Introduction
La contraction musculaire, un processus essentiel à la vie, est orchestrée par une interaction complexe entre le système nerveux et les fibres musculaires. Au cœur de cette interaction se trouvent les canaux ioniques, des protéines transmembranaires qui permettent le passage sélectif d'ions à travers la membrane cellulaire. Cet article explore en profondeur le rôle crucial des canaux ioniques dans la contraction musculaire, en détaillant les mécanismes impliqués et les pathologies associées à leur dysfonctionnement.
L'Unité Motrice et la Connexion Nerf-Muscle
Pour comprendre la contraction musculaire, il est essentiel de considérer l'unité motrice, qui est constituée d'un motoneurone et de toutes les fibres musculaires qu'il innerve. Les motoneurones, également appelés neurones moteurs, transmettent les informations motrices du système nerveux central (cerveau et moelle épinière) aux muscles effecteurs, notamment les muscles striés squelettiques.
L'information part du cortex cérébral, descend vers la moelle épinière et transite par un nerf spinal pour atteindre le muscle cible. Ainsi, au niveau microscopique, l'axone d'un motoneurone se connecte à une ou plusieurs fibres musculaires du muscle cible. L’ensemble des axones du nerf innerve ainsi l’ensemble des fibres musculaires du muscle et permet la contraction simultanée des fibres musculaires dans le muscle.
La voie cortico-spinale
Les neurones situés dans l’hémisphère gauche, au niveau du cortex cérébral, descendent jusqu’à la moelle épinière mais se retrouvent sur le côté droit de la moelle épinière, et iront donc innerver les muscles du bras droit ou de la jambe droite par exemple.
Le Potentiel d'Action : Le Signal Électrique de la Contraction
La contraction musculaire est initiée par un signal électrique appelé potentiel d'action, qui se propage le long de l'axone du motoneurone jusqu'à la jonction neuromusculaire. Les scientifiques ont observé que deux ions principaux sont impliqués dans la genèse du potentiel d’action : le potassium K+ et le sodium Na+.
Lire aussi: Allaitement : Déboucher les canaux
Genèse du potentiel d'action
Toute cellule vivante possède une membrane plasmique et il y a une différence de charges de part et d’autre de celle-ci (appelée différence de potentiel). En plaçant une microélectrode d’enregistrement d’une part dans le milieu intracellulaire et d’autre part dans le milieu extracellulaire on observe, pour un neurone, la valeur de -60mV. Cela signifie que l’intérieur de la cellule est chargé négativement par rapport à l’extérieur de la cellule, au proche de la membrane plasmique. C’est ce qui est observé pour un neurone au repos. L’intérieur d’une cellule possède plus de potassium que l’extérieur mais moins de sodium que l’extérieur. Vous voyez qu’en réalité la valeur du potentiel membranaire du neurone devient même positive lors de la phrase de dépolarisation, allant jusque +30mV. C’est le cas in-vivo et ce qu’il se passe en vrai. L’amplitude d’un potentiel d’action est donc de +90mV (passage de -60mV à +30mV).
Si cette valeur devient plus positive c’est donc que soit des charges négatives sont sorties de la cellule soit que des charges positives sont entrées dans la cellule ou une combinaison des deux. En fait les ions ne rentrent ou ne sortent pas comme ça des cellules. Une membrane plasmique c’est quoi ? Ce sont des lipides essentiellement, et ils ne laissent pas passer les espèces chargées comme les ions. Donc pour que nos ions sortent ou entrent des cellules ils doivent passer dans des espèces de tunnel les isolant du reste de la membrane plasmique, ces tunnels prennent l’ion depuis l’intérieur de la cellule et le jette vers l’extérieur de la cellule ou l’inverse. Ces tunnels sont en fait des protéines, comme ils traversent toute la membrane plasmique ils sont dits trans-membranaires, ce sont donc des protéines transmembranaires. Ces canaux sont aussi appelés en fonction du mode de leur ouverture, ils peuvent donc être fermés (l’ion ne passe pas) ou ouvert (l’ion passe).
