UB2 UFR SdV UE hysiologie animale E. Roux la contraction musculaire plan La Contraction musculaire et le mouvement l orgnisation du muscle le couplage excitation-contrazction biophysique du muscle exemple : sport et muscle introduction qu est-ce qu un muscle? introduction qu est-ce qu un muscle? Qu est-ce qu un muscle? muscle = tissu capable de générer une force et de la transmettre génération de la force système enzymatique : conversion de l'énergie chimique en énergie mécanique appareil contractile : système de conversion chimiomécanique NB : il existe des systèmes de transduction chimiomécanique dans des cellules non musculaires, mais sans transmission de la force. force générée? mouvements intracellulaires? déformations de la cellule? battements de cils Qu est-ce qu un muscle? muscle = tissu capable de générer une force et de la transmettre génération de la force système enzymatique : conversion de l'énergie chimique en énergie mécanique appareil contractile : système de conversion chimiomécanique transmission de la force organisation du muscle (niveaux cellulaire et tissulaire) :? transmission de la force musculaire générée? raccourcissement du muscle ou opposition à son allongement. introduction éléments de mécanique introduction les différents types de muscle variables mécaniques force longueur temps vitesse newton (N) mètre (m) seconde (sec) m/sec changement de longueur / temps travail joule (J) = N.m (? énergie) force x longueur de déplacement puissance watt (W) = N.m/sec travail/temps = force/vitesse Comment peut-on classer les différents types de muscles? critères possibles organisation interne de organisation du tissu musculaire contr ôle de l'activité musculaire par le système nerveux N/m 2 force / surface de section transversale 1
introduction les différents types de muscle introduction les différents types de muscle Comment peut-on classer les différents types de muscles? organisation interne de Comment peut-on classer les différents types de muscles? organisation du tissu musculaire myofilaments organisés en sarcomères muscles striés : muscles squelettiques et cardiaque muscles à contraction rapide et de relativement courte dur ée muscles insérés sur le squelette muscles squelettiques agissent par effet de levier? posture, locomotion... myofilaments non organisés en sarcomères muscles lisses muscles à contraction lente et maintenue ou cyclique dans la paroi d'organes creux muscles lisses et cardiaque (+ certains muscles striés) contrôlent le volume des organes? cavités cardiaques, intestin, bronches, vaisseaux sanguins... introduction les différents types de muscle introduction les différents types de muscle Comment peut-on classer les différents types de muscles? contr ôle de l'activité musculaire par le système nerveux Comment peut-on classer les différents types de muscles? classification anatomo-histologique muscles «volontaires» = sous contrôle du système nerveux moteur muscles squelettiques muscles striés muscles squelettiques muscle cardiaque muscles «involontaires» = sous contrôle du système nerveux autonome muscles lisses et cardiaque muscles lisses introduction les différents types de muscle l appareil contractile : le muscle strié Comment peut-on classer les différents types de muscles? classification fonctionnelle muscles squelettiques système nerveux moteur muscle cardiaque fibre musculaire squelettique fibres musculaires stri ées squelettiques : grandes cellules plurinucléées Ø 0,01 à 0,1 mm L : très variable muscles dans organes creux système nerveux autonome muscles lisses 2
l appareil contractile : le muscle strié l appareil contractile : le muscle strié fibre musculaire squelettique l organisation du sarcomère l organisation en sarcomères l appareil contractile : le muscle strié l appareil contractile : le muscle strié l organisation du sarcomère l organisation du sarcomère sarcomère filament épais I H filament fin disque Z A coupe longitudinale coupe transversale l appareil contractile : le muscle strié l appareil contractile : le muscle strié l organisation du sarcomère : la contraction raccourcissement du sarcomère sans raccourcissement des filaments l organisation du sarcomère : la contraction raccourcissement du sarcomère sans raccourcissement des filaments muscle relâché muscle relâché muscle contracté muscle contracté contraction : glissement des filaments fins et épais les uns sur les autres 3
