Physiologie du muscle

FILIERE SCIENCES DE LA VIE
Module de Physiologie Animale
Semestre 5
Université Mohammed
Premier
Faculté Des Sciences
Département De Biologie
Oujda, Maroc
Physiologie
Animale
CHAPITRE II
PHYSIOLOGIE DU MUSCLE
Année universitaire
2009 – 2010
www.sciences1.ump.ma
Professeurs.
Hassane MEKHFI
Abdelkhaleq LEGSSYER
Physiologie du muscle
I. Introduction
La propriété physiologique de base du tissu
musculaire est la contractilité : c'est à dire la
capacité de se contracter, ou de se raccourcir. En
plus, le tissu musculaire possède trois autres
propriétés
importantes.
L'excitabilité
(ou
irritabilité) est la capacité de recevoir et de
répondre à un stimulus, l'extensibilité est la
possibilité de se raccourcir, et l'élasticité est la
faculté de retourner à la forme d'origine après
être étiré ou contracté. Les quatre propriétés sont
liées et toutes impliquent le mouvement musculaire.
La contraction musculaire est le plus familier et le
mieux compris de tous les types de mouvements
dont sont capables les êtres vivants. Différents
types de muscles effectuent différents types de
travaux. Chaque mouvement est assuré par une
catégorie spécialisée de muscle. Chez les vertébrés
par exemple, la course, la marche, la nage et le vol
dépendent de la capacité du muscle squelettique de
se contracter rapidement sur la charpente osseuse,
alors que les mouvements involontaires tels que le
pompage cardiaque et le péristaltisme intestinal
dépendent respectivement de la contraction du
muscle cardiaque et du muscle lisse.
Les contractions musculaires aident également à
maintenir la posture du corps en position assise ou
levée.
Finalement,
la
contraction
des
muscles
squelettiques produit assez de chaleur pour
maintenir la température du corps au niveau normal.
En résumé, les fonctions générales du tissu
musculaire 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 nom
du fait que la plupart de ces muscles sont attachés
au système squelettique et assurent son
mouvement. Il est appelé aussi muscle strié car ces
cellules ou fibres musculaires sont caractérisées
par une alternance de bandes claires et de bandes
sondes laissant apparaître une striation en
microscopie électronique. Une autre dénomination
descriptive est donnée à cette catégorie de muscle:
le muscle volontaire, en raison de l'intervention de
notre volonté dans l'exécution de ces mouvements.
A. Ultra structure
Le muscle squelettique est constitué par un certain
nombre de fibres musculaires liées entre elles par
un tissu conjonctif. Les fibres musculaires
regroupées en faisceau sont entourées par une
enveloppe résistante. La taille de la fibre
musculaire varie de quelques micromètres à
plusieurs centimètres de longueur. Elle renferme un
sarcoplasme (ou un cytosol) dans lequel baignent un
ou plusieurs noyaux, des mitochondries, un réseau
de réticulum sarcoplasmique (RS) très développé
(réserve du calcium) et des myofibrilles. L'ensemble
est entouré d'une membrane plasmique ou
sarcolème. Celle ci présente la particularité
d'émettre des invaginations à l'intérieur du
sarcoplasme qu'on appelle tubules transverses (TT)
ou système tubulaire. Les faisceaux de myofibrilles
occupent un volume cellulaire important. Ce sont des
éléments cylindriques dont le nombre varie de
plusieurs centaines à plusieurs milliers par fibre
(figure1).
A
B
FIGURE 1. Schéma de myofibrilles.
Une alternance répétitive de deux bandes
caractérisent les myofibrilles : les bandes sombres
(bandes dite A) et les bandes claires (bandes dites
I). L'examen plus détaillé de ces bandes montre que
la bande A est coupée en deux par une petite bande
dite H, alors que la bande I est centrée au milieu
par une ligne appelée la strie Z. La partie de la
myofibrille comprise entre deux stries Z est
appelée sarcomère (figures 1B et 2). Le sarcomère
constitue l'unité fonctionnelle de la contraction. Au
repos, le sarcomère a une longueur comprise entre 2
et 2,5 µm. Chaque myofibrille est entourée par une
structure en manchon du RS qui va jusqu'à la limite
des TT pour former, aux deux extrémités de la
bande A, les sacs latéraux ou les citernes
terminales. L'ensemble citernes terminales et
système tubulaire constituent une triade (figure 1).
