Notes de cours - La Contraction Musculaire - PDF

Chapitre 4 La contraction musculaire LA FIBRE MUSCULAIRE STRIÉE O Les muscles striés squelettiques sont les muscles dont la contraction est contrôlée par les motoneurones. La contraction peut être contrôlée de manière volontaire,...

Chapitre 4 La contraction musculaire LA FIBRE MUSCULAIRE STRIÉE O Les muscles striés squelettiques sont les muscles dont la contraction est contrôlée par les motoneurones. La contraction peut être contrôlée de manière volontaire, de manière réflexe ou de manière automatique (muscles respiratoires), mais elle est toujours sous le contrôle du système nerveux. ARCHITECTURE Les muscles striés squelettiques sont composés de fibres musculaires (50 µm de diamètre), l’épaisseur du muscle est définie par le nombre de fibres musculaires (100-10.000). Les fibres musculaires sont issues de la fusion de plusieurs cellules, on retrouve donc plusieurs noyaux, périphériques, par cellule. La longueur de ces fibres est variable et est égale à la longueur du muscle. Au sein d’une fibre musculaire, on a répétition d’une structure identique, la myofibrille (100 à 1000 myofibrilles par fibre), qui a la même longueur que la fibre. La myofibrille est constituée de la juxtaposition d’unités contractiles : les sarcomères. Les sarcomères ont une longueur au repose de 2,5 µm ➔ la longueur de la fibre dépend donc du nombre de sarcomères. La structure des sarcomères donne l’aspect strié aux fibres musculaires et donc au muscle strié squelettique. MUSCLE FAISCEAU DE FIBRES MUSCULAIRES disque  disque A FIBRE MUSCULAIRE ligne Z ou disque Z Z Z Z Z Z MYOFIBRILE  A zone H Structure du sarcomère Les lignes Z correspondent à une zone d’ancrage sur lesquelles se fixent les microfilaments d’actine (diamètre 7nm). Entre ces filaments d’actine, on retrouve des filaments de myosine (diamètre 15 nm), non-fixé aux lignes Z mais disposé au centre du sarcomère. Il y a un alignement des myofibrilles donc on retrouve l’alignement des lignes Z au niveau du muscle. C’est la superposition partielle des filaments d’actine et de myosine qui donne l’aspect strié : les disques clairs ne sont constitués que d’actine, les disques foncés sont constitués d’actine et de myosine. Au centre du disque sombre, il y a une zone plus claire où il n’y a pas d’actine. STRUCTURE MOLÉCULAIRE DE L’ACTINE ET DE LA MYOSINE 6375 L’actine est une protéine globulaire de 370 AA ➔ elle polymérise pour former une chaine ➔ association de deux chaines pour former le filament d’actine. L’actine s’associe dans le muscle strié squelettique à la tropomyosine qui est un fin filament qui s’enroule autour de l’actine et à la troponine qui est une petite protéine constituée de trois sous-unités. La myosine est une protéines de 2000 AA, constituée de 6 sous-unités : deux chaines lourdes qui s’enroulent et quatre chaines légères : deux chaines légères associées à l’extréimté de chaque chaine lourde pour constituer les têtes de la myosine ➔ la myosine polymérise (200 unités) pour former un filament épais avec un emboitement tel que les têtes apparaissent de part et d’autre du filament (en épis). MÉCANISME FONDAMENTAL DE LA CONTRACTION En réponse à la stimulation d’un motoneurone, une pour plusieurs fibres musculaires vont de contracter de manière synchronisée. On distingue deux types de contraction : La contraction isotonique : force musculaire identique mais modification de la longueur de la fibre musculaire ➔ chaque sarcomère se réduit en longueur grâce au glissement des filaments d’actine sur les filaments de myosine : ceux-ci s’emboitent d’avantage (> interactions entre les deux types de filaments) La contraction isométrique : augmentation de la force du muscle mais maintien de la longueur constante ➔ le sarcomère ne change pas de taille mais il faut des interactions entre actine et myosine pour éviter l’allongement du sarcomère Dans tous les cas, de l’énergie est nécessaire ➔ besoin d’ATP ➔ vascularisation importante. Le Ca2+ est très important dans la contraction musculaire. La contraction se maintient tant que le Ca2+ est présent et qu’il y a de l’énergie disponible (ATP). Un PA dans le motoneurone déclenche un PA dans la fibre musculaire. Ce PA va déclencher la contraction avec un délai de 10 ms. Ensuite la contraction va durer 100 ms. Si on augmente le nombre de PA dans le motoneurone (augmentation de la fréquence), on peut augmenter la durée de la contraction → stimulation tétanique. La contraction dépend de l’interaction entre l’actine et la myosine. Celle-ci est permise en présence de Ca 2+ (augmentation