Introduction
La contraction musculaire est un processus fondamental qui permet le mouvement, la posture et de nombreuses autres fonctions vitales. Cet article explore en détail les mécanismes complexes qui sous-tendent la contraction musculaire, en mettant l'accent sur les aspects cellulaires, moléculaires et énergétiques.
Organisation du Muscle Strié Squelettique
Le muscle strié squelettique présente une organisation hiérarchique complexe. Il est composé de faisceaux de fibres musculaires, également appelées myocytes, qui sont innervées par des nerfs et irriguées par des vaisseaux sanguins. À l'intérieur des fibres musculaires se trouvent les myofibrilles, structures cylindriques qui parcourent toute la longueur de la cellule. L'organisation précise des myofilaments d'actine et de myosine au sein des myofibrilles donne au muscle son aspect strié caractéristique, visible au microscope.
Macroscopie Simplifiée
Le muscle strié squelettique montre une macroscopie simplifiée. Deux parties le constituent : une partie centrale, ou le corps du muscle, constituée des fibres musculaires striées squelettiques et les extrémités qui correspondent aux tendons. Ces tendons permettent d’insérer ce muscle au squelette. Cependant, tous les muscles ne possèdent pas deux extrémités tendineuses. L’orientation des fibres musculaires et la structure tendineuse permettent de différencier plusieurs types de muscles.
- Muscles parallèles: Présentent des faisceaux de fibres parallèles, orientés dans le grand axe du muscle. Les tendons plats sont présents au niveau des deux extrémités et présentent des dimensions similaires.
- Muscles fusiformes: Présentent des faisceaux quasiment parallèles qui se rejoignent sur des tendons plats.
- Muscles circulaires: Présentent des faisceaux circulaires dont les extrémités se joignent au niveau du tendon unique formant une boucle fermée.
- Muscles triangulaires: Présentent des faisceaux larges et étalés qui se regroupent en direction du fin tendon central, ces muscles présentent une forme triangulaire caractéristique.
- Muscles pennés: Se caractérisent par des faisceaux de fibres très court et un tendon qui s’étend sur toute la longueur du muscle. Les muscles unipennés montrent des fascicules qui se positionnent sur un des côtés du tendon. Les fascicules bipennés se positionnent des deux côtés du tendon central. Enfin, les muscles multipennés sont constitués de plusieurs tendons autour desquels s’arrangent obliquement les faisceaux de fibres musculaires.
Organisation Microscopique
Les muscles striés squelettiques, observés sur des coupes transversales, montrent une organisation à trois étages, chacun étant séparé de l’autre par un tissu conjonctif de soutien : le muscle dans son ensemble est délimité par l’épimysium, il est formé de fascicules délimités par le périmysium lui-même constitué par les fibres musculaires séparées les unes des autres par l’endomysium.
Typage des Fibres Musculaires
Les techniques histologiques ont permis de faire évoluer le concept de types de muscles lancé par Ciaccio en 1898 sur les bases de la description de Stefano Lorenzini dès 1678. Ciaccio en 1898 avait distingué des muscles rouges et des muscles blancs. Ranvier (1874) fut le premier à suggérer une différence physiologique entre les fibres rouges et les fibres blanches chez le lapin en les associant respectivement à une contraction rapide et une contraction lente. Puis Grützner (1884) a confirmé ces résultats chez la grenouille et a conclu à l’universalité de ce typage après avoir étendu ces études à d’autres espèces. Avec le développement des techniques histochimiques (dès 1935 par Semenoff), le typage des fibres a été facilitée par la technique de détection de l’activité ATPase de la myosine (Engel, 1962 ; Brooke et Kaiser, 1970). Les fibres de type lent (appelées type I) fonctionnent sur le mode aérobie et présentent une activité métabolique oxydative. Ces fibres ont la capacité de développer une activité tonique prolongée. Les fibres rapides (type II) fonctionnent sur le mode anaérobie et présentent une activité métabolique oxy-glycolytique (fibres IIA) ou glycolytique (fibres IIB).
