La contraction des muscles striés squelettiques, attachés au squelette, permet la réalisation du mouvement. Cette contraction exige de l'énergie, disponible dans la cellule musculaire sous forme d'ATP (adénosine triphosphate). Cet article explore les mécanismes moléculaires qui permettent la contraction musculaire, en allant des bases de la structure musculaire jusqu'aux pathologies associées.
I. Le Muscle Strié Squelettique : Des Cellules Spécialisées dans la Contraction Musculaire
Un muscle strié squelettique est constitué de plusieurs centaines à plusieurs milliers de fibres musculaires, groupées en faisceaux musculaires. Chaque fibre musculaire mesure de 10 à 100 mm de diamètre et plusieurs centimètres de long. Elle est constituée de l'union de très nombreuses cellules musculaires qui ont fusionné, d'où la présence de plusieurs noyaux dans une seule fibre. Elle est dite striée car elle présente une striation perpendiculaire à son axe principal. Le raccourcissement et l'épaississement des muscles lors de la contraction musculaire permettent le mouvement relatif des deux os auxquels ces muscles sont attachés par des tendons.
La Cellule Musculaire : Une Structure Complexe
La cellule musculaire, cellule spécialisée, est caractérisée par un cytosquelette particulier, composé principalement de deux protéines : l'actine et la myosine, responsables du raccourcissement de la cellule. Chaque fibre musculaire est constituée de quelques centaines à plusieurs milliers de myofibrilles, présentes sous forme de cylindres allongés. Chaque myofibrille est composée d'unités répétées, les sarcomères, qui sont les unités de structure et de fonction du muscle.
Organisation d'une Fibre Musculaire
Chaque sarcomère contient différentes parties :
- en son centre, une bande sombre (appelé bande A), un peu plus claire en son milieu (bande H) ;
- deux demi-bandes claires (demi-bandes I), placées de part et d'autre de la bande sombre centrale.
Une strie en forme de zigzag, appelée strie Z, sépare les sarcomères adjacents. Les sarcomères sont constitués de deux types de myofilaments protéiques :
Lire aussi: Gérer les contractions en fin de grossesse
- des myofilaments épais de myosine, localisés au niveau de la bande sombre centrale (bande A). Leur diamètre est de 10 nm et leur longueur est 1,5 μm. Chaque molécule de myosine est constituée d'un bâtonnet portant deux têtes ;
- des myofilaments fins d'actine présents dans tout le sarcomère sauf en son centre, au niveau de la bande H. Leur diamètre est de 5 nm et leur longueur est 1 μm.
Ainsi, les bandes claires latérales (bandes I) ne contiennent que des filaments fins d'actine, superposés les uns aux autres. La bande centrale sombre (bande A) contient des myofilaments d'actine et de myosine, ce qui explique son aspect foncé. Au niveau de la bande claire centrale (bande H), les myofilaments d'actine sont absents : la seule présence des myofilaments de myosine explique la couleur plus claire de cette bande.
Le Sarcomère : Unité de Structure et de Fonction du Muscle
Le sarcomère est la portion de myofibrille délimitée par deux stries Z successives. La disposition particulière des myofilaments est à l'origine de la striation des myofibrilles et des cellules.
II. La Contraction Musculaire : Un Mécanisme Précis
La contraction musculaire consiste en un raccourcissement des différents sarcomères, juxtaposés les uns aux autres le long des fibres musculaires. Ce raccourcissement résulte du glissement des myofilaments d'actine et de myosine les uns sur les autres, qui se répète dans le temps et est coordonné sur l'ensemble du muscle. Le raccourcissement des sarcomères s'effectue de manière cyclique et utilise de l'énergie sous forme d'ATP.
Le Cycle de Raccourcissement du Sarcomère
Le cycle du raccourcissement du sarcomère, à l'origine de la contraction musculaire, s'effectue en 4 grandes étapes et nécessite de l'ATP :
- 1ère étape : attachement de l'ATP sur la tête de myosine. La fixation d'une molécule ATP sur une tête de myosine est nécessaire à la dissociation du complexe formé par l'actine et la myosine ;
- 2e étape : pivotement de la tête de myosine. L'hydrolyse de l'ATP en ADP (adénosine diphosphate) entraîne le retour de la tête de myosine en position initiale ;
- 3e étape : départ du Pi. La tête de myosine liée à l'ADP et au Pi peut alors se fixer à l'actine ;
- 4e étape : départ de l'ADP et raccourcissement du sarcomère. La libération de l'ADP permet le pivotement de la tête de myosine qui entraîne le glissement relatif de l'actine et de la myosine, ce qui provoque le raccourcissement du sarcomère et donc la contraction musculaire.
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.