de la concentration intracellulaire). Principe : la tropomyosine suit le filament d’actine et cache les sites d’interaction entre l’actine et la myosine. La troponine est composée de 3 sous-unités, une qui se lie à l’actine, une qui se lie à la tropomyosine et une dernière sensible au Ca2+ ➔ l’augmentation de la concentration en Ca 2+ va entrainer une modification de conformation ➔ déplacement de la tropomyosine ➔ interaction entre l’actine et la myosine possible. Cette interaction est dynamique, l’attachement de la myosine à l’actine est suivie d’un basculement de la tête de myosine vers le milieu du sarcomère. Ce basculement est permis par l’énergie libérée par l’hydrolyse de l’ATP (ATP→ ADP +P). La tête de myosine a une activité ATPasique : l’ATP si lie, est hydrolysé et l’ADP se détache. La tête de myosine peut à nouveau s’attacher : 5 cycles par seconde (1 ATP par cycle), tant qu’il y a du calcium. Dans la contraction isotonique, le glissement des têtes de myosine permet aux deux filaments de s’emboiter d’avantage. Dans la contraction isométrique, la tête se détache et se rattache au même endroit : essentiel qu’il y ait attachement et détachement des myosines pour ne pas être crispé, figé (ceci explique la rigidité cadavérique). La tension musculaire est maintenue tout en permettant le mouvement. LA CONTRACTION : RÔLE-CLÉ DU CALCIUM ET DU RÉTICULUM ENDOPLASMIQUE On a pu montrer que l’augmentation de la concentration intracellulaire en calcium était nécessaire à la contraction. Le PA est suivi d’une augmentation de la concentration en calcium, elle-même suivie de la contraction musculaire. Cela a été montré en injectant dans des fibres musculaires de l’aequorine, une protéine (produite par certaines méduses) qui émet de la lumière en présence de calcium. Pour permettre des mouvements volontaires rapides et précis, le système doit contrôler la [Ca2+] intracellulaire dans l’ensemble de la fibre : au niveau de chaque sarcomère. La concentration doit augmenter très rapidement et de manière uniforme et doit rediminuer aussi rapidement pour mettre fin à la contraction. Comment l’augmentation de calcium peut-elle être homogène au niveau de chaque sarcomère alors que le point de départ du signal est la plaque motrice ? Suite à l’activation de la jonction neuro-musculaire, un PA est généré dans la plaque motrice. Celui-ci se propage le long de la membrane de la fibre musculaire. La membrane cellulaire de la fibre musculaire s’invagine un très grand nombre de fois pour atteindre en profondeur chaque myofibrille. On appelle ces structures des tubules en T. Deux tubules en T arrivent au niveau de chaque sarcomère. Le PA se propage le long de ces tubules en T : la membrane cellulaire va donc se dépolariser. Au niveau des tubules en T, la dépolarisation déclenche l’ouverture de canaux calcium dépendants du potentiel. Ces canaux changent de conformation et laissent passer le calcium de l’extérieur (2.5 mM) vers l’intérieur (0.1 µM). Mais ce n’est pas ce calcium qui va déclencher la contraction : celle-ci est permise grâce au calcium libéré par le réticulum endoplasmique au niveau de chaque sarcomère. Le réticulum endoplasmique des muscles striés squelettiques est très structuré : il existe des citernes de RE au niveau de chaque sarcomère et ces citernes sont couplées aux tubules en T pour former des triades (un tubule en T et deux RE). Au niveau de la membrane du RE, il existe des canaux ryanodine : ces canaux sont ouverts par le calcium (canaux ligands-dépendants) et lorsqu’ils sont ouverts, ils laissent passer le calcium qui sort rapidement du RE vers le cytoplasme : c’est ce calcium qui agit sur la troponine pour permettre la contraction. Au niveau des triades, quatre canaux calcium dépendants du potentiel, insérés dans la membrane du tubule en T, vont interagir avec un canal ryanodine inséré dans la membrane du RE. Cette interaction protéine-protéine va accélérer l’ouverture des canaux ryanodine lorsque les canaux calcium dépendants du potentiel vont changer de conformation en réponse à la dépolarisation. MÉCANISME DE L’ARRÊT DE LA CONTRACTION La contraction va s’arrêter lorsque la concentration intracellulaire en calcium aura diminué. Celle-ci diminue de manière active grâce aux échangeurs Na+/Ca++ de la membrane plasmique et aux pompes SERCA du RE : pompes ATP-dépendante qui transporte la Ca++ du cytoplasme vers la lumière du RE  LA FIBRE MUSCULAIRE LISSE Muscles responsables des mouvements involontaires générés en partie de manière automatique (un muscle lisse se contracte spontanément lorsqu’il est étiré) et