Dans cette première expérience on impose 0mV comme potentiel de membrane (au lieu des -60mV au repos). Mais pourquoi sortant ou entrant ? C’est en rapport avec le fait que l’ion sort ou entre dans la cellule. Par convention un courant entrant est négatif (tracé orienté vers le bas, sous 0, comme ici) et un courant sortant est positif (tracé orienté vers le haut). C’est l’inverse pour les anions ! Prenons le cas du chlorure Cl-. Si Cl- entre dans le neurone alors on parlera bien de courant entrant mais ce dernier sera positif. Si Cl- sort du neurone le courant sera sortant mais sera négatif. On voit que quand on est à 0mV il y a successivement un courant entrant négatif et un courant sortant positif. Comme il s’agit de cations il y a alors successivement entrée et sortie de cations. Mais alors qui intervient pour la dépolarisation ? Une entrée de sodium ou de potassium ? Et pour la repolarisation ? Une sortie de sodium ou de potassium ?
Rôle des canaux sodiques et potassiques
Les scientifiques ont utilisé un poison extrait d’un certain poisson appelé Tétrodon. Sa particularité est d’inhiber les canaux sodiques voltage-dépendant. Ils ont ensuite utilisé un deuxième poison qui s’appelle le tétra-éthyl-ammonium, abrégé TEA. Le TEA bloque les canaux potassiques voltage-dépendant. Ce qu’on remarque c’est qu’en présence de tétrodotoxine il y a perte du courant entrant négatif au début mais conservation du courant sortant positif à la fin (on reste au-dessus de 0). En présence de TEA c’est l’inverse, il y a conversation du courant entrant négatif au début mais perte du courant sortant positif à la fin (on reste sous 0).
Le message nerveux se propage donc sous la forme d’un potentiel d’action, le long de l’axone d’un neurone du cortex cérébral, pour arriver jusqu’à la moelle épinière.
Lire aussi: Les canaux de distribution de Pampers analysés
Ouverture des canaux sodiques voltage-dépendants
Dans la technique de voltage-clamp les scientifiques se sont placés à 0mV pour ouvrir les canaux sodiques et potassiques. En fait rappelez-vous des dendrites. Elles reçoivent des informations de nombreux autres neurones et font synapse avec eux, l’information électrique du neurone précédent est transformé en une information chimique dans cette synapse et des récepteurs des dendrites du neurone suivant captent ces molécules chimiques, il y a alors formation du message électrique dans le neurone suivant. Notre neurone du cortex cérébral, il a son corps cellulaire avec ses dendrites dans le cortex cérébral, il reçoit des informations d’autres neurones en permanence, et quand vous décidez de bouger vous activez des neurones qui iront communiquer avec ce neurone cortical, ce dernier sera donc activé et au niveau du corps cellulaire des canaux ioniques sont aussi présents, permettant de ne plus être à -60mV mais à -40mV par exemple, au niveau de notre premier canal sodique voltage-dépendant du début de notre axone ! La boucle est bouclée, étant à -40mV au niveau du début de l’axone, cela est largement suffisant pour ouvrir notre premier canal sodique voltage-dépendant. Au niveau des dendrites il ne s’agit pas d’un potentiel d’action mais d’un potentiel post-synaptique (abrégé PPS). Finalement le neurone post-synaptique recevra des informations de plusieurs autres neurones pré-synaptiques et fera la somme des potentiels post-synaptiques engendrés chez lui. Si un neurone pré-synaptique déclenche un PPSI de 5mV par exemple et que le potentiel de repos du neurone post-synaptique est de -65mV alors le nouveau potentiel sera de -70mV, l’éloignant encore plus du seuil d’activation du canal sodique voltage-dépendant de l’axone. Au contraire si un neurone pré-synaptique déclenche un PPSE de 15mV cela portera le nouveau potentiel d’action du neurone post-synaptique à -50mV, atteignant le seuil d’activation du canal sodique voltage-dépendant, assez pour déclencher le potentiel d’action. Maintenant si deux neurones communiquent dont l’un déclenche un PPSI de 5mV et l’autre un PPSE de 15mV alors le neurone post-synaptique fait la somme et le potentiel membranaire résultant sera ici de -55mV, pas assez pour déclencher le potentiel d’action. Sa propagation est accélérée par la présence d’une gaine de myéline.