les myofilaments les myofilaments les filaments fins principaux composants présents dans les filaments fins actine : monomères d actine (M = 43 000) les filaments fins monomères d'actine : s'organisent en un filament à deux brins autour de la nébuline tropomyosine : se fixe dans le sillon central. Chaque molécule de tropomyosine s'étend sur environ 7 monom ères d'actine. tropomyosine : molécule composée de deux chaînes polypeptidiques nébuline : protéine du cytosquelette filament fin de muscle strié les myofilaments les myofilaments les filaments fins muscle stri é : troponine = 3 sous-unités C, T et I prot éine r égulatrice sur le filament fin les filaments épais myosine : molécule constituée de 6 polypeptides 2 chaînes lourdes troponine 4 chaînes légères queue cou tête filament fin de muscle strié La troponine n'est pas présente dans l'appareil contractile de lisse les myofilaments les myofilaments les filaments épais organisation des myofilaments dans le sarcomère filament épais : formé par l association de plusieurs molécules de myosine (20 à 400 selon les muscles) AT AT AT Ca2+ chaînes légères : responsables de l'activité ATasique. De cette activit é ATasique d é pend la vitesse du cycle de contraction ainsi que la consommation d' AT. 4
rôle du et de l AT rôle du et de l AT AT contraction d une fibre musculaire perméabilisée perméabilisation de la membrane plasmique : le milieu intracellulaire équivaut au milieu extracellulaire contraction d une fibre musculaire perméabilisée rôle du et de l AT rôle du et de l AT 0 AT AT + AT AT + contraction d une fibre musculaire perméabilisée contraction d une fibre musculaire perméabilisée rôle du et de l AT rôle du et de l AT 0 0 AT AT + AT AT + + AT contraction d une fibre musculaire perméabilisée contraction d une fibre musculaire perméabilisée 5
rôle du et de l AT rôle du mécanisme d action du 0 0 AT myosine AT AT + contraction d une fibre musculaire perméabilisée + AT absence de tropomyosine C I? masquage du site de fixation de la myosine actine? pas de formation de pont actomyosique? pas d activité ATasique de la myosine actine T troponine (3 sous-unités) rôle du rôle du mécanisme d action du mécanisme d action du myosine présence de T tropomyosine C I? fixation du sur la troponine C actine actine présence de myosine T tropomyosine I C? fixation du sur la troponine C actine? déplacement de la troponine (T, C & I)? déplacement de la tropomyosine actine? démasquage du site de fixation de la myosine rôle du mécanisme d action du absence de masquage du site de fixation de la myosine formation du pont actomyosique présence de myosine T tropomyosine I C? fixation du sur la troponine C actine? déplacement de la troponine (T, C & I)? déplacement de la tropomyosine actine? démasquage du site de fixation de la myosine pont actomyosique pas de pont actomyosique, y compris en présence d'at. activité enzymatique de la myosine myosine = forte affinité pour l'ad et le phosphate inorganique (i) 1 i AD angle de la t ête de myosine avec l actine AD et i fixés à la t ête de myosine? angle de 90 (conformation pour laquelle l'énergie libre est minimale) AT 6
présence de fixation du sur la troponine C présence de fixé sur la troponine C déplacement de la troponine pont actomyosique pont actomyosique démasquage du site de fixation activité enzymatique de la myosine AD activité enzymatique de la myosine AD i AT i AT angle de la t ête de myosine avec l actine angle de 90 angle de la t ête de myosine avec l actine angle de 90 2 3 présence de troponine déplacée présence de troponine déplacée pont actomyosique démasquage du site de fixation formation du pont actomyosique pont actomyosique pont actomyosique formé activité enzymatique de la myosine i AD AT activité enzymatique de la myosine l'ad et i se d étachent de la t ête de myosine (faible affinit é quand myosine fix ée sur actine) i AD AT angle de la t ête de myosine avec l actine angle de 90 angle de la t ête de myosine avec l actine angle de 90 4 5 présence de troponine déplacée présence de troponine déplacée 10 nm pont actomyosique pont actomyosique formé pont actomyosique pont actomyosique formé activité enzymatique de la myosine l'ad et i détach és AT activité enzymatique de la myosine fixation de l AT sur la myosine (forte affinit é) AT 6 angle de la t ête de myosine avec l actine absence d'ad et de i :? rotation de la tête de myosine angle de 45 (é nergie minimum)? déplacement du filament d'actine par rapport au filament de myosine diminution de l'énergie libre du complexe actomyosique génération d'une force contractile 7 angle de la t ête de myosine avec l actine angle de 45 7
