LA CONTRACTION MUSCULAIRE

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1 LA CONTRACTION MUSCULAIRE 1 ère partie - Différences muscle squelettique - muscle cardiaque Les muscles sont les principaux organes chargés du mouvement chez les animaux. Leur origine évolutive est très ancienne puisqu'on retrouve des cellules musculaires chez les cœlentérés. Il existe plusieurs types de muscles ayant des fonctions différentes. Ainsi on distingue les muscles striés des muscles lisses dont l'organisation ultrastructurale est assez différente. Les muscles striés se subdivisent eux-mêmes en muscle squelettique et muscle cardiaque. Ce document se propose de résumer les principales différences entre les deux types de muscles striés chez les Mammifères. Un muscle strié est constitué de cellules musculaires comportant un important matériel contractile. Celui-ci se compose de nombreuses myofibrilles, structures tubulaires allongées d'un diamètre de 1 à 2 µm, constituées de myofilaments (filaments fins constitués d'actine associés à de la tropomyosine et de la troponine, et filaments épais constitués de myosine). Ces myofilaments sont disposés selon une organisation géométrique en trois dimensions extrêmement rigoureuse. La base de l'organisation des myofibrilles est le sarcomère. Vus en coupe longitudinale (Figure 1A) des filaments fins sont attachés de part et d'autre d'un matériel protéique (le disque Z) comprenant en particulier de l'α-actinine, probable protéine d'ancrage des filaments d'actine. Ils sont tous alignés parallèlement, faisant face, sans les toucher, à d'autres filaments fins euxmêmes attachés à un autre disque Z. Entre deux disques Z, et dans les espaces laissés entre les filaments fins, on trouve les filaments épais constitués par de nombreuses molécules de myosine attachées. L'espace entre deux disques Z est appelé sarcomère. Vue en coupe transversale (Figure 1B), l'organisation se révèle extrêmement régulière avec une disposition pentagonale. De nombreux sarcomères sont alignés les uns à la suite des autres pour former une myofibrille. Figure 1A : Vue longitudinale d'un sarcomère ; Figure 1B : Coupe transversale d'une myofibrille Chaque myofibrille est entourée par du reticulum sarcoplasmique (reticulum endoplasmique musculaire) selon une organisation rigoureuse. A intervales plus ou moins réguliers, le reticulum sarcoplasmique émet des protubérances appelées citernes terminales. A ces niveaux se trouvent également des invaginations de la membrane cytoplasmique appelées tubules transverses. On trouve donc un tubule transverse en étroite association avec deux citernes terminales, formant ce que l'on appelle une triade (Figure 2). Cette organisation joue un rôle important dans le couplage excitation-contraction RYCAJAL@aol.com /01/2009 1

2 Figure 2 : Schéma des triades De nombreuses myofibrilles disposées parallèlement remplissent l'essentiel du volume cellulaire, ne laissant que peu de place au sarcoplasme (cytoplasme d'une cellule musculaire). De façon remarquable, les sarcomères des différentes myofibrilles sont situés au même niveau selon l'axe longitudinal. Ainsi, vue en microscopie photonique, une cellule musculaire apparait régulièrement zébrée transversalement sur toute sa longueur, d'où le nom de muscle strié (Figure 3A). Notons que les bandes sombres ne correspondent pas aux disques Z mais aux filaments épais et les bandes claires correspondent aux zones ne comportant que des filaments fin (donc à cheval sur deux sarcomères). Vue en microscopie électronique, on peut préciser cette striation au niveau ultrastructural (Figure 3B) avec la visualisation des disques Z, bandes A (zone des filaments épais, bandes sombres visibles en microscopie photonique), bandes I (zone ne présentant que des filaments fins, bandes claires visibles en microscopie photonique), zone H (zone centrale du sarcomère sans filaments fins) et strie M (zone d'attachement des myosines têtes-bèches). Figure 3A : Observation en microscopie photonique de cellules musculaires squelettiques de singe. On observe trois cellules musculaires striées transversalement. Les bandes sombres correspondent aux filaments épais. Au centre des bandes claires, on distingue une ligne plus sombre correspondant aux disques Z. Source Biodidac ( Figure 3B: Matériel contractile d'une cellule musculaire squelettique vue en miscroscopie électronique. On distingue les différentes bandes issues de l'organisation des filaments fins d'actine et épais de myosine. L'organisation ultrastructurale du muscle strié squelettique et cardiaque n'est pas très différente. Néanmoins, on peut distinguer quelques spécificités. Première différence : les cellules musculaires squelettiques sont des cellules syncitiales polynucléées pouvant atteindre plusieurs centimètres de long. Au contraire, les cellules musculaires cardiaques ne sont pas issues de la fusion de plusieurs RYCAJAL@aol.com /01/2009 2

