Cours Ph Germain UE31 EC1 Master 2 STAPS APA-S PDF Septembre 2024

EC1 Fonction musculaire : de la macrostructure à la structure moléculaire Relation avec les Activités Physiques Exemple de relations avec une Pathologie et le Vieillissement UE 31 CM fonction musculaire APA-S Ph.D Philippe G...

EC1 Fonction musculaire : de la macrostructure à la structure moléculaire Relation avec les Activités Physiques Exemple de relations avec une Pathologie et le Vieillissement UE 31 CM fonction musculaire APA-S Ph.D Philippe GERMAIN UFR ST Centre de Biophysique Moléculaire (CNRS Orléans) 04/09/2024 1  Rappels Quel est l’élément moteur de la fibre musculaire ? 04/09/2024 2  Une protéine motrice particulière : Structure de la Elle est composée de deux chaînes myosine lourdes (dimère) de 2 000 acides aminés dont les extrémités C- terminales en hélice α sont surenroulées, ce qui confère à la myosine la forme rigide d'un bâtonnet de 180 nm, et dont les têtes N-terminales de 190 acides aminés constituent les domaines moteurs. Les chaînes lourdes de myosine peuvent être coupées par la trypsine Les isoformes de myosines Protéines PM Gène Site d'expression en deux parties, la queue appelée Myosine HC type 1 200 kDa 14q12 M. Squelettique Lent aussi méromyosine légère (LMM) et Myosine HC type 2 200 kDa 17p13.1 M. Squelettique Rapide 2X la tête, constituée en partie de la Myosine HC type 2 200 kDa 17p13.1 M. Squelettique Rapide 2a portion globulaire de la molécule. Myosine HC type 2 200 kDa 17p13.1 M. Squelettique Rapide 2b Myosine HC 200 kDa 17p13.1 M. Squelettique Embryonnaire Cette dernière est appelée Myosine HC 200 kDa 17p13.1 M. Squelettique Périnatal méromyosine lourde (HMM). La Myosine LC Alcaline 25 kDa 16p11.2 M. Squelettique méromyosine lourde peut, à son Myosine LC Régulatrice 20 kDa 3p21.2 M. Squelettique Myosine HC Alpha 200 kDa 14q12 M. Cardiaque tour être subdivisée en deux parties, Myosine HC Bêta 200 kDa 14q12 M. Cardiaque le subfragment 1 (S1) et le Myosine LC Alcaline 25 kDa 12q23-q24 M. Cardiaque subfragment 2 (S2). S1 contient les Myosine LC Régulatrice 20 kDa 3p21.2 M. Cardiaque domaines moteurs qui possèdent Myosine HC 200 kDa 16p13.12 M. Lisse Myosine LC Alcaline 17 kDa 18p11.31 M. Lisse l’activité ATPase et le site de fixation avec l’actine. Myosine LC Régulatrice 20 kDa 12q13.13 M. Lisse 04/09/2024 3  Ce qui crée le mouvement : La déformation de la Myosine sur l’Actine Fig. AM 1a. Illustration of the lever arm’s position in the pre-power-stroke state of Fig. AM 1b. Illustration of the lever arm’s position in the post- actomyosin (From Geeves and Holmes with permission from the Annual Review of power-stroke state of actomyosin (From Geeves and Holmes Biochemistry, vol. 68, 1999, Copyright by Annual Reviews. Five different actin with permission from the Annual Review of Biochemistry, vol. monomers in two strands of the actin double helix are shown right, a myosin cross- 68, 1999, Copyright by Annual Reviews. bridge is shown left. 04/09/2024 4 Et différenciation des types de fibres en fonction des protéines constitutives 04/09/2024 5 La Myosine et l’actine dans un cadre plus complexe celui des sarcomères dans un espace à trois dimensions 04/09/2024 6  Et une théorie explicative : celle des filaments glissants Structural changes in Changes in the cross- muscle during striations of muscle contraction: interference during contraction and microscopy of living stretch and their muscle fibres Huxley, A. structural F. & Niedergerke, R. interpretation Nature 173, 971-973 (22 Huxley, H. E., Hanson, J. Nature 173, May 1954) 973-976 (22 May 1954) 04/09/2024 7  Avec un embrayage moléculaire : le costamère Séquences transmembranaires de protéines capables de réaliser des liens avec la matrice extracellulaire et plus particulièrement avec le Collagène constituant les tendons. Un costamère inclue également la zone juste sous la membrane qui est la zone d'adhésion qui permet via le réseau de protéines sous- membranaire des associations avec les filaments, soit en fait toutes les protéines qui servent de liens avec la ligne (disque) Z des myofibrilles localisées dans le cytoplasme des fibres musculaires. Le déficit de synthèses de certaines de ces protéines fragilise les cellules musculaires (dystrophine). 