chapitre ii cours magistraux muscle s5 2009 2010 pdf 9

7/23/2019 Chapitre II Cours Magistraux MUSCLE S5 2009 2010 PDF 9

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Université MohammedPremier

Faculté Des SciencesDépartement De Biologie

Oujda, Maroc

Année universitaire2009 – 2010

www.sciences1.ump.ma

FILIERE SCIENCES DE LA VIEModule de Physiologie Animale

Semestre 5

Physiologie

nimale

CHAPITRE II

PHYSIOLOGIE DU MUSCLE

Professeurs.Hassane MEKHFI

Abdelkhaleq LEGSSYER

http://www.sciences1.ump.ma/





I. Introduction

La propriété physiologique de base du tissumusculaire est la contractilité : c'est à dire lacapacité de se contracter, ou de se raccourcir. En

plus, le tissu musculaire possède trois autrespropriétés importantes. L'excitabilité (ouirritabilité) est la capacité de recevoir et derépondre à un stimulus, l'extensibilité est lapossibilité de se raccourcir, et l'élasticité est la

faculté de retourner à la forme d'origine aprèsêtre étiré ou contracté. Les quatre propriétés sontliées et toutes impliquent le mouvement musculaire.La contraction musculaire est le plus familier et lemieux compris de tous les types de mouvementsdont sont capables les êtres vivants. Différents

types de muscles effectuent différents types detravaux. Chaque mouvement est assuré par unecatégorie spécialisée de muscle. Chez les vertébréspar exemple, la course, la marche, la nage et le voldépendent de la capacité du muscle squelettique dese contracter rapidement sur la charpente osseuse,alors que les mouvements involontaires tels que lepompage cardiaque et le péristaltisme intestinaldépendent respectivement de la contraction du

muscle cardiaque et du muscle lisse .

Les contractions musculaires aident également àmaintenir la posture du corps en position assise oulevée.Finalement, la contraction des musclessquelettiques produit assez de chaleur pourmaintenir la température du corps au niveau normal.En résumé, les fonctions générales du tissumusculaire sont le mouvement , la posture et la

production de chaleur .Trois types de muscles sont à distinguer :

Le muscle strié squelettique,

Le muscle strié cardiaque,Le muscle lisse.

II. Muscle squelettique

Le tissu musculaire squelettique acquiert son nomdu fait que la plupart de ces muscles sont attachésau système squelettique et assurent son

mouvement. Il est appelé aussi muscle strié car cescellules ou fibres musculaires sont caractériséespar une alternance de bandes claires et de bandes

sondes laissant apparaître une striation en

microscopie électronique. Une autre dénominationdescriptive est donnée à cette catégorie de muscle:le muscle volontaire , en raison de l'intervention denotre volonté dans l'exécution de ces mouvements.

A. Ultra structureLe muscle squelettique est constitué par un certainnombre de fibres musculaires liées entre elles parun tissu conjonctif. Les fibres musculairesregroupées en faisceau sont entourées par uneenveloppe résistante. La taille de la fibremusculaire varie de quelques micromètres àplusieurs centimètres de longueur. Elle renferme unsarcoplasme (ou un cytosol ) dans lequel baignent unou plusieurs noyaux, des mitochondries, un réseaude réticulum sarcoplasmique (RS) très développé

(réserve du calcium) et des myofibrilles . L'ensembleest entouré d'une membrane plasmique ousarcolème . Celle ci présente la particularitéd'émettre des invaginations à l'intérieur dusarcoplasme qu'on appelle tubules transverses (TT)ou système tubulaire . Les faisceaux de myofibrillesoccupent un volume cellulaire important. Ce sont deséléments cylindriques dont le nombre varie deplusieurs centaines à plusieurs milliers par fibre(figure1).

A

Physiologie du muscle



FIGURE 1. Schéma de myofibrilles.

Une alternance répétitive de deux bandescaractérisent les myofibrilles : les bandes sombres (bandes dite A ) et les bandes claires (bandes ditesI ). L'examen plus détaillé de ces bandes montre quela bande A est coupée en deux par une petite bande dite H , alors que la bande I est centrée au milieupar une ligne appelée la strie Z . La partie de la

myofibrille comprise entre deux stries Z estappelée sarcomère (figures 1B et 2). Le sarcomèreconstitue l'unité fonctionnelle de la contraction. Aurepos, le sarcomère a une longueur comprise entre 2et 2,5 µm. Chaque myofibrille est entourée par unestructure en manchon du RS qui va jusqu'à la limitedes TT pour former, aux deux extrémités de labande A, les sacs latéraux ou les citernes

terminales . L'ensemble citernes terminales etsystème tubulaire constituent une triade (figure 1).

FIGURE 2. Matériel contractile d'une cellulemusculaire squelettique vue en microscopie

électronique. On distingue les différentes bandes

issues de l'organisation des filaments fins d'actineet épais de myosine. (Professeur Lafleur)

B. Activité électrique

Comme toute cellule excitable, la cellule musculaire

squelettique est capable de changer son potentiel demembrane suite à une stimulation. Le potentield’action engendré, d’une durée approximative de 2,5ms (figure 3), est formé de deux phases : unedépolarisation (A) et une repolarisation (B). Lepotentiel d’action du muscle se propage le long du

sarcolème, des tubules transverses pour arriver auniveau de la membrane du réticulum sarcoplasmique.Les conductances ioniques mises en jeu lors del’activité électrique du muscle sont la conductance

sodique lors de la dépolarisation (canal Na+

dépendant du voltage) et la conductance potassiquelors de la repolarisation canal K+ dépendant duvoltage).