Sarcomère
FIGURE 2. Matériel contractile d'une cellule
musculaire squelettique vue en microscopie
électronique. On distingue les différentes bandes
issues de l'organisation des filaments fins d'actine
et épais de myosine. (Professeur Lafleur)
B. Activité électrique
Comme toute cellule excitable, la cellule musculaire
squelettique est capable de changer son potentiel de
membrane suite à une stimulation. Le potentiel
d’action engendré, d’une durée approximative de 2,5
ms (figure 3), est formé de deux phases : une
dépolarisation (A) et une repolarisation (B). Le
potentiel d’action du muscle se propage le long du
sarcolème, des tubules transverses pour arriver au
niveau de la membrane du réticulum sarcoplasmique.
Les conductances ioniques mises en jeu lors de
l’activité électrique du muscle sont la conductance
sodique lors de la dépolarisation (canal Na+
dépendant du voltage) et la conductance potassique
lors de la repolarisation canal K+ dépendant du
voltage).
Potenteil de membrane en mV
+ 30
2 sm
0
A
B
-80
Temps en ms
FIGURE 3. Schéma du potentiel d’action du muscle
squelettique
III. Protéines contractiles du sarcomère
Les travaux d'HUXLEY par la microscopie
électronique ont confirmé l'existence, au sein du
sarcomère, de deux types de filaments protéiques
parallèles : le filament épais constitué de myosine et
le filament fin dont l'actine est la protéine
dominante (figures 4 et 5). La bande A est formée
par la superposition et l'interpénétration des deux
types de myofilaments, alors que la bande I est faite
uniquement des myofilaments fins d'actine.
Sarcomère
chaînes lourdes identiques et deux paires de chaînes
légères (Figure 7). Les deux chaînes lourdes de
A
FIGURE 4. Schéma des myofilaments organisés en
sarcomère (extrait de l'article "Muscle normal", par
les Professeurs C. DENIS et JR. LACOUR, paru
dans l'EMC)
FIGURE 5. Coupe
transversale
d'une myofibrille
à un niveau où les
myofilaments
épais et fins se
chevauchent
A. Actine
Le filament d'actine (42 kD) est fait de deux
chaînes polypeptidiques torsadées. Chaque chaîne
est la résultat d'une polymérisation de plusieurs
monomères d'actine globulaire (Figure 6) qui
contiennent chacun un site de liaison avec la
myosine. Tous les filaments d'actine sont attachés
par la strie Z.
myosine (200x2 kD) s'enroulent entre elles à partir
de 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 de
myosine sont le siège d'une activité enzymatique
ATPasique dépendante du Ca++ et du Mg++, et
renferment les sites de liaison avec l'actine. Les
chaînes légères de myosine de poids moléculaire
compris entre 2 et 26 kD chacune, sont localisées
sur les têtes globulaires à raison de deux chaînes par
tête. Signalant enfin que toutes les molécules de
myosine sont attachées par la ligne M qui centre la
bande H du sarcomère.
Chaînes légères
Tête globulaire
Chaînes lourdes
Queue
FIGURE 7. Schéma d'une molécule de myosine
avec les chaînes légères sur les têtes globulaires.
Au niveau de la bande H du sarcomère, les molécules
de myosine se chevauchent par leurs queues formant
une zone dénudée de têtes globulaires. Dans les deux
autres moitiés de la bande A, les têtes globulaires
de myosine émergent vers l'extrémité suivant une
hélice régulière dont le pas a une valeur de 43 nm.
IV. Protéines régulatrices du sarcomère
FIGURE 6. Schéma du myofilament fin d'actine
avec les protéines régulatrices.
B. Myosine
La molécule de myosine est une grosse protéine
contractile (470 kD). Chaque molécule est
constituée de six chaînes polypeptidiques: deux
C'est un ensemble de protéines jouant un rôle
fondamental dans la régulation de la contraction
musculaire. Il s'agit de la tropomyosine et du
complexe de troponine. Elles sont toutes situées sur
le filament d'actine (Figure 6).
A. Tropomyosine
C'est une double chaîne polypeptidique de poids
moléculaire 32 kD chacune. Ayant une longueur de 35
nm, elles sont disposées bout à bout dans les
gouttières dessinées par les deux chaînes d'actine.
On compte environ 50 molécules de tropomyosine
par filament fin à raison d'une tropomyosine pour
sept actines globulaires (Figure 6). Quand le muscle
est relâché, les molécules de tropomyosine
masquent les sites de liaison de myosine sur
l'actine.
B. Complexe de troponines
Ce complexe renferme trois sous unités : la
troponine T (TnT), latroponine inhibitrice (TnI), la
troponine C (TnC) (Figure 8). A l'inverse des sous
unités C et I qui ont une forme globulaire, la TnT a
la forme d'une queue. La TnT fixe le complexe de
troponine à la tropomyosine et à l'actine. La TnI
maintient les molécules de tropomyosine dans une
position sur les filaments d'actine qui cache le site
de liaison de la myosine avec l'actine. La TnC
possède 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 de
troponines change de conformation. Les sites de
liaison de la myosine sur l'actine sont par
conséquent libérés. La tête globulaire de myosine
peut alors se lier au filament d'actine formant un
pont transversal ou pont actomyosine.