04/09/2024 8  La production de force pour le mouvement est le résultat d’une intégration des éléments structuraux à l’échèle cellulaire Modèle de Hill (1938) 04/09/2024 9  Et de ce fait lors d’une contraction musculaire nous pouvons introduire les notions de chaine de transmission des forces Muscle Cell Collagen decorin, fibrilin, elastin, laminin, fibronectin, fibulin, periecal … Lateral mechanical stress dystroglycan-α Extracellular Matrix Longitudinal mechanical stress Β dystroglycnan- chanel integrin Β1 integrin α7 ionic Intracellular Matrix LINC : talin, F-actin, Nucleus Costamere : sarcoglycans, spectrin, vinculin, talin, dystrophin, AJ : talin, dystrobrevin, sarcospan, α-actinin, zyxin, desmin, melusin, myotilin, actin, vinculin, myosin II, filamin, MLP-CSRP3, syntrophins … desmosomal integrins α-Actinin, myosin, actin, lamin A, cadherins, SUN 1, titin… catenins nephrin 1 Collagen complex, &2… armadillo OR proteins, desmoplakin, N- chromatin RAP, MLP/CSRP3, Intercalated connexins,… N-cadherin Disc (Specific to Cardiomyocyt e) Z Disc : titin, actin, obscurin, PDZ-LIM, α-actinin, nebulette, filamin-C, M line : myomesin/M-protein, obscurin, ankynin B, myotilin, tropomodulin, leiomodin, formin, nebulin, N-RAP, Xin, LIM- PP2A, Bin-1, Cdc2 kinase, titin, SmyD1, FHLs, NBR1, Nebulette, MARPs, T-cap/telethonin, FHLs, myopodin, myopalladin, CapZ, P62, MURFs, calpain, M-CK, CAPS, cofilin … zyxin, MLP/CSRP3.. Sarcomeres  les notions de transmission longitudinale et de transmission latérale Avec des incidences ciblées de la charge mécanique 04/09/2024 11 Certaines autres protéines peuvent une fonction original celle de mécano-sensor Exemple : Les protéines cytosquelettiques à doigts de zinc 04/09/2024 12 dystroglycan-α Β ECM dystroglycnan- chanel integrin Β1 integrin α7 ionic Cell membran ICM ankirin spectrin spectrin MLP Actin-F cytoplasmic Actin cytoplasmic COSTAMERE  integrin Β1 ECM integrin α7 Cell membran α -actinin ICM α -actinin ILK MLP zyxin α -actinin α -actinin actin-F cytoplasmic COSTAMERE  Cell membran N-rap ICM ECM tali n integrin Beta vinculin actin-F cytoplasmic N-rap actin-F cytoplasmic MLP catenin cadherin complex Disque intercalaire  actin-F Thin filament α -actinin MLP calcineurin calsarcin T-Cap T-Cap titin Thin filament actin-F actin-F SARCOMERE Certaines autres protéines peuvent une fonction original celle de mécano-sensor exemple : La MLP (Muscle Lim Protéines) 04/09/2024 17  En conclusion Les adaptations sont dépendantes de la capacité cellulaire à synthétiser ce qui est à l’origine de leurs fonctions (capacité de synthèse de macromolécules biologique et notamment d’acides nucléiques et de protéines) Cette adaptation passe par une cascade d’évènement biochimiques dites « voies de signalisation » Et Si une étape est déficitaire elle sera à l’origine d’une incapacité adaptative ou/et fonctionnelle. 04/09/2024 18  Adaptations et voies de signalisation 04/09/2024 19  Adaptations et voies de signalisation Effets hypertrophiants et atrophiants 04/09/2024 20  Adaptations et voies de signalisation suite à la pratique d’un exercice 04/09/2024 21  Myotypologie et exemple d’incidences de l’entraînement sur les voies de signalisation , sur les facteurs de transcription et sur les adaptations 04/09/2024 22  Quelle question se pose ? Quelle sont les incidences de pathologies musculaires sur les mécanismes adaptatifs ? Quelle est l’incidence du vieillissement sur les mécanismes adaptatifs ? 04/09/2024 23  Classification des principales affections musculaires selon leur physiopathologie : 1. Dystrophies musculaires caractérisées par une altération des fibres musculaires et une disparition progressive de celles-ci. Par exemple la sarcopénie pour les personnes âgées. 2. Myopathies dites congénitales où le développement de la fibre musculaire au cours de la période fœtale est perturbé, conduisant à des altérations de la structure interne des fibres, 3. Myopathies dites métaboliques car secondaires à un dysfonctionnement de la voie de dégradation des sucres (glycogénoses), du métabolisme des graisses (lipidoses), de la chaîne respiratoire mitochondriale (myopathies mitochondriales), 4. Affections musculaires dues à une anomalie de l’excitabilité membranaire (syndromes myotoniques, paralysies périodiques), 5. Affections musculaires acquises, d’origine inflammatoire, toxique et iatrogène, endocrinienne, 6.Syndromes myasthéniques, dus à une perturbation de la transmission neuromusculaire. Pour le détail des pathologies : http://www.chups.jussieu.fr/polys/neuro/pathoneuro/pathoneuro.pdf 04/09/2024 24  Le principe qui doit gouverner à l ’APA-S Tenir compte de l’origine de la faiblesse Tenir compte de la possibilité d’adaptation à la stimulation Exemple la myopathie de Duchenne Myopathie dite congénitale Affections de transmission récessive liée à l’X (mère transmettrice, asymptômatique, garçons atteints) Affections musculaires se manifestant par un déficit musculaire lentement évolutif, héréditaire. La dystrophie musculaire de Duchenne est due à une anomalie génétique dans le gène DMD, sur le chromosome X, entraînant l'absence d'une protéine : la dystrophine. 