III. Protéines contractiles du sarcomère

Les travaux d'HUXLEY par la microscopieélectronique ont confirmé l'existence, au sein dusarcomère, de deux types de filaments protéiquesparallèles : le filament épais constitué de myosine etle filament fin dont l'actine est la protéinedominante (figures 4 et 5). La bande A est forméepar la superposition et l'interpénétration des deuxtypes de myofilaments, alors que la bande I est faiteuniquement des myofilaments fins d'actine.

B

Sarcomère

-80

+ 30

0

Potenteil de membrane en mV

Temps en ms

A B

FIGURE 3. Schéma du potentiel d’action du muscle

s ueletti ue

sm2

http://www.snv.jussieu.fr/vie/dossiers/muscles/

http://www.snv.jussieu.fr/vie/dossiers/muscles/



FIGURE 4. Schéma des myofilaments organisés ensarcomère (extrait de l'article "Muscle normal", parles Professeurs C. DENIS et JR. LACOUR, parudans l'EMC)

FIGURE 5. Coupetransversaled'une myofibrilleà un niveau où lesmyofilamentsépais et fins sechevauchent

A. ActineLe filament d'actine (42 kD) est fait de deuxchaînes polypeptidiques torsadées. Chaque chaîneest la résultat d'une polymérisation de plusieursmonomères d'actine globulaire (Figure 6) qui

contiennent chacun un site de liaison avec lamyosine. Tous les filaments d'actine sont attachéspar la strie Z.

FIGURE 6. Schéma du myofilament fin d'actineavec les protéines régulatrices.

B. Myosine

La molécule de myosine est une grosse protéine

contractile (470 kD). Chaque molécule estconstituée de six chaînes polypeptidiques: deux

chaînes lourdes identiques et deux paires de chaînes

légères (Figure 7). Les deux chaînes lourdes demyosine (200x2 kD) s'enroulent entre elles à partirde leur côté C terminal pour former la queue de

myosine . Du coté N-terminal chaque chaîne lourde se

déroule pour former une pelote appelée tête globulaire de myosine . Les deux têtes globulaires demyosine sont le siège d'une activité enzymatique

ATPasique dépendante du Ca++ et du Mg++, etrenferment les sites de liaison avec l'actine. Leschaînes légères de myosine de poids moléculairecompris entre 2 et 26 kD chacune, sont localiséessur les têtes globulaires à raison de deux chaînes partête. Signalant enfin que toutes les molécules demyosine sont attachées par la ligne M qui centre labande H du sarcomère.

FIGURE 7. Schéma d'une molécule de myosineavec les chaînes légères sur les têtes globulaires.

Au niveau de la bande H du sarcomère, les moléculesde myosine se chevauchent par leurs queues formantune zone dénudée de têtes globulaires. Dans les deuxautres moitiés de la bande A, les têtes globulairesde myosine émergent vers l'extrémité suivant unehélice régulière dont le pas a une valeur de 43 nm.

IV. Protéines régulatrices du sarcomère

C'est un ensemble de protéines jouant un rôlefondamental dans la régulation de la contractionmusculaire. Il s'agit de la tropomyosine et ducomplexe de troponine. Elles sont toutes situées surle filament d'actine (Figure 6).

A. Tropomyosine

C'est une double chaîne polypeptidique de poidsmoléculaire 32 kD chacune. Ayant une longueur de 35nm, elles sont disposées bout à bout dans les

A

Sarcomère

Chaînes légèresChaînes lourdes

Tête globulaire Queue



gouttières dessinées par les deux chaînes d'actine.On compte environ 50 molécules de tropomyosine par filament fin à raison d'une tropomyosine poursept actines globulaires (Figure 6). Quand le muscleest relâché, les molécules de tropomyosine

masquent les sites de liaison de myosine surl'actine.

B. Complexe de troponines

Ce complexe renferme trois sous unités : latroponine T (TnT), latroponine inhibitrice (TnI), latroponine C (TnC) (Figure 8). A l'inverse des sousunités C et I qui ont une forme globulaire, la TnT ala forme d'une queue. La TnT fixe le complexe detroponine à la tropomyosine et à l'actine. La TnImaintient les molécules de tropomyosine dans une

position sur les filaments d'actine qui cache le sitede liaison de la myosine avec l'actine. La TnCpossède des sites fixateurs de calcium. Ces sites,au nombre de quatre dans le muscle squelettique,ont des affinités différentes pour le calcium.Quand la TnC fixe le calcium, tout le complexe detroponines change de conformation. Les sites deliaison de la myosine sur l'actine sont parconséquent libérés. La tête globulaire de myosinepeut alors se lier au filament d'actine formant un

pont transversal ou pont actomyosine .

FIGURE 8. Schéma des interactions calcium-dépendantes du complexe troponine (d'après LeCarpentier Y, Coirault C, Chenk D. Régulationcellulaire et moléculaire de la contraction cardiaque.Médecine Thérapeutique 1996 ; 2 : 301-10).

