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13.9 : Contraction et relaxation des fibres musculaires - Biologie

13.9 : Contraction et relaxation des fibres musculaires - Biologie


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Objectifs d'apprentissage

  • Décrire les composants impliqués dans une contraction musculaire
  • Expliquer comment les muscles se contractent et se détendent
  • Décrire le modèle de filament glissant de la contraction musculaire

La séquence d'événements qui aboutit à la contraction d'une fibre musculaire individuelle commence par un signal - le neurotransmetteur, ACh - provenant du motoneurone innervant cette fibre. La membrane locale de la fibre se dépolarise sous forme d'ions sodium chargés positivement (Na+) entrent, déclenchant un potentiel d'action qui se propage au reste de la membrane va se dépolariser, y compris les T-tubules. Cela déclenche la libération d'ions calcium (Ca++) du stockage dans le réticulum sarcoplasmique (SR). La CA++ puis initie la contraction, qui est soutenue par l'ATP (Figure 1). Tant que ca++ les ions restent dans le sarcoplasme pour se lier à la troponine, ce qui maintient les sites de liaison de l'actine « non protégés », et tant que l'ATP est disponible pour entraîner le cycle des ponts croisés et l'extraction des brins d'actine par la myosine, la fibre musculaire continuera à raccourcir à une limite anatomique.

La contraction musculaire s'arrête généralement lors de la signalisation des extrémités du motoneurone, ce qui repolarise le sarcolemme et les tubules T, et ferme les canaux calciques voltage-dépendants dans le RS. Californie++ les ions sont ensuite renvoyés dans le SR, ce qui amène la tropomyosine à reprotéger (ou recouvrir) les sites de liaison sur les brins d'actine. Un muscle peut également cesser de se contracter lorsqu'il manque d'ATP et devient fatigué (Figure 2).

La libération d'ions calcium déclenche les contractions musculaires. Regardez cette vidéo pour en savoir plus sur le rôle du calcium. (a) Que sont les « tubules en T » et quel est leur rôle ? (b) Veuillez décrire comment les sites de liaison à l'actine sont mis à disposition pour le pontage croisé avec les têtes de myosine pendant la contraction.

Les événements moléculaires du raccourcissement des fibres musculaires se produisent dans les sarcomères de la fibre (voir Figure 3). La contraction d'une fibre musculaire striée se produit lorsque les sarcomères, disposés linéairement dans les myofibrilles, se raccourcissent lorsque les têtes de myosine tirent sur les filaments d'actine.

La région où les filaments épais et minces se chevauchent a un aspect dense, car il y a peu d'espace entre les filaments. Cette zone où les filaments fins et épais se chevauchent est très importante pour la contraction musculaire, car c'est le site où commence le mouvement des filaments. Les filaments fins, ancrés à leurs extrémités par les disques Z, ne s'étendent pas complètement dans la région centrale qui ne contient que des filaments épais, ancrés à leurs bases à un endroit appelé la ligne M. Une myofibrille est composée de nombreux sarcomères le long de sa longueur ; ainsi, les myofibrilles et les cellules musculaires se contractent au fur et à mesure que les sarcomères se contractent.

Le modèle de contraction à filament coulissant

Lorsqu'elle est signalée par un motoneurone, une fibre musculaire squelettique se contracte lorsque les filaments minces sont tirés, puis glissent devant les filaments épais dans les sarcomères de la fibre. Ce processus est connu sous le nom de modèle de filament glissant de contraction musculaire (Figure 3). Le glissement ne peut se produire que lorsque les sites de liaison de la myosine sur les filaments d'actine sont exposés par une série d'étapes qui commence par Ca++ entrée dans le sarcoplasme.

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

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

ATP et contraction musculaire

Pour que les filaments minces continuent à glisser au-delà des filaments épais pendant la contraction musculaire, les têtes de myosine doivent tirer l'actine au niveau des sites de liaison, se détacher, se réarmer, s'attacher à d'autres sites de liaison, tirer, détacher, réarmer, etc. Ce mouvement répété est connu comme le cycle des ponts croisés. Ce mouvement des têtes de myosine est similaire à celui des rames lorsqu'un individu rame un bateau : la pagaie des rames (les têtes de myosine) tirent, sont soulevées de l'eau (détachées), repositionnées (réarmées) puis immergées à nouveau pour tirer (Figure 4). Chaque cycle nécessite de l'énergie, et l'action des têtes de myosine dans les sarcomères tirant de manière répétitive sur les filaments minces nécessite également de l'énergie, qui est fournie par l'ATP.

