Introduction
Au cœur de la vie, des milliards de cellules travaillent en harmonie, respirant, consommant et produisant des déchets. Ces cellules s'organisent en tissus et en organes, tels que le cœur, les poumons, les reins, le foie, le cerveau et les muscles. Pour assurer leur survie, ces unités de vie dépendent de l'apport constant d'oxygène par le sang. Cet article explore en profondeur la physiologie complexe de la contraction cardiaque, un processus essentiel à la circulation sanguine et, par conséquent, à la vie.
L'Anatomie du Cœur
Chacun de nous peut sentir battre la pointe du cœur entre deux côtes, du côté gauche, vers la partie basse du thorax. Le cœur repose, par une face inférieure, sur le diaphragme qui le sépare des viscères de l’abdomen. Vu en coupe, le cœur se compose de 4 cavités, couplées deux par deux, qui forment le cœur droit et le cœur gauche, soit 2 pompes juxtaposées et synchronisées.
Chacun des deux cœurs est constitué d’une petite cavité, l’oreillette, ayant un rôle de réception du sang. Le cœur droit comprend l’oreillette droite, placée au dessus du ventricule droit. Entre les deux se trouve la valvule tricuspide (à trois feuillets). Le cœur gauche est constitué par l’oreillette gauche qui surmonte le ventricule gauche. Entre les deux se situe la valvule mitrale (en forme de mitre d’évêque renversée). En amont, le sang rouge, revenu des poumons où il s’est oxygéné, se déverse dans l’oreillette gauche en empruntant les veines pulmonaires, avant de passer dans le ventricule gauche à travers la valvule mitrale ouverte.
Le cœur est situé dans le médiastin et repose sur la face supérieure du diaphragme, au niveau du 5ième espace intercostal. Il n'est pas symétrique, avec environ deux tiers de sa masse situés à gauche. Il protège le cœur et l’amarre au diaphragme et aux vaisseaux supérieurs. Le cœur est divisé en deux oreillettes (dans sa partie supérieure) et deux ventricules (dans sa partie inférieure), les oreillettes étant de plus petite taille.
Le Système Cardiovasculaire : Un Réseau Complexe
Le système cardiovasculaire est un réseau complexe de vaisseaux sanguins et de muscles cardiaques. Il joue un rôle crucial dans le fonctionnement du corps humain. La structure principale du système cardiovasculaire se compose du cœur, des artères, des veines et des capillaires. Au centre de ce système cardiovasculaire, se trouve le cœur. Cet organe pesant à peine plus de 300 grammes et de la taille d’un point, joue un rôle de moteur dans le processus de pompage du sang.
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Le réseau sanguin s’organise autour de trois typologies de vaisseaux :
- Les artères : Elles permettent la circulation du sang oxygéné du cœur vers les organes, en passant de l’aorte aux artérioles.
- Les capillaires : Ce sont des vaisseaux très fins permettant la circulation sanguine dans chaque organe.
- Les veines : Elles assurent le retour du sang désoxygéné des organes vers le cœur.
En parallèle, le système cardiovasculaire aura pour rôle d’éliminer les déchets métaboliques produits par les cellules, tel que le CO2. Il a également un impact sur la régulation de la température corporelle. Pour cela, il redistribue la chaleur produite par le métabolisme cellulaire quand le corps a besoin de se refroidir ou de se réchauffer. Il contribue aussi au maintien de l’homéostasie, c’est-à-dire de l’équilibre interne du corps, grâce à la régulation de la pression sanguine, du pH du sang, du volume sanguin et d’autres éléments physiologiques. Cela permet de garantir au corps humain un environnement interne stable et optimal pour son bon fonctionnement.
Le Cycle Cardiaque : Mécanique et Électricité
Le rythme cardiaque possède deux composantes : une mécanique (le cycle cardiaque) et une électrique (responsable de la phase mécanique).
L'activité Électrique du Cœur
L’activité électrique du cœur naît du nœud sinusal (SA) situé au sommet de l’oreillette droite. Cette source est constituée d’un amas de cellules capables de fabriquer un courant électrique de quelques millivolts. Partant du nœud sinusal, le courant se propage en tache d’huile dans le muscle cardiaque. Il circule dans les 2 oreillettes jusqu’à leur base, provoquant leur contraction. Il permet d’abord de vérifier que l’influx prend bien naissance dans le nœud sinusal : le rythme cardiaque est alors dit sinusal, c’est-à-dire normal, et que la distribution de cet influx dans le cœur s’effectue selon une séquence rigoureusement ordonnée.