en partie sous le contrôle du système nerveux autonome (SNA : système nerveux parasympathique et orthosympathique). ARCHITECTURE La fibre musculaire lisse est une cellule allongée de 200µm de long pour quelques µm de large. Son Youde noyau est central. Elle dispose de filaments d’actine et de myosine mais ceux-ci ne sont pas organisés en sarcomère. Le RE est présent mais il n’est pas organisé comme dans le muscle strié squelettique. On identifie deux types de muscles lisses : viscéral et multi unitaire Le muscle viscéral est formés de fibres musculaires connectées les unes aux autres par des jonctions GAP : elles forment un syncytium fonctionnel (pas de fusion cellulaire). Ce muscle est peu d’innervé, sa contraction se déclenche lentement (500 ms) et dure longtemps (qqs secondes) ➔ contraction globale V autour des viscères (intestin, vessie …) muscle squelettique 100ms (pour Le muscle multi-unitaire est composé de fibres musculaires indépendantes ➔ innervation précise par le SNA. Exemple : muscles de l’iris qui contrôlent de manière précise l’ouverture de la pupille. MÉCANISME FONDAMENTAL DE LA CONTRACTION La contraction des fibres musculaires lisses est due à l’interaction actine/myosine déclenchée par l’augmentation de la concentration intracellulaire en Ca++. Mais le rôle du calcium est différent de celui observé dans le muscle strié : l’interaction actine/myosine n’est pas empêchée par la tropomyosine. Mais la myosine n’a pas, au repos d’activité ATPasique : cela signifie qu’elle ne peut pas utiliser l’ATP. Pour permettre la contraction, la tête de la myosine doit être phosphorylée : un phosphate est ajouté sur les chaines légères de la myosine (MLC : myosin light chain). En intracellulaire, le Ca2+ interagit avec la Calmoduline ➔ le complexe Ca++-calmoduline active la MLC kinase ➔ phosphorylation des chaines légères des têtes de myosine (MLC). Cette phosphorylation est indispensable pour permettre à l’hydrolyse de l’ATP → ADP. En présence de calcium et d’ATP, les fibres d’actine et de myosine interagissent : cette interaction est transmise à la membrane cytoplasmique par l’intermédiaire de l’alpha-actinine qui est liée d’un côté à l’actine et de l’autre côté aux corps denses accrochées à la membrane. L’interaction actine/myosine provoque le rapprochement des corps denses ➔ réduction de la longueur de la fibre L’arrêt de la contraction se fait par réduction de la concentration en Ca2+ : échangeurs Na+/Ca++ et pompe SERCA. Le processus est lent car le RE n’est pas structuré. DÉCLENCHEMENT DE LA CONTRACTION D’UN MUSCLE LISSE : SNA : libération de neuromédiateurs agissant sur des récepteurs associés à des protéines G. Exemple du muscle qui entoure les intestins : le SNA libère de l’acétylcholine ➔ action sur une récepteur associé à une protéine G, couplée à un enzyme membranaire (phospholipase C ; PLC) ➔ coupe le phosphatidyl-inositol bisphosphate (PIP2) pour produire du DAG (qui reste dans la membrane) et de l’inositol 3 phosphate (IP3) soluble ➔ l’IP3 agit sur les canaux Ca2+ ligand dépendant du RE et déclenche leur ouverture. Fin de la contraction : le SNA libère de la NorAdrénaline ➔ agit sur un récepteur couplé à une protéine G mais ici la protéine G active la Guanylate cyclase → GMP-cyclique à partir de GTP. Ce GMP-cyclique active une kinase, la PKG ➔ phosphoryle une phosphorylase ➔ enlève les groupement phosphates sur la myosine et active la pompe SERCA.  LE MUSCLE CARDIAQUE ARCHITECTURE ET MÉCANISME DE LA CONTRACTION Les fibres musculaires cardiaques sont des cellules prismatiques de 60 µm de long pour 15 µm de large. Chaque cellule a un noyau central. Les cellules ne fusionnent pas mais forment un syncytium : jonctions GAP entre les cellules. Il existe un syncytium au niveau des oreillettes et un syncytium au niveau des ventricules. Cela permet la contraction synchronisée de toutes les fibres lors de la contraction du cœur. Etant donné, la structure 3D du cœur, le syncytium est formé grâce à la présence de fourches : une cellule est connectée à deux cellules : cela permet d’accroitre la surface. Les fibres musculaires cardiaques possèdent des sarcomères et sont donc striées (actine, myosine, lignes Z). Cependant, les fibres cardiaques n’ont pas de tubules en T, ni de RE organisé comme dans les fibres squelettiques. La contraction musculaire dépend du calcium. La concentration intracellulaire en calcium augmente lorsque le PA cardiaque se propage dans le syncytium. Le cœur a une activité pacemaker : il se contracte en dehors du corps mais sa fréquence de contraction est contrôlée par le SNA.