Le modèle de glissement des filaments de la contraction

Lorsqu'elle est signalée par un neurone moteur, une fibre musculaire squelettique se contracte lorsque les filaments fins sont tirés puis glissent le long des filaments épais au sein des sarcomères de la fibre. Ce processus est connu sous le nom de modèle de glissement des filaments de la contraction musculaire (Figure 10.10). Le glissement ne peut se produire que lorsque les sites de liaison de la myosine sur les filaments d'actine sont exposés par une série d'étapes qui commence par l'entrée de Ca⁺⁺ dans le sarcoplasme.

Figure 10.10 Le modèle de glissement des filaments de la contraction musculaire Lorsqu'un sarcomère se contracte, les lignes Z se rapprochent et la bande I devient plus petite. La bande A conserve la même largeur. Lors d'une contraction complète, les filaments fins et épais se chevauchent complètement.

La tropomyosine est une protéine qui s'enroule autour des chaînes du filament d'actine et recouvre les sites de liaison de la myosine pour empêcher l'actine de se lier à la myosine. La tropomyosine se lie à la troponine pour former un complexe troponine-tropomyosine. Le complexe troponine-tropomyosine empêche les « têtes » de myosine de se lier aux sites actifs des microfilaments d'actine. La troponine possède également un site de liaison pour les ions Ca⁺⁺.

Pour initier la contraction musculaire, la tropomyosine doit exposer le site de liaison de la myosine sur un filament d'actine afin de permettre la formation de ponts transversaux entre les microfilaments d'actine et de myosine. La première étape du processus de contraction est la liaison du Ca⁺⁺ à la troponine afin que la tropomyosine puisse glisser loin des sites de liaison sur les brins d'actine. Cela permet aux têtes de myosine de se lier à ces sites de liaison exposés et de former des ponts transversaux. Les filaments fins sont ensuite tirés par les têtes de myosine pour glisser le long des filaments épais vers le centre du sarcomère. Mais chaque tête ne peut tirer que sur une très courte distance avant d'avoir atteint sa limite et doit être « réarmée » avant de pouvoir tirer à nouveau, une étape qui nécessite de l'ATP.

ATP et contraction musculaire

Pour que les filaments fins continuent de glisser le long des filaments épais pendant la contraction musculaire, les têtes de myosine doivent tirer l'actine au niveau des sites de liaison, se détacher, se réarmer, s'attacher à d'autres sites de liaison, tirer, se détacher, se réarmer, etc. Ce mouvement répété est connu sous le nom de cycle des ponts transversaux. Ce mouvement des têtes de myosine est similaire à celui des rames lorsqu'un individu rame un bateau : la pale des rames (les têtes de myosine) tire, est soulevée de l'eau (se détache), repositionnée (réarmée) et puis immergée à nouveau pour tirer (Figure 10.11). Chaque cycle nécessite de l'énergie, et l'action des têtes de myosine dans les sarcomères tirant répétitivement sur les filaments fins nécessite également de l'énergie, qui est fournie par l'ATP.

Figure 10.11 Contraction du muscle squelettique (a) Le site actif sur l'actine est exposé lorsque le calcium se lie à la troponine. (b) La tête de myosine est attirée par l'actine, et la myosine se lie à l'actine au niveau de son site de liaison à l'actine, formant le pont transversal. (c) Pendant le coup de force, le phosphate généré lors du cycle de contraction précédent est libéré. Cela entraîne le pivotement de la tête de myosine vers le centre du sarcomère, après quoi l'ADP et le groupe phosphate attachés sont libérés. (d) Une nouvelle molécule d'ATP se fixe à la tête de myosine, provoquant le détachement du pont transversal. (e) La tête de myosine hydrolyse l'ATP en ADP et phosphate, ce qui ramène la myosine en position armée.

