Les muscles sont des organes essentiels qui convertissent l'énergie chimique en énergie mécanique, permettant ainsi le mouvement et la force. Il existe différents types de muscles, chacun ayant une organisation et un fonctionnement spécifiques, comme le muscle squelettique et le muscle cardiaque. Cet article explore en détail les mécanismes de la contraction musculaire, en mettant l'accent sur les processus moléculaires et les éléments clés impliqués.
Les Composants Moléculaires de la Contraction Musculaire
La contraction musculaire repose sur l'interaction complexe de plusieurs protéines clés.
Actine et Filaments d'Actine
L’actine monomérique (actine G) est une protéine globulaire de 42 kDa qui peut polymériser pour former des filaments (actine F). Les filaments d’actine sont composés de deux chaînes linéaires qui s’enroulent l’une autour de l’autre pour former une double hélice.
Tropomyosine
La tropomyosine est une protéine allongée, homodimérique ou hétérodimérique, dont chaque monomère est constitué de 284 acides aminés formant une structure en hélice alpha qui s’enroule autour de l’autre pour créer une super-hélice. Elle se lie à l’actine en se logeant dans les sillons de la double hélice formée par l’actine.
Troponine
À chaque extrémité d’une molécule de tropomyosine, à un intervalle correspondant à 7 molécules d’actine, une molécule de troponine vient se lier avec la tropomyosine. La troponine est une molécule composée de trois chaînes : troponine-T, troponine-I et troponine-C.
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Myosine II
La myosine II est une molécule allongée de 2 × 240 kDa, composée de deux chaînes lourdes (environ 200 kDa chacune) et de quatre chaînes légères (environ 20 kDa chacune). Chaque chaîne lourde est constituée d’une queue C-terminale allongée et fibrillaire en hélice alpha, d’une tête globulaire N-terminale enzymatique à activité ATPasique associée à deux chaînes légères, et d’un domaine cervical déformable reliant les deux extrémités. La tête globulaire et la partie cervicale forment la méromyosine lourde, tandis que la partie fibrillaire caudale forme la méromyosine légère. Les queues allongées des deux chaînes lourdes de myosine s’enroulent l’une autour de l’autre en une superhélice, les deux têtes globulaires se trouvant côte à côte.
Plusieurs centaines de molécules de myosine II s’assemblent pour former un filament épais. Les parties caudales de ces molécules sont rassemblées parallèlement. Les têtes globulaires dépassent en périphérie de ce filament et sont donc disponibles pour pouvoir se fixer aux filaments d’actine. Les molécules de myosine étant disposées en deux groupes tête-bêche, la partie centrale du filament (correspondant à la strie M) est dénudée, c’est-à-dire dépourvue de tête globulaire.
Le Couplage Excitation-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.
Étapes du Couplage Excitation-Contraction
- Libération d'acétylcholine: L’arrivée d’un potentiel d’action dans la terminaison nerveuse d’un neurone moteur déclenche la libération du neurotransmetteur (de l’acétylcholine) dans la fente synaptique.
- Dépolarisation de la membrane musculaire: 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.
- Propagation du potentiel d'action: 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).
- Rôle des tubules transverses et du réticulum sarcoplasmique: La vague de dépolarisation pénètre au cœur de la cellule par l’intermédiaire des tubules transverses. Ceux-ci sont au voisinage immédiat des citernes terminales du réticulum sarcoplasmique au niveau des triades. 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.
- Ouverture des canaux RyR: 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 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.
- Libération du calcium du réticulum sarcoplasmique: 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.
- Rôle de la protéine CLIMP-63: Des chercheurs du CEA-BIG viennent de déterminer que la protéine CLIMP-63 constitue le chaînon manquant entre triadine et microtubules, deux acteurs moléculaires de la contraction musculaire.
Mécanisme de Contraction : Glissement des Filaments
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.
Étapes du Glissement des Filaments
- Inhibition de l'interaction actine-myosine: 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.
- Démasquage des sites de liaison: 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.
- Cycle de liaison et dissociation 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.
- Raccourcissement des sarcomères: Le raccourcissement des sarcomères est dû 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. À 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.
Cinétiques et Stabilisation de la Liaison Actine-Myosine
Au repos, la myosine ne peut pas être liée à l’actine en raison de l’action inhibitrice de la troponine I. Les seules configurations possibles sont donc celles où la myosine n'est pas liée à l'actine. En présence de calcium, la liaison actine-myosine devient possible. Cependant, d’après les cinétiques, cette association est rapidement réversible en présence d’ATP ou d’ADP+Pi. L’hydrolyse de l’ATP est également rapidement réversible. En revanche, si le Pi se dissocie, il n’y a pas de retour possible. En conséquence, c’est le départ du Pi qui stabilise la liaison actine-myosine.
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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.
