caractéristiques sont propres aux cellules musculaires et en particulier aux cardiomyocytes, car elles confèrent aux cardiomyocytes leurs propriétés uniques et constituent les principaux composants structurels qui sont essentiels à la fonction de ces cellules.

1) Les disques intercalés. Différents complexes jonctionnels existent dans ledisque intercalé. Ces jonctions sont essentielles pour l’intégrité adhésive, la morphogenèse, la différenciation et le maintien du tissu cardiaque. Dans le disque intercalé, les molécules d’adhésion intercellulaire, les jonctions lacunaires et le complexe de canaux sodiques à transfert de tension forment des complexes macromoléculaires qui interagissent spécifiquement pour maintenir la structure cardiaque et la synchronie des cardiomyocytes. Les disques intercalés sont constitués de 3 complexes jonctionnels principaux: desmosomes, des jonctions adhérentes (adhérences du fascia dans le muscle cardiaque) et des jonctions lacunaires (Figure 2). Les jonctions gap sont essentielles pour le couplage chimique et électrique des cellules voisines, tandis que les jonctions desmosomes et desadherens constituent les jonctions intercellulaires mécaniques des cardiomyocytes. Thus, adherens junctions link the intercalated disc to the actincytoskeleton and desmosomes attach to intermediate filaments.

2) The sarcomere.Themain function of cardiomyocytes concerns cardiac contraction. A cet effet, les cardiomyocytes sont équipés de faisceaux de myofibrilles qui contiennent des myofilamentset représentent 45 à 60% du volume des cardiomyocytes (Figure 6). Les fibrilles sont formées d’unités distinctes et répétitives, appelées sarcomères.Les sarcomères représentent les unités contractiles de base du myocyte et sont définis comme la région des structures de myofilaments entre deux lignes Z. La distance entre les lignes Z varie dans les cœurs humains d’environ 1,6 à 2,2 µm. Thesarcomère est composé de filaments épais et minces.

Les filaments épais sont composés de myosine, une protéine d’un poids moléculaire d’environ 470 kilodaltons.Il y a environ 300 molécules de myosine par filament épais. Chaque myosincontient deux têtes qui sont le site de l’ATPase de la myosine, qui s’hydrolyse au nécessaire pour la formation de ponts croisés d’actine et de myosine. Ces têtes interagissent avecun site de liaison sur l’actine (Figure 7).

Les filaments minces sont composés des protéines qui forment le complexe protéique régulateur: actine, tropomyosine et troponine (figure 7). L’actine est une protéine globulaire disposée comme une chaîne deunités de réplication, formant deux brins d’une hélice alpha. Interdigité entreles brins d’actine sont des protéines en forme de bâtonnet appelées tropomyosine. Il y a 6-7 actinmolécules par tropomyosine. Attaché à la tropomyosine à intervalles réguliers est le complexe de troponine, qui est composé de trois sous-unités: la troponine-T (TN-T), qui se fixe à la tropomyosine; la troponine-C (TN-C), qui sert de site de liaison au Ca ++ lors du couplage excitation-contraction (quatre Ca ++ peuvent se lier par TN-C); et la troponine-I (TN-I), qui inhibe le site de liaison de la myosine sur l’actine.

La disposition des filaments épais et minces rend la contraction cardiaque possible, qui est discutée ailleurs et donne aux cardiomyocytes un motif en bandes caractéristique précédemment illustré sur la figure 6:

Lignes Z.Un sarcomère est défini comme le segment entre deuxles lignes Z voisines (ou disques Z, ou corps Z). Dans les micrographies électroniques du muscle strié croisé, la ligne Z (de l’allemand « Zwischenscheibe », le disque entre les bandes I) apparaît comme une série de lignes sombres.

Bande I. Autour de la ligne Z se trouve la région de la bande I (pour isotrope). La bande I est la zone de filaments minces qui n’est pas superposée par des filaments épais.

Bande A. Après la bande I se trouve la bande A (pour anisotrope). Nommé pour leurs propriétés sous un microscope polarisant. Une bande A contient toute la longueur d’un seul filament épais.

Zone H. Dans la bande A se trouve une région plus pâle appelée zone H (de l’allemand « heller », plus lumineux). Nommé pour leur apparence plus claire sous un microscope à polarisation. La bande H est la zone des filaments épais qui n’est pas superposée par les filaments minces.

Ligne M. Dans la zone H se trouve une fine ligne M (de l’allemand « Mittelscheibe », le disque au milieu du sarcomère) formée d’éléments de liaison croisée du cytosquelette.

