Introduction
La contraction musculaire est un processus complexe et finement régulé, essentiel à la locomotion, à la posture et à de nombreuses autres fonctions physiologiques. Ce processus implique l'interaction de plusieurs protéines, des signaux nerveux et des voies de signalisation intracellulaires. Parmi ces voies, celle de la calcineurine joue un rôle central dans l'adaptation du muscle aux différents types d'entraînement et aux contraintes métaboliques. Cet article explore en profondeur le rôle de la calcineurine dans la contraction musculaire, les adaptations métaboliques et les interférences potentielles entre le développement de la force et de l'endurance.
Événements Cellulaires et Adaptations Aérobies : Le Rôle de la Calcineurine
Pour comprendre comment le muscle développe ses capacités d'endurance en réponse à l'entraînement, il est essentiel d'examiner les événements cellulaires qui stimulent la biogenèse mitochondriale, c'est-à-dire l'augmentation du nombre de mitochondries. Ces événements se caractérisent par des variations métaboliques du contenu en ATP, des fluctuations du calcium libre dans la fibre musculaire et l'activité contractile du muscle.
Plus précisément, les variations de calcium libre dans la fibre musculaire, nécessaires pour l'alternance des cycles contraction/relaxation, activent le complexe calcineurine/calmoduline Kinase. Ce complexe joue un rôle crucial dans l'augmentation de la protéine PGC-1α (peroxisome proliferator-activated receptor-coactivator-1 α), une protéine centrale qui gouverne la biogenèse mitochondriale. Ainsi, la calcineurine contribue à accroître les capacités d'endurance du muscle en réponse à l'entraînement, qu'il soit continu, de haute intensité ou de sprints.
Le Lactate : Un Acteur Clé dans les Adaptations Aérobies
Le lactate, souvent considéré à tort comme un simple déchet métabolique, joue en réalité un rôle important dans les adaptations aérobies en réponse à l'entraînement. Produit par le métabolisme anaérobie lors d'exercices de haute intensité, le lactate intervient dans les adaptations du muscle au niveau aérobie, favorisant ainsi le développement des capacités d'endurance.
Des études in vitro ont montré que des concentrations de lactate similaires à celles observées après un exercice intense peuvent induire des adaptations au niveau des capacités aérobies et des transporteurs lactate/proton MCT1 (monocarboxylate transporter 1). De plus, le lactate semble influencer l'expression de certains gènes impliqués dans les adaptations à l'entraînement, l'angiogenèse (la formation de nouveaux vaisseaux sanguins) et la lipolyse (la dégradation des graisses).
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Il est intéressant de noter que le lactate stimulerait la protéine centrale PGC-1α, activant ainsi la capacité d'endurance du muscle et augmentant le nombre de transporteurs de lactate MCT1.
Interférences entre le Développement de la Force et de l'Endurance
De nombreux sports exigent le développement simultané de la puissance musculaire et des qualités énergétiques aérobie et anaérobie. Les entraîneurs doivent donc mettre en œuvre des entraînements combinés, qui consistent à développer ces qualités dans une même programmation. Cependant, des phénomènes d'interférences peuvent apparaître entre les différents types de séances, influençant positivement ou négativement les adaptations en fonction de la qualité majeure à développer.
L'entraînement en endurance peut interférer négativement sur le développement de la force musculaire, réduisant les gains de force musculaire par rapport à un entraînement de musculation seul. Cette interférence peut s'expliquer par des modifications biologiques contradictoires induites par les deux types d'entraînement et par la fatigue cumulée.
Origine des Interférences : Réponses Contradictoires et Fatigue Cumulée
L'entraînement en endurance peut inhiber la synthèse de protéines et stimuler la dégradation des protéines, ce qui est contraire aux besoins de l'hypertrophie musculaire. La répétition de ces réponses antagonistes pourrait limiter le développement de l'hypertrophie musculaire dans le cadre d'un entraînement combiné.
De plus, la fatigue cumulée due à l'entraînement en endurance peut affecter la performance lors des séances de musculation, limitant ainsi les gains de force.