3 cellules souches musculaires et sont donc uninucléées (Figure 4). Leur taille est donc généralement sans commune mesure avec celle de leurs homologues squelettiques. L'unité mécanique est obtenue par un attachement des cellules disposées selon l'axe longitudinal par l'intermédiaire de disques intercalaires riches en desmosomes (voir figure 4). Par ailleurs, les cytoplasmes des cellules cardiaques sont en communication directe via de nombreuses jonctions communicantes. Figure 4 : Vue en microscopie photonique de cellules musculaires cardiaques de singe. Les cellules musculaires ont globalement une forme rectangulaire, le noyau étant visible chez plusieurs d'entre elles. Les astérisques correspondent aux disques intercalaires (zones d'attachement entre deux cellules). Source Biodidac ( /) Deuxième différence : si l'organisation structurale du matériel contractile est globalement similaire dans les deux cas, les cellules cardiaques sont souvent ramifiées et les myofibrilles sont plus courtes que dans les cellules musculaires squelettiques. Enfin, troisième différence : le reticulum sarcoplasmique est considérablement moins développé dans les cellules musculaires cardiaques par rapport à la situation observée dans les cellules musculaires squelettiques, cette observation laissant entrevoir des différences fonctionnelles. Il existe principalement trois différences fonctionnelles entre muscle squelettique et muscle cardiaque. La première est extérieure aux cellules musculaires elles-mêmes : la commande nerveuse des muscles squelettiques est assurée par les nerfs moteurs, ce qui correspond à une commande volontaire (hors mouvement réflexe). A l'inverse, la régulation nerveuse du muscle cardiaque est assurée par les nerfs issus du système sympathique cardioaccélérateur et parasympathique cardiomodérateur (nerf vague ou pneumogastrique X) du système nerveux autonome, ce qui correspond à une commande involontaire. Sans oublier que les cellules cardiaques se contractent rythmiquement en absence de toute influence nerveuse sous l'impulsion des cellules pace-maker. La seconde correspond à une différence dans le couplage excitation-contraction. Dans le muscle squelettique, l'augmentation de la concentration intracellulaire en calcium (responsable de la contraction) est non seulement le résultat d'un influx de calcium extracellulaire mais surtout d'un efflux de calcium provenant du reticulum sarcoplasmique. Dans le muscle cardiaque, cette augmentation de calcium intracellulaire est essentiellement due à un un influx de calcium extracellulaire, le reticulum sarcoplasmique étant moins développé. Enfin troisièmement, le muscle cardiaque n'est pas tétanisable. La tétanie se caractérise par un plateau de contraction de puissance maximum par suite d'une stimulation à une fréquence ne permettant pas au muscle de se relâcher entre deux contractions. Or, la période réfractaire absolue (période durant laquelle une cellule excitable qui vient d'être stimulée n'est pas en mesure de répondre à une nouvelle stimulation) est beaucoup plus importante pour les cellules cardiaques que pour les cellules musculaires squelettiques. La cellule musculaire cardiaque a le temps de se relâcher avant d'être en mesure d'être à nouveau stimulée. Il est donc impossible d'obtenir une sommation des contractions. Il en résulte que le muscle cardiaque n'est pas tétanisable au contraire du muscle squelettique. A la lumière de la comparaison entre muscle squelettique et muscle cardiaque, il apparaît que leurs points communs permettent de les classer dans une même catégorie, celle des muscles striés, mais que leurs différences, aussi bien structurales que fonctionnelles, imposent de les séparer en deux sous-catégories. Il est ainsi classique de les différencier en parlant de muscles squelettiques volontaires et de muscle cardiaque involontaire. Pourtant, si elle est essentielle, cette différence n'est pas le fait des cellules musculaires elles-mêmes mais des mécanismes de commande (présence ou non de cellules pace-maker et origine de l'innervation afférente). Il est donc important que cette différence physiologique ne masque pas les autres différences qui, elles, sont directement liées à la structure et au fonctionnement des cellules musculaires. RYCAJAL@aol.com /01/2009 3