04/09/2024 25  Effets du vieillissement Le vieillissement est associé à la sarcopénie, caractérisée par une diminution de la masse musculaire, des performances générales du muscle, et à une fatigabilité importante. L'origine de la sarcopénie reste mal connue ; l'amyotrophie semble être liée à une altération des processus de synthèse protéique, touchant principalement les protéines contractiles et les formes rapides de myosine, ce qui a des conséquences sur la taille des fibres musculaires. L'amyotrophie est aussi expliquée par une réduction du nombre de fibres musculaires, qui s'explique en partie par l'altération des processus d'activation et de prolifération des cellules satellites. 04/09/2024 26  Effets du vieillissement La fatigabilité musculaire est liée à des modifications profondes du fonctionnement mitochondrial. Au niveau de la mitochondrie, on enregistre une augmentation du nombre de lésions par délétion de fragments d'ADN mitochondrial, ce qui entraîne de nombreuses anomalies des complexes de la chaîne respiratoire. Les préconisations classiques : L'exercice régulier et adapté est un bon moyen de limiter l'amyotrophie et la fatigabilité. Les exercices en force comme en endurance permettent d'augmenter les processus de synthèse protéique et d'améliorer la diffusion et l'utilisation de l'oxygène. Oui mais 04/09/2024 27  Effets du vieillissement : Quelques références pour mieux comprendre les mécanismes 04/09/2024 28  Effets du vieillissement Résumé Cette brève revue de la littérature a pour but de synthétiser les connaissances scientifiques relatives à la sarcopénie (diminution de la masse musculaire liée au vieillissement) et aux altérations fonctionnelles qui en découlent. La sarcopénie est non seulement due à une atrophie des fibres musculaires mais aussi à une perte du nombre de fibres résultant de l’apoptose de neurones moteurs (motoneurones) de la moelle épinière. Ces altérations conduisent à la réduction du nombre d’unités motrices et à la formation d’unités « géantes ». Comme cette réorganisation, associée à d’autres modifications du système nerveux, a des implications importantes sur le contrôle nerveux de nos mouvements, certains estiment que le terme « sarcopénie » est trop restrictif et préconisent l’utilisation du terme « dynapénie » pour évoquer les altérations fonctionnelles associées à la sénescence. Les effets de l’exercice physique comme moyen de prévention et de compensation de la sarcopénie/dynapénie sont également évoqués. 04/09/2024 29  Effets du vieillissement 04/09/2024 30  Effets du vieillissement 04/09/2024 31  Effets du vieillissement 04/09/2024 32  Mais une opportunité et des APA spécifiques In summary the results from this study indicate that aging does not alter the mechano sensitivity of the p38, p70S6k, and JNK2 signalling pathways in skeletal muscle. 04/09/2024 33  Effets du vieillissement 04/09/2024 34  Effets du vieillissement 04/09/2024 35  Un exemple de prise en compte des possibilités d’adaptations Les ultrasons La Whole Body Vibration 04/09/2024 36  Les ultrasons 04/09/2024 37  La Whole Body Vibration Utilisées depuis le 19èmeème siècle pour leurs vertus relaxantes, les vibrations ont très tôt étés appliquées sur les tendons et les corps musculaires à des fins de confort thérapeutiques. Connue sous le nom de vibrostimulation ces vibrations évoluèrent comme une technique permettant de stimuler, par la voie du réflexe myotatique, le système neuromusculaire au repos ou de lui surajouter une stimulation lorsqu’il est actif. La vibrostimulation n’apparue cependant que bien ultérieurement dans le cadre des activités physiques. 