V. Eléments biochimiques de la contraction

Les deux éléments biochimiques indispensables àla contraction sont le calcium (Ca++) et l'adénosinetriphosphate (ATP). Pour qu'il y ait contraction,

ces deux éléments doivent être présentssimultanément dans le cytosol. Le calcium estl'activateur de la contraction, alors que l'ATP, parl'énergie libérée à la suite de son hydrolyse,permet le pivotement des ponts transversaux etle raccourcissement du muscle.

A. Mouvements du calcium

L'évènement déclenchant de la contractionmusculaire est une augmentation de laconcentration intracellulaire en calcium. Au repos,

cette concentration est d'environ 0,1 μmol.L-1.Lors d'une stimulation, cette concentration peutgrimper jusqu'à 0,1 mmol.L-1 soit une augmentationd'un facteur 1000. Les structures membranairesresponsables des variations du calciumintracellulaire sont schématisées dans la figure 9. Le calcium provient du milieu extracellulaire,

mais principalement du RS où il est stocké enabondance. Les ions calcium diffusent dans ce casvers le cytosol grâce à des canaux calciques

présents dans la membrane réticulaire. Cescanaux sont dépendants du potentiel et nes'ouvrent que si la membrane réticulaire estdépolarisée. On note cependant l'absence de cescanaux calciques dans le sarcolème des musclessquelettiques. Un autre système peut participer à

l'augmentation du calcium cytosolique : il s'agit dusystème d'échange ou l'échangeur Na + /Ca ++ . Lorsde la contraction, le calcium entre dans la celluleen parallèle à une expulsion des ions sodium vers

le milieu extracellulaire. Cependant, l'importancefonctionnelle de ce système dépend de l'espèceanimale considérée. La caractéristique de cesystème est qu'il peut être impliqué aussi dans ladiminution du calcium cytosolique lors durelâchement musculaire, en inversant le sens desmouvements des ions calcium et sodium. Toutes fois, les ATPases ou pompes calciques représentent de loin la voie principale d'expulsiondu calcium du cytosol lors du relâchement. Ils'agit d'un transport actif s'effectuant contre le

gradient de concentration. Les plus importantesde ces pompes énergétiques sont celles situées



dans la membrane du RS et dans le sarcolème.Une autre ATPase calcique d'importance moindreest localisée dans la membrane interne desmitochondries.

B. Sources d'ATP

L'énergie nécessaire à la contraction provient del'hydrolyse de l'ATP selon la réaction suivante :

Le muscle squelettique transforme cette énergiechimique en travail mécanique avec une très grandeefficacité. Il n'y a que 30 à 50 pour cent del'énergie convertie en chaleur.L'ATP est fournie soit par la voie de la glycolysesoit par la voie de la phosphorylation oxydative.Toute fois, on ne détecte aucune différencemajeure dans les niveaux d'ATP entre un muscle aurepos et un muscle qui se contracte activement du

fait de l'existence dans la cellule musculaire d'unsystème enzymatique très efficace de régénérationd'ATP : la phosphocréatine kinase (PCK). Cetteenzyme catalyse une réaction entre un composéphosphaté encore plus réactif ; la phosphocréatine (PCr) et l'ADP pour former l'ATP et la créatine (Cr).

C'est le niveau intracellulaire de la PCr qui chuteaprès une activité musculaire même si le mécanismecontractile lui même consomme de l'ATP.

C. Types de fibres musculaires

Tous les muscles n'ont pas la même compositionbiochimique et métabolique. De même, la cinétiquede contraction et la production enzymatiqued'ATP ne sont pas les mêmes dans toutes lesfibres musculaires squelettiques.De telles variations des propriétés contractilesdu muscle ainsi que la croissance et ledéveloppement de ceux ci sont étroitementfonction de l'activité nerveuse des motoneuronesqui les innervent. Ainsi, les expériences dedénervation des fibres musculaires aboutissent à

leurs atrophies . Par contre, l'augmentation del'activité nerveuse qui accompagne une activitémusculaire répétée, provoque des modificationsde la composition chimique du muscle, susceptiblede provoquer dans certains cas l'augmentationconsidérable de la dimension des fibresmusculaires (hypertrophie ). Il semble que lespotentiels d'action des fibres nerveuses libèrentau niveau de leurs terminaisons axoniques dessubstances chimiques qui influencent l'activité

biochimique de la fibre musculaire.Parmi les différences existant entre les fibresmusculaires, on cite la vitesse de contraction quiest en partie dépendante du type de la chaînelégère présente et par conséquent de l'activitéenzymatique de l'ATPase de myosine.

En se basant sur ces différences biochimiques,métaboliques et histochimiques, les fibresmusculaires squelettiques sont groupéesprincipalement en deux types majeurs qui sont :

Fibres lentes oxydatives (I, rouges)Fibres rapides glycolytiques (II, blanches)

Les principaux points de différence entre cesfibres sont donnés dans le tableau ci-dessous :

FIGURE 9. Mouvements transmembranaires ducalcium dans la cellule musculaire

Sarcolème

Na+

Echangeur

Na

+

/Ca

++

Pompe à Ca++

Ext

Ca++

RS

Cytosol

Canal Ca++

Int

Ca++

Ca++ Ca++

Energie

PCr + ADP Cr + ATP PCK

(Réaction de Lohmann)