4 Introduction 2 ème partie - La contraction musculaire Les muscles sont des organes chargés de convertir l'énergie chimique en énergie mécanique. Il existe différents types de muscles selon leur organisation et leur modalité de fonctionnement (voir ci-dessus «1 ère partie»). A de rares exceptions prés, la commande du fonctionnement de ces organes se fait par voie nerveuse. Ce document présente la cascade d'évènements qui, partant d'un potentiel d'action, permet la contraction musculaire. I. Structure fine des filaments fin et épais Les muscles striés ont une structure remarquablement organisée basée sur la répétition d'un motif structural, appelé sarcomère, composé de deux sortes de filaments : les filaments fins et les filaments épais. A. Les filaments fins Les filaments fins ont un diamètre d'environ 7 nm et sont constitués de plusieurs types de molécules, l'actine, la tropomyosine et la troponine. Figure 1 : structure d'un filament fin d'actine L'actine monomérique (ou actine G pour Globulaire) est une molécule globulaire de 42 kda pouvant polymériser pour former des filaments (actine F pour Filamenteuse). Les filaments d'actine sont composés de deux chaînes linéaires qui s'enroulent l'une autour de l'autre pour former une double hélice (Fig. 1). La tropomyosine est une protéine allongée homodimèrique ou hétérodimèrique, chaque monomère étant constitué de 284 acides aminés adoptant une structure en hélice alpha s'enroulant l'une autour de l'autre pour former une superhélice. Elle va se lier à l'actine en se logant au creux des sillons de la double hélice formée par l'actine (Fig. 1). A l'état de repos, les molécules de myosine (voir les filaments épais ci-dessous) sont également en contact avec la tropomyosine. A chaque extrémité d'une molécule de tropomyosine, soit un interval correspondant à 7 molécules d'actine, une molécule de troponine vient se lier avec la tropomyosine (Fig. 1). La troponine est une molécule composée de 3 chaînes respectivement dénommées troponine-t, troponine-i et troponine-c. Chaque chaîne possède une fonction différente : la troponine-t est responsable de la liaison troponine-tropomyosine ; la troponine-i possède une activité inhibitrice de l'activité ATPasique de la myosine ; la troponine-c possède 4 sites de fixation pour le calcium qui, lorsqu'ils sont occupés, lèvent l'action de la troponine I. B. Les filaments épais Les filaments épais ont un diamètre d'environ 15 nm et sont essentiellement constitués d'une espèce moléculaire, la myosine II. La myosine II est une molécule allongée de 2x240 kda composée de deux chaînes lourdes (environ 200 kda chacune) et de quatres 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. Tête globulaire et partie cervicale forment la méromyosine lourde, la partie fibrillaire caudale formant la méromyosine légère. Les queues allongées de deux chaînes lourdes de myosine s'enroulent l'une autour de l'autre en une superhélice, les deux têtes globulaires se trouvant côte à côte (voir fig. 2). Plusieurs centaines de molécules de myosines II s'assemblent pour former un filament épais. Les parties caudales de ces molécules sont rassemblées parallèlement. Les têtes globulaires dépassent en périphérie de ce filament et sont donc disponibles pour pouvoir se fixer aux filaments d'actine. Les molécules de myosine étant disposées en deux groupes tête-bèche, la partie centrale du filament (correspondant à la strie M) est dénudée, c'est à dire dépourvue de tête globulaire (voir fig. 3). RYCAJAL@aol.com /01/2009 4