FIGURE 8. Schéma des interactions calciumdépendantes du complexe troponine (d'après Le
Carpentier Y, Coirault C, Chenk D. Régulation
cellulaire et moléculaire de la contraction cardiaque.
Médecine Thérapeutique 1996 ; 2 : 301-10).
V. Eléments biochimiques de la contraction
Les deux éléments biochimiques indispensables à
la contraction sont le calcium (Ca++) et l'adénosine
triphosphate (ATP). Pour qu'il y ait contraction,
ces deux éléments doivent être présents
simultanément dans le cytosol. Le calcium est
l'activateur de la contraction, alors que l'ATP, par
l'énergie libérée à la suite de son hydrolyse,
permet le pivotement des ponts transversaux et
le raccourcissement du muscle.
A. Mouvements du calcium
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 1000. Les structures membranaires
responsables
des
variations
du
calcium
intracellulaire sont schématisées dans la figure 9.
 Le calcium provient du milieu extracellulaire,
mais principalement du RS où il est stocké en
abondance. Les ions calcium diffusent dans ce cas
vers le cytosol grâce à des canaux calciques
présents dans la membrane réticulaire. Ces
canaux sont dépendants du potentiel et ne
s'ouvrent que si la membrane réticulaire est
dépolarisée. On note cependant l'absence de ces
canaux calciques dans le sarcolème des muscles
squelettiques.
 Un autre système peut participer à
l'augmentation du calcium cytosolique : il s'agit du
système d'échange ou l'échangeur Na+/Ca++. Lors
de la contraction, le calcium entre dans la cellule
en parallèle à une expulsion des ions sodium vers
le milieu extracellulaire. Cependant, l'importance
fonctionnelle de ce système dépend de l'espèce
animale considérée. La caractéristique de ce
système est qu'il peut être impliqué aussi dans la
diminution du calcium cytosolique lors du
relâchement musculaire, en inversant le sens des
mouvements des ions calcium et sodium.
 Toutes fois, les ATPases ou pompes calciques
représentent de loin la voie principale d'expulsion
du calcium du cytosol lors du relâchement. Il
s'agit d'un transport actif s'effectuant contre le
gradient de concentration. Les plus importantes
de ces pompes énergétiques sont celles situées
dans la membrane du RS et dans le sarcolème.
Une autre ATPase calcique d'importance moindre
est localisée dans la membrane interne des
mitochondries.
Sarcolème
 Ca++
 Ca++
C'est le niveau intracellulaire de la PCr qui chute
après une activité musculaire même si le mécanisme
contractile lui même consomme de l'ATP.
Ext
Cytosol
Int
RS
Canal Ca++
Ca++
Energie
Na+
Ca++
Echangeur
Na+/Ca++
Pompe à Ca++
FIGURE 9. Mouvements transmembranaires du
calcium dans la cellule musculaire
B. Sources d'ATP
L'énergie nécessaire à la contraction provient de
l'hydrolyse de l'ATP selon la réaction suivante :
ATP + H2O
ADP + Pi + Energie
Le muscle squelettique transforme cette énergie
chimique en travail mécanique avec une très grande
efficacité. Il n'y a que 30 à 50 pour cent de
l'énergie convertie en chaleur.
L'ATP est fournie soit par la voie de la glycolyse
soit par la voie de la phosphorylation oxydative.
Toute fois, on ne détecte aucune différence
majeure dans les niveaux d'ATP entre un muscle au
repos et un muscle qui se contracte activement du
fait de l'existence dans la cellule musculaire d'un
système enzymatique très efficace de régénération
d'ATP : la phosphocréatine kinase (PCK). Cette
enzyme catalyse une réaction entre un composé
phosphaté encore plus réactif ; la phosphocréatine
(PCr) et l'ADP pour former l'ATP et la créatine
(Cr).
PCr + ADP
PCK
Cr + ATP
(Réaction de Lohmann)
C. Types de fibres musculaires
Tous les muscles n'ont pas la même composition
biochimique et métabolique. De même, la cinétique
de contraction et la production enzymatique
d'ATP ne sont pas les mêmes dans toutes les
fibres musculaires squelettiques.
De telles variations des propriétés contractiles
du muscle ainsi que la croissance et le
développement de ceux ci sont étroitement
fonction de l'activité nerveuse des motoneurones
qui les innervent. Ainsi, les expériences de
dénervation des fibres musculaires aboutissent à
leurs atrophies. Par contre, l'augmentation de
l'activité nerveuse qui accompagne une activité
musculaire répétée, provoque des modifications
de la composition chimique du muscle, susceptible
de provoquer dans certains cas l'augmentation
considérable de la dimension des fibres
musculaires (hypertrophie). Il semble que les
potentiels d'action des fibres nerveuses libèrent
au niveau de leurs terminaisons axoniques des
substances chimiques qui influencent l'activité
biochimique de la fibre musculaire.