ATP + H2O ADP + Pi + Energie



Types et Caractéristiques Fibres lentes oxydatives Fibres rapides glycolytiques

Voie de production d'ATP Phosphorylation oxydative Glycolyse anaérobieActivité ATPase de myosine Faible Elevée

Cinétique de contraction Lente RapideActivité enzymatique glycolytique Faible Elevée

Nombre des mitochondries Elevé Peu importantNombre de myofibrilles Faible ElevéCapillaires sanguins Nombreux Peu nombreuxTaux en myoglobine Elevé (rouge) Faible (blanc)Taux en glycogène Faible ElevéTaux en triglycérides Elevé FaibleDiamètre des fibres Petit GrosVitesse de fatigabilité Lente RapideType d'exercice musculaire Lent, durable Rapide, peu durable

VI. Mécanisme de contraction

A. Rôle du calcium

Des études de structure suggèrent que dans unmuscle au repos (concentration calcique internefaible), la TnI maintient les molécules detropomyosine dans une position sur les filamentsd'actine qui masque le site de liaison de la myosinesur l'actine et inhibe ainsi toute interaction cesdeux myofilaments.Lorsque la concentration en calcium augmente lors

d'une contraction, le calcium se fixe sur la TnC(complexe Ca++-TnC). Ce complexe rompt la liaisonentre la TnI et l'actine permettant aux molécules detropomyosine de se déplacer légèrement pour

démasquer les sites de fixation, autorisant alorsl'interaction entre les têtes de myosine et lefilament d'actine (Figures 8 et 10). Les liaisonsformées entre l'actine et la myosine s"appellent les

ponts actomyosines . L'amplitude la contraction estdirectement liée au nombre de ponts actomyosinesformés, et par conséquent au niveau du calcium

intracellulaire.

B. Rôle d'ATP

La contraction musculaire est due à l'interactionentre les têtes de myosine et les filaments d'actineadjacents. Durant cette interaction, la tête demyosine, grâce à son activité enzymatique, hydrolysel'ATP. L'hydrolyse de l'ATP et la dissociationconsécutive des produits de cette hydrolyse (ADP etPi) produisent une série ordonnée de changements

allostériques dans la conformation de la myosine.

FIGURE 10. Rôle du calcium dans la contraction(Sylvian André)

Il en résulte qu'une partie de l'énergie libérée soitcouplée à la production du mouvement de la têteglobulaire.Des analyses cinétiques de l'hydrolyse de l'ATP aucours de la contraction musculaire ainsi que des

études en microscopie électronique et pardiffraction aux rayons X suggèrent la séquence des

événements illustrés dans la figure 11.(1) La myosine (M) est attachée à l'actine (A)formant ainsi le pont acto-myosine (AM).(2) Une molécule d'ATP se fixe sur la tête dufilament épais de myosine ce qui permet de ladécrocher du filament fin d'actine (-A).

(3) Grâce à l'enzyme qu'elle contient, la tête demyosine hydrolyse l'ATP et peut alors s'accrochersur l'actine (+A).(4) Le basculement de la tête de myosine faitglisser le filament d'actine vers la partie centrale

du sarcomère (Théorie de glissement desmyofilaments ). Une fois ce travail mécanique



terminé, l'ADP et le Pi se détachent de la tête demyosine et le cycle peut recommencer.La conséquence de toutes ces étapes est unraccourcissement de la longueur du sarcomère etfinalement du muscle entier.

En conclusion, l'ATP intervient en deux temps. Enpremier lieu, grâce à l'énergie issue de sonhydrolyse, l'ATP permet la contraction musculaire,alors qu'en second lieu, et par sa simple fixation surla tête de myosine, elle rompt le pont transversal endétachant le filament d'actine et induit lerelâchement du muscle.

FIGURE 11. Production de la force grâce

l'interaction entre l'actine et la myosine.

VII. Couplage Excitation - Contraction

Le couplage excitation-contraction (ou couplageélectromécanique) correspond aux mécanismespermettant l’augmentation du calcium intracellulaireet conduisant à la contraction. Dans les musclessquelettiques, cette augmentation du calcium estmajoritairement due à la libération massive d'ionscalcium stockés dans le RS.

Ce couplage fait le lien entre l'excitationmembranaire (dépolarisation du sarcolème) et la

libération du calcium stocké dans le RS. Lors d'uneexcitation, le signal électrique (PA) provenant dunerf déclenche un autre PA dans le sarcolème (voirsynapse neuromusculaire). Ce PA se propagerapidement à travers les repliements membraneuxdu système tubulaire qui entourent les myofibrilles.Le signal est alors transmis aux citernes terminalesdu RS. Lorsque la membrane du RS est à son tourdépolarisée, de larges canaux calciques voltage -

dépendant de cette membrane réticulaire s'ouvrentpermettant aux ions calcium de passer vers le

cytosol. L'augmentation rapide et transitoire ducalcium intracellulaire amorce par conséquent lacontraction simultanée de toutes les myofibrilles(Figure 12).

FIGURE 12. Couplage Excitation – Contraction(inspiré de Animal physiology, Eckert & Randall) .