5 Figure 2 : structure de la molécule de myosine II II. Le couplage excitation - contraction Figure 3 : structure d'un filament épais de myosine L'évènement déclenchant de 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, cette concentration peut grimper jusqu'à 0,1 mmol.l -1 soit une augmentation d'un facteur Le couplage excitation - contraction correspond aux mécanismes permettant cette forte augmentation. Dans les muscles squelettiques, cette augmentation est majoritairement due à la libération massive d'ions calcium stockés dans le reticulum sarcoplasmique. L'arrivée d'un potentiel d'action dans la terminaison nerveuse d'un neurone moteur déclenche la libération du neuromédiateur (de l'acétylcholine) dans la fente synaptique. Après diffusion dans l'espace intersynaptique, l'acétylcholine va se lier à son récepteur spécifique, le récepteur nicotinique de l'acétylcholine. Celui-ci est un récepteur canal cationique ouvert par la présence de son ligand. Son ouverture entraîne la dépolarisation locale de la membrane post-synaptique musculaire (pour plus de détail du fonctionement de la synapse cholinergique, voir ). Le potentiel de plaque excitateur ainsi généré va provoquer la naissance d'une vague de dépolarisation propagée sur tout le sarcolème (membrane plasmique musculaire) correspondant à un potentiel d'action musculaire. Cette propagation est due à l'ouverture de canaux sodiques et calciques voltages 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 (d'ou le nom de canaux de type L, pour Late). On a donc un influx de calcium extracellulaire augmentant la concentration intracellulaire. Par ailleurs, la vague de dépolarisation pénètre au coeur de la cellule par l'intermédiaire des tubules transverses. Or, ceux-ci sont au voisinage immédiat des citernes terminales du reticulum sarcoplasmique au niveau des triades (voir figure 4) : les deux membranes sont distantes d'environ 15 nm. Dans la membrane des citernes terminales du reticulum 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 va entraîner l'ouverture du RyR. Ce couplage, dont on ne connait pas encore toutes les subtilités, fait intervenir une interaction directe entre le DHPR activé par la dépolarisation de la membrane et le RyR. Cette interaction, va entraîner l'ouverture du RyR, ouverture qui est également favorisée par le calcium et l'atp. Cela dit, ce résultat est obtenu même en absence de calcium extracellulaire, montrant que la seule dépolarisation de la membrane plasmique suffit à provoquer l'ouverture du RyR. Le DHPR peut ainsi être considéré comme un senseur de dépolarisation entraînant l'ouverture du RyR probablement grâce au lien direct qui existe entre ces deux types de canaux. Dans la lumière du reticulum sarcoplasmique, le calcium est stocké à des concentrations pouvant atteindre 1 mmol.l -1. Il est en particulier lié à la calsequestrine, une protéine soluble spécifiquement localisée dans les citernes terminales du reticulum sarcoplasmique, qui est capable de lier à basse affinité un nombre important d'ions calcium (50 ions calcium par RYCAJAL@aol.com /01/2009 5

6 molécule de calséquestrine). Or, calsequestrine et RyR sont reliés par de la triadine, une protéine soluble. Cette organisation permet un stockage local d'importantes quantités de calcium. L'ouverture des récepteurs de la ryanodine permet un relargage massif du calcium stocké entraînant une élévation très importante de sa concentration cytoplasmique, et ce à proximité immédiate des myofibrilles. III. Le raccourcissement des sarcomères Figure 4 : organisation d'une triade. A. Mouvement relatif des filaments d'actine et de myosine 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 (voir fig. 5 et son animation dans ) B. L'activation par le calcium Lorsque la troponine C n'est pas liée à du 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 de 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. On a donc une levée de l'inhibition de la liaison actine-myosine. C. Le cycle ATPasique de l'actomyosine La suite des évènements peut, en première approximation, être découpée en quatre étapes (voir fig. 6 pour une animation dans : 1. Au repos, la myosine est couplée à de l'adp et du phosphate inorganique (Pi). Après démasquage des sites de liaison de la myosine portés par l'actine en présence de calcium, les têtes de myosine vont se lier à l'actine. 