Parmi les différences existant entre les fibres
musculaires, on cite la vitesse de contraction qui
est en partie dépendante du type de la chaîne
légère présente et par conséquent de l'activité
enzymatique de l'ATPase de myosine.
En se basant sur ces différences biochimiques,
métaboliques et histochimiques, les fibres
musculaires
squelettiques
sont
groupées
principalement en deux types majeurs qui sont :
Fibres lentes oxydatives (I, rouges)
Fibres rapides glycolytiques (II, blanches)
Les principaux points de différence entre ces
fibres sont donnés dans le tableau ci-dessous :
Types et Caractéristiques
Voie de production d'ATP
Activité ATPase de myosine
Cinétique de contraction
Activité enzymatique glycolytique
Nombre des mitochondries
Nombre de myofibrilles
Capillaires sanguins
Taux en myoglobine
Taux en glycogène
Taux en triglycérides
Diamètre des fibres
Vitesse de fatigabilité
Type d'exercice musculaire
Fibres lentes oxydatives
Phosphorylation oxydative
Faible
Lente
Faible
Elevé
Faible
Nombreux
Elevé (rouge)
Faible
Elevé
Petit
Lente
Lent, durable
Fibres rapides glycolytiques
Glycolyse anaérobie
Elevée
Rapide
Elevée
Peu important
Elevé
Peu nombreux
Faible (blanc)
Elevé
Faible
Gros
Rapide
Rapide, peu durable
VI. Mécanisme de contraction
A. Rôle du calcium
Des études de structure suggèrent que dans un
muscle au repos (concentration calcique interne
faible), la TnI maintient les molécules de
tropomyosine dans une position sur les filaments
d'actine qui masque le site de liaison de la myosine
sur l'actine et inhibe ainsi toute interaction ces
deux 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 liaison
entre la TnI et l'actine permettant aux molécules de
tropomyosine de se déplacer légèrement pour
démasquer les sites de fixation, autorisant alors
l'interaction entre les têtes de myosine et le
filament d'actine (Figures 8 et 10). Les liaisons
formées entre l'actine et la myosine s"appellent les
ponts actomyosines. L'amplitude la contraction est
directement liée au nombre de ponts actomyosines
formés, et par conséquent au niveau du calcium
intracellulaire.
B. Rôle d'ATP
La contraction musculaire est due à l'interaction
entre les têtes de myosine et les filaments d'actine
adjacents. Durant cette interaction, la tête de
myosine, grâce à son activité enzymatique, hydrolyse
l'ATP. L'hydrolyse de l'ATP et la dissociation
consécutive des produits de cette hydrolyse (ADP et
Pi) 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 soit
couplée à la production du mouvement de la tête
globulaire.
Des analyses cinétiques de l'hydrolyse de l'ATP au
cours de la contraction musculaire ainsi que des
études en microscopie électronique et par
diffraction 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 du
filament épais de myosine ce qui permet de la
décrocher du filament fin d'actine (-A).
(3) Grâce à l'enzyme qu'elle contient, la tête de
myosine hydrolyse l'ATP et peut alors s'accrocher
sur l'actine (+A).
(4) Le basculement de la tête de myosine fait
glisser le filament d'actine vers la partie centrale
du sarcomère (Théorie de glissement des
myofilaments). Une fois ce travail mécanique
terminé, l'ADP et le Pi se détachent de la tête de
myosine et le cycle peut recommencer.
La conséquence de toutes ces étapes est un
raccourcissement de la longueur du sarcomère et
finalement du muscle entier.
En conclusion, l'ATP intervient en deux temps. En
premier lieu, grâce à l'énergie issue de son
hydrolyse, l'ATP permet la contraction musculaire,
alors qu'en second lieu, et par sa simple fixation sur
la tête de myosine, elle rompt le pont transversal en
détachant le filament d'actine et induit le
relâchement du muscle.
cytosol. L'augmentation rapide et transitoire du
calcium intracellulaire amorce par conséquent la
contraction simultanée de toutes les myofibrilles
(Figure 12).
TT
Sarcolème
Ca++
Ca++
RS
Actine
Myosine
Z
Repos
Repos
Potentiel d’action
FIGURE 11. Production de la force grâce
l'interaction entre l'actine et la myosine.
VII. Couplage Excitation - Contraction
Le couplage excitation-contraction (ou couplage
électromécanique) correspond aux mécanismes
permettant l’augmentation du calcium intracellulaire
et conduisant à la contraction. Dans les muscles
squelettiques, cette augmentation du calcium est
majoritairement due à la libération massive d'ions
calcium stockés dans le RS.