Lire aussi: Gérer les contractions en fin de grossesse
Innervation et Vascularisation
Chaque fibre musculaire striée squelettique possède une innervation unique par l’intermédiaire d’un motoneurone α (fibres nerveuses motrices). Leurs corps cellulaires sont localisés dans le tronc cérébral ou la moelle épinière (corne antérieure). Leurs axones sont myélinisés. Quand cet axone moteur arrive à proximité d’un muscle, il se divise en de nombreuses branches. Chacune de ces branches forme une jonction unique avec une fibre musculaire. L’ensemble des fibres innervées et du motoneurone constitue l’unité motrice. Les fibres musculaires constituant cette unité motrice sont dispersées au hasard dans le muscle. Ainsi l’activité électrique d’un motoneurone contrôle l’activité contractile de toutes les fibres de l’unité motrice.
Au voisinage de la fibre musculaire, une branche d’un motoneurone se termine en une fine arborisation qui s’intègre dans la membrane de la fibre musculaire formant la jonction neuromusculaire. Autour de chaque fibre, en moyenne 4-6 capillaires sont présents. Cependant, la densité par mm² de ces capillaires varie avec le type de la fibre et par conséquent avec la taille et le métabolisme de la fibre. Cette densité est importante pour les fibres de petite taille à métabolisme aérobie, c’est à dire pour les fibres à contraction lente.
Jonction Myo-Tendineuse
Les fibres musculaires striées s’insèrent sur l’os par l’intermédiaire des tendons, cette insertion se dénomme jonction myo-tendineuse. C’est à ce niveau que les forces générées par la contraction des myofibrilles sont transmises au tendon. Le sarcoplasme et la lame basale des fibres musculaires présentent à cet endroit de nombreux replis qui multiplient d’un facteur 10 à 50 la surface de contact entre le tendon et les fibres musculaires.
Fuseau Neuromusculaire et Organes Tendineux de Golgi
Le fuseau neuromusculaire est un organe sensoriel encapsulé présent dans le muscle strié squelettique impliqué dans le réflexe mono-synaptique d’étirement et la régulation du tonus musculaire. Il s’agit d’un mécano-récepteur qui est sensible aux variations passives ou actives de la longueur du muscle. Les fibres qui composent le fuseau neuromusculaire, dites intrafusales, reçoivent une innervation motrice spécifique et servent de support à des terminaisons sensitives. Chaque fuseau est généralement composé de deux fibres à sac nucléaire (une à sac b1 et une à sac b2) et de deux à quatre fibres à chaîne nucléaire.
Les organes tendineux de Golgi sont des organes sensoriels fusiformes situés au niveau des jonctions myotendineuses ou des tendons. Ils possèdent une extrémité purement musculaire. La capsule qui les délimite comprend un segment plus ou moins long d’un faisceau tendineux ainsi que les arborisations terminales d’un nerf sensitif.
Lire aussi: Tout savoir sur le hoquet
Constituants Cellulaires
La fibre musculaire est constituée de myofibrilles adjacentes qui baignent dans le sarcoplasme. Ces myofibrilles sont environnées par les composants de la triade (Tubule transverse et réticulum sarcoplasmique). Chacune des fibres musculaires constituant le tissu musculaire est environné par la lame basale.
Le Sarcomère: Unité Fonctionnelle de la Contraction
Le sarcomère, unité fonctionnelle du muscle lors de la contraction, présente une ultrastructure complexe visible en microscopie électronique. Le sarcomère est délimité par deux structures appelées stries Z. Entre ces stries, on trouve des filaments d'actine fixés parallèlement les uns aux autres. Au centre du sarcomère se trouvent les filaments de myosine, également parallèles. Lors de la contraction, les filaments de myosine glissent le long des filaments d'actine, entraînant un raccourcissement du sarcomère.