Cependant, il reste un point qui a suscité l'intérêtdes chercheurs depuis longtemps : comment lesignal électrique (PA) est communiqué des TT au RSpour induire la sortie du calcium vers le cytosol ?La propagation du PA au niveau du sarcolème est

due à l'ouverture de canaux ioniques voltagesdépendants. D’autres canaux ioniques sont impliqués

Repos

Ca++

Myosine

RS

Z

Ca++

Sarcolème

Actine

TT

Ca++

ZContraction

Ca++

Potentiel d’action

Ca++ Ca++

Repos



: les canaux calciques de type L retrouvésprincipalement au niveau de la membrane destubules transverses. Ils sont également appelésrécepteurs aux dihydropyridines (DHPR ), qui ontcomme caractéristique d'être à inactivation lente

(d'ou le nom de canaux de type L, pour Late). Il y adonc un influx de calcium extracellulaireaugmentant la concentration intracellulaire.Par ailleurs, cette vague de dépolarisation pénètreau coeur de la cellule par l'intermédiaire destubules transverses. Or, ceux-ci sont au voisinageimmédiat des citernes terminales du RS au niveaudes triades (figure 1) : les deux membranes sontdistantes d'environ 15 nm. Dans la membrane desciternes terminales du RS, on trouve le récepteur à

la ryanodine (RyR1 ). Cette protéine est un canal

calcique qui arrive presque au contact de lamembrane des tubules transverses.La dépolarisation de la membrane et l'augmentationde la concentration intracellulaire en calcium due àl'ouverture des DHPR vont entraîner l'ouverture duRyR. Ce couplage, dont on ne connaît pas encoretoutes les subtilités, fait intervenir une interactiondirecte entre le DHPR activé par la dépolarisationde la membrane et le RyR. Cette interaction, vaentraîner l'ouverture du RyR, ouverture qui est

également favorisée par le calcium. Cela dit, cerésultat est obtenu même en absence de calciumextracellulaire, montrant que la seule dépolarisationde la membrane plasmique suffit à provoquerl'ouverture du RyR. Le DHPR peut ainsi êtreconsidéré comme un capteur de dépolarisation

entraînant l'ouverture du RyR probablement grâceau lien direct qui existe entre ces deux types decanaux.Dans la lumière du RS, le calcium est stocké à desconcentrations pouvant atteindre 1 mmol.L-1. Il est

en particulier lié à la calsequestrine , une protéinesoluble spécifiquement localisée dans les citernesterminales du RS, qui est capable de lier à basseaffinité un nombre important d'ions calcium (50ions calcium par molécule de calséquestrine). Or,calsequestrine et RyR sont reliés par de la triadine ,une protéine soluble. Cette organisation permet unstockage local d'importantes quantités de calcium.L'ouverture des récepteurs de la ryanodine permetun relargage massif du calcium stocké entraînantune élévation très importante de sa concentration

cytoplasmique, et ce à proximité immédiate desmyofibrilles.

D’autres part, la transmission du signal des tubulestransverses vers le RS se fait aussi par une autrevoie : l'inositol triphosphate (IP 3 ). Sur des fibres demuscle strié, l'IP3 produit par le métabolisme desphosphoinositides membranaires induit la libération

du calcium par le RS et postérieurement leurcontraction. Selon cette hypothèse, la premièreétape du couplage excitation-contraction estl'activation d'une enzyme voltage ou récepteur -dépendante : la phospholipase C (PLC) située dans lamembrane des TT près des citernes terminales duRS. La dépolarisation du sarcolème induit unevariation conformationnelle de la PLC qui passe d'unétat inactif à un état actif. Cette dernière estresponsable de la production d'IP3 et dudiacylglycérol (DAG) à partir du phosphatidyl-

inositol-diphosphate, PIP2, (Figure 13).

FIGURE 13. Libération du calcium à partir du RS

par l'IP3

L'IP3 diffuse sur une courte distance vers le RS etse fixe sur un récepteur de la membrane réticulaire.Il s'en suit l'ouverture de canaux calciques et la

libération de calcium qui diffuse vers lessarcomères. Cette libération se poursuit jusqu'à ladestruction enzymatique de l'IP3 et la fermeturedes canaux calciques. C'est une corrélationintéressante entre la structure sarcotubulaire et lafonction tubulaire. En effet, les muscles qui secontractent et se relâchent rapidement ont unréseau de RS développé et un système de TTextensif.

PIP2 IP3 + DAG

PLC (mb)

+

Ca++

Récepteur

RS

Membrane Cytosol Membrane



VIII. Relâchement musculaire

Pour qu'il y ait relâchement musculaire, il faut que leniveau de calcium cytosolique diminue. Typiquement,ce niveau revient à sa valeur de repos en 30

millisecondes. Pour cela, le calcium est pompéactivement vers le RS ou expulsé vers le milieuextracellulaire grâce à l'activité des ATPasiquecalciques. La participation du système d'échangeNa+/Ca++ (sortie Ca++, entrée Na+) est plus marquantedans les tissus musculaires où le RS est peudéveloppé (Figure 9).

IX. Muscle lisse

Le muscle lisse constitue la plupart des systèmescirculatoires, digestifs, respiratoires et uro-génitaux. Au sein d'un même système, ce tissu estdisposé en plusieurs couches musculaires, chacuneayant une orientation particulière. Cet arrangementest approprié car il permet des changements dudiamètre des vaisseaux par exemple. Contrairementau muscle squelettique, le tissu musculaire lissen'est pas connecté aux os. Il est appelé ainsi car ilne présente pas de striation en microscopieélectronique. Il est parfois désigné par la

nomination de muscle involontaire parce qu'il estcontrôlé par le système nerveux autonome , la

division involontaire du système nerveux central.

