Le couplage excitation-contraction (CEC) est une propriété des cellules musculaires qui regroupe l’ensemble des processus assurant la transformation électrique (PA) en un signal intracellulaire qui permet la contraction de la cellule (figure 9).
Le tubule T (pour tubule transverse) est une invagination du sarcolemme, permettant la propagation du PA jusqu’au cœur de la cellule. Les tubules T sont repartis régulièrement et forment un réseau continu et ramifié au sein de la jonction de la bande A et la bande I des sarcomères. La membrane du tubule T contient des protéines-clés du CEC : le récepteur aux dihydropyridine (DHPR) ou canal calcique de type L ainsi que l’échangeur Na+/Ca2+ (NCX).
Le réticulum sarcoplasmique (RS) est un compartiment intracellulaire correspondant, dans les cellules musculaires striées, au réticulum endoplasmique qui doit sa terminologie à sa spécialisation dans le stockage et la libération du Ca2+.
La juxtaposition d’un tubule T et d’une citerne terminale du RS jonctionnel forme une structure caractéristique appelée diade. C’est un espace restreint qui garantit une communication fonctionnelle entre les DHPR et le récepteur à la ryanodine (RyR). Les
RyR sont exprimés sous trois isoformes : RyR1 (muscle squelettique), RyR2 (cœur et muscle lisse) et RyR3 (cerveau et certains muscles lisses) (Fill et al., 2002).
RyR2 est un homotétramère (565 kDa par sous-unité) : chaque sous-unité est formée d’une large partie cytoplasmique N-terminale appelée « pied » et de quatre segments transmembranaires en partie C-terminale formant le pore du canal. Ce canal est considéré comme un complexe macromoléculaire en raison de ces multiples interactions dans la région du pied avec des protéines régulatrices. Chaque sous-unité interagit avec une immunophiline FKBP12.6, une protéine kinase A (PKA) et ses sous-unités régulatrices (Marx et al., 2000), une protéine d’ancrage mAKAP (muscle A-kinase- anchoring protein), une protéine phosphatase 1 (PP1), une protéine phosphatase 2A (PP2A) et une phosphodiesterase (PDE4) (Lehnart et al., 2006).
Figure 9 : Le couplage excitation - contraction cardiaque. Le calcium entré via ICa,L active RYR2 qui conduit à la libération du réticulum sarcoplasmique (RS) de Ca2+ dans le cytosol où le Ca2+
se lie aux myofilaments conduisant à un raccourcissement de la cellule et de la contraction cardiaque. Le Ca2+ est ensuite recapté dans le SR par SERCA2a et sorti de la cellule par l'échangeur sodium-calcium et la pompe Ca2+ plasmiques. RYR2 est un homotétramère régulé
CaMKII (Ca2+/CaM-dependent protein kinase II) associe, phosphoryle et régule l'activité des RyR cardiaques (Witcher et al., 1991). Junctine, triadine, et calséquestrine forment un complexe avec la partie C-terminale de RyR, qui semble aussi participer à la régulation de l’activité du RyR. La Calséquestrine, à faible affinité, possède une grande capacité de régulation du Ca2+ local près du pore des RyR et peut également moduler directement l'activité des RyR (Zhang et al., 1997 ; Györke et al., 2008).
Le recaptage du Ca2+ dans le RS lors de la relaxation s’effectue par des pompes calciques appelées SERCA (sarco/endoplasmic reticulum Ca2+-ATPase). Il existe douze isoformes codées par trois gènes (SERCA 1, 2, 3) (Bers, 2002). Le gène SERCA2 exprimé dans le cœur, donne naissance à trois isoformes : 2a, 2b, 2c. Cependant, dans les cardiomyocytes sains, SERCA2a est la principale isoforme exprimée. L’activité de SERCA2a est régulée par la phosphorylation d’une protéine associée, le phospholamban (PLB) (Koss et al., 1996). Le PLB est un homopentamère de 52 acides aminés qui, lorsqu’il est déphosphorylé, se lie au domaine cytoplasmique et inhibe l’activité de l’ATPase.
Les études chez la souris ont montré que, dans le système circulatoire, le PLB est exprimé de différentes façons : une expression forte dans le muscle ventriculaire, une expression moyenne dans l’oreillette, et une expression faible, mais significative, dans le muscle lisse de l'aorte. Les niveaux d'expression différentielle du PLB dans les compartiments ventriculaires et auriculaires semblent être corrélés avec les différents paramètres de la contraction de ces muscles (Koss et al., 1995).
Le rôle du PLB dans la régulation de la contractilité du myocarde à l’état de base a été élucidé par le développement d'un modèle murin déficient en PLB (Luo et al., 1994). Ces souris ont une augmentation de la fonction cardiaque, y compris la fonction systolique, du taux de relaxation ventriculaire, et une amélioration du remplissage ventriculaire (Wolska et al., 1996). Ces résultats sont corrélés avec des analyses in vitro des cardiomyocytes ventriculaires isolés d’un cœur de la souris KO-PLB, qui a également montré une amélioration des taux de raccourcissement ainsi que de la cinétique du Ca2+. Les paramètres de la contractilité cellulaire reflètent des modifications au niveau du réticulum sarcoplasmique : l'affinité de la pompe SERCA2a vis-à-vis du Ca2+ a été significativement augmentée, ce qui est associé à une augmentation du Ca2+ intraluminal
du réticulum sarcoplasmique dans le cœur de souris KO-PLB par rapport aux souris sauvages.
Le niveau d’ARNm de PLB est généralement réduit dans un cœur insuffisant chez l'Homme (Arai et al., 1993; Flesch et al., 1996), mais les changements au niveau des protéines immuno-réactives de la PLB ne sont pas systématiques (Linck et al., 1996; Movsesian et al., 1994). Les données concernant le niveau de phosphorylation du PLB cardiaque chez l'homme restent encore contradictoires (Schmidt et al., 1999).
Calcium induced calcium release (CICR ; figure 9) : l’entrée de Ca2+ au cours du PA déclenche l’ouverture des RyR et la libération du Ca2+ du réticulum sarcoplasmique. L’ouverture d’un seul canal calcique de type L est suffisante pour déclencher une libération de Ca2+ par un cluster de RyR (étincelle calcique, ou calcium spark), mise en évidence par microscopie confocale et représentant un événement élémentaire de libération de Ca2+ (Cheng et al., 1993; Collier et al., 1999). La sommation de milliers de
sparks associées à ICaL permet une augmentation massive et transitoire du Ca2+
cytosolique nécessaire au développement de la contraction. Le RyR s’active pour des concentrations de Ca2+ < 100 nM, et atteint un maximum à plus de 100 μM. La probabilité d’ouverture (Po) du canal devient très faible pour des concentrations de l’ordre de la mM, le canal s’inactive (Fill et al., 2002).
La diminution rapide de la [Ca2+]i permet la relaxation du myocyte. Selon
l’espèce, 80% à 90% du Ca2+ cytosolique est recapté dans le RS par SERCA2a. Les 10% à 20% restant sont extrudés de la cellule, majoritairement par le NCX. Ainsi, SERCA2a contrôle la relaxation, le niveau de charge du RS et la [Ca2+]i. La fermeture du canal
calcique induit une diminution localisée de Ca2+ qui, en cascade, est à l’origine de la fermeture des RyR et, enfin, la déplétion du Ca2+ du RS diminue la Po, induisant la fermeture synchronisée des RyR (Stern et al., 2004).