Introduction
La contraction musculaire est un processus fondamental pour le mouvement et de nombreuses fonctions physiologiques. Ce processus, bien que complexe, repose sur des interactions cellulaires et moléculaires précises. Cet article explore le mécanisme de la contraction musculaire, en mettant en lumière le rôle crucial du calcium, de l'AMP cyclique (AMPc) et des phosphodiestérases (PDE) dans ce processus.
Organisation et Structure du Muscle Strié
Le muscle strié, essentiel pour les mouvements volontaires, est composé de cellules musculaires striées, aussi appelées fibres musculaires. Ces fibres sont regroupées en faisceaux musculaires. La contraction musculaire, qui se manifeste par le raccourcissement et l'épaississement des muscles, permet le mouvement relatif des os auxquels ils sont reliés par des tendons.
Si l'on zoome sur un muscle, on découvre son unité cellulaire : la myofibrille. Le cytosquelette de celle-ci est composé de myofilaments d'actine et de myosine. Tous les sarcomères d'une myofibrille se contractent de façon coordonnée. La cellule musculaire striée est donc une cellule spécialisée, caractérisée par la présence de myofilaments d'actine et de myosine, structurés en sarcomères. Le sarcomère, délimité par deux stries Z, est l'unité de contraction de la cellule musculaire. Chaque cellule musculaire est composée de centaines de sarcomères disposés à la suite. Le raccourcissement des sarcomères, induit par le glissement des myofilaments d'actine, entraîne le raccourcissement de la cellule musculaire toute entière. Plus de cellules musculaires sont raccourcies, plus le muscle se raccourcit, et donc se contracte, ce qui produit le mouvement.
Mécanisme de Contraction Musculaire
Rôle des Myofilaments
Les filaments épais de myosine sont pourvus d'une tête globulaire. Ces filaments peuvent se déformer et s'ancrer sur les filaments d'actine. Les têtes de myosine pivotent, entraînant le glissement des filaments d'actine. Les têtes de myosine dans chaque demi-sarcomère sont orientées du même côté et font glisser les filaments d'actine vers le centre du sarcomère.
Importance du Calcium et de l'ATP
La liaison entre l'actine et la myosine nécessite une concentration en ions calcium suffisante, lesquels sont libérés par le réticulum sarcoplasmique lors de l'arrivée du message nerveux dans la plaque motrice. D'autre part, les étapes de la déformation (basculement, pivotement des têtes de myosine puis détachement) ne peuvent avoir lieu qu'en présence d'ATP, lequel sera hydrolysé donc utilisé à chaque cycle de déformation.
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Le Calcium et la Contraction
L’augmentation de la concentration de calcium est à l’origine de la contraction musculaire et sa diminution de la relaxation. Dans la contraction du muscle strié cardiaque interviennent à la fois l’entrée du Ca2+ extracellulaire par des canaux de la membrane plasmique et sa libération par le réticulum sarcoplasmique. Le calcium extracellulaire pénètre dans la cellule pendant la phase 2 ou plateau du potentiel d’action. Les canaux calciques voltage-dépendants concourent à l’élévation de la concentration de calcium intracytoplasmique des fibres myocardiques. Au niveau des fibres lisses vasculaires, le calcium agit essentiellement par l’intermédiaire de la calmoduline. Le calcium se combine à la calmoduline et le complexe calcium-calmoduline active la MLCK (myosin light chain kinase) en formant avec elle un complexe ternaire. Ce complexe transforme la myosine en myosine phosphorylée qui se combine à l’actine, entraînant une contraction des fibres lisses.
Le calcium augmente la force de contraction en levant l’effet inhibiteur de la troponine : en présence de calcium, la troponine change de conformation et libère l’actine, laquelle peut interagir avec la myosine phosphorylée. Le calcium intervient également dans la migration d’organites intracellulaires (récepteurs, vésicules). L’augmentation du calcium intramitochondrial active les deshydrogénases responsables de la transformation du pyruvate en acétate, de l’isocitrate en a-cétoglutarate et de l’a-cétoglutarate en succinyl-CoA. En un mot, l’augmentation du calcium intramitochondrial active le cycle de Krebs et la formation de NADH et augmente la synthèse d’ATP. Les médicaments qui augmentent la concentration de calcium intra-mitochondrial, en inhibant par exemple l’échangeur Na+/Ca2+ mitochondrial, auraient un effet bénéfique dans certaines cardiomyopathies. Le calcium est indispensable au fonctionnement de la cellule et à sa replication mais son excès a des effets néfastes.