Organisation Axiale des Myofilaments
Les myofilaments d’actine et de myosine présentent une organisation axiale pour former des unités contractiles répétitives sur toute la longueur des myofibrilles : les sarcomères. La disposition ordonnée des deux types de myofilaments (actine et myosine) à l’intérieur du sarcomère confère aux myofibrilles une striation transversale visible en microscopie optique. Ainsi, sur la longueur de chaque myofibrille, il existe une alternance de bandes foncées, bandes A, et de bandes claires, bandes I. Chaque bande A présente dans sa partie médiane une région plus claire, la zone H, contenant elle-même dans sa partie médiane, une bande sombre plus étroite, la ligne M. Au milieu de la bande I, se trouve une zone plus foncée, la strie Z. Ainsi, chaque sarcomère est un segment de myofibrille délimité à ses deux extrémités par une strie Z.
Réticulum Sarcoplasmique et Tubules Transverses
Le réseau constitué par le réticulum sarcoplasmique parcourt la myofibrille dans le sens de la longueur. Au-dessus de chaque jonction entre les bandes A et I, se trouve une structure tubulaire positionnée de façon transversale par rapport à l’axe de la fibre et appelée tubule transverse. Au contact du tubule transverse, le réticulum forme la triade.
Mécanisme de la Contraction Musculaire
La contraction musculaire est le résultat du glissement des myofilaments d'actine entre les myofilaments de myosine vers le centre de chaque sarcomère : les deux stries Z délimitant chaque sarcomère se rapprochent ainsi l’une de l’autre.
Lire aussi: Solutions pour les contractions musculaires
Jonction Neuromusculaire et Potentiel d'Action
L’axone du motoneurone qui innerve la fibre musculaire perd sa gaine de myéline à proximité de la fibre musculaire. Les arborisations terminales de cet axone reposent dans des rainures à la surface de la fibre musculaire formant la jonction neuromusculaire qui présente une structure en « grappe de raisin ». La région du sarcoplasme située sous la partie terminale de l’axone moteur constitue la plaque motrice. Les terminaisons de l’axone moteur contiennent des vésicules qui peuvent être liées à la membrane. Ces vésicules contiennent de l’acétylcholine, un médiateur chimique; les jonctions neuromusculaires sont alors dites cholinergiques. On distingue différents composants au niveau de la jonction neuromusculaire. La membrane plasmique du motoneurone au niveau de la terminaison axonale est la membrane pré-synaptique. La membrane de la fibre musculaire adjacente à la membrane pré-synaptique est définie comme la membrane post-synaptique.
L’acétylcholine, libérée par la terminaison nerveuse au niveau de la plaque motrice, se lie au récepteur de l’acétylcholine situé dans le sarcolemme et déclenche un courant électrique : le potentiel d’action. Celui-ci se propage tout le long du sarcolemme et provoque, au niveau de la triade, le passage d’un signal électrique du tubule T au réticulum sarcoplasmique qui libère alors les ions calcium (Ca2+). Les ions calcium libres dans le sarcoplasme, provoquent la contraction des myofibrilles en diffusant entre les myofilaments protéiques d’actine et de myosine.
Rôle du Calcium
Suite à la dépolarisation, le calcium contenu dans le réticulum sarcoplasmique est libéré, rendant possible le glissement des fibres d'actine et de myosine les unes par rapport aux autres.
Hydrolyse de l'ATP
La contraction musculaire nécessite l’utilisation et l’hydrolyse de molécules d’ATP en ADP. L’hydrolyse de l’ATP consiste à couper un groupement phosphate à la molécule grâce à une enzyme, l’ATPase, ce qui libère une grande quantité d’énergie (réaction exergonique). Pour régénérer l’ATP, une autre enzyme, l’ATPsynthase, rajoute un groupement phosphate à une molécule d’ADP ce qui consomme de l’énergie (réaction endergonique). Comme ces molécules ne sont pas stockées, les cellules musculaires doivent produire de l’ATP en permanence afin de permettre leur fonctionnement. La voie principale est la respiration.