2. Le départ du phosphate inorganique, puis de l'adp, va stabiliser la liaison actine-myosine et entraîner un changement de conformation de la myosine. L'angle que fait la tête de myosine avec la queue alongée va diminuer de 90 à 45. Myosine et actine étant liées, ce changement de conformation va entraîner un mouvement relatif entre filaments fins et filaments épais. La configuration obtenue, stable en absence d'atp, est appelée configuration rigor car elle est à l'origine de la rigidité cadavérique (rigor mortis). 3. La liaison d'une molécule d'atp sur la tête de myosine entraîne la dissociation de la liaison actine-myosine. 4. 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. Au final, la tête de myosine s'est donc dépacée vers l'extrémité "plus" du filament d'actine (située côté strie Z). Ce cycle peut se reproduire aussi longtemps que la concentration en calcium reste élevée. A chaque fois, la myosine se fixe une peu plus prés de l'extrémité "plus" du filament d'actine, c'est à dire plus prés 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 (voir figure 5). RYCAJAL@aol.com /01/2009 6

7 D. Aspects cinétique du cycle ATPasique de l'actomyosine Cette présentation, très linéaire, nécessite d'être étoffée par quelques précisions d'ordre cinétiques. En effet, il existe huit configurations possibles entre actine, myosine, ATP, ADP et Pi : myosine seule (notée M), myosine-atp (M-ATP), myosine-adp-pi (M-ADP-Pi), myosine ADP (M-ADP) actine-myosine (A-M), actine-myosine-atp (A-M-ATP), actine-myosine-adp-pi (A-M-ADP-Pi), actine-myosine-adp (A-M-ADP) Dans le modèle décrit dans le paragraphe précédent, ces configurations se succèdent dans l'ordre suivant (fig. 7) : Figure 7 : Le cycle ATPasique de l'actomyosine. En réalité, même si cet enchaînement est le plus fréquent, d'autres transitions sont possibles, avec des cinétiques variables résumées dans la figure 8 : Figure 8 : Cinétique des transitions au sein du cycle ATPasique de l'actomyosine. Les différentes configurations possibles sont reliées deux à deux. La taille des flèches est indicatrice de la vitesse de la réaction. On constate que la majorité des transitions est réversible (y compris l'hydrolyse de l'atp) mais le plus souvent avec des cinétiques différentes. Au repos, la myosine ne peut pas être liée à l'actine en raison de l'action inhibitrice de la troponine I. Les seules configurations possibles sont donc celles représentées sur la ligne du bas de la fig. 8. On constate que la dissociation de l'atp (pour donner M) de même que celle du Pi (pour donner M-ADP) sont peu fréquentes (petite flèche). La myosine se trouve donc majoritairement sous-forme M-ATP ou M-ADP-Pi, ce qui correspond à une activité ATPasique réversible. En présence de calcium, la liaison actine-myosine devient possible. Mais, d'après les cinétiques présentées sur la fig. 8, on constate que cette association est rapidement réversible en présence d'atp (M-ATP - A-M-ATP) ou d'adp+pi (M-ADP-Pi - A-M-ATP-Pi). On constate également que l'hydrolyse de l'atp est également rapidement réversible (que la myosine soit liée à l'actine ou non). Il y a donc une transition rapide entre ces quatre états. En revanche, si le Pi se dissocie (pour donner majoritairement A-M-ADP, le Pi se dissociant lentement de la myosine seule), il n'y a pas de retour possible (pas de flèche). 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 (petites flèches). L'évolution majoritaire et rapide (grande flèche) consiste en l'arrivée d'un ATP (A-M-ATP), la réaction inverse étant très peu probable. Le départ du Pi entraîne donc quasi-automatiquement l'enchaînement des complexes venant d'être décrits, correspondant à la suite des évènements présentée dans le paragraphe précédent. En résumé, la suite linéaire d'évènements généralement présentée (voir fig. 6 ) correspond donc en réalité à l'enchaînement des évènements le plus fréquent, mais non exclusif. IV. Le relâchement du muscle La contraction musculaire est provoquée par une augmentation de la concentration en calcium intracellulaire, le relâchement est donc obtenu par un retour à la concentration initiale. L'augmentation de la concentration en calcium RYCAJAL@aol.com /01/2009 7