présence de troponine déplacée présence de troponine déplacée pont actomyosique pont actomyosique rupture du pont actomyosique AD activité enzymatique de la myosine hydrolyse de l AT en AD + i (activit é ATasique de la myosine) i activité enzymatique de la myosine présence d AD + i i AD angle de la t ête de myosine avec l actine angle de 45 angle de la t ête de myosine avec l actine angle de 45 8 8 présence de troponine déplacée pont actomyosique rupture du pont actomyosique activité enzymatique de la myosine présence d AD + i AD i i AD 8 angle de la t ête de myosine avec l actine angle de 90 (conformation d énergie libre minimale) AD AD i i 8
i AD AD i AT AD i AD i 9
rôle du et de l AT: interprétation moléculaire 0 0 AT AT + 0 AT + 0 i AD AT AT + + AT les sources d énergie rôle du et de l AT: interprétation moléculaire 0 AT + 0 AT + 0 0 AT AT énergie produite par l hydrolyse de l AT? énergie mécanique = travail : contraction musculaire 25 %? énergie thermique = chaleur 75 % AD i? réserves d AT faibles dans AT AT + + AT pas de ponts actomyosiques ponts actomyosiques verrouillés les sources d énergie les sources d énergie AT énergie produite par l hydrolyse de l AT? énergie mécanique = travail : contraction musculaire 25 %? énergie thermique = chaleur 75 %? réserves d AT faibles dans phosphocréatine réserve énerg étique d utilisation rapide : production d AT AT énergie produite par l hydrolyse de l AT? énergie mécanique = travail : contraction musculaire 25 %? énergie thermique = chaleur 75 %? réserves d AT faibles dans phosphocréatine réserve énerg étique d utilisation rapide : production d AT phosphocréatine + AD? créatine + AT phosphocréatine + AD? créatine + AT NB : chez les Invertébrés, pas de phosphocréatine mais de l arginine- phosphate NB : chez les Invertébrés, pas de phosphocréatine mais de l arginine- phosphate glycogène, acides gras réserve énerg étique d utilisation lente : catabolisme? production d AT métabolisme aérobie muscles stri és : présence de myoglobine (O 2 ) métabolisme anaérobie : production d acide lactique 10
le muscle strié le muscle strié muscle = structure hiérarchisée myofilaments muscle = structure hiérarchisée myofilaments sarcomères le muscle strié le muscle strié muscle = structure hiérarchisée myofilaments muscle = structure hiérarchisée fibre cellule comprenant plusieurs fibrilles sarcomères fibrille sarcomères en série mitochondrie réticulum sarcoplasmique le muscle strié le muscle strié muscle = structure hiérarchisée muscle = structure hiérarchisée fibre cellule comprenant plusieurs fibrilles fibre cellule comprenant plusieurs fibrilles amas de fibres cellules en faisceaux tissu conjonctif amas de fibres cellules en faisceaux tissu conjonctif muscle faisceaux musculaires zones d insertion 11
les différents types de muscles les différents types de muscles muscle strié squelettique muscle strié cardiaque plaque motrice jonction électrique organisation en sarcomères grandes cellules plurinucléées stimulation : système nerveux moteur (ACh ) chaque cellule reçoit une fibre nerveuse pas de couplage de cellule à cellule organisation en sarcomères cellules mononucléées stimulation : système nerveux autonome + hormones toutes les cellules ne sont pas innervées couplage de cellule à cellule : jonctions serrées («gap junctions») les différents types de muscles muscle lisse les différents types de muscles lisses jonction électrique pas de sarcomères cellules mononucléées stimulation : système nerveux autonome + hormones couplage de cellule à cellule : jonctions serrées («gap junctions») dans certains muscle lisses nerf les muscles lisses mono-unitaires toutes les cellules fonctionnent comme une seule unit é présence de jonctions de cellule à cellule transmission d'un potentiel d'action de cellule à cellule contraction dit phasique