Rétablissement des concentrations ioniques
À la fin de chaque potentiel d’action on aura alors plus de sodium à l’intérieur de la cellule qu’au début et plus de potassium à l’extérieur de la cellule qu’au début. Cela n’est pas souhaitable car rappelez-vous que nous vous avions bien précisé, au début de ce chapitre, qu’il y a toujours plus de potassium dans la cellule qu’à l’extérieur et plus de sodium à l’extérieur de la cellule qu’à l’intérieur. Si on laisse faire, au fur et à mesure des potentiels d’action, on va se retrouver avec une égalisation des concentrations de part et d’autre de la cellule. Et si on a ça bah c’est la mort ! La vie c’est donc le déséquilibre ionique. C’est pour cela qu’un autre acteur intervient peu après chaque potentiel d’action (et même au repos vous allez voir pourquoi).
La pompe Na+/K+ ATPase
"Pompe" renvoie à l’idée de "pomper, diriger quelque chose contre, forcer, utiliser de l’énergie", contrairement à "canaux ioniques" où vous devez retenir que cela se fait en douce, dans la joie et la bonne humeur, sans forcer. Le sens de mouvement d’un ion se fait spontanément de l’endroit où il est le plus concentré vers l’endroit où il est le moins concentré. Il y a plus de potassium à l’intérieur de la cellule qu’à l’extérieur, or nous avons vu que le potassium sortait de la cellule au cours du potentiel d’action, donc il passe de l’endroit où il est le plus concentré vers l’endroit où il est le moins concentré, cela ne pose aucun problème, ce transport se fait sans énergie, il est appelé un transport passif (passif car n’utilise pas d’énergie). On classe les transports passifs en deux catégories : la diffusion simple (passage directement à travers la membrane) et la diffusion facilitée (emprunte une protéine transmembranaire, comme nos canaux ioniques), c’est donc un transport passif par diffusion facilitée ici. C’est là toute l’utilité de notre pompe, en utilisant de l’énergie qui vient d’une molécule dont vous avez déjà peut-être entendu parlé, elle va pouvoir assurer ce transport "contre-nature", on dit que les ions seront transportés contre leur gradient de concentration. La pompe Na+/K+ ATPase est alors une forme de transport actif, elle utilise l’énergie d’une molécule appelée l’ATP pour assurer ce transport. Ainsi grâce à l’action de la pompe, on aura toujours plus de potassium à l’intérieur de la cellule qu’à l’extérieur et toujours plus de sodium à l’extérieur de la cellule qu’à l’intérieur. Ce n’est pas l’ensemble de l’axone qui se dépolarise au même moment mais cela se fait bien de proche en proche.
Rôle du calcium dans la libération des neurotransmetteurs
Il y a plus de calcium à l’extérieur des cellules qu’à l’intérieur. C’est vers l’intérieur de la cellule en effet. À l’extrémité de l’axone il y a des vésicules contenant des neurotransmetteurs. Ces neurotransmetteurs sont des molécules chimiques déversées dans la synapse (c’est le phénomène de sécrétion) par exocytose (c’est-à-dire la cellule sort une substance vers la synapse).
