Physiologie humaine I - Chapitre 9, La physiologie du muscle PDF

BIOL2133 Physiologie humaine I Chapitre 9 La physiologie du muscle 1 Objectifs d’apprentissage – Muscle squelettique  Organisation du sarcomère  Mécanismes moléculaires de la contraction  Rôles de la troponine, de la tropomyosine et du calc...

BIOL2133 Physiologie humaine I Chapitre 9 La physiologie du muscle 1 Objectifs d’apprentissage – Muscle squelettique  Organisation du sarcomère  Mécanismes moléculaires de la contraction  Rôles de la troponine, de la tropomyosine et du calcium dans la contraction  Définir: neurone moteur, unité motrice et jonction neuromusculaire  Étapes menant à la libération de l'acétylcholine au niveau de la jonction neuromusculaire  Importance de l’acétylcholinestérase 2 Le Muscle  Le mécanisme de glissement des filaments où la myosine s’attache à l’actine est la base de la contraction des muscles squelettique, lisse et cardiaque.  Dans les trois types de muscles:  Les interactions entre actine et myosine sont régulées par la disponibilité d’ions Ca2+  Les changements de potentiel membranaire chez les muscles sont reliés à des changements internes de libération de Ca2+  La contraction des muscles survient lorsque l’activité des neurones cause des changements dans le potentiel membranaire  La contraction du muscle lisse intervient dans une variété de fonctions involontaires comme la régulation de la pression sanguine et le péristaltisme 3 Muscle squelettique  Les muscles squelettiques sont rattachés Os Épimysium aux os par des tendons Tendon  Le muscle squelettique contient plusieurs fibres musculaires Fibre musculaire = Cellule musculaire Vaisseau sanguin Faisceau de fibres (recouvert de périmysium) Endomysium (entre chacune des fibres) Fibre (cellule) musculaire Faisceau de fibres Périmysium 4 Cellules contractiles  Les fibres musculaires squelettiques sont multi-nucléées  Les fibres musculaires ne se divisent pas  Les fibres de muscle cardiaque sont des cellules simples comprenant plusieurs jonctions spécialisées  Formées seulement durant le développement embryonnaire  Les cellules du muscle lisse peuvent se diviser chez l’adulte  Dépourvues de stries 5 Micrographie électronique de composantes d’un sarcomère Interactions entre ponts transversaux et filaments d’actine (mince) 6 Structure du muscle squelettique  Le muscle squelettique est composé de plusieurs fibres musculaires  Les fibres musculaires de plusieurs myofibrilles  Les myofibrilles de plusieurs sarcomères  Les sarcomères de plusieurs filaments d’actine et myosine 7 Ponts transversaux = Têtes de myosine  Bande = Strie Le sarcomère: Unité contractile Ligne = Disque  Coupe transversale d’un sarcomère:  Composé de:  Chaque filament de  Filaments minces (actine) myosine peut interagir avec 6 filaments d’actine  Maintenus en place par un réseau de protéines interconnectées (ligne Z)  Chaque filament d’actine  Filaments épais (myosine) peut interagir avec 3  Maintenus en place par des filaments composés de protéine élastique (titine) filaments de myosine 8 Contraction: raccourcissement du sarcomère  Les têtes de myosine se lient à l’actine des filaments minces  La flexion des têtes de myosine entraine le raccourcissement des sarcomères  Rapprochement des lignes Z  Réduction de la largeur des bandes I et H  À noter que la longueur des filaments ne change pas 9 Vander: Fg 9-5 Le filament épais  Le filament épais est un polymère de molécules de myosine  Chaque molécule de myosine possède une tête qui peut se lier à l’ATP et à l’actine  La myosine est composée de chaînes lourdes (queue et 2 têtes globulaires) et chaînes légères (près des têtes globulaires) 10 Rôles de la troponine, tropomyosine et Ca2+ dans la contraction  Dans le muscle squelettique au repos, la tropomyosine bloque les sites de liaison des têtes de myosine sur l’actine  La contraction survient lorsque le Ca2+ se lie à la troponine, déplaçant ainsi la tropomyosine  Les sites de liaison des têtes de myosine sur l’actine deviennent accessibles 11 Réticulum sarcoplasmique et tubules transverses Les tubules transverses apportent les Ouverture du tubule transverse au milieu extracellulaire Sarcolemme potentiels d’action aux myofibrilles de l’intérieur de façon à ce que la vague de dépolarisation passe près du réticulum sarcoplasmique et stimule la libération de Ca2+ Tubules Segments du réticulum transverses sarcoplasmique Myofibrilles Réticulum sarcoplasmique La forme du réticulum sarcoplasmique permet au Ca2+ relâché de diffuser à tous les sites troponine Tubules transverses Citernes terminales 12 Régions du cerveau Régions motrices Sillon central Régions sensitives et régions associatives connexes Cortex moteur primaire Cortex somesthésique Cortex prémoteur primaire Sensations Aire Cortex somesthésique somatiques oculomotrice frontale associatif Aire de Broca Cortex gustatif Goût (délimitée par des traits) (dans l’insula) Cortex préfrontale Mémoire de travail Aire de Wernicke pour les tâches spatiales (délimitée par des traits) Résolution des problèmes Cortex visuel complexes nécessitant primaire plusieurs habiletés Vision Aire visuelle associative Aire auditive associative Cortex auditif Ouïe primaire (a) Vue latérale de l’hémisphère cérébral gauche Cortex moteur Cortex moteur Cortex sensitif Cortex sensitif Cortex multimodal associatif primaire associatif primaire associatif 13 © ERPI, tous droits réservés. Marieb Fig 12-8 Zones fonctionnelles de la moelle épinière  Fibres afférentes: Entrent par les racines dorsales et leurs corps cellulaires sont dans les ganglions de la racine dorsale.  