Lire aussi: Tout savoir sur le hoquet
Couplage Excitation-Contraction
La genèse du potentiel d’action de fibre musculaire qui est à l’origine de la contraction s’effectue au niveau de la plaque motrice via une stimulation nerveuse. Lorsqu’un potentiel d’action arrive au niveau de la terminaison axonale, la membrane nerveuse se dépolarise. Cette dépolarisation induit l’ouverture de canaux calciques voltages-dépendants (c’est à dire sensible à la différence de potentiel entre la membrane plasmique du motoneurone et l’espace synaptique). Le flux de calcium à l’intérieur de la terminaison axonale déclenche une fusion des vésicules d’acétylcholine avec la membrane ce qui induit une libération de ce médiateur dans la fente synaptique. L’acétylcholine diffuse dans cette fente et va se lier à des récepteurs spécifiques situés au niveau de la membrane post-synaptique. Ces récepteurs sont des récepteurs canaux. Ainsi la liaison de deux molécules d’acétylcholine avec le récepteur induit un changement de la conformation du récepteur qui conduit à l’ouverture du canal. Un flux d’ions sodium dans la fibre musculaire produit une dépolarisation de la membrane, on parle de potentiel de plaque motrice. Lorsque ce potentiel atteint une valeur seuil, ce potentiel induit l’ouverture de canaux sodium voltage-dépendants au niveau du sarcoplasme générant ainsi un potentiel d’action.
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.
III. Les Myopathies : Quand la Contraction Musculaire est Compromise
Les myopathies sont les maladies du muscle, caractérisées par une faiblesse musculaire ou une difficulté à pratiquer des exercices musculaires, de manière intermittente ou permanente. Parmi les myopathies, on distingue les dystrophies musculaires, des maladies génétiques caractérisées par une dégénérescence progressive des muscles squelettiques, mais aussi des muscles lisses et cardiaques.
La Myopathie de Duchenne : Un Exemple de Dystrophie Musculaire
Parmi les dystrophies musculaires, la myopathie de Duchenne résulte d'anomalies au niveau de la dystrophine, une protéine présente dans les cellules musculaires. Chez l'individu non malade, celle-ci interagit avec le cytosquelette de la cellule musculaire et la matrice extracellulaire, permettant l'ancrage de la cellule musculaire dans cette matrice. La dystrophine est liée à des filaments d'actine et à plusieurs autres protéines. En particulier, elle interagit avec un complexe protéique constitué de cinq glycoprotéines transmembranaires. Celui-ci est associé à une protéine extracellulaire, liée à la laminine, une protéine de la matrice extracellulaire.
Différentes mutations dans le gène codant la dystrophine sont à l'origine de dystrophines non fonctionnelles. La sollicitation des muscles par le malade endommage les cellules musculaires, provoquant leur dégénérescence progressive. Le gène codant la dystrophine est porté par le chromosome X : la maladie est récessive et n'affecte quasiment que les garçons. Il s'agit d'une maladie rare (100 à 150 enfants naissent chaque année en France atteints de cette maladie) et grave. Des traitements de thérapie génique sont en cours afin d'essayer de trouver un traitement.
Lire aussi: Solutions pour les contractions musculaires
IV. Types de Contractions Musculaires
Les contractions des muscles squelettiques sont classées en deux types en fonction de la longueur du muscle pendant la contraction. Ces deux types sont isométriques et isotoniques.
Contraction Isométrique
Les contractions isométriques génèrent une force et une tension tandis que la longueur du muscle reste relativement constante. Par exemple, les muscles de la main et de l'avant-bras subissent une contraction isométrique lorsque tu fermes le poing. Un autre exemple serait celui d'une contraction de biceps, lorsque tu tiens un haltère dans une position statique au lieu de le soulever ou de l'abaisser activement.
Contraction Isotonique
Contrairement aux contractions isométriques, la tension reste constante pendant les contractions isotoniques, tandis que la longueur du muscle change. En fonction de la modification de la longueur du muscle, les contractions isotoniques peuvent être concentriques ou excentriques.
Contraction Musculaire Isotonique Concentrique: La contraction concentrique est un type d'activité musculaire qui génère une tension et une force permettant de déplacer un objet à mesure que le muscle se raccourcit. Il s'agit du type de contraction musculaire le plus courant dans notre corps. En soulevant un haltère avec le biceps, une contraction concentrique fait plier le bras au niveau du coude et soulève le poids vers l'épaule.
Contraction Musculaire Isotonique Excentrique: Pendant une contraction excentrique, le muscle s'allonge tout en continuant à générer de la force. C'est souvent ce qui se passe lorsque tu contrôles le mouvement d'un poids en l'abaissant lentement.
tags: #contraction #musculaire #science #explication