La Jonction Neuromusculaire : Le Relais Chimique
Lorsque le potentiel d'action atteint la terminaison axonale du motoneurone, il déclenche l'ouverture de canaux calciques voltage-dépendants. L'influx de calcium qui en résulte provoque la fusion des vésicules synaptiques contenant le neurotransmetteur acétylcholine (ACh) avec la membrane présynaptique, libérant ainsi l'ACh dans la fente synaptique.
Lire aussi: Canaux potassiques : fonctions
L’arrivée d’un potentiel d’action dans la terminaison nerveuse d’un neurone moteur déclenche la libération du neuromédiateur (de l’acétylcholine) dans la fente synaptique. Après diffusion dans l’espace inter synaptique, l’acétylcholine va se lier à son récepteur spécifique, le récepteur nicotinique de l’acétylcholine. Celui-ci est un récepteur canal cationique ouvert par la présence de son ligand. Son ouverture entraîne la dépolarisation locale de la membrane post-synaptique musculaire. Le potentiel de plaque excitateur ainsi généré va provoquer la naissance d’une vague de dépolarisation propagée sur tout le sarcolemme (membrane plasmique musculaire) correspondant à un potentiel d’action musculaire. Cette propagation est due à l’ouverture de canaux sodiques et calciques voltages dépendants selon un décours temporel précis. Les canaux calciques impliqués sont les canaux de type L, également appelés récepteurs aux dihydropyridines (DHPR), qui ont comme caractéristique d’être à inactivation lente (d’où le nom de canaux de type L, pour Late). Par ailleurs, la vague de dépolarisation pénètre au cœur de la cellule par l’intermédiaire des tubules transverses. Or, ceux-ci sont au voisinage immédiat des citernes terminales du réticulum sarcoplasmique au niveau des triades : les deux membranes sont distantes d’environ 15 nm. Dans la membrane des citernes terminales du réticulum sarcoplasmique, on trouve le récepteur à la ryanodine (RyR1). Cette protéine est un canal calcique ayant une forme de trèfle à quatre feuilles qui arrive presque au contact de la membrane des tubules transverses. La dépolarisation de la membrane et l’augmentation de la concentration intracellulaire en calcium, due à l’ouverture des DHPR, va entraîner l’ouverture du RyR. Ce couplage, dont on ne connaît pas encore toutes les subtilités, fait intervenir une interaction directe entre le DHPR activé par la dépolarisation de la membrane et le RyR. Cette interaction, va entraîner l’ouverture du RyR, ouverture qui est également favorisée par le calcium et l’ATP. Cela dit, ce résultat est obtenu même en absence de calcium extracellulaire, montrant que la seule dépolarisation de la membrane plasmique suffit à provoquer l’ouverture du RyR. Dans la lumière du réticulum sarcoplasmique, le calcium est stocké à des concentrations pouvant atteindre 1 mmol.L-1. Il est en particulier lié à la calséquestrine, une protéine soluble spécifiquement localisée dans les citernes terminales du réticulum sarcoplasmique, qui est capable de lier à basse affinité un nombre important d’ions calcium (50 ions calcium par molécule de calséquestrine). Or, calséquestrine et RyR sont reliés par de la triadine, une protéine soluble. Cette organisation permet un stockage local d’importantes quantités de calcium.
Le Couplage Excitation-Contraction : Du Signal Électrique à la Force Mécanique
L'ACh libérée se lie aux récepteurs nicotiniques de l'ACh situés sur la membrane de la cellule musculaire (sarcolemme), ce qui provoque l'ouverture de canaux ioniques et la dépolarisation de la membrane. Cette dépolarisation déclenche un potentiel d'action musculaire qui se propage le long du sarcolemme et pénètre dans les tubules transverses (tubules T).
Le rôle du calcium dans la contraction
L’évènement déclenchant de la contraction musculaire est une augmentation de la concentration intracellulaire en calcium. Au repos, cette concentration est d’environ 0,1 μmol.L-1. Lors d’une stimulation, cette concentration peut grimper jusqu’à 0,1 mmol.L -1 soit une augmentation d’un facteur 1000. Le couplage excitation - contraction correspond aux mécanismes permettant cette forte augmentation.