A. Données structurales et énergétiques

Les cellules des muscles lisses contiennent desfilaments épais et minces, mais ceux-ci n'ont pas lamême disposition strictement ordonnée que dans lesmuscles striés et ne semblent pas former desmyofibrilles. Les faisceaux d'actine et de myosineont une orientation oblique par rapport à l'axe

longitudinal de la cellule, et leurs contractionsraccourcirent beaucoup la cellule. Quant ausarcomère, sa longueur est controversée, troismicromètres à plusieurs dizaines de micromètresselon les auteurs. Dans tous les cas, elle est plusgrande que celle des muscles striés. Contrairementà l'actine et à la myosine, toutes les tentativesexpérimentales pour mettre en évidence ou d'isolerles troponines du muscle lisse ont échoué. A la fin,on note le développement faible du RS et l'absencedes TT. Energétiquement, les cellules du musclelisse sont peu abondantes en PCr et en ATP.

L'activité ATPasique de la myosine est faible parrapport à celle du muscle strié.

B. Activité électrique

L’activité électrique de la cellule musculaire lisse se

caractéristique par un potentiel membranaire aurepos plus positif et instable (-55 à 60 mV) parrapport à celui du muscle squelettique. Le potentield’action a une durée plus longue, plusieurs dizaines

de millisecondes et ses deux phases, dépolarisationet repolarisation, sont due respectivement à uneconductance calcique entrante et une conductancepotassique sortante.

C. Homéostasie calcique Le niveau de calcium libre dans le cytoplasme

dépend de la balance des mécanismes de salibération et de sa séquestration. L'augmentation ducalcium cytoplasmique est le résultat de son entréepar des canaux de la membrane plasmique et de salibération à partir du RS. Alors que son enlèvementdu cytosol est effectué par des pompes calciquesdu RS et de la membrane plasmique ou par l'activitédu système d'échange Na+/Ca++. L'accumulation ducalcium dans les mitochondries (par la pompecalcique mitochondriale) est peu importante dans

les conditions physiologiques.

D. Mécanisme de contraction

Comme dans le muscle squelettique, la contractiondes cellules du muscle lisse est déclenchée par uneaugmentation du niveau de calcium cytosolique. En

raison de l'absence des troponines, le calciuminteragit avec une autre protéine : la calmoduline :formation du complexe Ca++-calmoduline (Figure 14).La contraction est principalement amorcée par laphosphorylation de l'une des deux chaînes légères

de myosine. A la suite de phosphorylation, la tête demyosine peut interagir avec le filament d'actine etinduire ainsi la contraction.La phosphorylation des chaînes légères estcatalysée par une enzyme : la kinase des chaînes

légères de myosine (myosin light chain kinase ouMLCK) dont l'activité nécessite sa liaison avec lecomplexe calmoduline-calcium. La phosphorylationse produit relativement lentement de sorte que lacontraction maximale nécessite souvent près d'uneseconde (quelques millisecondes pour une cellule du

muscle strié).



La myosine dans les cellules du muscle lissehydrolyse aussi l'ATP, mais environ dix fois pluslentement (activité ATPasique de myosine lente)que dans le muscle squelettique et produit un cyclelent de ponts acto-myosines transversaux. Les

cellules du muscle lisse sont spécifiquement conçuespour une contraction lente et durable et étantcapables de maintenir une tension pour des périodesprolongées tout en hydrolysant cinq à dix moinsd'ATP que n'en exigerait une cellule du musclesquelettique pour effectuer la même tâche.Le relâchement du muscle lisse est assuré par ladéphosphorylation de la chaîne légère de myosine etpar conséquent la dissociation du pont actomyosine.Cette déphosphorylation est catalysée par uneautre enzyme : la phosphatase de chaîne légère de

myosine (myosin light chain phosphatase ou MLCP).

E. Régulation de contraction

La contraction du la cellule musculaire lisse estsujette à plusieurs types de régulation (nerveuse,hormonale). Les nucléotides cycliques (AMPc,GMPc), libérés suite à une stimulation hormonale,

diminuent la contraction en inhibant la MLCK ou enstimulant le retour du calcium vers le RS ou sonextrusion hors de la cellule par les pompescalciques. Dans certaines cellules lisses (musclelisse intestinal), l'épinephrine (hormone) parexemple, en augmentant le taux d'AMPc, induit laphosphorylation de la MLCK. Cette phosphorylationaffaiblit l'affinité de l'enzyme pour le complexeCa++-calmoduline. De cette façon, l'épinephrineinhibe la phosphorylation de la chaîne légère demyosine provoquant ainsi la détente du muscle lisse.

D’autres neurotransmetteurs, commel’acétylcholine, favorise la contraction. En

s’attachant à son récepteur cholinergique,

l’acétylcholine dépolarise la membre en activant une

conductance Na+ dépendante du récepteur (ROC).Les canaux Ca++-dépendants du potentiel (VOC)s’ouvrent et l’influx calcique augmente.

F. Couplage Excitation - Contraction

A la suite d'une stimulation de la cellule musculaire

lisse, la membrane plasmique se dépolarise. Cettedépolarisation (PA) provoque l'ouverture des canauxcalciques voltage-dépendant, laissant entrer lecalcium externe vers le cytosol. Ainsi, ce calciumparticipe directement à l'augmentation du calciumintracellulaire et donc à la contraction.