Ce couplage fait le lien entre l'excitation
membranaire (dépolarisation du sarcolème) et la
libération du calcium stocké dans le RS. Lors d'une
excitation, le signal électrique (PA) provenant du
nerf déclenche un autre PA dans le sarcolème (voir
synapse neuromusculaire). Ce PA se propage
rapidement à travers les repliements membraneux
du système tubulaire qui entourent les myofibrilles.
Le signal est alors transmis aux citernes terminales
du RS. Lorsque la membrane du RS est à son tour
dépolarisée, de larges canaux calciques voltage dépendant de cette membrane réticulaire s'ouvrent
permettant aux ions calcium de passer vers le
Contraction
Ca++
Ca++
Ca++
Ca++
Z
FIGURE 12. Couplage Excitation – Contraction
(inspiré de Animal physiology, Eckert & Randall).
Cependant, il reste un point qui a suscité l'intérêt
des chercheurs depuis longtemps : comment le
signal électrique (PA) est communiqué des TT au RS
pour induire la sortie du calcium vers le cytosol ?
La propagation du PA au niveau du sarcolème est
due à l'ouverture de canaux ioniques voltages
dépendants. D’autres canaux ioniques sont impliqués
: les canaux calciques de type L retrouvés
principalement au niveau de la membrane des
tubules transverses. Ils sont 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). Il y a
donc un influx de calcium extracellulaire
augmentant la concentration intracellulaire.
Par ailleurs, cette 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 RS au niveau
des triades (figure 1) : les deux membranes sont
distantes d'environ 15 nm. Dans la membrane des
citernes terminales du RS, on trouve le récepteur à
la ryanodine (RyR1). Cette protéine est un canal
calcique 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 vont entraîner l'ouverture du
RyR. Ce couplage, dont on ne connaît 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. 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 capteur de dépolarisation
entraînant l'ouverture du RyR probablement grâce
au lien direct qui existe entre ces deux types de
canaux.
Dans la lumière du RS, 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 RS, qui est capable de lier à basse
affinité un nombre important d'ions calcium (50
ions calcium par 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.
D’autres part, la transmission du signal des tubules
transverses vers le RS se fait aussi par une autre
voie : l'inositol triphosphate (IP3). Sur des fibres de
muscle strié, l'IP3 produit par le métabolisme des
phosphoinositides membranaires induit la libération
du calcium par le RS et postérieurement leur
contraction. Selon cette hypothèse, la première
étape du couplage excitation-contraction est
l'activation d'une enzyme voltage ou récepteur dépendante : la phospholipase C (PLC) située dans la
membrane des TT près des citernes terminales du
RS. La dépolarisation du sarcolème induit une
variation conformationnelle de la PLC qui passe d'un
état inactif à un état actif. Cette dernière est
responsable de la production d'IP3 et du
diacylglycérol (DAG) à partir du phosphatidylinositol-diphosphate, PIP2, (Figure 13).
RS
Récepteur
PLC (mb)
+
PIP2
Membrane
IP3 + DAG
 Ca++
Cytosol Membrane
FIGURE 13. Libération du calcium à partir du RS
par l'IP3
L'IP3 diffuse sur une courte distance vers le RS et
se 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 les
sarcomères. Cette libération se poursuit jusqu'à la
destruction enzymatique de l'IP3 et la fermeture
des canaux calciques. C'est une corrélation
intéressante entre la structure sarcotubulaire et la
fonction tubulaire. En effet, les muscles qui se
contractent et se relâchent rapidement ont un
réseau de RS développé et un système de TT
extensif.
VIII. Relâchement musculaire
Pour qu'il y ait relâchement musculaire, il faut que le
niveau de calcium cytosolique diminue. Typiquement,
ce niveau revient à sa valeur de repos en 30
millisecondes. Pour cela, le calcium est pompé
activement vers le RS ou expulsé vers le milieu
extracellulaire grâce à l'activité des ATPasique
calciques. La participation du système d'échange
Na+/Ca++ (sortie Ca++, entrée Na+) est plus marquante
dans les tissus musculaires où le RS est peu
développé (Figure 9).
IX. Muscle lisse
Le muscle lisse constitue la plupart des systèmes
circulatoires, digestifs, respiratoires et urogénitaux. Au sein d'un même système, ce tissu est
disposé en plusieurs couches musculaires, chacune
ayant une orientation particulière. Cet arrangement
est approprié car il permet des changements du
diamètre des vaisseaux par exemple. Contrairement
au muscle squelettique, le tissu musculaire lisse
n'est pas connecté aux os. Il est appelé ainsi car il
ne présente pas de striation en microscopie
électronique. Il est parfois désigné par la
nomination de muscle involontaire parce qu'il est
contrôlé par le système nerveux autonome, la
division involontaire du système nerveux central.