La contraction musculaire correspond à un raccourcissement des sarcomères dû au glissement relatif des filaments d’actine et de myosine : les deux disques Z délimitant un sarcomère se rapprochent l’un de l’autre. Ce phénomène se produisant simultanément pour tous les sarcomères de la cellule, il en résulte un raccourcissement global de la cellule musculaire selon l’axe longitudinal.
Lorsque la troponine C n’est pas liée à du calcium (et en présence de troponine T et de tropomyosine), la troponine I inhibe l’interaction actine-myosine en faisant occuper par la tropomyosine le site d’interaction de la myosine situé sur l’actine. La liaison de calcium sur la troponine C entraîne un changement de conformation de la troponine, ce qui déplace légèrement la tropomyosine qui lui est liée, démasquant ainsi les sites de liaison actine-myosine.
Au repos, la myosine est couplée à de l’ADP et du phosphate inorganique (Pi). Le départ du phosphate inorganique, puis de l’ADP, va stabiliser la liaison actine-myosine et entraîner un changement de conformation de la myosine. L’angle que fait la tête de myosine avec la queue allongée va diminuer de 90° à 45°. Myosine et actine étant liées, ce changement de conformation va entraîner un mouvement relatif entre filaments fins et filaments épais. Enfin l’hydrolyse de cet ATP en ADP + Pi entraîne un changement de conformation de la myosine : l’angle formé par la tête et la queue de myosine revient à sa valeur initiale. Le raccourcissement des sarcomères est du à un cycle de liaison-dissociation entre actine myosine associé à des changements de conformation de la myosine. Ce cycle peut se reproduire aussi longtemps que la concentration en calcium reste élevée. A chaque fois, la myosine se fixe une peu plus près de l’extrémité « plus » du filament d’actine, c’est-à-dire plus près du disque Z. Comme la même chose se produit à l’autre extrémité du filament de myosine, les deux disques Z se rapprochent, ce qui correspond à un raccourcissement du sarcomère.
Relaxation musculaire
L’augmentation de la concentration en calcium intracellulaire ne dure que quelques millisecondes. On estime que le temps nécessaire pour ramener le taux de calcium intracellulaire à sa valeur de repos est de l’ordre de 30 ms. La concentration en calcium diminuant, on a dissociation du calcium lié à la troponine C, ceci entraînant le rétablissement de l’inhibition exercée par la troponine I sur la liaison actine-myosine.
Canaux Ioniques et Maladies Musculaires (Canalopathies)
Les canalopathies musculaires sont des maladies génétiques rares causées par des mutations dans les gènes codant pour les canaux ioniques musculaires. Ces mutations perturbent le fonctionnement normal des canaux, entraînant des troubles de la contraction musculaire.
Les canalopathies musculaires sont dues à des anomalies génétiques dans un canal ionique perturbant la contraction du muscle. Le caractère fluctuant des manifestations complique et retarde l’identification de la maladie. Or, connaitre le diagnostic est essentiel pour bénéficier de conseils et de médicaments adaptés. Ce sont des maladies chroniques qui doivent bénéficier d’un suivi spécialisé.
Une canalopathie musculaire peut impliquer un canal sodium (codé par le gène SCNA4), un canal potassium (codé par les gènes KCNJ2 ou KCNJ5), un canal calcium (codé par le gène CACN1AS) ou un canal chlore (codé par le gène CLNC-1).
Types de canalopathies
Les syndromes myotoniques non dystrophiques, où les muscles ont du mal à se relâcher (hyperexcitabilité); ils touchent environ un millier de personnes en France.
- La myotonie congénitale de Thomsen
- La myotonie congénitale de Becker
- La paramyotonie congénitale (ou paramyotonie de von Eulenburg)
- Les myotonies du canal sodium, dont font partie les myotonies aggravées par le potassium et sensible à l’acétazolamide.