Fibres efférentes: Quittent par les racines ventrales  Les racines dorsales et ventrales s’unissent pour former les nerfs spinaux Racine dorsale du nerf Corne dorsale (interneurones) spinal (sensitive) Ganglion spinal SS SV Neurone sensitif somatique MV Neurone sensitif viscéral MS Neurone moteur viscéral Neurone moteur somatique Nerf spinal Corne ventrale Racine ventrale du (neurones moteurs) nerf spinal (motrice) SS Int erneurones recevant des inform ations sensorielles des neurones sensitif s s om atiques SV Int erneurones recevant des inform ations sensorielles des neurones sensitif s v isc éra ux MV Neurones moteurs viscéraux (autonomes) 14 © ERPI, tous droits réservés. MS Neurones moteurs somatiques Marieb Fig. 12.32 Figure 11.4 Structure d’un neurone moteur. (a) Micrographie au microscope électronique à balayage montrant le corps cellulaire du neurone et des dendrites avec des épines dendritiques bien définies (2000x). (b) Vue schématique. Corps cellulaire Dendrites Corps cellulaire du neurone (structures (centre biosynthétique réceptrices) et structure réceptrice) Noyau Épine dendritique Axone Nucléole (structure conductrice: Direction propagation de l’influx de l’influx nerveux) Nœud de Ranvier Corpuscules nerveux Cône d’implantation Cellule de Schwann terminaux (structures de l’axone (production sécrétrices) de l’influx nerveux) Terminaison axonale © ERPI, tous droits réservés. Jonction neuromusculaire La jonction neuromusculaire: Gaine de myéline  Axone moteur  Point de contact synaptique entre la terminaison axonale d’un neurone Sarcolemme moteur et la fibre musculaire qu’elle contrôle  Le potentiel d’action du neurone moteur entraîne une libération d’ACh dans la fente synaptique Vésicules d’ACh  Déclenchement de la contraction Plaque musculaire motrice Myofibrile 16  Figure 9.8 Quand un influx nerveux atteint une jonction neuromusculaire, de l’acétylcholine (ACh) est libérée. Quand elle se lie aux récepteurs du sarcolemme, l’ACh produit un changement dans la perméabilité du Jonction neuromusculaire sarcolemme qui génère une variation du potentiel de membrane. Axone myélinisé d’un Potentiel neurone moteur d’action Terminaison axonale et jonction neuromusculaire Sarcolemme de la fibre musculaire 1 Le potentiel d’action atteint la terminaison axonale d’un neurone moteur. 2 Les canaux à Ca2+ voltage- Vésicule synaptique contenant de l’ACh dépendants s’ouvrent et les ions Ca2+ entrent dans la terminaison. Fente synaptique 3 L’entrée des ions Ca2+ provoque la libération du contenu (acétylcholine) de certaines vésicules synaptiques par exocytose. ACh 4 L’ACh diffuse dans la fente synaptique et se lie aux récepteurs du Sarcoplasme d’une sarcolemme. fibre musculaire © ERPI, tous droits réservés. Figure 9.8 Quand un influx nerveux atteint une jonction neuromusculaire, de l’acétylcholine ( ACh) est libérée. Quand elle se lie aux récepteurs du sarcolemme, l’ACh produit un changement dans la perméabilité du sarcolemme qui génère un potentiel gradué. 5 La liaison de l’ACh provoque l’ouverture des canaux ioniques qui permettent le passage simultané du Na+ vers l’intérieur de la fibre musculaire Gradient de concentration et du K+ vers l’extérieur. Il y a plus d’ions Na+ qui entrent que d’ions K+ qui sortent, Gradient électrique ce qui produit une variation locale du potentiel de membrane (dépolarisation). Ouverture du canal ionique dans la membrane postsynaptique; circulation des ions © ERPI, tous droits réservés.  6 La dégradation enzymatique de l’ACh par l’acétycholinestérase dans la fente synaptique met fin aux effets de ce neurotransmetteur. ACh ACh dégradée Acétylcholinestérase Fermeture du canal ionique dans la membrane postsynaptique; aucune circulation d’ions © ERPI, tous droits réservés. Résumé des événements survenant au cours de la production et de la propagation d’un potentiel d’action dans une fibre musculaire squelettique. Vésicule synaptique contenant de l’ACh Corpuscule nerveux terminal Ca2+ Ca2+ Fente synaptique Vague de dépolarisation 1 Dépolarisation locale: génération du potentiel de plaque au sarcolemme. La liaison de l’ACh à ses récepteurs provoque l’ouverture des canaux ioniques ligand-dépendants, ce qui permet la circulation des ions Na+ et K+. Comme une plus grande quantité de Na+ diffuse vers l’intérieur que de K+ vers l’extérieur, il se produit une dépolarisation de sorte que l’intérieur du sarcolemme à cet endroit devient moins négatif. Cet événement électrique local est appelé potentiel de plaque. © ERPI, tous droits réservés. Résumé des événements survenant au cours de la production et de la propagation d’un potentiel d’action dans