De même, l'IP3, produit grâce à la PLC membranaire(à la suite d'une dépolarisation ou de la fixationd'un agoniste sur le récepteur couplé à la PLC),provoque la libération du calcium à partir du RS.La mobilisation du calcium réticulaire peut être

aussi induite par le calcium lui-même (CICR).

ATP

ADP

Calmoduline

ComplexeCa++- CalmodulineKinase des

chaînes légèresde myosine ou

MLCK (inactive)Complexe

MLCK-Ca++-Calmoduline

(MLCK active)Myosine(inactive)

Myosine-Pi

activée

Actine Pont acto-

myosineproduisant la

contraction

Ca++ Stimulation

Phosphatase des

chaînes légères demyosine ou MLCP

Myosinedéphosphorylée

(inactive)Dissociation du

pont acto-myosine

(relâchement)

FIGURE 14. Cycle contraction – relâchementdu muscle lisse (inspiré de Human Anatomy &Physiology, Caroila et coll.) .

Pi



X. Muscle cardiaque

A. Structure

A quelques exceptions près, le muscle cardiaque oumyocarde possède la même structure que le muscle

squelettique avec des myofibrilles parfaitementarrangées en sarcomères. Le système tubulaire estorganisé en diade . Le RS et les mitochondries sontabondants dans le cœur. La particularité des fibres

cardiaques est qu'elles sont traversées par desbandes sombres et plus larges que les stries Z dumuscle squelettique. Ce sont les disques

intercalaires (Figure 15). Ces disques séparent les

cellules cardiaques au niveau des stries Z etpermettent une communication plus rapide del'impulsion d'une cellule à une autre.

FIGURE 15. Myocarde de singe. Les disques

intercalaires sont montrés par des flèches. A :bande A, I : bande I, S : sarcomère (Source :

Université de Liège, Belgique ULB 2001) .

B. Mécanisme de contraction

Il est identique à celui du muscle squelettique. Il sefait par glissement des filaments d'actine entreceux de myosine (théorie de glissement des

myofilaments).

C. Métabolisme énergétique

Le cœur est un organe très exigeant qui nécessite

un apport énergétique permanent sous forme d'ATPqui provient essentiellement de la phosphorylationoxydative. En raison de son activité cyclique mais

soutenue, le cœur doit adapter en permanence la

production d'énergie à la demande. Ce typed'activité caractérise les muscles rouges qui

fournissent une grande quantité d'énergie par lemétabolisme oxydatif. D'ailleurs, le cœur est

adapté à l'endurance plus qu'à la vitesse ou à lapuissance. Pour un cœur normalement oxygéné, les

premiers substrats utilisés in vivo sont les acides

gras, suivis du lactate, le glucose et le pyruvate.

D. Mouvements transmembranaires du

calcium

Selon son gradient transmembranaire, le calcium atendance à entrer dans la cellule cardiaque. A ladifférence de la fibre squelettique, le calcium dansle cœur intervient dans l'activité électrique (PA) et

dans l'activité mécanique (contraction). Il existetrois grands types de structures ioniques.

a. Canaux calciquesLe canal calcique intervient dans la genèse du PAcardiaque. Il est responsable de la phase du plateaudu PA (figure 16), d'où la durée élevée de celui ci.

FIGURE 16. Potentiel d'action d'une cellule dumyocarde ventriculaire (le plateau du PA est indiquépar la flèche).

Il fonctionne avec un système de porte d'activation("d ") et d'inactivation ("f "). La formule de calcul ducourant calcique (ICa, pico-Ampères) est :

gCa : la conductance calcique de base (égale à 1) ; d =le système d'activation ; f = le systèmed'inactivation ; Em = le potentiel imposé (mV) et ECa :la potentiel d'équilibre du calcium (mV).

100 ms

Na+ K+

Ca++

+ 20 mV

- 90 mV

ICa = gCa x d x f x (Em - ECa)



b. Pompe calcique

La pompe calcique ou ATPase calcique est présentedans la plupart des structures membranaires. Elle

joue un rôle important dans la régulation du calciumintracellulaire en le refoulant, contre son gradient,

hors du cytoplasme cellulaire.

c. Système d'échange Na+/Ca++

Le système d'échange Na+/Ca++ (3/1) intervientdans la corrélation des gradients de deux ionsdifférents (Na+ et Ca++) et participe à la régulationdes concentrations du calcium intracellulaire. Ils'agit d'un transporteur sensible au potentielmembranaire et aux concentrations interne etexterne du calcium et du sodium. Lors d'unedépolarisation, ce système fait entrer le calcium et

fait sortir le sodium et peut donc participer à lacontraction. Il fonctionne dans les deux sens etpeut ainsi intervenir dans le relâchement.

