Les muscles, organes essentiels à la motricité, transforment l'énergie chimique en énergie mécanique. On distingue différents types de muscles, notamment les muscles squelettiques, cardiaques et lisses, chacun possédant une organisation et un fonctionnement spécifiques. La contraction musculaire, processus complexe, repose sur l'interaction de plusieurs protéines clés, dont l'actine et la myosine, au sein d'une structure hautement organisée : le sarcomère.
Les Protéines Clés de la Contraction Musculaire
L'Actine
L'actine monomérique, ou actine G (Globulaire), est une protéine globulaire de 42 kDa capable de polymériser pour former des filaments appelés actine F (Filamenteuse). Ces filaments sont constitués de deux chaînes linéaires enroulées l'une autour de l'autre en une double hélice.
La 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 former une super-hélice. Elle se lie à l'actine en se logeant dans les sillons de la double hélice formée par l'actine.
La Troponine
À chaque extrémité d'une molécule de tropomyosine, soit un intervalle correspondant à 7 molécules d'actine, une molécule de troponine vient se lier à la tropomyosine. La troponine est une molécule composée de trois chaînes, respectivement nommées troponine-T, troponine-I et troponine-C.
La Myosine
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.
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Plusieurs centaines de molécules de myosine II s'assemblent pour former un filament épais. Les parties caudales de ces molécules sont rassemblées parallèlement, tandis que les têtes globulaires dépassent en périphérie du filament, disponibles pour 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 Sarcomère : Unité de Base de la Contraction Musculaire
Les myofilaments d'actine et de myosine s'organisent de manière axiale pour former des unités contractiles répétitives sur toute la longueur des myofibrilles : les sarcomères. La disposition ordonnée des deux types de myofilaments 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. Chaque sarcomère est donc un segment de myofibrille délimité à ses deux extrémités par une strie Z.
Le Couplage Excitation-Contraction
L'événement déclenchant 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, elle 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 Libération d'Acétylcholine
L'arrivée d'un potentiel d'action dans la terminaison nerveuse d'un neurone moteur déclenche la libération du neurotransmetteur (acétylcholine) dans la fente synaptique. Après diffusion dans l'espace intersynaptique, l'acétylcholine se lie à son récepteur spécifique, le récepteur nicotinique de l'acétylcholine. Ce récepteur est un canal cationique ouvert par la présence de son ligand. Son ouverture entraîne la dépolarisation locale de la membrane postsynaptique musculaire. Le potentiel de plaque excitateur ainsi généré provoque la naissance d'une vague de dépolarisation propagée sur tout le sarcolemme (membrane plasmique musculaire), correspondant à un potentiel d'action musculaire.
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Propagation du Potentiel d'Action
Cette propagation est due à l'ouverture de canaux sodiques et calciques voltage-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. Par ailleurs, la vague de dépolarisation pénètre au cœur de la cellule par l'intermédiaire des tubules transverses.
Le Rôle du Réticulum Sarcoplasmique
Les tubules transverses 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.
La dépolarisation de la membrane et l'augmentation de la concentration intracellulaire en calcium, due à l'ouverture des DHPR, entraînent l'ouverture du RyR. Cette interaction directe entre le DHPR activé par la dépolarisation de la membrane et le RyR provoque l'ouverture du RyR, ouverture qui est également favorisée par le calcium et l'ATP.
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, capable de lier à basse affinité un nombre important d'ions calcium. La calséquestrine et le RyR sont reliés par de la triadine, une protéine soluble. Cette organisation permet un stockage local d'importantes quantités de calcium.
Le Mécanisme de 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.
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Lorsque la troponine C n'est pas liée au 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 du 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.
Les Étapes du Cycle Actine-Myosine
La suite des événements peut être découpée en quatre étapes :
- Au repos, la myosine est couplée à de l'ADP et du phosphate inorganique (Pi).
- Le départ du phosphate inorganique, puis de l'ADP, stabilise la liaison actine-myosine et entraîne un changement de conformation de la myosine. L'angle que fait la tête de myosine avec la queue allongée diminue de 90° à 45°. Myosine et actine étant liées, ce changement de conformation entraîne un mouvement relatif entre filaments fins et filaments épais.
- La liaison d'une molécule d'ATP sur la tête de myosine induit la dissociation du pont actine-myosine.
- 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 donc dû à un cycle de liaison-dissociation entre actine et 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 un 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.
La 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. En présence de calcium, la liaison actine-myosine devient possible. Cependant, cette association est rapidement réversible en présence d'ATP ou d'ADP+Pi. L'hydrolyse de l'ATP est également rapidement réversible (que la myosine soit liée à l'actine ou non).