une fibre musculaire squelettique. Canal à Canal à Na+ ouvert K+ fermé Na+ − − − − − − − − − − − − − − − − − − − + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + − − − − K+ Potentiel d’action 2 Génération et propagation du potentiel d’action: Les régions de la membrane adjacente à la jonction neuromusculaire sont dépolarisées par la propagation d’un courant local. Les canaux à sodium voltage-dépendants s’ouvrent, permettant l’entrée du Na+ en fonction de son gradient électrochimique, et le déclenchement d’un potentiel d’action. Le potentiel d’action se propage à mesure que la vague de dépolarisation locale s’étend aux régions adjacentes du sarcolemme et provoque l’ouverture des canaux à sodium voltage-dépendants qui s’y trouvent. © ERPI, tous droits réservés. Résumé des événements survenant au cours de la production et de la propagation d’un potentiel d’action dans une fibre musculaire squelettique. Canal à Canal à Na+ fermé K+ ouvert Na+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + − − − − − − − − − − − − − − − − − − − − − − K+ 3 Repolarisation: À cette étape, le sarcolemme reprend son état initial de polarisation. La repolarisation suit rapidement la vague de dépolarisation et se produit quand les canaux à sodium se ferment (sont désactivés) et que les canaux à potassium voltage-dépendants s’ouvrent. Étant donné que la concentration de potassium est plus élevée à l’intérieur de la cellule, le potassium diffuse rapidement hors de la fibre musculaire en suivant son gradient de concentration. © ERPI, tous droits réservés. Figure 9.10 Tracé d’un potentiel d’action montrant les changements d’état des canaux à sodium et à potassium. +30 Fermeture des canaux à Potentiel de membrane (mV) Na+, Ouverture des Dépolarisation canaux à K+ causée par l’entrée 0 du Na+ Repolarisation causée par la sortie du K+ Ouverture des canaux à Na+ Fermeture des canaux à K+ –95 0 5 10 15 20 Temps (ms) © ERPI, tous droits réservés.  Couplage excitation-contraction et mécanisme de contraction d’une fibre musculaire Étude de cas: Myasthénie et tétanos 24 Objectifs d’apprentissage – Muscle squelettique  Couplage excitation-contraction  Mécanisme de libération du calcium  Rôle de l'ATP dans la contraction du muscle squelettique  Décrire les événements entre l'arrivée d'un potentiel d'action et la contraction d'une cellule musculaire squelettique  Définir: neurone moteur, unité motrice et jonction neuromusculaire  Contraction isométrique et contraction isotonique  Tétanos  Relation entre longueur du sarcomère et tension 25  Arrivée du potentiel d’action au niveau de la terminaison axonale de la jonction neuromusculaire ➟ ➟ ➟ ➟ ➟ ➟ ➟ Événements entre un potentiel d’action et la contraction Entrée massive d’ions Ca2+ au niveau de la terminaison axonale du neurone moteur Libération d’acétylcholine dans la fente synaptique La fibre musculaire est stimulée par un neurone moteur Activation des canaux Na+/K+ ligands dépendant de la plaque motrice par l’acétylcholine Ouverture des canaux Na+/K+ ligands dépendant et dépolariation de la membrane de la plaque motrice (PPSE) Activation et ouverture des canaux Na+ voltage dépendant de la membrane de la fibre musculaire Production d’un potentiel d’action et propagation le long de la membrane de la fibre musculaire jusqu’aux tubules transverses Le couplage excitation- contraction se produit Activation de la libération de calcium dans le cytosol et de la contraction de la fibre musculaire squelettique 26 Figure 9.11 Le couplage excitation-contraction correspond à la succession d’événements par laquelle le potentiel d’action transmis le long du sarcolemme provoque le glissement des myofilaments. Mise en place Les événements qui se produisent à la jonction neuromusculaire assurent la mise en place du couplage excitation-contraction en produisant l’excitation. L’acétylcholine (ACh) libérée se lie aux récepteurs protéiques du sarcolemme et déclenche un potentiel d’action chez la fibre musculaire. Fente Terminaison axonale synaptique d’un neurone moteur Génération d’un potentiel d’action ACh Sarcolemme Tubule transverse Citerne terminale du réticulum sarcoplasmique Fibre muculaire Triade Un sarcomère Une myofibrille © ERPI, tous droits réservés. Figure 9.11 Le couplage excitation-contraction correspond à la succession d’événements par laquelle le potentiel d’action transmis le long du sarcolemme provoque le glissement des myofilaments. Étapes du couplage excitation-contraction Sarcolemme 1 Le potentiel d’action se propage Protéine du tubule transverse voltage- Tubule transverse le long du sarcolemme et dans les dépendante tubules transverses. Canal libérant du Ca2+ 2 Libération d’ions calcium. Citerne termi- nale du La transmission du potentiel d’action le réticulum long des tubules transverses des sarco- triades produit un changement de plasmique conformation des protéines du tubule transverse voltage-dépendantes (DHP). Ce changement provoque l’ouverture des canaux calcium de la membrane de la citerne terminale du réticulum sarcoplasmique (RyR), libérant du calcium dans le cytosol. © ERPI, tous droits réservés. Figure 