A. Données structurales et énergétiques
Les cellules des muscles lisses contiennent des
filaments épais et minces, mais ceux-ci n'ont pas la
même disposition strictement ordonnée que dans les
muscles striés et ne semblent pas former des
myofibrilles. Les faisceaux d'actine et de myosine
ont une orientation oblique par rapport à l'axe
longitudinal de la cellule, et leurs contractions
raccourcirent beaucoup la cellule. Quant au
sarcomère, sa longueur est controversée, trois
micromètres à plusieurs dizaines de micromètres
selon les auteurs. Dans tous les cas, elle est plus
grande que celle des muscles striés. Contrairement
à l'actine et à la myosine, toutes les tentatives
expérimentales pour mettre en évidence ou d'isoler
les troponines du muscle lisse ont échoué. A la fin,
on note le développement faible du RS et l'absence
des TT. Energétiquement, les cellules du muscle
lisse sont peu abondantes en PCr et en ATP.
L'activité ATPasique de la myosine est faible par
rapport à celle du muscle strié.
B. Activité électrique
L’activité électrique de la cellule musculaire lisse se
caractéristique par un potentiel membranaire au
repos plus positif et instable (-55 à 60 mV) par
rapport à celui du muscle squelettique. Le potentiel
d’action a une durée plus longue, plusieurs dizaines
de millisecondes et ses deux phases, dépolarisation
et repolarisation, sont due respectivement à une
conductance calcique entrante et une conductance
potassique sortante.
C. Homéostasie calcique
Le niveau de calcium libre dans le cytoplasme
dépend de la balance des mécanismes de sa
libération et de sa séquestration. L'augmentation du
calcium cytoplasmique est le résultat de son entrée
par des canaux de la membrane plasmique et de sa
libération à partir du RS. Alors que son enlèvement
du cytosol est effectué par des pompes calciques
du RS et de la membrane plasmique ou par l'activité
du système d'échange Na+/Ca++. L'accumulation du
calcium dans les mitochondries (par la pompe
calcique mitochondriale) est peu importante dans
les conditions physiologiques.
D. Mécanisme de contraction
Comme dans le muscle squelettique, la contraction
des cellules du muscle lisse est déclenchée par une
augmentation du niveau de calcium cytosolique. En
raison de l'absence des troponines, le calcium
interagit avec une autre protéine : la calmoduline :
formation du complexe Ca++-calmoduline (Figure 14).
La contraction est principalement amorcée par la
phosphorylation de l'une des deux chaînes légères
de myosine. A la suite de phosphorylation, la tête de
myosine peut interagir avec le filament d'actine et
induire ainsi la contraction.
La phosphorylation des chaînes légères est
catalysée par une enzyme : la kinase des chaînes
légères de myosine (myosin light chain kinase ou
MLCK) dont l'activité nécessite sa liaison avec le
complexe calmoduline-calcium. La phosphorylation
se produit relativement lentement de sorte que la
contraction maximale nécessite souvent près d'une
seconde (quelques millisecondes pour une cellule du
muscle strié).
La myosine dans les cellules du muscle lisse
hydrolyse aussi l'ATP, mais environ dix fois plus
lentement (activité ATPasique de myosine lente)
que dans le muscle squelettique et produit un cycle
lent de ponts acto-myosines transversaux. Les
cellules du muscle lisse sont spécifiquement conçues
pour une contraction lente et durable et étant
capables de maintenir une tension pour des périodes
prolongées tout en hydrolysant cinq à dix moins
d'ATP que n'en exigerait une cellule du muscle
squelettique pour effectuer la même tâche.
Le relâchement du muscle lisse est assuré par la
déphosphorylation de la chaîne légère de myosine et
par conséquent la dissociation du pont actomyosine.
Cette déphosphorylation est catalysée par une
autre enzyme : la phosphatase de chaîne légère de
myosine (myosin light chain phosphatase ou MLCP).
Stimulation
Ca++
Calmoduline
Complexe
Ca++- Calmoduline
Kinase des
chaînes légères
de myosine ou
MLCK (inactive)
Complexe
MLCK-Ca++Calmoduline
(MLCK active)
Myosine
(inactive)
ATP
ADP
Actine
Pont actomyosine
produisant la
contraction
Phosphatase des
chaînes légères de
myosine ou MLCP
Dissociation du
pont actomyosine
(relâchement)
Myosine-Pi
activée
Pi
Myosine
déphosphorylée
(inactive)
FIGURE 14. Cycle contraction – relâchement
du muscle lisse (inspiré de Human Anatomy &
Physiology, Caroila et coll.).