La formation de ponts transversaux se produit lorsque la tête de myosine se fixe à l'actine tandis que l'adénosine diphosphate (ADP) et le phosphate inorganique (P_i) sont toujours liés à la myosine (Figure 10.11a,b). Le P_i est ensuite libéré, ce qui amène la myosine à former une liaison plus forte avec l'actine, après quoi la tête de myosine se déplace vers la ligne M, tirant l'actine avec elle. Lorsque l'actine est tirée, les filaments se déplacent d'environ 10 nm vers la ligne M. Ce mouvement est appelé le coup de force, car le mouvement du filament fin se produit à cette étape (Figure 10.11c). En l'absence d'ATP, la tête de myosine ne se détachera pas de l'actine.

Une partie de la tête de myosine se fixe au site de liaison sur l'actine, mais la tête possède un autre site de liaison pour l'ATP. La liaison de l'ATP provoque le détachement de la tête de myosine de l'actine (Figure 10.11d). Après cela, l'ATP est converti en ADP et P_i par l'activité ATPase intrinsèque de la myosine. L'énergie libérée pendant l'hydrolyse de l'ATP modifie l'angle de la tête de myosine en position armée (Figure 10.11e). La tête de myosine est maintenant en position pour un mouvement ultérieur.

Lorsque la tête de myosine est armée, la myosine est dans une configuration de haute énergie. Cette énergie est dépensée lorsque la tête de myosine se déplace pendant le coup de force, et à la fin du coup de force, la tête de myosine est en position de basse énergie. Après le coup de force, l'ADP est libéré ; cependant, le pont transversal formé est toujours en place, et l'actine et la myosine sont liées ensemble. Tant que l'ATP est disponible, il se fixe facilement à la myosine, le cycle des ponts transversaux peut se reproduire, et la contraction musculaire peut continuer.

Notez que chaque filament épais d'environ 300 molécules de myosine possède plusieurs têtes de myosine, et de nombreux ponts transversaux se forment et se rompent continuellement pendant la contraction musculaire. Multipliez cela par tous les sarcomères d'une myofibrille, toutes les myofibrilles d'une fibre musculaire, et toutes les fibres musculaires d'un muscle squelettique, et vous comprendrez pourquoi tant d'énergie (ATP) est nécessaire pour maintenir les muscles squelettiques en fonctionnement. En fait, c'est la perte d'ATP qui entraîne la rigidité cadavérique observée peu après le décès. Sans production d'ATP supplémentaire possible, il n'y a pas d'ATP disponible pour que les têtes de myosine se détachent des sites de liaison de l'actine, de sorte que les ponts transversaux restent en place, provoquant la rigidité des muscles squelettiques.

Sources d'ATP

L'ATP fournit l'énergie nécessaire à la contraction musculaire. En plus de son rôle direct dans le cycle des ponts transversaux, l'ATP fournit également l'énergie pour les pompes à Ca⁺⁺ de transport actif dans le RS. La contraction musculaire ne se produit pas sans des quantités suffisantes d'ATP. La quantité d'ATP stockée dans le muscle est très faible, suffisante seulement pour alimenter quelques secondes de contractions. Comme il est décomposé, l'ATP doit donc être régénéré et remplacé rapidement pour permettre une contraction soutenue. Il existe trois mécanismes par lesquels l'ATP peut être régénéré dans les cellules musculaires : le métabolisme de la créatine phosphate, la glycolyse anaérobie et la respiration aérobie.

La créatine phosphate est une molécule qui peut stocker de l'énergie dans ses liaisons phosphate. Dans un muscle au repos, l'excès d'ATP transfère son énergie à la créatine, produisant de l'ADP et de la créatine phosphate. Cela agit comme une réserve d'énergie qui peut être utilisée pour créer rapidement plus d'ATP. Lorsque le muscle commence à se contracter et a besoin d'énergie, la créatine phosphate transfère son phosphate à l'ADP pour former de l'ATP et de la créatine. Cette réaction est catalysée par l'enzyme créatine kinase et se produit très rapidement ; ainsi, l'ATP dérivé de la créatine phosphate alimente les premières secondes de la contraction musculaire. Cependant, la créatine phosphate ne peut fournir qu'environ 15 secondes d'énergie, après quoi une autre source d'énergie doit être utilisée (Figure 10.12).