9.11 Le couplage excitation-contraction correspond à la succession d’événements par laquelle le potentiel d’action transmis le long du sarcolemme provoque le glissement des myofilaments. Actine Troponine Tropomyosine masquant les sites actifs Myosine 3 Liaison du calcium à la troponine et éloignement de la tropomyosine du site de liaison. Quand le calcium est lié, la conformation de la troponine change; les sites de liaison de l’actine à la myosine sont exposés sur les filaments minces. Sites actifs exposés et prêts à se lier à la myosine 4 Début de la contraction. La liaison de la myosine à l’actine forme des ponts d’union; la contraction commence (cycle des ponts d’union). À ce point, le couplage excitation- Pont contraction se termine. d’union de myosine La suite Les brefs signaux engendrés par le Ca 2+ prennent fin et les concentrations de Ca 2+ retournent, par transport actif, dans le RS. La tropomyosine reprend à nouveau son rôle inhibiteur, bloquant l’interaction actine-myosine; la fibre musculaire se détend. La séquence des événements constituant le couplage excitation-contraction suivi d’une chute de la concentration des ions Ca2+ se répète chaque fois qu’un signal nerveux atteint la jonction neuromusculaire. © ERPI, tous droits réservés. Figure 9.12 Le cycle des ponts d’union est une série d’événements au cours de laquelle les têtes de myosine tirent les filaments minces vers le centre du sarcomère. Actine Ca2+ Filament mince Tête de myosine Filament épais Myosine 1 Formation des ponts d’union. La myosine énergisée se lie au myofilament d’actine, formant des ponts d’union. Hydrolyse de l’ATP 4 Mise sous tension de la 2 Phase d’inflexion. L’ADP et le P i sont tête de myosine. Pendant l’hydrolyse de l’ATP libérés et la tête de myosine se replie en ADP et en Pi , la tête de myosine reprend la permettant au filament d’actine de glisser vers forme riche en énergie (sous tension) qu’elle avait la ligne M. avant la phase de propulsion.* Sans l’ATP, les têtes de myosine ne peuvent se détacher, ce qui cause la rigidité cadavérique. *Ce cycle continue tant qu’il y a de l’ATP disponible et que le Ca 2+ est lié à la troponine. 3 Détachement des têtes de myosine. Après la liaison de l’ATP à la myosine, celle-ci se détache de l’actine (le pont d’union se brise). © ERPI, tous droits réservés.  Contraction Relaxation Libération et captage de Ca2+ par le Propagation du potentiel d’action Membrane plasmique réticulum sarcoplasmique musculaire Tubule transverse  Le passage d’un potentiel d’action le long des Récepteur Récepteur à Réticulum tubules transverses permet l’ouverture des à la DHP la ryanodine sarcoplasmique canaux Ca 2+ potentiel-dépendant (récepteur à la ryanodine) localisés sur le réticulum sarcoplasmique  Les ions Ca2+ relâchés dans le cytosol se lient Ca2+ est capté à la troponine. Libération de Ca2+ Fixation de Ca2+ Restauration du blocage  Le complexe Ca2+-troponine permet le sur la troponine par la tropomyosine déplacement de la tropomyosine des sites Filament mince de liaison pour les têtes de myosine sur Troponine l’actine Tropomyosine Déplacement  Permet l’interaction des têtes de myosine des têtes de myosine avec l’actine, suivi par leurs inflexions Filament épais 31 Chronologie entre le potentiel d’action et la contraction  La période de latence entre l’excitation et le développement d’une tension dans le muscle squelettique est attribuée au temps requis Potentiel d’action de la fibre musculaire pour:  La relâche de Ca2+ du réticulum sarcoplasmique  Le déplacement de la tropomyosine Contraction musculaire  Le cycle d’activation et inflexion des têtes de myosine  Mise sous tension du muscle Période de latence 32 Interruption de la signalisation neuromusculaire Curare: Botox: Se lie aux récepteurs nicotinique de l’ACh, mais Bloque la libération de l’ACh par la terminaison n’ouvre pas les canaux ioniques et n’est pas nerveuse en dégradant une protéine nécessaire à dégradé par l’acétylcholinestérase. la fusion des vésicules contenant l’ACh avec la membrane plasmique de la terminaison axonique. Donc: Le motoneurone conduit le PA Donc: Il y a libération d’A ch Le motoneurone conduit le PA Il n’y a pas de PPM Il y n’a pas de libération d’Ach Il n’y a pas de contraction Il n’y a pas de PPM Il n’y a pas de contraction Inhibiteur de l’Acétylcholinestérase: Empêche la dégradation de l’ACh et la recapture de la choline. Il est donc impossible de déclencher un 2e PPM. Peut aussi être utilisé pour prolonger l’action de l’ACh. 33 Contraction isotonique vs Contraction isotonique (concentrique) Lor squ e le m uscle est stim ulé, la ten sio n (for ce) produ ite est Contraction isométrique contraction isométrique Le muscle e st fix é à un poids qu i résiste à la ten sio n max imale assez gra nde po ur soulever la cha rge (poid s). Une foi s l a qu’il est en m esu re de produi re. Quan d la stim ulati on survient, résistanc e surmon tée, l e muscle racco urcit et la tension r est e la tension a ugmen te jusqu’à c e qu’elle attei gne sa ca pacité con sta nte ju squ ’à la fin de la co ntract ion. Il s’agit d’u ne ma ximal e, ma is le mu scl e ne r acourc it pas. con tracti on isoton ique c oncent rique.  