3) Tubules en T. Dans les cellules musculaires, y compris les cardiomyocytes, le sarcolemme (i.e.la membrane plasmique) forme des invaginations profondes appelées tubules en T (transversetubules) (Figure 8). Ces vaginations permettent à la dépolarisation de la membrane de pénétrer rapidement à l’intérieur de la cellule. Dans les cellules sans tubules en t, l’onde d’ions calcium se propagede la périphérie de la cellule vers le centre. Cependant, un tel système activerait d’abord les sarcomères périphériques, puis les sarcomères plus profonds, ce qui entraînerait une production de force sous-maximale. Les tubules en t permettent que le courant soit simultanément relayé au cœur de la cellule, ce qui signifie qu’une force instantanée plus importante est produite en déclenchant la libération de SR Ca2 + à proximité de tous les sarcomères simultanément. En fait, les tubules en t limitent la diffusion du liquide extracellulaire, créant un amicrodomaine d’ions d’une concentration relativement stable par rapport à l’espace extracellulaire plus large. Cela peut également être un mécanisme pour empêcher les changements rapides dans le liquide extracellulaire d’affecter négativement la libération de calcium induite par le calcium.

4) Morphologie mitochondriale et métabolisme énergétique dans les cardiomyocytes.Les mitochondries ont été décrites comme « la centrale de la cellule » car elles génèrent la majeure partie de l’apport cellulaire en adénosine triphosphate (ATP). Les mitochondries sont composées de compartiments qui remplissent des fonctions spécialisées, et comprennent la membrane externe, l’espace intermembranaire, la membrane interne, ainsi que les coques et la matrice (Figure 9).

Dans la plupart des types de cellules, les mitochondries ajustent leur morphologie et leur emplacement en fonction des besoins énergétiques et des conditions métaboliques de la cellule. Dans les cardiomyocytes, la relation entre la morphologie mitochondriale, la localisation et la fonction ne semble pas être si dépendante des exigences énergétiques des cellules: la réorganisation de ces organelles dépend de l’environnement cellulaire et des contraintes d’architecture – une quantité importante de myofilaments, la présence d’un cytosquelette rigide et d’un réseau mitochondrial dense. De plus, la disposition des différentsorganelles entre elles est si cruciale pour le fonctionnement des cellules cardiaques quela morphologie mitochondriale doit être contrôlée efficacement. Par rapport à tout autre type cellulaire, les mitochondries des cardiomyocytes adultes présentent la plus grande densité de cristae. Cependant, différents types de mitochondries peuvent être distinguésdans les cardiomyocytes, et leurs caractéristiques morphologiques sont généralement définies en fonction de leur localisation: mitochondries intermyofibrillaires, mitochondries subsarcolémalmitochondries et mitochondries périnucléaires.

v Les intermyofibrillarmitochondries sont strictement ordonnées entre des rangées de protéines contractiles, apparemment isolées les unes des autres par des réseaux répétés de tubules multiples, et en contact étroit avec les myofibrilles et le réticulum sarcoplasmique. Ils sont principalement consacrés à l’approvisionnement en énergie de la myosine et des SR-ATPases. Intermyofibrillairesont de forme allongée avec généralement une mitochondrie existante par sarcomère. Ils ont une longueur de 1,5 à 2,0 µm et leurs structures en cristae présentaient également des configurations incurvées.

v Les mitochondries subsarcolémiques présentent un degré d’organisation plus faible et sont probablement principalement impliquées dans d’autres rôles tels que l’homéostasie ionique. Ils sont situés sous le sarcolemme et sont plus variables en longueur (0,4–3,0 µm), possédant des cristae étroitement tassées.

v Les mitochondries périnucléaires sont organisées en grappes et sont très probablement impliquées dans les processus de transcription et de traduction. Ils sont principalement de forme sphérique avec des longueurs allant de 0,8 à 1,4 µm. Ces mitochondries contiennent des cristaux incurvés bien développésavec relativement peu de surface matricielle.

Compte tenu des demandes énergétiques dérivées de la fonction cardiomyocytaire, les cardiomyocytes adultes contiennent de nombreuses mitochondries, qui peuvent occuper au moins 30% du volume cellulaire. Les cardiomyocytes adultes répondent > à 90% des besoins énergétiques par phosphorylation oxydative (OXPHOS) dans les mitochondries. L’oxydation des acides gras domine l’oxydation des autres nutriments dans des conditions physiologiques normales. Pendant les périodes de stress, les cardiomyocytes sont flexibles et peuventobtenir de l’énergie en oxydant le glucose, le lactate, les acides aminés et les corps cétoniques. En fait, la capacité d’adapter leur métabolisme à la disponibilité du substrat est critique pour leur équilibre de contraction dans différentes conditions physiologiques et physiopathologiques. La prolifération des cardiomyocytes fœtaux pendant le développement cardiaque est caractérisée par des taux élevés de glycolyse et de production de lactate. Seul < 15% de l’ATP est produit par la voie d’oxydation des acides gras.

Résumé. Les cardiomyocytes sont les principaux responsables du cœurcontraction. Les caractéristiques structurelles uniques discutées ici leur permettent des fonctions spécialisées. Cependant, la fonction cardiaque doit être comprise dans le contexte dele tissu cardiaque, dans lequel d’autres types et structures cellulaires sont importantsafin d’obtenir une contraction cardiaque coordonnée qui s’adapte aux besoins physiologiques de l’organe.

Pour des sources et des lectures supplémentaires.

Ce résumé a été possible grâce aux travaux précédents. Les plus significatifs sont cités ici :

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