Les paralysies périodiques comportent :
- Les paralysies périodiques hypokaliémiques de type 1 et de type 2,
- La paralysie périodique hyperkaliémique,
- La paralysie périodique normokaliémique,
- Le syndrome d’Andersen-Tawil.
Symptômes des canalopathies
Les canalopathies musculaires sont de maladies chroniques, dont les premiers manifestations surviennent le plus souvent dans l’enfance ou à l’adolescence. Elles se manifestent dans la plupart des cas de façon intermittente, par :
- Des crises de paralysie ou de faiblesse musculaire, qui durent de quelques minutes à plusieurs jours, pour une paralysie périodique ; le syndrome d’Andersen-Tawil peut se manifester aussi par des troubles du rythme cardiaque, qui nécessite un suivi par un cardiologue spécialisé,
- Une raideur musculaire ou des difficultés à relâcher les muscles après un mouvement (myotonie), pour un syndrome myotonique non dystrophique.
L’intensité des symptômes est très variable d’une personne à l’autre. Une gêne respiratoire ou des difficultés à avaler sont possibles, si la paralysie ou la myotonie concerne les muscles respiratoires ou ceux du pharynx.
La paralysie ou la raideur s’accompagne parfois de douleurs musculaires et concerne un ou plusieurs muscles (membre, cou, thorax…). Certains facteurs peuvent favoriser la survenue de ces symptômes ou augmenter leur intensité.
Diagnostic et prise en charge
Le diagnostic des canalopathies musculaires peut être complexe en raison de la variabilité des symptômes et de leur caractère intermittent. Il repose sur des examens cliniques, des tests électrophysiologiques (électromyogramme) et des analyses génétiques pour identifier les mutations causales.
La prise en charge des canalopathies musculaires est symptomatique et vise à réduire l'impact de la maladie sur la vie quotidienne. Elle peut inclure des médicaments pour contrôler les crises de paralysie ou de myotonie, des séances de kinésithérapie pour maintenir la force musculaire et la mobilité, et des conseils sur les facteurs à éviter pour prévenir les crises.
En cas de paralysie périodique hypokaliémique, le traitement de la crise repose sur la prise de potassium et il faut éviter tout apport sucré concomitant (boisson ou aliment sucré, perfusions glucosées…).
Le traitement de fond a pour objectif de prévenir la survenue des symptômes ou d’en réduire l’intensité, lorsqu’ils sont fréquents et gênants. Ce traitement peut reposer sur différents médicaments : mexilétine, carbamazépine, acétazolamide, spironolactone, dichlorphénamide…
En complément, des précautions simples sont à prendre au quotidien, pour éviter ou limiter les facteurs qui favorisent ou aggravent les symptômes. Selon la forme de canalopathie, il peut s’agir d’éviter le jeûne, les aliments salés, riches en sucres ou en potassium, les efforts en milieux froids, ou encore les efforts intenses.
Les personnes atteintes d’un syndrome d’Andersen-Tawil doivent bénéficier d’un suivi par un cardiologue spécialisé dans les maladies neuromusculaires afin de mettre en route un traitement adapté, voire de bénéficier d’un défibrillateur cardiaque implantable, si une anomalie est détectée. Il faut également éviter de prendre certains médicaments, dont la liste peut être téléchargée sur le site du Centre de référence national.
Recherche sur les canalopathies musculaires
La recherche sur les canalopathies musculaires est active et vise à mieux comprendre les mécanismes pathologiques de ces maladies, à identifier de nouvelles cibles thérapeutiques et à développer des traitements plus efficaces. Des essais cliniques sont en cours pour évaluer l'efficacité de nouveaux médicaments et de nouvelles approches thérapeutiques.
tags: #canaux #ioniques #et #contraction #musculaire