E. Régulation de contraction
La contraction du la cellule musculaire lisse est
sujette 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 en
stimulant le retour du calcium vers le RS ou son
extrusion hors de la cellule par les pompes
calciques. Dans certaines cellules lisses (muscle
lisse intestinal), l'épinephrine (hormone) par
exemple, en augmentant le taux d'AMPc, induit la
phosphorylation de la MLCK. Cette phosphorylation
affaiblit l'affinité de l'enzyme pour le complexe
Ca++-calmoduline. De cette façon, l'épinephrine
inhibe la phosphorylation de la chaîne légère de
myosine provoquant ainsi la détente du muscle lisse.
D’autres
neurotransmetteurs,
comme
l’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. Cette
dépolarisation (PA) provoque l'ouverture des canaux
calciques voltage-dépendant, laissant entrer le
calcium externe vers le cytosol. Ainsi, ce calcium
participe directement à l'augmentation du calcium
intracellulaire et donc à la contraction.
De même, l'IP3, produit grâce à la PLC membranaire
(à la suite d'une dépolarisation ou de la fixation
d'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).
X. Muscle cardiaque
A. Structure
A quelques exceptions près, le muscle cardiaque ou
myocarde possède la même structure que le muscle
squelettique avec des myofibrilles parfaitement
arrangées en sarcomères. Le système tubulaire est
organisé en diade. Le RS et les mitochondries sont
abondants dans le cœur. La particularité des fibres
cardiaques est qu'elles sont traversées par des
bandes sombres et plus larges que les stries Z du
muscle squelettique. Ce sont les disques
intercalaires (Figure 15). Ces disques séparent les
cellules cardiaques au niveau des stries Z et
permettent une communication plus rapide de
l'impulsion d'une cellule à une autre.
fournissent une grande quantité d'énergie par le
métabolisme oxydatif. D'ailleurs, le cœur est
adapté à l'endurance plus qu'à la vitesse ou à la
puissance. 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 a
tendance à entrer dans la cellule cardiaque. A la
différence de la fibre squelettique, le calcium dans
le cœur intervient dans l'activité électrique (PA) et
dans l'activité mécanique (contraction). Il existe
trois grands types de structures ioniques.
a. Canaux calciques
Le canal calcique intervient dans la genèse du PA
cardiaque. Il est responsable de la phase du plateau
du PA (figure 16), d'où la durée élevée de celui ci.
+ 20 mV
Ca++
Na+
K+
- 90 mV
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 se
fait par glissement des filaments d'actine entre
ceux 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'ATP
qui provient essentiellement de la phosphorylation
oxydative. En raison de son activité cyclique mais
soutenue, le cœur doit adapter en permanence la
production d'énergie à la demande. Ce type
d'activité caractérise les muscles rouges qui
100 ms
FIGURE 16. Potentiel d'action d'une cellule du
myocarde ventriculaire (le plateau du PA est indiqué
par la flèche).
Il fonctionne avec un système de porte d'activation
("d") et d'inactivation ("f"). La formule de calcul du
courant calcique (ICa, pico-Ampères) est :
ICa = gCa x d x f x (Em - ECa)
gCa : la conductance calcique de base (égale à 1) ; d =
le système d'activation ; f = le système
d'inactivation ; Em = le potentiel imposé (mV) et ECa :
la potentiel d'équilibre du calcium (mV).
b. Pompe calcique
La pompe calcique ou ATPase calcique est présente
dans la plupart des structures membranaires. Elle
joue un rôle important dans la régulation du calcium
intracellulaire en le refoulant, contre son gradient,
hors du cytoplasme cellulaire.
c. Système d'échange Na+/Ca++
Le système d'échange Na+/Ca++ (3/1) intervient
dans la corrélation des gradients de deux ions
différents (Na+ et Ca++) et participe à la régulation
des concentrations du calcium intracellulaire. Il
s'agit d'un transporteur sensible au potentiel
membranaire et aux concentrations interne et
externe du calcium et du sodium. Lors d'une
dépolarisation, ce système fait entrer le calcium et
fait sortir le sodium et peut donc participer à la
contraction. Il fonctionne dans les deux sens et
peut ainsi intervenir dans le relâchement.