Tension musculaire:  Force exercée sur un objet par un muscle en contraction. Tendon  Charge: Contraction  Force exercée sur un muscle par un objet. Force Concentration musculaire musculaire (isométrique) qui s’oppose à la contraction. (isotonique) 3 kg  Tension > Charge: Tendon Contraction concentrique (isotonique) 6 kg 6 kg  3 kg  Tension = Charge: Contraction isométrique Tension produite Tension produite  8 8 Ampleur de la Relâchement Ampleur de la résistance Tension < Charge: 6 résistance du muscle 6  (kg) (kg) Relâchement 4 Tension 4 du muscle  Contraction excentrique (isotonique) 2 maximale 2 Tension maximale 0 0  Secousse musculaire: Stimulation Stimulation Longueur du muscle Longueur du muscle du muscle (pourcentage de la longueur au repos) du muscle (pourcentage de la longueur au repos) Longueur au repos Longueur au repos  Réponse mécanique d’une seule fibre musculaire 100 100 à un seul P.A. 90 90 80 80 70 70 Temps Temps (ms) (ms) 34 © ERPI, tous droits réservés.  Liaison des têtes de myosine Contraction isotonique: Contraction isométrique: Les têtes de myosine passent Les têtes de myosine exercent par les 4 étapes du cycle et à une force sur le filament fin, chaque nouveau cycle, la mais ne peuvent pas se myosine se lie à une protéine déplacer. Le cycle se répète, d’actine différente. mais la myosine se lie toujours à la même protéine d’actine. Les sarcomères se raccourcissent Il n’y a pas de raccourcissement. 35 Vitesse de contraction en fonction de la charge  Plus la charge est lourde:  Plus la période de latence est longue  Plus lente est la vitesse de raccourcissement des fibres  Plus brève est la secousse de la fibre musculaire  Moins grande est la distance de raccourcissement Figure 9-17 36 Vitesse de contraction en fonction de la charge  Plus la charge est lourde plus lente est la vitesse de raccourcissement des fibres  La vitesse de raccourcissement est maximale en absence de charge  La vitesse de raccourcissement est nulle quand la charge est égale à la tension isométrique maximale 37 Figure 9-18 Unités motrices Une seule unité motrice consiste en un neurone moteur et toutes les fibres musculaires qu’elle contrôle Jonctions neuromusculaires Neurone moteur Un muscle peut comporter plusieurs unités motrices Neurones moteurs 38 Figure 9.14 Secousse musculaire. Période de Période de Période de latence contraction relâchement Pourcentage de la tension maximale 0 20 40 60 80 100 120 140 Temps (ms) Stimulus isolé (a) Myogramme montrant les trois phases d’une secousse musculaire isométrique Période de latence Pourcentage de la tension maximale Muscle du bulbe oculaire Muscle gastrocnémien Pourquoi ces différences? Muscle soléaire Tailles des fibres musculaires Variations des enzymes 0 40 80 120 160 200 Temps (ms) Stimulus isolé (b) Comparaison entre la durée relative des secousses musculaires de trois muscles © ERPI, tous droits réservés. Sommation temporelle de contractions isométriques Dissipation complète de la tension élastique entre les stimuli subséquents S3 survient avant la dissipation complète de la tension élastique de S2 Ne correspond pas à une sommation des Sommation des PPSE mais à une  tensions de S2 et S3. de la fixation des têtes de myosine. 40 Vander: Fg 9-19 Tétanos: contraction soutenue en réponse à une stimulation répétitive Tétanos non fusionné: Tétanos fusionné: dissipation partielle de la Absence de dissipation de tension élastique entre les la tension élastique entre stimuli subséquents les stimuli rapprochés. Secousse 41 Vander: Fg 9-20 Retour sur le cas - Myasthénie  Forme auto-immune  Anticorps contre les récepteurs à l’Ach  Bloquent l’activation des récepteurs par l’ACh  Symptômes de faiblesse musculaire sévère  Paupières tombantes 42 Tétanos – la pathologie  Se caractérise par des contractions soutenues  Raideurs à la mâchoire  Dos arqué  Mène à l’épuisement si non traité  La respiration peut être compromise  Causé par une infection par la bactérie Clostridium tetani  Sources: sol, excréments  Toxine bloque la libération de neurotransmetteurs inhibiteurs (GABA)  Les influx nerveux des motoneurones au repos augmentent  Le calcium libéré par le SR reste lié à la troponine  Prolonge la durée du cycle de croisement des ponts  L'antitoxine est administrée pour lier et neutraliser la toxine circulante Toile du chirurgien écossais Charles Bell représentant un soldat mourant du ténanos (1809).  