8 intracellulaire ne dure que quelques millisecondes. Le retour à la situation initiale est rapidement obtenu par l'action convergente de trois phénomènes : 1. La fermeture rapide des canaux calciques 2. La liaison du calcium sur différentes protéines (dont la troponine) 3. Le pompage actif vers la lumière du reticulum sarcoplasmique par des ATPases calcium-dépendantes appelées SERCA. On estime que 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 a dissociation du calcium lié à la troponine C, ceci entraînant le rétablissement de l'inhibition exercée par la troponine I sur la liaison actine-myosine. En conséquence, le muscle se relâche. V. Les particularités du contrôle de contraction musculaire dans le muscle cardiaque A. Activité spontanée : les cellules pace-maker L'ultrastructure du muscle cardiaque est similaire à celle du muscle strié squelettique (voir document Comparaison muscle squelettique-muscle cardiaque), ainsi que le mécanisme de la contraction contrôlée par le calcium. En revanche, la commande déclenchant la contraction est totalement différente puisque le muscle cardiaque est capable de se contracter en absence de toute innervation. On trouve dans le muscle cardiaque, des canaux différents de ceux trouvés dans le muscle squelettique, aussi bien dans la membrane sarcolemale que dans le reticulum sarcoplasmique. Dans la membrane sarcolemale des cellules pace-maker, 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 (document en préparation), ces canaux vont s'ouvrir, provoquant l'apparition d'un potentiel d'action classique, mais sans intervention d'un neurone excitateur. Le temps nécessaire pour que la dépolarisation atteigne la valeur seuil dicte le rythme endogène de contraction du muscle cardiaque. Bien sur, il faut que ce potentiel d'action soit transmis aux autres cellules musculaires cardiaques. Celles-ci étant reliées les unes aux autres par des jonctions communicantes ou jonctions gap (type de jonction reliant les cytoplasmes de deux cellules adjacentes par un pore protéique), cette propagation se réalise sans intervention d'un mécanisme particulier, comme si les différentes membranes étaient en continuité. 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 auriculo-ventriculaire situé à la jonction oreillettes-ventricules. Après un court délai, cette vague de dépolarisation va se propager le long du septum auriculo-ventriculaire 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. L'ensemble noeud sinusal, noeud auriculoventriculaire, tronc du faisceau de Hiss et réseau de Purkinje correspond au tissus nodal composé de cellules musculaires modifiées. B. Le couplage excitation-contraction On trouve dans les cardiomyocytes des isoformes spécifique du RyR (RyR2 au lieu de RyR1 dans le muscle squeletique) 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). De ce fait, les DHPR ne peuvent pas provoquer directement l'ouverture des RyR2. La vague de dépolarisation qui parcours 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 reticulum sarcoplasmique. Ce mécanisme est appelé "Calcium Induce Calcium Realese" pour "Libération du Calcium Induit par le Calcium". Cela explique une des grosses différences de comportement expérimental entre muscle squelettique et muscle cardiaque : le muscle squelettique continue à pouvoir se contracter en absence de calcium extracellulaire (le DHPR activé pouvant directement ouvrir le RyR1), ce qui n'est pas le cas du muscle cardiaque. Conclusion Dans le mécanisme assurant la contraction musculaire, l'élément cléf de la régulation est l'ion calcium. Mais ce qui est frappant, c'est de voir à quel point l'organisation ultrastructurale est essentielle dans le fonctionnement de cette cellule : triades permettant la libération massive d'ions calcium; organisation des sarcomères permettant le raccourcissement de la cellule; sans même parler de l'organisation ultrastructurale de la jonction neuromusculaire. RYCAJAL@aol.com /01/2009 8

9 3 ème partie - L'actine dans les cellules musculaires Introduction Les cellules musculaires sont des cellules où le cytosquelette est très élaboré et dans lesquelles l'actine représente 20% de la masse protéique totale. Le muscle est l'exemple le mieux compris de la mobilité basée sur l'actine. Il existe deux types de muscles : le muscle strié, tel que muscle squelettique et cardiaque, et le muscle lisse, largement présent dans l'organisme (vaisseaux, tube digestif, utérus et bronches). Dans cette ressource nous parlerons seulement du muscle strié de type squelettique. Le muscle squelettique est constitué de cellules géantes, les myocytes, (longs de plusieurs centimètres car résultant de la fusion de milliers de myoblastes au