Figure 10.12 Métabolisme musculaire (a) Une partie de l'ATP est stockée dans un muscle au repos. Dès le début de la contraction, elle est épuisée en quelques secondes. Plus d'ATP est généré à partir de la créatine phosphate pendant environ 15 secondes. (b) Chaque molécule de glucose produit deux ATP et deux molécules d'acide pyruvique, qui peuvent être utilisées dans la respiration aérobie ou converties en acide lactique. Si l'oxygène n'est pas disponible, l'acide pyruvique est converti en acide lactique, ce qui peut contribuer à la fatigue musculaire. Cela se produit lors d'un exercice intense lorsque de grandes quantités d'énergie sont nécessaires mais que l'oxygène ne peut pas être suffisamment fourni au muscle. (c) La respiration aérobie est la dégradation du glucose en présence d'oxygène (O₂) pour produire du dioxyde de carbone, de l'eau et de l'ATP. Environ 95 % de l'ATP requis pour les muscles au repos ou modérément actifs est fourni par la respiration aérobie, qui a lieu dans les mitochondries.

À mesure que l'ATP produit par la créatine phosphate est épuisé, les muscles se tournent vers la glycolyse comme source d'ATP. La glycolyse est un processus anaérobie (non dépendant de l'oxygène) qui décompose le glucose (sucre) pour produire de l'ATP ; cependant, la glycolyse ne peut pas générer d'ATP aussi rapidement que la créatine phosphate. Ainsi, le passage à la glycolyse entraîne un taux plus lent de disponibilité d'ATP pour le muscle. Le sucre utilisé dans la glycolyse peut être fourni par le glucose sanguin ou par la métabolisation du glycogène stocké dans le muscle. La dégradation d'une molécule de glucose produit deux ATP et deux molécules d'acide pyruvique, qui peuvent être utilisées dans la respiration aérobie ou, lorsque les niveaux d'oxygène sont bas, converties en acide lactique (Figure 10.12b).

Si l'oxygène est disponible, l'acide pyruvique est utilisé dans la respiration aérobie. Cependant, si l'oxygène n'est pas disponible, l'acide pyruvique est converti en acide lactique, ce qui peut contribuer à la fatigue musculaire. Cette conversion permet le recyclage de l'enzyme NAD⁺ à partir du NADH, ce qui est nécessaire pour que la glycolyse se poursuive. Cela se produit lors d'un exercice intense lorsque de grandes quantités d'énergie sont nécessaires mais que l'oxygène ne peut pas être suffisamment fourni au muscle. La glycolyse elle-même ne peut être maintenue très longtemps (environ 1 minute d'activité musculaire), mais elle est utile pour faciliter de courtes poussées d'effort de haute intensité. C'est parce que la glycolyse n'utilise pas le glucose très efficacement, produisant un gain net de deux ATP par molécule de glucose, et le produit final d'acide lactique, qui peut contribuer à la fatigue musculaire à mesure qu'il s'accumule.

La respiration aérobie est la dégradation du glucose ou d'autres nutriments en présence d'oxygène (O₂) pour produire du dioxyde de carbone, de l'eau et de l'ATP. Environ 95 % de l'ATP requis pour les muscles au repos ou modérément actifs est fourni par la respiration aérobie, qui a lieu dans les mitochondries. Les intrants de la respiration aérobie comprennent le glucose circulant dans le sang, l'acide pyruvique et les acides gras. La respiration aérobie est beaucoup plus efficace que la glycolyse anaérobie, produisant environ 36 ATP par molécule de glucose contre quatre pour la glycolyse. Cependant, la respiration aérobie ne peut être maintenue sans un apport constant d'O₂ au muscle squelettique et est beaucoup plus lente (Figure 10.12c). Pour compenser, les muscles stockent une petite quantité d'oxygène excédentaire dans des protéines appelées myoglobine, ce qui permet des contractions musculaires plus efficaces et moins de fatigue. L'entraînement aérobie augmente également l'efficacité du système circulatoire afin que l'O₂ puisse être fourni aux muscles pendant de plus longues périodes.