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. De même, en présence ou en absence d'ADP, il est peu probable que la liaison actine-myosine se dissocie. L'évolution majoritaire et rapide consiste en l'arrivée d'un ATP.
La Relaxation Musculaire
L'augmentation de la concentration en calcium intracellulaire ne dure que quelques millisecondes. 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 observe la dissociation du calcium lié à la troponine C, ce qui entraîne le rétablissement de l'inhibition exercée par la troponine I sur la liaison actine-myosine.
Le Muscle 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.
Dans la membrane sarcolemmale des cellules pacemaker, 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 localisé au niveau de l'oreillette droite près de l'abouchement de la veine cave supérieure, elle se propage dans tout le myocarde, des oreillettes jusqu'au nœud auriculoventriculaire situé à la jonction oreillettes-ventricules. Après un court délai, cette vague de dépolarisation va se propager le long du septum auriculoventriculaire via le tronc du faisceau de Hiss, la branche droite et la branche gauche, les fibres de Purkinje, et enfin dans tout le myocarde ventriculaire à travers les cellules musculaires.
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 (même s'ils restent à proximité). La vague de dépolarisation qui parcourt 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 ».
Le Rôle de l'ATP
La contraction d’un muscle squelettique, à l’origine d’un mouvement volontaire, nécessite un travail cellulaire. Les cellules musculaires effectuent ce travail en transformant l’énergie chimique des molécules organiques en énergie mécanique. L’ATP ou adénosine triphosphate est composée d’une base azotée (l’adénine), d’un sucre à 5 carbones (ribose) et de trois groupements phosphate (H3PO4). L’hydrolyse de l’ATP (de la dernière liaison phosphate) en un ADP (adénosine diphosphate) et un phosphate inorganique Pi, libère de l’énergie à raison de 30.5 kJ.mol-1 : on parle de réaction exergonique. Ainsi, le corps humain ne contient à chaque instant qu'environ 250 g d'ATP mais consomme et régénère chaque jour l’équivalent de son propre poids en cette molécule énergétique.
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.
La Myopathie de Duchenne : Un Trouble de la Contraction Musculaire
La myopathie de Duchenne est une maladie qui touche essentiellement les garçons. C’est une maladie génétique provoquant une dégénérescence musculaire. Cela conduit à un apprentissage retardé de la marche, des chutes nombreuses et des difficultés pour se relever. Il y a une perte de motricité vers l’âge de 10 ans. Le myocarde est aussi touché (atrophie après 3 ans), comme les muscles lisses impactant le fonctionnement digestif. Des études chez des souris atteintes montrent une fatigabilité musculaire : au bout de six cycles de contraction, le muscle ne se contracte plus chez les souris mutées, alors que chez les souris sauvages témoins, le muscle se contracte encore à plus de 60% de sa force initiale.
Des études histologiques et moléculaires poussées montrent que la myopathie de Duchenne est due à un déficit en une protéine du cytosquelette : la dystrophine. En effet, les fibres de collagène de la matrice extracellulaire sont reliées à un complexe protéique membranaire lui-même relié au cytosquelette situé sous la membrane plasmique. Ces protéines de cytosquelette sont des filaments de dystrophine eux-mêmes associés à des filaments d’actines reliés aux myofibrilles. Ainsi chez les individus myopathes, l’absence de dystrophine entraîne une perturbation du lien entre le cytosquelette, la membrane et la matrice extracellulaire, ce qui abîme les cellules musculaires à chaque contraction. Leur membrane se déchire laissant s’échapper des enzymes de type créatine kinase et entrer du Ca2+.
Le mode de transmission de cette maladie génétique est dit récessif et lié au gène DMD du chromosome X. Cela signifie que la maladie se déclare chez les individus n'ayant pas d'allèle fonctionnel pour ce gène. Les hommes n'ayant qu'un seul chromosome X, ils ne possèdent qu'un seul allèle : tous les hommes porteurs d'une mutation délétère de ce gène sont donc atteints. Les femmes ont deux chromosomes X . L’espérance de vie étant faible, peu d’individus atteints transmettent l’allèle muté. La transgénèse serait un espoir thérapeutique.
Les Myosines : Moteurs Moléculaires
Les myosines forment une superfamille de moteurs moléculaires qui convertissent l’énergie chimique de l’hydrolyse de l’ATP en mouvement dirigé le long de la protéine filamenteuse qu’est l’actine. Le domaine moteur contient le site de liaison à l’actine ainsi que le site actif qui lie et hydrolyse l’ATP. Il est suivi du bras de levier, région allongée de longueur variable selon les myosines. Le rôle principal du bras de levier est d’amplifier les changements conformationnels qui se produisent dans le domaine moteur pendant la production de la force.
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