cours du développement). Dans chaque cellule, le cytosquelette s'agence en de nombreuses unités identiques appelées myofibrilles. Chaque myofibrille est constituée par une juxtaposition linéaire de sarcomères, mesurant 3µm environ, liés par leurs disques Z. Des filaments intermédiaires, constitués de desmine (protéine de 53 kda), entourent les myofibrilles au niveau des disques Z du sarcomère. Ils rendent les myofibrilles solidaires les unes des autres et de la membrane de la cellule (géante) et réalisent l'alignement des sarcomères qui confère aux muscles squelettique son caractéristique aspect strié en microscopie optique (figure 1 ci-dessous). Figure 1 - Organisation du muscle strié Le sarcomère comme unité de contraction L'actine et la myosine sont à la base de la contractilité des sarcomères qui sont constitués par un assemblage de filaments parallèles d'actine (filaments minces) et de myosine-ii (filaments épais) (figure 2 ci-dessous). Les filaments d'actine, longs d'environ 1µm, sont attachés aux disques Z par l'intermédiaire de capz (protéine de coiffage qui se fixe à l'extrémité plus) et de l'α-actinine. L'extrémité moins (libre) est stabilisée par la tropomoduline. Sur sa longueur, le filament d'actine est associé à d'autres protéines qui interviennent dans la contraction musculaire (voir ci-dessous). Les filaments de myosine-ii, structures bipolaires résultant de l'association de nombreuses molécules de myosine-ii, alternent régulièrement avec les filaments actine (figure 11 ci-dessus). La myosine-ii est une protéine motrice formée d'une tête et d'une queue. La queue sert à insérer la protéine dans le filament et la tête, responsable d'une activité ATPase, interagit avec les filaments d'actine. Deux petites chaînes protéiques légères (17 kda) entourent la myosine-ii au niveau de la transition têtequeue. Le filament épais de myosine-ii est maintenu en place par un troisième filament, constitué de titine. C'est une protéine élastique de 3300 kda (sa taille lui a valu son nom qui fait, semble-t-il, référence à un géant mythologique du nom de Titin (les étudiants susceptibles d'élucider l'origine étymologique et mythologique du mot titine sont priés de nous en informer). C'est une des plus grandes protéines codées par le génome humain. La titine fait la liaison entre le disque Z et le filament épais de myosine-ii. Par sa forme, la titine est une molécule élastique qui permet d'entretenir dans le muscle le phénomène de tension passive. De plus elle permet de centrer parfaitement le filament épais de myosine-ii entre les filaments d'actine (figure 2 cidessus). RYCAJAL@aol.com /01/2009 9

10 Pour plus d'information sur la composition du disque-z de sarcomère et sa liaison avec Titine, consultez le document suivant Figure 2 - Vue de détail du sarcomère Le raccourcissement du sarcomère est provoqué par le glissement des filaments d'actine sur les filaments de myosine-ii (force motrice), déclenché par l'hydrolyse de l'atp (figure 3 ci-dessous). Remarques étymologiques Sarco, du grec muscle, équivaut au latin myo. Le vocabulaire utilise indifféremment la racine grecque ou la racine latine. Par exemple on parle de myofibrilles, assemblage de sarcomères, contenant des filaments de myosine-ii. Les myofibrilles sont entourées par du sarcoplasme (cytoplasme), contenant du réticulum sarcoplasmique (réticulum endoplasmique lisse), le tout emballé dans un sarcolemme (plasmolemme ou membrane plasmique). Le déplacement de l'actine induit par la myosine-ii Ce déplacement s'effectue selon un cycle de modifications successives. Au début du cycle, la tête de myosine-ii est attachée à l'actine. Cette interaction est de très courte durée car une molécule d'atp se lie à la tête et provoque une réduction d'affinité pour l'actine. La tête de myosine-ii s'éloigne. L'hydrolyse de l'atp s'ensuit (étape limitante) et induit un changement de la position de la tête de myosine-ii (ADP et Pi restent associés à la myosine-ii). Dans cet état, la tête s'attache de nouveau à l'actine. La perte subséquente de phosphate (Pi) remet la tête de myosine-ii à la position de départ, ce qui déplace le filament d'actine d'environ 10 nm. La perte de Pi est le moment où l'énergie libérée par l'hydrolyse de l'atp est convertie en mouvement. L'ADP se détache et est remplacé en moins d'une milliseconde par une nouvelle molécule d'atp et un nouveau cycle peut commencer. La répétition de ce cycle engendre une contraction dynamique (figure 4 ci-dessous). RYCAJAL@aol.com /01/