ex : myocytes responsables du péristaltisme intestinal. les muscle lisses pluri-unitaires les cellules fonctionnent comme plusieurs unités distinctes pas de potentiel d'action pas de propagation électrique de cellule à cellule contraction dite tonique ex : les myocytes responsables de la réactivité bronchique. NB : muscles lisses intermédiaires entre mono-unitaires et pluri -unitaires l organisation de la cellule pas d organisation en sarcomère l appareil contractile filament intermédiaire myofilament jonction mécanique jonction gap corps dense myofilaments constitu és d actine et de myosine, mais pas de sarcomères pas de troponine formation du pont actomyosique et activit é ATasique de la myosine : nécessite la phosphorylation de la chaîne légère de 20 kda de la myosine système enzymatique : Calmoduline (CaM) MLCK (kinase de la chaîne légère de la myosine) (chaîne légère de la myosine)mlc 20 MLC 20 - cellules mononucl éées en fuseau pas de tubules T nombreux filaments intermédiaires reliant les corps denses myofilaments constitu és d actine et de myosine, reliés à des corps denses MLC (phosphatase de la chaîne légère de la myosine) 12
l appareil contractile : rôle du calcium l appareil contractile : rôle du calcium absence de pas d activation de la MLCK myosine déphosphoryl ée relaxation présence de complexe -calmoduline activation de la MLCK CaM -CaM MLCK MLCK relaxation MLC 20 MLC 20 - relaxation MLC 20 MLC 20 - MLC MLC l appareil contractile : rôle du calcium l appareil contractile : les cycles de contraction présence de complexe -calmoduline activation de la MLCK myosine phosphoryl ée contraction -CaM cycle phosphorylé phosphorylation MLCK MLC 20 MLC 20 - contraction MLC l appareil contractile : les cycles de contraction l appareil contractile : les cycles de contraction cycle phosphorylé formation du pont actomyosique cycle phosphorylé rotation de la tête de myosine 13
l appareil contractile : les cycles de contraction l appareil contractile : les cycles de contraction cycle phosphorylé hydrolyse de l AT cycle phosphorylé rupture du pont actomyosique AT AT l appareil contractile : les cycles de contraction l appareil contractile : les cycles de contraction cycle partiellement déphosphorylé si pont actomyosique formé : cycle possible, mais plus lent (ponts «verrouillés») cycle partiellement déphosphorylé cycle phosphorylé AT AT AT consommation d AT consommation d AT activité ATasique de la MLC? un AT consommée par cycle de contraction activité ATasique de la MLC? un AT consommée par cycle de contraction phosphorylation de la MLC? un AT consommée à chaque phosphorylation phosphorylation de la MLC? un AT consommée à chaque phosphorylation consommation d'at AT consommation d'at AT par cycle de contraction muscle lisse > muscle stri é AT par cycle de contraction muscle lisse > muscle stri é AT MAIS vitesse muscle lisse < vitesse muscle stri é 14
consommation d AT consommation d AT activité ATasique de la MLC? un AT consommée par cycle de contraction activité ATasique de la MLC? un AT consommée par cycle de contraction phosphorylation de la MLC? un AT consommée à chaque phosphorylation phosphorylation de la MLC? un AT consommée à chaque phosphorylation consommation d'at AT consommation d'at AT par cycle de contraction muscle lisse > muscle stri é AT par cycle de contraction muscle lisse > muscle stri é AT MAIS MAIS vitesse muscle lisse < vitesse muscle stri é & cycle déphosphoryl é plus lent que cycle phosphoryl é vitesse muscle lisse < vitesse muscle stri é & cycle déphosphoryl é plus lent que cycle phosphoryl é par unité de temps muscle lisse < muscle stri é rôle du rôle du [ ] i? proportion de cycle phosphorylé / déphosphorylé [ ] i? proportion de cycle phosphorylé / déphosphorylé [ ] i élev ée : cycle phosphoryl é :? élévation rapide de la contration? consommation importante d AT ponts actomyosiques «labiles» [ ] i [ ] i mesure simultanée de la contréction et de la [ ] i mesure simultanée de la contréction et de la [ ] i rôle du [ ] i? proportion de cycle phosphorylé / déphosphorylé [ ] i élev ée : cycle phosphoryl é :? élévation rapide de la contration? consommation importante d AT ponts actomyosiques «labiles» physiologie du muscle lisse mécanisme d action du : activation enzymatique (Ca -Cam + MLCK)? possibilité de modulation de la contraction : balance MLCK / MLC existence de cycles phosphorylé / partiellement déphosphorylé [ ] i [ ] i faible : cycle d éphosphoryl é? maintien de la contration? consommation faible d AT ponts actomyosiques «verrouillés»? modulation de la vitesse de contraction? modulation de la consommation d AT? maintien de la contraction avec une faible consommation d AT (ponts actomyosiques «verrouillés») mesure simultanée de la contraction et de la [ ] i 15