La fatigue musculaire se produit lorsqu'un muscle ne peut plus se contracter en réponse aux signaux du système nerveux. Les causes exactes de la fatigue musculaire ne sont pas entièrement connues, bien que certains facteurs aient été corrélés à la diminution de la contraction musculaire qui se produit pendant la fatigue. L'ATP est nécessaire à une contraction musculaire normale, et à mesure que les réserves d'ATP diminuent, la fonction musculaire peut décliner. Cela peut être davantage un facteur dans les efforts musculaires brefs et intenses plutôt que dans les efforts soutenus de faible intensité. L'accumulation d'acide lactique peut abaisser le pH intracellulaire, affectant l'activité enzymatique et protéique. Des déséquilibres dans les niveaux de Na⁺ et K⁺ résultant de la dépolarisation de la membrane peuvent perturber le flux de Ca⁺⁺ hors du RS. De longues périodes d'exercice soutenu peuvent endommager le RS et le sarcolemme, entraînant une altération de la régulation du Ca⁺⁺.

Une activité musculaire intense entraîne une dette d'oxygène, qui est la quantité d'oxygène nécessaire pour compenser l'ATP produit sans oxygène pendant la contraction musculaire. L'oxygène est nécessaire pour restaurer les niveaux d'ATP et de créatine phosphate, convertir l'acide lactique en acide pyruvique, et, dans le foie, convertir l'acide lactique en glucose ou en glycogène. D'autres systèmes utilisés pendant l'exercice nécessitent également de l'oxygène, et tous ces processus combinés entraînent l'augmentation du rythme respiratoire qui se produit après l'exercice. Jusqu'à ce que la dette d'oxygène soit remboursée, l'apport en oxygène est élevé, même après l'arrêt de l'exercice.

Relaxation d'un muscle squelettique

La relaxation des fibres musculaires squelettiques, et finalement du muscle squelettique, commence par le neurone moteur, qui cesse de libérer son signal chimique, l'ACh, dans la synapse au niveau de la jonction neuromusculaire (JNM). La fibre musculaire se repolarisera, ce qui ferme les portes du RS où le Ca⁺⁺ était libéré. Des pompes dépendantes de l'ATP déplaceront le Ca⁺⁺ hors du sarcoplasme pour le ramener dans le RS. Cela entraîne le « remasquage » des sites de liaison de l'actine sur les filaments fins. Sans la capacité de former des ponts transversaux entre les filaments fins et épais, la fibre musculaire perd sa tension et se relâche.

Force musculaire

Le nombre de fibres musculaires squelettiques dans un muscle donné est génétiquement déterminé et ne change pas. La force musculaire est directement liée à la quantité de myofibrilles et de sarcomères au sein de chaque fibre. Des facteurs, tels que les hormones et le stress (et les stéroïdes anabolisants artificiels), agissant sur le muscle peuvent augmenter la production de sarcomères et de myofibrilles au sein des fibres musculaires, un changement appelé hypertrophie, qui entraîne une augmentation de la masse et du volume d'un muscle squelettique. De même, une diminution de l'utilisation d'un muscle squelettique entraîne une atrophie, où le nombre de sarcomères et de myofibrilles disparaît (mais pas le nombre de fibres musculaires). Il est courant qu'un membre immobilisé dans un plâtre présente des muscles atrophiés lorsque le plâtre est retiré, et certaines maladies, comme la poliomyélite, montrent des muscles atrophiés.