Contraction Musculaire Cardiaque
L’ultrastructure du muscle cardiaque est similaire à celle du muscle strié squelettique, ainsi que le mécanisme de la contraction contrôlée par le calcium. On trouve dans le muscle cardiaque, des canaux différents de ceux trouvés dans le muscle squelettique, aussi bien dans la membrane sarcolemmale que dans le réticulum sarcoplasmique.
Canaux Spécifiques du Muscle Cardiaque
Dans la membrane sarcolemmale des cellules pace-maker, cellules localisées dans le centre générateur des battements cardiaques, on trouve un canal très particulier dit canal de fuite. Ce canal n’est jamais complètement fermé, même si sa conductance est faible, de sorte qu’il laisse en permanence échapper des ions K+ et entrer des ions Na+. Cette fuite entraîne une dépolarisation lente de la membrane plasmique. Lorsque la différence de potentiel transmembranaire passe la valeur seuil d’activation des canaux voltage-dépendants responsables du potentiel d’action, ces canaux vont s’ouvrir, provoquant l’apparition d’un potentiel d’action classique, mais sans intervention d’un neurone excitateur. La vague de dépolarisation suit un trajet bien précis, prenant naissance dans le nœud sinusal et se propageant dans tout le myocarde.
Différences Moléculaires
On trouve dans les cardiomyocytes des isoformes spécifiques du RyR (RyR2 au lieu de RyR1 dans le muscle squelettique) et du DHPR. Leur organisation spatiale en est modifiée, la principale différence étant que ces deux canaux ne sont plus en interaction directe. La vague de dépolarisation qui parcours la membrane plasmique ouvre les DHPR. Des ions calcium extracellulaires entrent dans la cellule, provoquant une petite augmentation de la concentration intracellulaire en calcium. Cette augmentation va directement agir sur les RyR2, entraînant leur ouverture et la libération massive des ions calcium stockés dans le réticulum sarcoplasmique. Ce mécanisme est appelé « Calcium-Induced Calcium Release » pour « libération du calcium induite par le calcium ».
Production d'Énergie pour la Contraction Musculaire
Pour pouvoir maintenir une activité contractile, les molécules d’ATP doivent être fournies par le métabolisme aussi rapidement qu’elles sont dégradées par le processus contractile. L’ATP peut être de nouveau synthétisée à partir de la phosphocréatine (PCr) par la voie anaérobie alactique, ou voie des phosphagènes. La seconde voie de synthèse (anaérobie lactique ou glycolyse anaérobie) consiste en la dégradation du glycogène (forme de stockage du glucose) en acide pyruvique. Cette voie va permettre de synthétiser 3 molécules d’ATP à partir d’une molécule de glycogène. Ces réactions ne nécessitent pas la présence d’oxygène (plus exactement du dioxygène). Elles aboutissent à la formation d’acide lactique dont l’accumulation perturbe les processus contractiles.
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Voies Métaboliques et Lactate
Au cours de la voie anaérobie lactique, le glucose est dégradé en pyruvate : c’est la glycolyse. Ce pyruvate obtenu est ensuite le sujet d’une nouvelle réaction chimique conduisant à la formation de lactate. Le lactate est considéré comme faisant partie des exerkines, un groupe de molécules produites durant l’exercice aux effets positifs sur le muscle.
L’acidose métabolique, résultat immédiat de la dégradation de glucides par les fibres musculaires, est un trouble de l’équilibre acido-basique qui entraîne une baisse du pH. Ce déséquilibre a notamment des répercussions à l’interface entre la terminaison nerveuse et la fibre musculaire, et ainsi sur la glycolyse.
Adaptation Musculaire à l'Exercice
La pratique régulière d’un sport de type musculation favorise le développement de la masse musculaire. Les muscles deviennent plus visibles parce que le diamètre des fibres musculaires augmente. Ces fibres deviennent plus réactives aux stimulations des cellules nerveuses. Pour les fibres rapides, cette adaptation se traduit par un gain de chaque contraction en vitesse et en force. L'adaptation des fibres lentes permet d'améliorer les capacités d'endurance.
L’adaptation des muscles à la pratique sportive peut avoir des conséquences négatives. Sous l’effet de l’exercice, et en particulier des exercices de force, les muscles tendent à perdre de leur élasticité. Ils sont plus toniques : leur longueur au repos est plus courte du fait d’un état de contraction résiduel permanent. Il est donc essentiel de pratiquer des étirements après l'effort et de mettre en place un programme de musculation équilibré.
Myopathie de Duchenne
La myopathie de Duchenne est une maladie responsable de dégénérescence musculaire. Il s'agit d'une maladie héréditaire entraînant l'absence de fabrication d'une protéine musculaire : la dystrophine. Celle-ci permet habituellement l'ancrage de la cellule musculaire dans la matrice extracellulaire, indispensable à la cohésion du muscle et donc à son bon fonctionnement. Sans la dystrophine, les cellules musculaires finissent par disparaître. La maladie de Duchenne est une maladie dégénérative progressive des muscles, qui aboutit à la mort de l'individu atteint.
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