11 Figure 3 - Le sarcomère comme unité de contraction Figure 4 - Déplacement de l'actine (contraction du sarcomère) dû au changement de la position de la tête de myosine Du raccourcissement du sarcomère à la contraction du muscle Le cycle complet se déroule en 50 ms au cours desquelles la myosine-ii n'est solidaire de l'actine que pendant 10 ms. Ceci implique qu'une contraction soutenue d'un muscle exige une interaction coordonnée dans le temps et l'espace de plusieurs myocytes. En effet, à tout moment l'interaction actine/myosine-ii doit concerner 1/5 du potentiel total. Le sarcomère mesure RYCAJAL@aol.com /01/

12 3,4µm dans son état étiré et 2,4µm en contraction maximale. En rapide approximation, si on considère que dans un biceps humain de 20 cm les myofibrilles ont sarcomères en ligne, on peut dire que ce muscle se raccourcit de 6 cm au maximum. Cette contraction s'effectue en environ 200 millisecondes, en absence de charge. En cas de contraction statique, lorsque le poids de la charge et la force musculaire s'équilibre, l'interaction actine/myosine-ii suit le même cycle mais sans déplacement d'actine, c'est-à-dire que la myosine-ii doit être alternativement étirée et puis passivement relaxée. Dans le cas où les stocks d'atp sont épuisés, la tête de myosine-ii reste constamment solidaire de l'actine ce qui résulte en un état de rigidité qui caractérise un cadavre peu de temps après la mort (rigor mortis)! Le Ca 2+ et la troponine/tropomyosine-ii interviennent dans la régulation de la contraction du muscle L'interaction actine/myosine est hautement régulée pour prévenir les contractions musculaires indésirables (par exemple, imaginez les conséquences désastreuses sur la respiration d'une contraction des muscles intercostaux maintenue pendant quelques minutes). La contraction du muscle squelettique est déclenchée par des motoneurones qui forment des synapses spécialisées, les jonctions neuro-musculaires (ou plaques motrices) (figure 5 ci-dessous). L'ensemble constitué par un motoneurone et une ou quelques cellules musculaires est appelé «unité motrice». Le système nerveux influence la force de contraction d'un muscle : en mobilisant plus au moins d'unités motrices et en réglant la fréquence d'activation de chacune de ces unités motrices (avec un maximum de 200 potentiels d'action car chaque cycle dure 50 millisecondes) : ( Figure 5 - Induction de la contraction par un motoneurone La stimulation nerveuse des cellules musculaires entraine une augmentation de la concentration intracellulaire en Ca 2+ qui représente le signal de contraction. La dépendance de la contraction des muscles squelettiques à l'égard des ions Ca 2+ est entièrement due à une catégorie de protéines accessoires étroitement associées aux filaments d'actine. Une de ces protéines accessoires est la troponine (18 kda), qui fixe le Ca 2+. La deuxième est la tropomyosine-ii (35 kda), constituée de deux chaînes protéiques enroulées autour du filament d'actine et pouvant masquer ou démasquer le site de liaison actine/myosine-ii. En absence de Ca 2+ la tropomyosine-ii empêche la tête de myosine-ii d'interagir avec les filaments d'actine et en présence de Ca 2+, et sous influence de la troponine, la tropomyosine-ii se déplace légèrement, permettant ainsi l'interaction entre actine et myosine-ii (figure 6 ci-dessous). RYCAJAL@aol.com /01/

13 Figure 6 - La présence de Ca 2+ permet l'interaction entre la myosine et l'actine Le cycle de modification de la myosine en absence de Ca 2+ (état de repos) En absence de Ca 2+, le cycle d'hydrolyse de l'atp se déroule mais de façon plus lente (environ 1000 fois). En effet, les têtes de myosine-ii restent plus longtemps dans l'état de liaison ADP+Pi avant que le Pi et l'adp soient libérés et remplacés par une nouvelle molécule d'atp. C'est le contact actine-myosine-ii qui accélère la perte de Pi et ADP et donc le cycle d'hydrolyse. On peut ainsi prendre conscience de l'énorme demande d'atp (1000 fois) lorsque le muscle se contracte, une demande qui doit être compensée par une production mitochondriale équivalente, de façon à éventuellement soutenir une contraction prolongée. RYCAJAL@aol.com /01/