Le nœud sinusal fabrique un courant électrique se propageant dans le muscle cardiaque et circulant dans les deux oreillettes pour atteindre le nœud auriculo-ventriculaire (NAV). Pour mesurer l’activité électrique du cœur, il est nécessaire de pratiquer un ECG de repos. Quand le rythme sinusal est perturbé on parle d’arythmie.
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Au repos, les cellules myocardiques sont « polarisées » avec une prédominance de charges positives à l’extérieur et de charges négatives à l’intérieur. Si deux microélectrodes reliées à un galvanomètre sont placées l’une en extracellulaire et l’autre dans une cellule, une différence de potentiel stable s’inscrit, différente selon le type cellulaire, de l’ordre de - 90 mV pour une cellule ventriculaire : c’est le potentiel de repos transmembranaire (Vr). Si la fibre cardiaque est stimulée, un potentiel d’action apparaît, qui traduit les variations du potentiel transmembranaire en fonction du temps.
L’automatisme cardiaque est la production par le tissu nodal d’une activité électrique répétitive, chaque impulsion électrique (potentiel d’action) entraînant la contraction du cœur. Cette activité électrique est produite par des échanges ioniques spontanés (dépolarisation diastolique lente) au travers de la membrane des cellules du tissu nodal permettant d’atteindre le potentiel seuil qui déclenche le potentiel d’action. Physiologiquement, ce sont les cellules du nœud sinusal qui commandent le rythme cardiaque appelé pour cela rythme sinusal.
Si le nœud sinusal est déficient, un autre groupe cellulaire du tissu nodal prend alors le relais pour générer l’automatisme cardiaque. Physiologiquement, le rythme naissant dans le nœud sinusal active le myocarde auriculaire puis atteint le nœud auriculo-ventriculaire et le tronc du faisceau de His. Cette activité gagne ensuite les branches droite et gauche du faisceau de His, les cellules de Purkinje et enfin les cellules du myocarde ventriculaire. Le septum inter-ventriculaire est dépolarisé en premier de la gauche vers la droite, puis les ventricules de l’endocarde vers l’épicarde. En pathologie : la conduction peut être déficiente à tous les niveaux entraînant des risques d’arrêt transitoire (syncope) ou permanent (mort subite) de l’activité cardiaque.
L’excitation électrique des cellules du myocarde commun par le tissu nodal, entraîne à leur niveau d’importants mouvements ioniques (notamment du calcium) déclenchant le raccourcissement des protéines contractiles (actine et myosine). Toutes les cellules myocardiques reçoivent l’impulsion électrique au cours d’un instant bref (6 à 8 / 100 seconde) pour se contracter de manière coordonnée et générer l’éjection sanguine cardiaque.
Le Rôle du Calcium dans la Contraction et la Relaxation
C'est le calcium entrant dans la cellule par les canaux calciques de type L et libéré par le réticulum sarcoplasmique lors du potentiel d'action qui déclenche la contraction. Lors de la relaxation, le calcium est repompé par la calcium-adénosine-triphosphatase (Ca2+-ATPase) du réticulum sarcoplasmique et sort de la cellule par l'échangeur sodium-calcium.
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Facteurs Influant sur le Rendement Cardiaque
Le volume d'éjection systolique (VES) est le volume de sang pompé par le ventricule lors d'une contraction, généralement autour de 70 ml par battement. Le débit cardiaque (le volume de sang pompé par le cœur par unité de temps) est le produit du volume d'éjection systolique et de la fréquence cardiaque (le nombre de battements par minute). En moyenne, le débit cardiaque est d'environ 5 litres par minute, mais il peut augmenter considérablement pendant l'exercice.
L'augmentation de la fréquence cardiaque augmente le débit cardiaque, mais il existe une limite. Si la fréquence cardiaque devient trop élevée, le temps de remplissage ventriculaire diminue, ce qui peut réduire le volume d'éjection systolique et, par conséquent, le débit cardiaque.
Régulation de la Contraction Cardiaque
La contraction est régulée par des mécanismes intrinsèques et extrinsèques (hormonaux et médicamenteux).