04/09/2024 38  La Whole Body Vibration En effet, Il fallu attendre la Fin du 20ème siècle pour que la vibrostimulation, associée à des contractions volontaires dans le but d’élever le niveau d’activité neuromusculaire (Tonic Vibration Reflex : Pollocket al. 2012, Ritzmann et al ; 2010, Cardinal et Bosco 2003, Torvinen et al.2002, Issurin et al.1994, Hagbart et Eklund 1966), soit utilisée comme technique de renforcement musculaire. La vibrostimulation s’appliquait alors principalement aux membres supérieurs (Bosco et al. 1999) aux membres inférieurs (Delecluse et al. 2003) et aux muscles du tronc (Wirth et al. 2011), pour développer les qualités de force. Elle était appréhendée comme une méthode d’entraînement (Rittwerger, 2010) ou en complément de méthodes d’entraînement (Wilcock et al. 2009) et ses effets ont pu être mis en rapport avec la notion de performances physique (Petit et al. 2010). 04/09/2024 39  La Whole Body Vibration Le terme « Whole Body Vibration » (WBV) se généralisa lorsque cette stimulation fut appliquée à un corps entier, lors d’efforts antigravitaires, par l’intermédiaire d’une plateforme au sol. 04/09/2024 40  La Whole Body Vibration Le paramétrage de la WBV fut mis en rapport, à travers l’activité électromyographique de surface (EMGs) des muscles sollicité, avec l’intensité de l’activité neuromusculaire qu’elle engendrait. Les incidences de la nature du stimulus (vibratoire versus oscillatoire : Abercromby et al. 2007), de l’amplitude de vibration (Kroll et al. 2011, Marin et al. 2009), de sa fréquence (Cardinal et Lim 2003), mais aussi des régimes de contractions musculaires, des positions articulaires (Ritzmann et al. 2013) et de charges additionnelles (Hazell et al. 2010) furent appréhendées dans le cadre de tentatives de mises en relation de leurs natures mécaniques, des réponses musculaires (appréhendées par EMGs) et des adaptations neuromusculaires. 04/09/2024 41  Short-term incidences of isometric contractions associated to Whole Body Vibration on muscle serial elastic components Germain Ph* **, Ghalas S*, Attiogbé E*** , Germain A*, Pichon Ch**, Bosquet L****, Driss T*** and Larue J****. MOVE laboratory (EA 6314) Poitiers University, ** CBM (UPR 4103) CNRS Orleans and Orleans University, *** Laboratory CeRSM (EA 2931) Paris Nanterre University, **** CIAMS Laboratory (EA 4532) Orleans and Paris XI Universities. 25/11/2019 European college of Sport Science MetropolisRuhr 2017 1 04/09/2024 42  The Case of the Whole Body Vibration The WBV is a vibratory stimulation involving whole muscle groups. The WBV is characterized by rapid indirect stretch/shorting cycle (between 10 to 60 Hz) whereas Tonic Vibration Stretch Reflex (TVR) requires vibration to be directly applied to the muscle or tendon at high vibration frequencies (>100 Hz) (Cochrane, 2011) The WBV over-imposed to isometric contraction induce a rize up of muscle activity and an higher muscle fatigue than isometric contraction alone (Lienhard et al. 2015). This fatigue contribute to a lower stiffness of muscles (Vigreux, Cnockaert, et Pertuzon 1980). European college of Sport Science 04/09/2024 43 MetropolisRuhr 2017  La Whole Body Vibration Si dans une large majorité des études, un impact positif, de l’amplitude vibratoire, des charges additionnelles, des positions ou de la nature vibratoire versus oscillante, fait l’objet d’un consensus, il est toutes fois observable une hétérogénéïté des résultats notamment lorsque l’on essaie d’établir une relation entre la fréquence de vibration et l’activité neuromusculaire (Ritzmann et al. 2013 versus Lienhard et al. 2014). Outre différencier l’impact de la WBV en fonction des groupes musculaires (Abercomby et al. 2007) certains travaux se sont attardés sur les composants du signal EMGs (utilisé pour quantifier l’activité neuromusculaire lors de la vibration suajoutée à la commande volontaire). En effet, s’il est clairement établi une relation entre le signal EMGs, la fréquence de recrutement des unités motrices, (Milner-brown et al. 1973), la vitesse d’execution de mouvement (Germain et al. 1995) et les régimes de contraction (Moritani et al. 1987) : Des limites d’interprétation du signal devaient être soulignées. 04/09/2024 44  La Whole Body Vibration Reste qu’une fois ces éléments pris en compte et des adaptations des algorythmes de traitement appliquées, des effets positifs de la WBV, par groupe musculaire, sur l’activité neuromusculaire restent observables (lienhard 2014). Sur le plan du paramétrage des méthodes d’entraînement il apparaît difficile d’établir une relation simple entre l’un des paramètres mécanique de la vibration et une adaptation physiologique. 04/09/2024 45