E. Couplage Excitation - Contraction

L'augmentation du calcium dans le cytosol, lors duPA cardiaque, déclenche la contraction dumyocarde. L'origine de ce calcium est fonction descaractéristiques ultrastructurales existant entreespèces. Ainsi, dans le cœur d'Amphibiens ou de

Mammifères nouveau nés où le réseau du RS est peudéveloppé, la contraction cardiaque est directementliée au calcium entrant par le canal calcique etmême par le système d'échange Na+/Ca++. Chez lesMammifères adultes, où le cœur renferme un

réseau réticulaire bien développé, la quantité de

calcium entrant dans la cellule lors du PA n'est passuffisante par elle même pour activer les protéinescontractiles. Cette activation se fait, au contraire,par une libération massive du calcium à partir duRS. Cette libération est déclenchée par l'entrée du

calcium lui-même (CICR). Le mécanisme possible decette libération massive est la fixation du calciumsur des sites spécifiques de la membrane du RSinduisant sa dépolarisation.La voie de l'IP3 dans le couplage excitation -contraction a été également mise en évidence.Pour qu'il y ait relâchement du muscle cardiaque, lecalcium intracellulaire doit baisser. Dans le cœur

d'Amphibiens, ce relâchement dépend de l'activitédu système d'échange Na+/Ca++ et de la pompe Ca++-

ATPase. Dans le cœur de Mammifères adultes, le

relâchement est surtout lié à la séquestration ducalcium dans le RS grâce à la pompe Ca++-ATPase

réticulaire. Les mécanismes biochimiques quicontrôlent cette séquestration passent parl'intermédiaire des phosphorylations de certainesprotéines membranaires du RS : le phospholamban (22 kD) et la Ca++-ATPase. D'autres systèmes

participent pour diminuer le calcium intracellulairecomme la Ca++-ATPase du sarcolème ainsi que lesystème d'échange Na+/Ca++.

F. Régulation intracellulaire de la

contractilité

a. Hormones et seconds messagers

Les hormones et leurs seconds messagersrégulent la contractilité cardiaque. Ainsi, lastimulation du récepteur bêta adrénergique par

les catécholamines représente un mécanisme decontrôle clef qui régule la performancemétabolique, électrique et mécanique du myocarde(figure 17). Après fixation de l'hormone sur lerécepteur bêta, une cascade de réactionentraînera la production du second messager,l'adénosine monophosphate cyclique (AMPc), àpartir de l'ATP grâce à l'adényle cyclase

membranaire (AC). L'AMPc est à l'origine denombreuses phosphorylations permettant la

régulation de la contractilité. La première étapeest l'activation de la protéine kinase A (PKA) qui ade nombreuses cibles dont le canal calciquequ'elle phosphoryle, augmentant ainsi son influxcalcique. Cette augmentation de calciumintracellulaire accentuera la libération du calcium

à partir du RS (CICR). Le résultat est uneaugmentation de la force de contraction (effetinotrope positif ).

Membrane

AC

ATP

AMPc PKA

Ca++ int

(CICR)

AMP PDE

Phosphorylations(canal Ca++)

Récepteur

Hormone

FIGURE 17.

Effet d'une stimulation hormonalesur le calcium intracellulaire



La relaxation est aussi accélérée par laséquestration du calcium qui sera stimulée par laphosphorylation de la Ca++-ATPase et duphospholamban du RS. De même, le niveau d'AMPcest limité par l'intervention d’enzymes dégradant

l'AMPc en AMP (non actif) : les phosphodiestérases (PDE) (figure 17).

b. Inositol triphosphate et diacylglycérol

Un autre système de seconds messagers est celuidu métabolisme des phosphoinositides. Sous l'effetd'agonistes, les phosphoinositides produisent, grâceà la PLC membranaire, deux seconds messagers :l'inositol triphosphate (IP3) et le diacylglycérol(DAG). L'IP3 formé va pouvoir favoriser la

libération du calcium à partir du RS. Le DAGactivera la protéine kinase C (PKC) qui vaphosphoryler un certain nombre de protéines. Parmiles protéines phosphorylées, il y a le canal calciquedont la conductance augmente.

c. Protéines contractiles

La régulation de la contractilité peut se faire parles protéines contractiles elles mêmes. L'affinité

de ces protéines contractiles pour le calcium peutêtre modifiée. De nombreux facteurs peuventmodifier la relation liant la force de contraction à laconcentration intracellulaire en calcium. Le plusconnu est le pH. Un pH acide réduit la sensibilitédes myofibrilles vis-à-vis du calcium et affaiblit la

contraction (effet inotrope négatif ).Nous insistons surtout sur les modifications à longterme des protéines contractiles. En effet, on saitqu'il existe plusieurs isoformes de protéinescontractiles, ce qui a été à l'origine du concept de

plasticité du myocarde. En ce qui concerne lamyosine, l'ATPase est constituée de plusieursisoformes dont une isoforme à activité enzymatique

rapide V2 et une isoforme à activité enzymatique

lente V3 . Dans les surcharges cardiaques, il a étémontré que la forme rapide V2 qui prédomine chezle rat adulte normal diminue et que le profilisoenzymatique devient majoritairement de typelent V3. Cette adaptation, qui permet une économied'énergie, se fait par répression du gène codantpour l'isoenzyme rapide.

Références bibliographiques :

- Livre : Human anatomy & PhysiologieRobert Carola, John P. Harley, Charles R. NobackMcGrawhill, 1990.

- Livre : Animal Physiology : Machanisms andAdaptationsEckert & RandallWH Freeman and Campany, 1983

- Livre : Le coeur : Fontionnement,Dysfonctionnement et TrantementsBernard Swynghedauw & Philippe BeaufilsINSERM-Nathan, 1995

- Certains schémas ont été inspirés de sitesinternets

chapitre ii cours magistraux muscle s5 2009 2010 pdf 9

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