structures impliquées physiologie du muscle lisse structure impliquée dans l élévation de la [ ] i mécanisme d action du : activation enzymatique (Ca -Cam + MLCK)? possibilité de modulation de la contraction : balance MLCK / MLC existence de cycles phosphorylé / partiellement déphosphorylé Fibre nerveuse efférente exemple du muscle squelettique? modulation de la vitesse de contraction? modulation de la consommation d AT? maintien de la contraction avec une faible consommation d AT (ponts actomyosiques «verrouillés») laque neuromusculaire Tubule T Milieu extracellulaire NB : l hypothèse des ponts verrouill és non formellement dé montré e. (pont actomyosique verrouillé non isol é biochimiquement) autres explications possibles à l existence de cycles de contraction d é phosphoryl és : modulation par caldesmone (CD) et calponine(c), prot é ines associ ées au filament fin prot éine Rho et MLC17 : contraction sans phosphorylation Marquage du RS Réticulum sarcoplasmique structures impliquées structures impliquées jonction neuromusculaire Tubule T et réticulum sarcoplasmique canaux sodiques canaux potassiques canaux calciques VOC : canaux calciques de la M dépendant du potentiel (voltage-operated channel ) RRy : canaux calciques du RS sensibles à la ryanodine activés par : élévation de la [ ] i couplage aux VOC vésicules synaptiques canaux calciques ACh RRy canaux calciques canaux sodiques canaux potassiques récepteurs nicotiniques mécanismes mécanismes excitation-contraction excitation-contraction V stimulation nerveuse? potentiel d action libération d ACh dans la fente synaptique ACh ACh récepteur nicotinique récepteur nicotinique 16
mécanismes mécanismes excitation-contraction excitation-contraction ouverture des récepteurs nicotiniques? potentiel de plaque potentiel d action post- synaptique ACh récepteur nicotinique récepteur nicotinique V V mécanismes mécanismes excitation-contraction excitation-contraction potentiel d action? ouverture des VOC propagation du potentiel d action V ACh V récepteur nicotinique V mécanismes mécanismes excitation-contraction excitation-contraction stimulation? potentiel d action? ouverture des VOC? entrée de dans la cellule stimulation? potentiel d action? ouverture des VOC? entrée de dans la cellule? ouverture des RRy muscle squelettique : couplage direct des RRy aux VOC muscle cardiaque : RRy activés par l élévation de la [ ] i 17
mécanismes mécanismes excitation-contraction excitation-contraction stimulation? potentiel d action? ouverture des VOC? entrée de dans la cellule? ouverture des RRy? libération de calcium du RS stimulation? potentiel d action? ouverture des VOC? entrée de dans la cellule? ouverture des RRy? libération de calcium du RS? contraction muscle cardiaque & muscle lisse muscle cardiaque & muscle lisse muscle cardiaque muscle lisse muscle mono-unitaire jonctions serrées : transmission du A de cellule à cellule jonctions serrées : transmission du A de cellule à cellule libération du du RS : pas de couplage direct VOC-RRy activation des RRy par l élévation initiale de due aux VOC modulation neurohormonale de l intensité de la contraction muscle pluri -unitaire dépolarisation mais pas de potentiel d action couplage électromécanique stimulation? dépolarisation membranaire (avec ou sans A)? ouverture des canaux calciques sensibles au potentiel? ouverture des VOC et des RRy couplage pharmacomécanique stimulation? activation d un récepteur membranaire? réaction enzymatique et production de messagers intercellulaires? libération de du RS et/ou influx de extracellulaire modulation neurohormonale de l intensité de la contraction contraction isométrique : contraction qui s effectue à longueur constante contraction isométrique : contraction qui s effectue à longueur constante stimulation 18