Métabolisme du muscle squelettique 44 Objectifs d’apprentissage – Muscle squelettique  Rôle de l'ATP dans la contraction du muscle squelettique  Métabolisme énergétique du muscle squelettique  Sources de production d'ATP  Fatigue musculaire  Relier les sources d'énergie aux types de fibres musculaires squelettiques  Relation entre longueur du sarcomère et tension  Ordre de recrutement des fibres musculaires, ainsi que leur contribution à la tension musculaire  Atrophie et hypertrophie du muscle squelettique  Effets de l'exercice en aérobie sur le muscle squelettique 45  Contraction Relaxation Propagation du Membrane plasmique Métabolisme du muscle squelettique potentiel d’action musculaire Tubule transverse Récepteur Récepteur à Réticulum Fonctions de l’ATP dans la contraction musculaire: à la DHP sarcoplasmique la ryanodine 1) L’hydrolyse de l’ATP active les têtes de myosine Ca2+ est capté La liaison de l’ATP à la myosine Libération de Ca2+ 2) permet le détachement de l’actine Fixation de Ca2+ Restauration du blocage sur la troponine par la tropomyosine Filament mince 3) L’hydrolyse de l’ATP par la pompe Ca2+-ATPase du RS permet la Troponine Tropomyosine reprise du calcium cytosolique et la relaxation de la fibre musculaire Déplacement des têtes de myosine 4) L’ATP est aussi important pour la Filament pompe Na+/K+ ATPase du épais sarcolemme. 46  Trois sources de production d’ATP au cours de la contraction musculaire Phosphorylation directe Voie anaérobie Voie aérobie Réaction couplée de la créatine Glycolyse et formation d’acide lactique Respiration cellulaire aérobie phosphate (CP) et de l’ADP Source d’énergie: glucose; acide pyruvique; Source d’énergie: CP Source d’énergie: glucose acides gras libres provenant du tissu adipeux; acides aminés provenant du catabolisme protéinique Glucose provenant de la Glucose (provenant de la dégradation du glycogène ou dégradation du glycogène ou fourni par le sang transporté par le sang) Créatine kinase Glycolyse dans Acide pyruvique Créatine le cytosol Acides gras Respiration aérobie 2 Acides dans les Acide pyruvique aminés mitochondries gain net Retourne dans 32 Acide lactique le sang gain net/ glucose Utilisation d’oxygène: aucune Utilisation d’oxygène: nécessaire Utilisation d’oxygène: aucune Produits: 2 ATP par molécule de glucose, Produits: 32 ATP par molécule de glucose, Produits: 1 ATP par molécule de CP, acide lactique CO2, H 2O créatine Durée de la réserve d’énergie: 60 s ou Durée de la réserve d’énergie: Durée de la réserve d’énergie: 15 s un peu plus plusieurs heures Figure 9.19 Voies de régénération de l’ATP durant l’activité musculaire. La voie la plus rapide est la phosphorylation directe (a) ; la plus lente est la voie aérobie (c). © ERPI, tous droits réservés.  Phosphorylation directe 1ere source: phosphagènes Réaction couplée de la créatine phosphate (CP) et de l’ADP  La fibre musculaire peut utiliser l’ATP déjà Source d’énergie: CP disponible (très petite quantité)  La fibre musculaire possède une réserve (limitée, mais renouvelable) de créatine phosphate (CP). Créatine kinase  Grâce à l’enzyme créatine kinase, l’ADP peut être Créatine phosphorylé (ajout d’un Pi) en ATP. Cette réaction est très rapide.  Les éléments limitants sont donc:  La quantité de CP disponible  L’activité enzymatique de la créatine kinase Utilisation d’oxygène: aucune La créatine kinase catalyse la réaction dans les deux sens. Produits: 1 ATP par molécule de CP, créatine Qu’est-ce qui détermine les sens de la réaction? Durée de la réserve d’énergie: 15 s 48  Voie anaérobie 2ème source: glycolyse anaérobie Glycolyse et formation d’acide lactique  Dégradation du glycogène stocké dans la fibre Source d’énergie: glucose musculaire et du glucose provenant de la circulation. Glucose provenant de la  Dépend de l’activité d’une voie enzymatique dégradation du glycogène ou fourni par le sang présente dans le cytosol.  1 molécule de glucose permet de former 2 Glycolyse dans le cytosol molécules d’ATP. 2 Facteurs limitants: Acide pyruvique  gain net  Réserves de glycogène (et de glucose Retourne dans Acide lactique circulant) le sang  Activité enzymatique de la voie glycolytique Utilisation d’oxygène: aucune Produits: 2 ATP par molécule de glucose, acide lactique Durée de la réserve d’énergie: 60 s ou 49 un peu plus 3ème source: phosphorylation Voie aérobie oxydative Respiration cellulaire aérobie  Dégradation des produits de la glycolyse, d’acides aminés Source d’énergie: glucose; acide et d’acides gras dans plusieurs voies enzymatiques dans pyruvique; acides gras libres provenant du tissu adipeux; acides aminés provenant du la mitochondrie, en présence d’oxygène. catabolisme protéinique Glucose (provenant de la  Facteurs limitants: dégradation du glycogène ou transporté par le sang)  Substrats énergétiques  Activité mitochondriale Acide pyruvique  Vascularisation et quantité de myoglobine Acides gras Respiration aérobie Acides dans les aminés mitochondries 32 gain net/ glucose Utilisation d’oxygène: Nécessaire Produits: 32 ATP par molécule de glucose, CO2, H2O Durée de la réserve d’énergie: 50 plusieurs heures Glycolyse et phosphorylation oxydative 51 La fatigue musculaire La stimulation répétitive Le repos permet de mène à la fatigue, combattre la fatigue, mais marquée par une réapparait plus rapidement diminution de tension. si repos insuffisant. 52 Causes possibles de fatigue durant une activité de haute intensité Diminution de l’excitabilité membranaire: Incapacité de conduire les influx nerveux le long des tubules T Déséquilibre d’ions Na+/K+ Acidose métabolique: L’accumulation d’ions H+ lors de la glycolyse peut altérer la fonction de certaines protéines contractiles CO2 + H2O → HCO3- + H+ Inhibition des ponts actine-myosine: L’accumulation d’ADP peut nuire au fonctionnement des ponts transversaux ce qui diminue la vitesse de contraction. 