Développement des Fibres Musculaires
Comment certaines cellules mésodermiques pluripotentes finissent-elles par former des myofibres fonctionnelles ? Les cellules musculaires squelettiques font partie des cellules les plus longues du corps humain et présentent la particularité de posséder plusieurs noyaux. Organisées en faisceaux et reliées aux os par les tendons, les cellules, ou fibres, musculaires sont indispensables à la locomotion, la ventilation et le maintien de la posture par leur action de contraction.
Myogenèse
De la détermination des cellules du mésoderme à la maturation en myofibres, de nombreuses étapes sont nécessaires. L’expression de gènes clés, tels que Pax3, Myf5 et MyoD, est requise pour atteindre le stade de myoblaste. Les muscles ayant besoin de se régénérer au cours de la vie, une réserve de cellules souches musculaires est maintenue grâce au renouvellement des cellules satellites et l’expression de gènes clés, indiqués dans les petites cartouches. Les myoblastes et les cellules satellites constituent les cellules myogéniques. Que ce soit in vivo ou in vitro, la différenciation musculaire est un processus complexe qui associe des modifications structurelles de la cellule et la modulation de l’expression de certains gènes. Au cours du développement, la première étape est la détermination des cellules du mésoderme en cellules myogéniques (myoblastes et cellules satellites), capables de former des muscles. Pour cela, l’expression et l’accumulation des facteurs de transcription MyoD et Myf5 seront décisifs. Faisant partie des protéines bHLH (basic helix-loop-helix), ils sont caractéristiques des cellules myogéniques. Leur activation se fait grâce à un autre facteur de transcription, Pax3, normalement exprimé lors des premiers stades du développement embryonnaire par les cellules du mésoderme. L’absence de MyoD et Myf5 chez l’embryon de souris entraîne la mort à la naissance due à l’absence totale des muscles squelettiques. Au cours de la vie de l’organisme, les muscles subiront plusieurs cycles de régénération parce qu’ils doivent s’allonger, se renforcer, ou à la suite d’une blessure. Pour cela, une partie des cellules myogéniques issues du développement embryonnaire existe toujours chez l’adulte, sous la forme de cellules souches musculaires, capables de proliférer et de participer à la formation de fibres musculaires. Appelées cellules satellites, elles sont en temps normal à l’état quiescent et expriment le facteur de transcription Pax7. En l’absence de ce dernier, aucune cellule satellite ne sera présente. Celles-ci sont situées entre la lame basale et les fibres musculaires et le ratio est d’en moyenne une à deux cellules satellites pour une fibre musculaire. L’absence, la perte de fibres musculaires, ou des exercices musculaires prolongés et fréquents provoquent la sortie de quiescence des cellules satellites qui prolifèrent alors pour produire de nouvelles cellules musculaires. Cette transition est permise par une diminution de l’expression des gènes inhibiteurs du cycle cellulaire, tels p27, p57 et Rb et une augmentation de l’expression des gènes activateurs, suivie par l’expression des gènes impliqués dans la différenciation comme MyoD ou Myf5. Toutefois, il est nécessaire qu’une partie de ces cellules retourne à l’état quiescent pour être disponibles lorsqu’un besoin se représentera, et pour cela, p27 sera décisif ainsi que la voie moléculaire de Notch. Une perturbation de ces deux régulateurs a pour conséquence le non-réapprovisionnement en cellules souches musculaires, et l’impossibilité de régénérer le muscle plusieurs fois.