Mécanismes Intrinsèques : La Loi de Starling
Le principal mécanisme intrinsèque est représenté par la loi de Starling (augmentation de la contraction induite par une dilatation cardiaque). Il est dû à l'allongement des sarcomères et à une augmentation du niveau d'activation.
Mécanismes Extrinsèques : Hormones et Médicaments
Les catécholamines sont les hormones régulatrices principales. Au niveau cellulaire, elles agissent sur un complexe étroitement couplé associant le récepteur β-adrénergique, la protéine Gs et l'adénylate cyclase qui produit l'adénosine monophosphate cyclique (AMPc) qui active la protéine kinase A. Les médicaments principaux agissant sur la contraction sont les antagonistes des canaux calciques et les digitaliques qui bloquent la sodium-potassium ATPase.
Circulation Coronaire et Métabolisme du Myocarde
La circulation coronaire est l’extraction par le myocarde de l’oxygène du sang artériel coronaire est presque maximale dès le repos (supérieure à 60%). Le débit sanguin coronaire : c’est la quantité de sang apportée par minute au myocarde. Son augmentation à l’effort grâce à une régulation complexe, est importante puisqu’il peut être multiplié par 3 ou 4 par rapport au repos (concept de réserve coronaire). Cette augmentation permet d’assurer l’accroissement des besoins métaboliques myocardiques (oxygène et substrats) lors de l’effort. Il est essentiellement aérobie (consomme de l’oxygène).
L’insuffisance d’apport sanguin à une zone myocardique par rapport aux besoins provoque une ischémie de cette zone myocardique génératrice de symptômes (cf angor) ou de complications. Si cette ischémie est profonde et/ou durable, les cellules myocardiques seront détruites dans la zone concernée. Il s’agit de la nécrose ischémique myocardique.
Évaluation de la Fonction Ventriculaire
La contraction du muscle cardiaque isolé est étudiée par la relation liant force de contraction, vitesse de la contraction et longueur instantanée, ce qui définit, dans un espace tridimensionnel, une surface indépendante du temps représentant la contractilité qui peut être évaluée par un index (Vmax). Sur le coeur entier, la fonction ventriculaire peut être évaluée par la relation pression-volume télésystolique qui est théoriquement indépendante du remplissage ventriculaire et prend en compte la postcharge.
Besoins Énergétiques du Muscle Cardiaque
Le cœur, comme tout muscle, a des besoins énergétiques importants pour assurer sa fonction de contraction. L'approvisionnement en énergie est directement utilisé par l'organisme. L’ATP (adénosine triphosphate) est la principale molécule énergétique qui est emmagasinée dans toutes les cellules. La vitesse d'utilisation de l'ATP reflète la puissance (quantité de molécules d'ATP par unité de temps), tandis que la quantité totale d'ATP produite reflète la capacité. L'ATP est reconstituée grâce à l'énergie provenant de l'oxydation des nutriments.
Les filières énergétiques
Plusieurs filières énergétiques contribuent à la production d'ATP :
- La filière anaérobie alactique : C'est la filière la plus rapide, utilisant la créatine phosphate (PCr) pour régénérer l'ATP. Elle est sollicitée lors d'efforts de très courte durée et de forte intensité.
- La filière anaérobie lactique (glycolyse) : Cette filière utilise le glucose pour produire de l'ATP, mais génère également du lactate. Elle est sollicitée lors d'efforts de durée intermédiaire et d'intensité élevée.
- La filière aérobie (oxydative) : Cette filière utilise l'oxygène pour oxyder les glucides et les lipides et produire de l'ATP. Elle est sollicitée lors d'efforts de longue durée et d'intensité modérée.
Pathologies Cardiaques
Le cœur peut être touché par différentes maladies aiguës ou chroniques, qui peuvent survenir à tous les âges de la vie. Il peut notamment être le siège de malformations cardiaques congénitales, liées ou non à des maladies génétiques. L’insuffisance cardiaque est l’altération de la fonction cardiaque. Le cœur devient incapable d’assurer normalement son rôle de pompe. Certaines atteintes cardiaques peuvent être intimement liées aux problèmes vasculaires.
Signes d’une Atteinte Cardiaque
Les symptômes d’un dysfonctionnement du cœur peuvent varier selon la maladie et la cause de l’atteinte cardiaque. En cas de signe évocateur d’un problème cardiaque, il est impératif de consulter un médecin, qui orientera si besoin vers un cardiologue.
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