Rôle de l'AMPc dans la Contraction Musculaire
L’élévation de la concentration d’AMP cyclique intracellulaire, en favorisant la phosphorylation des canaux calciques voltage-dépendants, tend à augmenter l’entrée de calcium. L’AMP cyclique augmente de plus le repompage du calcium par le réticulum sarcoplasmique, ce qui diminue la durée de la contraction. L’élévation de l’AMP cyclique dans les muscles lisses a un effet opposé à celui du calcium, car elle transforme la MLCK, inactive mais activable, en MLCK phosphorylée qui ne peut pas se combiner à la calmoduline pour phosphoryler la myosine. Or c’est la myosine phosphorylée qui, en se liant à l’actine avec libération d’énergie à partir de l’ATP transformée en ADP, provoque la contraction musculaire.
Prostaglandines et AMPc
Dans la plupart des tissus, l'action des prostaglandines passe par l'activation de l' adénylcyclase membranaire, grâce à une protéine G avec formation d' AMP cyclique. Les prostaglandines interviennent dans d'autres tissus sur la perméabilité de la membrane cellulaire aux ions, et plus particulièrement au calcium ; ainsi, la réponse du muscle lisse à une contraction stimulée par différentes prostaglandines (PGA1, PGA2, PGE2) est corrélée à la libération de calcium.
Production d'ATP et Énergie Musculaire
Les cellules utilisent l'énergie chimique de molécules prélevées dans l'environnement (les nutriments). L'ATP est une molécule riche en énergie contenue dans ses liaisons phosphates. L'énergie est apportée sous forme de molécules d'ATP à toutes les cellules.
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Voies de Production de l'ATP
Il existe plusieurs voies de production d'ATP au cours d'un effort de puissances variables et au cours du temps :
- Voie anaérobie alactique (phosphocréatine) : Très rapide mais de courte durée. La phosphocréatine transfère sa liaison phosphate très énergétique à un ADP qui devient un ATP, composé hautement énergétique.
- Voie anaérobie (fermentation lactique) : Métabolisme anaérobie ; rapide, intervient après 20 à 30 secondes d’effort, durant les premières minutes. Production très rapide mais faible rendement énergétique, accumulation d'acide lactique, un déchet.
- Voie aérobie (respiration cellulaire) : Plus lente, mais de longue durée et à fort rendement énergétique.
Le muscle privilégie une voie plutôt qu’une autre en fonction de la durée de l’effort et de son intensité. La source d’énergie utilisée est le glycogène que ce soit en fermentation ou en respiration. Il débute un effort par la voie de la phosphocréatine pendant que les deux autres voies se mettent en place, puis l'ATP est produit par fermentation quand la phosphocréatine est épuisée.
Fermentation Lactique
Certaines fibres musculaires lors de leur contraction produisent un résidu organique : l'acide lactique ou lactate. Lors de la fermentation, le glucose est partiellement oxydé dans le hyaloplasme (cytoplasme) de la cellule : c’est une glycolyse. C'est une suite complexe de réactions d'oxydo-réduction. Une molécule de glucose (à 6 atomes de carbone) est alors oxydée en deux molécules d'acide pyruvique (à 3 atomes de carbone). Cette réaction est couplée à la formation de 2 ATP et de 2 composés réduits RH2. Donc une molécule de glucose produit ici 2 ATP. Cette réaction ne nécessite pas d’oxygène. Les RH2 sont ensuite oxydés à nouveau pour régénérer des R+ et les réengager dans une autre glycolyse. Cette régénération des R+ est couplée à une production de lactate à partir du pyruvate.
Respiration Cellulaire
Comme la fermentation pour le muscle, la première étape d'oxydation du glucose est identique, elle forme deux acides pyruviques (ou pyruvates). Cette réaction est couplée à un transfert des protons et électrons à 2 composés intermédiaires R+ qui deviennent réduits en 2 RH2. La respiration dans la mitochondrie ne se fait pas à partir de glucose mais à partir de pyruvate, c'est donc l'étape qui suit la glycolyse. L'oxydation des métabolites amorcée dans le cytoplasme, se poursuit et s'achève dans la matrice des mitochondries : l'acide pyruvique est totalement oxydé sous l'action d'enzymes mitochondriales : C'est le cycle de KREBS. Les protons et électrons de l'oxydation du pyruvate sont transférés aux nombreux composés R+ qui sont alors réduits en R'H2 et de l'ATP est produit.