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Le Calcium : Un Messager Clé dans la Contraction Musculaire
Les concentrations cytosoliques de Ca2+ sont habituellement basses, mais l'augmentation de cette concentration par l'ouverture de canaux sur le réticulum endoplasmique ou sur la membrane plasmique augmente l'activité de certaines protéines et déclenche des cascades de signalisation. Il existe deux sources majeures d'ions Ca2+ qui permettent d'augmenter la concentration cytosolique : une réserve interne de calcium dans le réticulum endoplasmique et le milieu extracellulaire.
Le passage du Ca2+ d'un compartiment à l'autre dépend de l'activité de pompes et de canaux transmembranaires perméables au calcium. Des molécules à la fluorescence augmentée par les ions Ca2+ sont devenus des outils précieux pour ce domaine de recherche. La première molécule a avoir été populaire dans les laboratoires est le Fura-2, un acide aminopolycarboxylique, découvert en 1986. Il absorbe à 340-380 nm (UV) et son émission à 510 nm dépend de la concentration calcique.
Voies de Signalisation et Rôle du Calcium
Les récepteurs NMDA au glutamate dans le système nerveux sont des canaux à Ca2+ qui font entrer les ions Ca2+ quand le glutamate se lie à eux et qu'il y a une dépolarisation membranaire. Dans ce cas, les acides gras à phosphatidylinositol jouent un rôle important dans les voies de signalisation menant à l'entrée du Ca2+ dans le cytosol.
La phospholipase C (PLC) est capable de cliver PIP2 en DAG (diacylglycérol) et en IP3 (inositol-1,4,5-trisphosphate) qui agissent en tant que seconds messagers. Tandis que le DAG reste à la membrane, l'IP3 est soluble dans l'eau et diffuse de la membrane vers le cytosol. IP3 agit sur l'un des acteurs majeurs de la signalisation calcique, le réticulum endoplasmique (RE), en se fixant sur un récepteur IP3R à sa surface.
La sortie des ions Ca2+ du RE peut être couplée à une ouverture de canaux Ca2+ à la membrane plasmique par le mécanisme SOCE (pour store-operated Ca2+ entry). La réduction de la concentration de Ca2+ libre du RE provoque la dissociation du Ca2+ des sites de liaison dans la lumière du RE du Ca2+ de la protéine STIM1, une protéine dimérique intégrée dans les membranes du RE.
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Une voie de signalisation Wnt non canonique aboutit à l'augmentation de la concentration de Ca2+ dans le cytosol. Les Wnt se fixent alors au co-récepteur tyrosine kinase Ryk.
Adaptation Musculaire et Entraînement : Le Rôle des Fibres Musculaires
Le muscle s'adapte à une activité physique répétée et se désadapte en l'absence d'activité physique. Un muscle entraîné est plus performant : il devient plus puissant dans les sports de combat, plus prompt à se contracter chez les sprinteurs et plus résistant à la fatigue chez les athlètes de fond. Ces améliorations résultent d'adaptations des synthèses de protéines contractiles et métaboliques dans les fibres musculaires.
Les muscles sont formés de plusieurs types de fibres, que l'on distingue selon deux critères principaux : la vitesse maximale de contraction et le type de métabolisme principalement sollicité pour resynthétiser l'ATP. Ainsi, les fibres musculaires sont lentes ou rapides, suivant qu'elles contiennent des isoformes lentes ou rapides de la myosine. De plus, les fibres dont le métabolisme est principalement aérobie et oxydatif résistent à la fatigue, alors que celles qui tirent leur énergie d'un métabolisme glycolytique sont fatigables.
Mécanismes Moléculaires et Expression des Gènes
L'expression des gènes se déroule en deux étapes principales : la transcription et la traduction. Lors de la transcription, des molécules d'ARN messagers copient une séquence d'ADN correspondant à un gène et la transportent vers les ribosomes. Lors de la traduction, l'information génétique contenue dans la séquence d'ARN messager est utilisée pour synthétiser la protéine correspondante.