E. Couplage Excitation - Contraction
L'augmentation du calcium dans le cytosol, lors du
PA cardiaque, déclenche la contraction du
myocarde. L'origine de ce calcium est fonction des
caractéristiques ultrastructurales existant entre
espèces. Ainsi, dans le cœur d'Amphibiens ou de
Mammifères nouveau nés où le réseau du RS est peu
développé, la contraction cardiaque est directement
liée au calcium entrant par le canal calcique et
même par le système d'échange Na+/Ca++. Chez les
Mammifères adultes, où le cœur renferme un
réseau réticulaire bien développé, la quantité de
calcium entrant dans la cellule lors du PA n'est pas
suffisante par elle même pour activer les protéines
contractiles. Cette activation se fait, au contraire,
par une libération massive du calcium à partir du
RS. Cette libération est déclenchée par l'entrée du
calcium lui-même (CICR). Le mécanisme possible de
cette libération massive est la fixation du calcium
sur des sites spécifiques de la membrane du RS
induisant 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, le
calcium intracellulaire doit baisser. Dans le cœur
d'Amphibiens, ce relâchement dépend de l'activité
du 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 du
calcium dans le RS grâce à la pompe Ca++-ATPase
réticulaire. Les mécanismes biochimiques qui
contrôlent cette séquestration passent par
l'intermédiaire des phosphorylations de certaines
protéines membranaires du RS : le phospholamban
(22 kD) et la Ca++-ATPase. D'autres systèmes
participent pour diminuer le calcium intracellulaire
comme la Ca++-ATPase du sarcolème ainsi que le
système d'échange Na+/Ca++.
F. Régulation
contractilité
intracellulaire
de
la
a. Hormones et seconds messagers
Les hormones et leurs seconds messagers
régulent la contractilité cardiaque. Ainsi, la
stimulation du récepteur bêta adrénergique par
les catécholamines représente un mécanisme de
contrôle clef qui régule la performance
métabolique, électrique et mécanique du myocarde
(figure 17). Après fixation de l'hormone sur le
récepteur bêta, une cascade de réaction
entraînera la production du second messager,
l'adénosine monophosphate cyclique (AMPc), à
partir de l'ATP grâce à l'adényle cyclase
membranaire (AC). L'AMPc est à l'origine de
nombreuses phosphorylations permettant la
régulation de la contractilité. La première étape
est l'activation de la protéine kinase A (PKA) qui a
de nombreuses cibles dont le canal calcique
qu'elle phosphoryle, augmentant ainsi son influx
calcique.
Cette
augmentation
de
calcium
intracellulaire accentuera la libération du calcium
à partir du RS (CICR). Le résultat est une
augmentation de la force de contraction (effet
inotrope positif).
Membrane
 Ca++ int
(CICR)
ATP
Hormone
AC
Récepteur
AMPc
PDE
PKA
Phosphorylations
(canal Ca++)
AMP
FIGURE 17. Effet d'une stimulation hormonale
sur le calcium intracellulaire
La relaxation est aussi accélérée par la
séquestration du calcium qui sera stimulée par la
phosphorylation de la Ca++-ATPase et du
phospholamban du RS. De même, le niveau d'AMPc
est 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 celui
du métabolisme des phosphoinositides. Sous l'effet
d'agonistes, les phosphoinositides produisent, grâce
à 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 DAG
activera la protéine kinase C (PKC) qui va
phosphoryler un certain nombre de protéines. Parmi
les protéines phosphorylées, il y a le canal calcique
dont la conductance augmente.
c. Protéines contractiles
La régulation de la contractilité peut se faire par
les protéines contractiles elles mêmes. L'affinité
de ces protéines contractiles pour le calcium peut
être modifiée. De nombreux facteurs peuvent
modifier la relation liant la force de contraction à la
concentration intracellulaire en calcium. Le plus
connu est le pH. Un pH acide réduit la sensibilité
des myofibrilles vis-à-vis du calcium et affaiblit la
contraction (effet inotrope négatif).
Nous insistons surtout sur les modifications à long
terme des protéines contractiles. En effet, on sait
qu'il existe plusieurs isoformes de protéines
contractiles, ce qui a été à l'origine du concept de
plasticité du myocarde. En ce qui concerne la
myosine, l'ATPase est constituée de plusieurs
isoformes dont une isoforme à activité enzymatique
rapide V2 et une isoforme à activité enzymatique
lente V3. Dans les surcharges cardiaques, il a été
montré que la forme rapide V2 qui prédomine chez
le rat adulte normal diminue et que le profil
isoenzymatique devient majoritairement de type
lent V3. Cette adaptation, qui permet une économie
d'énergie, se fait par répression du gène codant
pour l'isoenzyme rapide.
Références bibliographiques :
- Livre : Human anatomy & Physiologie
Robert Carola, John P. Harley, Charles R. Noback
McGrawhill, 1990.
- Livre : Animal Physiology : Machanisms and
Adaptations
Eckert & Randall
WH Freeman and Campany, 1983
- Livre : Le coeur : Fontionnement,
Dysfonctionnement et Trantements
Bernard Swynghedauw & Philippe Beaufils
INSERM-Nathan, 1995
- Certains schémas ont été inspirés de sites
internets