Différenciation et Formation des Myotubes
La première étape de la différenciation des cellules satellites, irréversible chez la plupart des organismes, est la sortie du cycle cellulaire due à l’expression concertée de p21, p57 et p19. In vitro, sur des cellules myogéniques en culture, la privation de sérum et une densité élevée des cellules (confluence) suffit à initier la différenciation. Des protéines caractéristiques sont alors exprimées, telles que la myogénine, ou la chaîne lourde de la myosine (MHC, myosin heavy chain). Les cellules vont réorganiser leur cytosquelette pour se préparer aux étapes suivantes : les filaments d’actine vont se placer parallèlement les uns par rapport aux autres tandis que les microtubules, qui normalement émanent du centrosome, vont maintenant avoir pour origine l’enveloppe nucléaire. Cette relocalisation est causée par l’expression de l’isoforme α de la nesprine-1, qui ancrera certaines protéines du centrosome à l’enveloppe nucléaire, telle qu’Akap-450. Par la suite, plusieurs myoblastes vont fusionner pour former un myotube. La fusion des myoblastes est un processus complexe qui implique le remodelage des membranes plasmiques et l’action du cytosquelette d’actine. Récemment ont été découvertes deux protéines qui avaient échappées à l’étude informatique du génome en raison de leur taille inférieure à 100 acides aminés, Myomixer et Myomaker.
Maturation des Fibres Musculaires
Une caractéristique des fibres musculaires est la présence d’invaginations de la membrane plasmique autour des myofibrilles. Ces invaginations appelées tubules T sont nécessaires à la transmission du signal provenant du neurone sur toute la longueur de la fibre. Elles se forment lors de la maturation de la fibre grâce à l’action de protéines normalement impliquées dans l’endocytose, et du cytosquelette d’actine. Ces tubules T sont connectés par des canaux à calcium au réticulum sarcoplasmique situé à l’intérieur de la cellule. Le relargage des neurotransmetteurs à la jonction neuromusculaire entraîne une dépolarisation de la membrane plasmique de la fibre, et une ouverture des canaux calciques du réticulum. Le calcium ainsi libéré va s’associer à la protéine troponine, provoquant son changement de conformation et permettant ainsi la contraction des myofibrilles. La présence des triades permet ainsi d’avoir une contraction homogène sur toute la longueur de la fibre musculaire. Des défauts dans la structure des triades entraînent des problèmes de contraction musculaire. Celle-ci est assurée par les sarcomères, des structures répétées composées principalement d’actine et de filaments de myosine. Dans un sarcomère contracté, la longueur des filaments d’actine et de myosine ne varie pas.
Positionnement des Noyaux
La fusion de plusieurs myoblastes donne un myotube qui contient donc plusieurs noyaux. Dans la fibre mature, la majorité des noyaux sont placés de manière équidistante sous la membrane plasmique. Étant donné la taille de la cellule musculaire, cela implique que des mouvements nucléaires contrôlés aient lieu lors de la maturation. La centration a lieu lorsqu’un myoblaste fusionne avec un myotube ; le noyau du myoblaste va alors rapidement (0,75 µm/min) se déplacer vers le centre du myotube où se trouvent les autres noyaux. Le déploiement consiste en la répartition des nombreux noyaux sur la longueur du myotube. Pour cela, les microtubules émanant de l’enveloppe des noyaux interagissent entre eux par l’intermédiaire d’un autre moteur moléculaire, la kinésine 1, et d’une protéine associée à ceux-ci. La dispersion, quant à elle, caractérise le mouvement des noyaux vers la périphérie des cellules musculaires. Ce mouvement transversal a lieu lors de la maturation en fibre musculaire, lorsque s’organisent les myofibrilles. En effet, sous l’effet de contraction de ces dernières, les noyaux vont être expulsés vers la membrane plasmique. Enfin, le regroupement permet à un petit groupe de noyaux de se retrouver sous la jonction neuro-musculaire. Ce mouvement n’a pas encore été caractérisé mais utilise probablement les mêmes mécanismes que le déploiement. Il a été proposé que cette répartition homogène des noyaux dans la fibre musculaire permet une distribution optimale des ARN messagers et des protéines exprimés par chaque noyau. Le terme de domaine nucléaire, ou zone d’influence d’un noyau, a émergé en 1989 mais son rôle exact dans la fonction musculaire reste encore à définir.