La première voie fait intervenir quatre facteurs de transcription (les MRF que sont la myogénine, la MyoD, la Myf5 et la MRF4), qui se fixent sur des séquences régulatrices des gènes qui codent des isoformes rapides des chaînes légères de la myosine et les isoformes de type I et IIb des chaînes lourdes de la myosine.
La régulation de l'expression des gènes dépend aussi de la voie de la calcineurine-NF-AT. Au cours de la contraction, la concentration en ions calcium dans la fibre varie. La calcineurine est une enzyme dont l'activité dépend de la concentration en ions calcium dans la cellule. Lorsqu'elle augmente sous l'effet d'une stimulation neuronale de type lent, l'activité enzymatique de la calcineurine déphosphoryle les facteurs de transcription NF-AT, qui pénètrent alors dans le noyau et se lient à leurs sites de reconnaissance spécifiques, les NRE (NF-AT Response Element), dans les zones promotrices des gènes codant l'isoforme lente des chaînes lourdes de la myosine, ainsi que dans celles des gènes codant d'autres protéines qui déterminent la vitesse de contraction de la fibre.
Étirement Musculaire et Hypertrophie
L'entraînement en force augmente la masse musculaire par hypertrophie des fibres, en raison de l'accumulation de protéines, notamment des protéines contractiles, qui rendent le muscle plus puissant, mais probablement aussi par augmentation du nombre de fibres.
Un étirement unique suffit pour augmenter la synthèse de protéines. Contrairement à un étirement unique, la répétition des étirements augmente le nombre d'ARN messagers dans la fibre musculaire. Lors de l'entraînement en force, le rapport du nombre de noyaux au volume du sarcoplasme augmente, grâce à la fusion de cellules satellites avec les fibres musculaires.
Les intégrines font le lien entre l'étirement mécanique et l'expression de gènes codant les protéines contractiles. Sous l'effet de l'étirement, elles se déforment et se combinent avec d'autres protéines pour former un «complexe d'adhésion», qui active une kinase, nommée FAK (Focal Adhesion Kinase). Son action est double : d'une part, elle déclenche le «recrutement» des cellules satellites qui fusionnent avec la fibre et, d'autre part, elle augmente les synthèses protéiques en agissant sur les facteurs de transcription qui les régulent.
Calcineurine et Myopathie de Duchenne
Dans le contexte de la myopathie de Duchenne (DMD), due à une mutation dans le gène codant la dystrophine, la voie de signalisation calcineurine/NFATc1 active l'expression de l'utrophine, une protéine qui possède une grande homologie avec la dystrophine et qui peut compenser l'absence de dystrophine lorsqu'elle est surexprimée.
Une équipe franco-australienne a identifié FHL1 comme un activateur de la voie de signalisation calcineurine/NFATc1 dans le muscle squelettique. Dans des souris transgéniques mdx/FHL1, FHL1 potentialise l'activation par NFATc1 de l'expression de l'utrophine améliorant ainsi l'aspect dystrophique du muscle squelettique.
Calcineurine et Interleukine-6 (IL-6)
Lors d'un exercice physique prolongé, les muscles produisent et libèrent de l'interleukine-6 (IL-6). La voie de signalisation de la calcineurine est impliquée dans le contrôle du gène codant IL-6 dans le muscle en réponse à un exercice unique. L'administration d'inhibiteurs pharmacologiques de la calcineurine diminue significativement la transcription du gène IL-6 dans les muscles lents/oxydatifs.
Plasticité Musculaire et Phosphorylation de la Chaîne Légère de Myosine (MLC2)
La phosphorylation de la MLC2 est supposée être un mécanisme rapide et transitoire, utilisé par le muscle rapide pour lutter contre le phénomène de fatigue engendré par la contraction. La phosphorylation de la MLC2 après des transformations phénotypiques du muscle à long terme est corrélée aux changements phénotypiques, avec une augmentation de phosphorylation lors de transformations lent -> rapide et une diminution lors de transformations rapide -> lent.
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