contraction isométrique : contraction qui s effectue à longueur constante contraction isométrique : contraction qui s effectue à longueur constante stimulation stimulation contraction isotonique : contraction qui s effectue à charge constante contraction isotonique : contraction qui s effectue à charge constante stimulation contraction isométrique : contraction qui s effectue à longueur constante contraction isométrique : contraction qui s effectue à longueur constante stimulation stimulation contraction isotonique : contraction qui s effectue à charge constante contraction isotonique : contraction qui s effectue à charge constante stimulation contraction auxotonique : contraction qui s effectue à charge et longueur variable stimulation contraction auxotonique : contraction qui s effectue à charge et longueur variable stimulation relation longueur- relation longueur- L 0 : longueur du muscle pour lequel la générée est maximal e isom étrique totale passive active isom étrique active L 0 longueur du faisceau musculaire L 0 longueur du faisceau musculaire L 0 : longueur du muscle pour lequel la gén érée est maximale les él éments élastiques sont sous toutes les t êtes de myosine peuvent se lier à l actine 19
relation longueur- relation longueur- L < L 0 L > L 0 isom étrique active isom étrique active L 0 L 0 L = 150 % L 0 longueur du faisceau musculaire les éléments élastiques ne sont pas sous longueur du faisceau musculaire toutes les têtes de myosine ne peuvent pas se lier à l actine relation -vitesse de raccourcissement relation -vitesse de raccourcissement vitesse de raccourcissement V d épend de la passive exerc ée sur le muscle vitesse de raccourcissement V d épend de la passive exerc ée sur le muscle vitesse d hydrolyse de l AT dépend de la passive exercée sur le muscle vitesse de raccourcissement V 0 0 V 0 = la vitesse maximale de raccourcissement ( nulle) initiale vitesse de raccourcissement V 0 0 V 0 = la vitesse maximale de raccourcissement ( nulle) taux de formation maximal de ponts actomyosiques force développée faible (peu de ponts actomyosiques simultan és) initiale V : dépend du nombre de sarcomères en série? V exprimée par longueur de demi - sarcomère V : dépend du nombre de sarcomères en série? V exprimée par longueur de demi - sarcomère relation -vitesse de raccourcissement force, travail, puissance vitesse de raccourcissement V d épend de la passive exerc ée sur le muscle a b c force vitesse de raccourcissement V 0 0 diminution de la vitesse de formation des ponts actomyosiques augmentation de la force (nombreux ponts simultanés) initiale passive > 1,6 active maximale rupture des ponts actomyosiques proportionnelle à la densité de ponts actomyosique densit é des filaments contractiles par surface de section musculaire = constante la longueur d'un sarcom ère = constante (2,5 µm)? proportionnelle à l'aire de section d'un muscle 39,3 à 49 N/cm2? force a = force b = ½ force c active > passive active < passive muscle rétracteur de la moule sarcomère = 25 µm force maximale gén érée =100 N/cm 2 20
force, travail, puissance force, travail, puissance a b c travail a b puissance travail = force x distance de déplacement? travail a = ½ travail b = ½ travail c travail maximal : généré pour une force équivalent à 40 % de la forece maximale (si la force augmente, le raccourcissement diminue) vitesse de raccourcissement (L 0.sec -1 ) 6 5 4 3 2 1 0 puissance = force x vitesse de raccourcissement puissance = travail / temps a b 1,0 2,0 3,0 (N.m -2 )? puissance a = puissance b sport et muscle les différentes types de fibres sport et muscle les différentes types de fibres fibres lentes, fibres rapides fibres lentes, fibres rapides vitesse de raccourcissement (L 0.sec -1 ) 6 5 4 3 2 1 0 squelettique rapide lisse vitesse de contraction : cinétique de l activité ATasique de la myosine 1,0 2,0 3,0 (N.m -2 ) squelettique lent homme : 3 types de fibres musculaires squelettiques 3 isoformes de la myosine I : fibres lentes IIa et IIx : fibres rapides (IIx > IIa) facteurs génétiques plasticité musculaire entraînement : IIx? IIa + hypertrophie musculaire exercice intensif : I? IIa innervation : paralysie? âge : fibres rapides? disparition des fibres lentes fibres lentes fibres (µm 2 /fibre) I IIa IIx marathoniens 4800 4500 4600 sprinters 5000 7300 5900 21