Transmission Synaptique à la Jonction Neuromusculaire
La transmission synaptique à la jonction neuromusculaire est un processus complexe qui se déroule en plusieurs étapes, menant à la contraction musculaire.
Neurotransmetteurs et Récepteurs
La transmission de l’influx nerveux à la cellule musculaire implique la libération d’un neurotransmetteur, l’acétylcholine, d’un neurone à une autre cellule. Prenons l'exemple des motoneurones. La quantité d’acétylcholine libérée par la terminaison pré-synaptique sera importante.
- Libération de l'acétylcholine: L’acétylcholine est stockée dans de vésicules synaptiques. L’arrivée d’un potentiel d’action au niveau de la cellule musculaire change la perméabilité membranaire et permet l’entrée d’ions calcium à l’intérieur. Cette entrée de calcium provoque la fusion des vésicules synaptiques avec la membrane plasmique et la libération de l’acétylcholine dans la fente synaptique.
- Fixation et Hydrolyse: L’acétylcholine libérée se fixe sur les récepteurs post-synaptiques présents sur la membrane de la cellule musculaire. La fixation de l’acétylcholine sur les récepteurs est transitoire. L’acétylcholine se détache et est rapidement hydrolysée par une enzyme : l’acétylcholinestérase.
Curare et Antagonistes Cholinergiques
La paralysie musculaire provoquée par le curare est due au fait que les récepteurs à acétylcholine sont bloqués par le curare. Le curare est un exemple d’antagoniste cholinergique, c'est-à-dire une substance qui bloque les récepteurs à acétylcholine, provoquant un relâchement musculaire. D'autres substances peuvent avoir les mêmes effets que le neurotransmetteur en se fixant sur les récepteurs à acétylcholine.
Métabolisme Énergétique de la Contraction Musculaire
Comme ces molécules ne sont pas stockées, les cellules musculaires doivent produire de l’ATP en permanence afin de permettre leur fonctionnement. La voie principale est la respiration.
Respiration Cellulaire
La respiration permet la régénération d’ATP. On réalise une expérience dont les étapes sont les suivantes : Au temps t0, une suspension de mitochondries (isolées à partir de cellules de foie) est placée dans l’enceinte riche en O2 d’un bioréacteur. On ajoute du glucose à la suspension au temps t1 et de l’acide pyruvique au temps t2. On suit l’évolution de la concentration d’O2. À partir du graphique, on peut décrire l’évolution de la concentration d’O2, puis déduire la nature du métabolite énergétique utilisé par les mitochondries. Le composé utilisé par les mitochondries est obtenu par glycolyse.
Glycolyse et Cycle de Krebs
Krebs (prix Nobel en 1953) a montré que le pyruvate (acide pyruvique) issu de la glycolyse est oxydé totalement dans les mitochondries. Afin de localiser l’utilisation du pyruvate, on réalise des expériences en utilisant séparément les différentes parties des mitochondries. Ces structures sont placées en présence de pyruvate et/ou en présence de dioxygène.
Structure Mitochondriale
La mitochondrie est constituée de :
- Membrane externe: Bicouche lipidique de composition proche de la membrane plasmique (50-60% protéines, 50-40% lipides). Elle contient une protéine transmembranaire, la porine, qui permet le passage des ions et des métabolites hydrosolubles.
- Espace intermembranaire: Contient beaucoup de protons (H+) et des enzymes.
- Membrane interne: Bicouche lipidique différente de la membrane externe (80% protéines, 20% lipides). Elle forme des replis complexes dans la matrice : ce sont les crêtes. Elle contient les protéines enzymatiques de la chaine respiratoire et de la synthèse d’ATP.
- Matrice: A son propre génome : ADN mt, plus des composants nécessaires pour la transcription et traduction (ARNt, ARNm, mitoribosomes), et de nombreux complexes enzymatiques (cycle de Krebs…).
tags: #contraction #musculaire #electronographie