53 Types de fibres musculaires squelettiques La plupart des muscles possèdent les 3 types Fibres oxydatives lentes (I): Répondent bien aux stimulations répétitives sans devenir fatiguées. Muscles de la posture. Fibres oxydatives rapides (IIa): Répondent rapidement aux stimulations répétitives sans devenir fatiguées. Muscles utilisés pour marcher. Fibres glycolytiques rapides (IIb): Utilisées pour des efforts rapides et intenses (le saut, le sprint). 54 Marieb_Figure 9.20 Comparaison des sources d’énergie utilisées pendant une activité physique de courte durée et une activité prolongée. Activité de courte durée Activité prolongée 6 secondes 10 secondes De 30 à 40 secondes Fin de l’activité Plusieurs heures L’ATP emmagasiné dansL’ATP est produit à partir Le glycogène emmagasiné dans les L’ATP est produit par la dégradation de plusieurs sources d’énergie provenant des les muscles est d’abord de la créatine phosphate muscles est dégradé en glucose, qui est nutriments par la voie aérobie. Cette voie utilise utilisé. oxydé pour produire de l’ATP. l’oxygène libéré par la myoglobine ou acheminé et de l’ADP. dans le sang par l’hémoglobine. À la fin, le Glycolyse déficit en oxygène est compensé. Phosphorylation oxydative © ERPI, tous droits réservés.  Caractéristiques des types de fibres musculaires squelettiques FIBRES OXYDATIVES FIBRES OXYDATIVES FIBRES GLYCOLYTIQUES LENTES RAPIDES RAPIDES Principale source de Phosphorylation oxydative Phosphorylation oxydative Glycolyse production d’ATP Mitochondries Nombreuses Nombreuses Rares Capillaires Nombreux Nombreux Rares Contenu en myoglobine Élevé (rouge) Élevé (rouge) Faible (blanc) Activité enzymatique Faible Intermédiaire Élevée glycolytique Contenu en glycogène Faible Intermédiaire Élevée Apparition d’une fatigue Lente (erreur Vander) Intermédiaire Rapide (erreur Vander) Activité ATPase de la Faible Élevée Élevée myosine Vitesse de contraction Lente Rapide Rapide Diamètre des fibres Faible Intermédiaire Élevé Taille des unités motrices Petite Intermédiaire Grande Taille du neurone Petite Intermédiaire Grande 56 Chez quel type de coureur pensez-vous trouver le plus de fibres lentes: Un sprinter ou un marathonien? Figure 9.13a L’unité motrice est constituée d’un neurone moteur et de toutes les fibres musculaires qu’il rejoint. Moelle épinière Jonctions neuromusculaires Unité Unité motrice 1 motrice 2 Nerf Corps cellulaire du neurone moteur Axone du Contraction du neurone muscle entier moteur Muscle Fibres muculaires Toutes les fibres musculaires d'une unité motrice donnée sont d’un même type (a) Les axones des neurones moteurs s’étendent de la moelle épinière jusqu’au muscle. À l’intérieur du muscle, chacune des branches d’un axone se divise en télodendrons qui forment les jonctions neuromusculaires des fibres musculaires disséminées dans l’ensemble du muscle. © ERPI, tous droits réservés. Marieb_Figure 9.16 Rapport entre l’intensité du stimulus et la tension musculaire. Intensité du stimulus Intensité du stimulus Stimulus (en volts) maximal Stimulus liminaire 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Contraction du Stimulus appliqués aux nerfs muscle entier Proportion d’unités motrices excitées Force de la contraction musculaire Contraction maximale Tension Temps (ms) © ERPI, tous droits réservés.  Unité motrice 1: fibres oxydatives lentes Recrutement en fonction des types de fibres  Les trois types de fibres sont présentes dans un muscle squelettique typique  Ordre de recrutement:  Fibres oxydatives lentes Fibres oxydatives rapides Unité motrice 2: fibres oxydatives rapides  Unité motrice 3: fibres glycolytiques rapides  Fibres glycolytiques rapides  Sous stimulation tétanique, ces glycolytique fibres contribuent au développement rapide de la tension musculaire  Les fibres glycolytiques rapides sont toujours recrutées les dernières oxydative rapide oxidative lente 59  Facteurs déterminant la tension musculaire  Tension développée par chaque fibre  Fréquence des potentiels d’action (relation fréquence-tension)  Longueur de la fibre (relation longueur-tension)  Diamètre de la fibre Activation La longueur des muscles et des  Fatigue d’un grand Grosses Fréquence sarcomères se situe nombre de de stimulation légèrement au-dessus fibres fibres élevée de 100 % de leur musculaires  Nombre de fibres actives musculaires longueur au repos.  Nombre de fibres par unité motrice  Nombre d’unités motrices actives Augmentation de la force de contraction 60 © ERPI, tous droits réservés. Relation tension-longueur Sarcomère de longueur optimale: beaucoup de chevauchements actine- myosine, assez d'espace pour glisser. Sarcomère court: Les filaments d'actine manquent d'espace pour glisser; tension Sarcomère long: faible. Manque de chevauchements actine-myosine; tension faible. 