À l'issue de l'oxydation totale du pyruvate, de nombreux composés intermédiaires RH2 ont été formés et sont donc hautement énergétiques. Cette dernière étape permet de transférer l'énergie des RH2 en ATP. RH2 doit transférer ses protons et électrons à une molécule capable de les accepter, accepteur d'électron. Cet accepteur d'électron final sera O2 qui sera alors réduit en H20. Ce couplage d'oxydo-réduction se réalise au niveau de la membrane interne (crêtes) des mitochondries qui renferme des molécules qui assurent le transfert des électrons des RH2 vers l'oxygène. Ces molécules membranaires composent la chaine respiratoire. Enfin, un dernier couplage permet de fabriquer les ATP. La respiration cellulaire débute dans le cytoplasme par la glycolyse et elle se poursuit dans des organites particuliers protégés par une double membrane : les mitochondries. Dans la matrice des mitochondries, l’acide pyruvique est entièrement oxydé en dioxyde de carbone au cours d’une suite de réactions chimiques constituants le cycle de Krebs. Ce flux d’électron dans la chaîne respiratoire est couplé à une importante production d’ATP par des ATP synthases.
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Si l'on prend en compte la glycolyse, la respiration cellulaire produit ainsi 36 moles d'ATP par mole de glucose oxydé, contre seulement 2 ATP par mol de glucose pour la fermentation.
Myopathies et Défauts Musculaires
Les myopathies sont des maladies dégénératives des cellules musculaires. Dans le cas de la myopathie de Duchenne, une protéine, la dystrophine, est défaillante. Elle est normalement impliquée dans la connexion entre le cytosquelette (actine/myosine), des protéines membranaires et la matrice extra-cellulaire est défaillante. Elle n’assure plus la cohésion de la structure de la cellule musculaire au cours des cycles répétés de contraction. Il s’ensuit des microlésions cellulaires qui conduisent à terme à une dégénérescence des cellules musculaires. Dans certaines myopathies, la dégénérescence des cellules musculaires est due à un défaut dans les interactions entre les protéines membranaires des cellules et la matrice extra-cellulaire. Ce défaut est provoqué par une molécule dysfonctionnelle, la dystrophine.
Substances Exogènes et Perturbation Musculaire
Des substances exogènes peuvent intervenir sur la masse ou le métabolisme musculaire, avec des effets parfois graves sur la santé. C’est le cas des anabolisants qui stimulent la croissance cellulaire du muscle augmentant sa masse. La force développée par le muscle en contraction devient plus élevée, améliorant les performances. En revanche, les tendons sont alors fragilisés par cette puissance disproportionnée à leur résistance et des blessures peuvent s’ensuivre. L'EPO de synthèse amplifie la fabrication de globules rouges, améliorant l'apport d'oxygène aux cellules musculaires. L'excès de globules rouges peut entrainer l'occlusion de vaisseaux sanguins et donc des embolies.
L'Automatisme Cardiaque
La dépolarisation diastolique lente est à l’origine de l’automatisme cardiaque. Au niveau du tissu conducteur comme le faisceau de His, elle est plus rapide et correspond surtout à l’entrée de sodium.
Prostaglandines et leurs Effets
Les prostaglandines sont synthétisées dans de nombreuses cellules, en quantités et proportions très différentes suivant les organes (PGE2 et PGA2 au niveau rénal, PGI2 sur l'endothélium des vaisseaux et le cœur, PGD2 au niveau du cerveau, et même une dizaine d'entre elles dans la vésicule séminale, etc.) et donnent des réponses biologiques, elles aussi différentes. Dans les tissus adipeux, les PGE1 et les PGE2 inhibent la lipolyse induite par certaines hormones (ACTH, glucagon, catécholamines) ; elles exercent, dans ce cas, un rétrocontrôle négatif de l'effet hormonal (comme pour le calcium). La lipolyse induite par l'hormone s'accompagne de la formation d'AMP cyclique qui va conduire à l'activation d'une phospholipase avec libération d'acide arachidonique et biosynthèse de prostaglandines qui vont avoir un effet antagoniste sur l'activité de l'adénylcyclase. Des récepteurs plus ou moins spécifiques aux différentes prostaglandines peuvent exister sur la même cellule, par exemple les plaquettes sanguines comportant trois récepteurs différents PGI2/PGE1, PGD2 et TXA2. De même, l'effet lutéolytique de la PGF2α chez la brebis passerait par l'intermédiaire d'un récepteur membranaire spécifique dans le corps jaune. Les prostaglandines PGE s2 sont les plus puissantes (hyperalgésiantes).
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