61 % de la longueur musculaire Contrôle de la tension musculaire  La tension totale qu’un muscle entier peut développer dépend du:  Degré de tension développé par chaque fibre  Nombre de fibres qui se contractent à un moment donné, ce qui dépend du:  Nombre (et du type) de fibres par unité motrice  Nombre d’unités motrices actives Quelle est la réponse d’une fibre musculaire à une augmentation de la fréquence de décharge du neurone moteur? Comment le système nerveux augmente-t-il la force de contraction dans un muscle composé de nombreuses unités motrices? 62 Unité motrice Unités motrices et tension musculaire Jonction neuromusculaire Fibre musculaire Neurone moteur  Un muscle est composé de plusieurs unités motrices  Toutes les fibres musculaires d'une unité motrice donnée sont Unité motrice X d’un même type  La taille des unités motrices varie selon le type de muscle  La taille peut varier en fonction de: Unité motrice Y  Du nombre de fibres composant l’unité motrice  La nature des fibres qui composent l’unité motrice  Une unité motrice glycolytique rapide contient généralement un plus grand nombre de fibres que les autres unités motrices  Grande tension développée par cette unité motrice  Une fibre glycolytique a un diamètre plus élevé et développe donc plus de tension qu’une fibre oxydative lente :  Une unité motrice contenant 100 fibres glycolytiques Oxydatives lentes développera donc plus de tension qu’une unité Oxydatives rapides motrice contenant 100 fibres oxydatives Glycolytiques rapides 63 Adaptations musculaires: Atrophie  Diminution du diamètre et de la quantité des protéines contractiles des fibres musculaires en réponse à une diminution de l’utilisation d’un muscle.  Atrophie de dénervation:  Due à la destruction des motoneurones ou au mauvais fonctionnement de la jonction neuromusculaire (myasthénie)  Atrophie de non-utilisation:  Due à l’inutilisation prolongée d’un muscle (immobilisation, alitement, microgravité et de façon moindre: désentraînement)  Dystrophie de Duchenne  Touche 1 garçon sur 4000  Sarcopénie  Perte de masse musculaire associée au vieillissement  Diminution du nombre de fibres musculaires par muscle squelettique 64  Dystrophie musculaire de Duchenne La dystrophine est l’une des protéines formant le  La dystrophie musculaire de Duchenne est un costamère affaiblissement progressif des muscles squelettiques.  Maladie héréditaire causée par un chromosome X anormal Les costamères relient les lignes Z à la membrane  Touche principalement les hommes plasmique des fibres musculaires squelettiques.  Généralement diagnostiquée dans la petite enfance  Causée par un manque de la protéine dystrophine  Participe à la liaison des filaments minces des myofibrilles au sarcolemme  Sans dystrophine suffisante, les contractions musculaires sont difficiles  Difficultés d'équilibre et de mouvement, puis évolue vers une incapacité à marcher  Elle finit par causer la mort par insuffisance respiratoire  Les personnes atteintes ne vivent généralement pas au-delà de la vingtaine 65 Vieillissement et perte de la masse musculaire  Bien que l'atrophie due à la sédentarité puisse souvent être inversée avec l'exercice, l'atrophie musculaire avec l'âge, appelée sarcopénie, est irréversible.  Les fibres musculaires meurent et sont remplacées par du tissu conjonctif et du tissu adipeux  Les muscles perdent la capacité de produire de puissantes contractions  La diminution de la masse musculaire entraîne une perte de force  Atteintes de la posture et de la mobilité.  Il peut également y avoir une réduction de la taille des unités motrices  Entraîne une diminution du nombre de fibres stimulées et de la tension musculaire produite  La sarcopénie peut être retardée par l'exercice  L'entraînement ajoute des protéines structurelles et provoque des changements cellulaires qui peuvent compenser les effets de l'atrophie  L'augmentation de l'exercice physique peut:  Produire un plus grand nombre de mitochondries cellulaires  Augmenter la densité capillaire  Accroître la masse et la force du tissu musculaire  Les effets de l'atrophie liée à l'âge sont particulièrement prononcés chez les personnes sédentaires  Perte de cellules musculaires menant à des troubles fonctionnels - difficultés de locomotion, d'équilibre et de posture 66  Adaptations musculaires: Hypertrophie  Augmentation du diamètre, de la quantité de protéines contractiles et de la capacité de production d’ATP des fibres musculaires  Le diamètre des fibres est augmenté grâce à l’augmentation de la synthèse de filaments d’actine et de myosine  Augmentation du nombre de sarcomères et du nombre de myofibrilles  Observé en réponse à un exercice bref et de forte intensité  Recrutement des fibres glycolytiques rapides (IIb)  Peut être associé à une inhibition ou mutation de la myostatine Quelle est la différence entre hypertrophie et hyperplasie? 67 Exercice de faible intensité, mais de durée prolongée (exercice aérobie)  Hypertrophie peu prononcée  Recrutement des fibres oxydatives lentes  Modifications importantes du métabolisme:  ↑ # mitochondries  ↑ # capillaires  ↑ glycogène  ↑ enzymes oxydatives  Changement du phénotype musculaire:  Conversion des fibres glycolytiques rapides en fibres oxydatives rapides  Même composition des filaments épais (myosine)  Conséquence - Augmentation de l’endurance 68