La formation de ponts croisés se produit lorsque la tête de myosine se fixe à l'actine tandis que l'adénosine diphosphate (ADP) et le phosphate inorganique (Pje) sont toujours liés à la myosine (Figure 4a,b). Pje est ensuite libérée, ce qui fait que la myosine forme un attachement plus fort à l'actine, après quoi la tête de la myosine se déplace vers la ligne M, entraînant l'actine avec elle. Lorsque l'actine est tirée, les filaments se déplacent d'environ 10 nm vers la ligne M. Ce mouvement est appelé le course de puissance, car le mouvement du filament fin se produit à cette étape (Figure 4c). En l'absence d'ATP, la tête de myosine ne se détachera pas de l'actine.

Une partie de la tête de la myosine se fixe au site de liaison de l'actine, mais la tête possède un autre site de liaison pour l'ATP. La liaison à l'ATP provoque le détachement de la tête de myosine de l'actine (figure 4d). Après cela, l'ATP est converti en ADP et Pje par l'intrinsèque ATPase activité de la myosine. L'énergie libérée lors de l'hydrolyse de l'ATP modifie l'angle de la tête de myosine dans une position armée (figure 4e). La tête de myosine est maintenant en position pour un mouvement ultérieur.

Lorsque la tête de myosine est armée, la myosine est dans une configuration à haute énergie. Cette énergie est dépensée au fur et à mesure que la tête de myosine se déplace pendant la course de puissance, et à la fin de la course de puissance, la tête de myosine est dans une position de faible énergie. Après le coup de puissance, l'ADP est libéré ; cependant, le pont croisé formé est toujours en place et l'actine et la myosine sont liées ensemble. Tant que l'ATP est disponible, il se fixe facilement à la myosine, le cycle des ponts croisés peut se reproduire et la contraction musculaire peut se poursuivre.

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

Sources d'ATP

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

Phosphate de créatine est une molécule qui peut stocker de l'énergie dans ses liaisons phosphate. Dans un muscle au repos, l'excès d'ATP transfère son énergie à la créatine, produisant de l'ADP et du phosphate de créatine. Cela agit comme une réserve d'énergie qui peut être utilisée pour créer rapidement plus d'ATP. Lorsque le muscle commence à se contracter et a besoin d'énergie, la créatine phosphate transfère son phosphate à l'ADP pour former de l'ATP et de la créatine. Cette réaction est catalysée par l'enzyme créatine kinase et se produit très rapidement ; ainsi, l'ATP dérivé de la créatine phosphate alimente les premières secondes de la contraction musculaire. Cependant, la créatine phosphate ne peut fournir qu'environ 15 secondes d'énergie, auquel cas une autre source d'énergie doit être utilisée (Figure 5).

À mesure que l'ATP produit par la créatine phosphate est épuisé, les muscles se tournent vers la glycolyse comme source d'ATP. Glycolyse est un processus anaérobie (non dépendant de l'oxygène) qui décompose le glucose (sucre) pour produire de l'ATP; cependant, la glycolyse ne peut pas générer d'ATP aussi rapidement que la créatine phosphate. Ainsi, le passage à la glycolyse entraîne un ralentissement de la disponibilité de l'ATP dans le muscle. Le sucre utilisé dans la glycolyse peut être apporté par la glycémie ou par le métabolisme du glycogène stocké dans le muscle. La décomposition d'une molécule de glucose produit deux ATP et deux molécules de acide pyruvique, qui peut être utilisé dans la respiration aérobie ou lorsque les niveaux d'oxygène sont faibles, convertis en acide lactique (Figure 6).

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

Respiration aérobie est la dégradation du glucose ou d'autres nutriments en présence d'oxygène (O2) pour produire du dioxyde de carbone, de l'eau et de l'ATP. Environ 95 pour cent de l'ATP requis pour les muscles au repos ou modérément actifs est fourni par la respiration aérobie, qui a lieu dans les mitochondries. Les entrées pour la respiration aérobie comprennent le glucose circulant dans le sang, l'acide pyruvique et les acides gras. La respiration aérobie est beaucoup plus efficace que la glycolyse anaérobie, produisant environ 36 ATP par molécule de glucose contre quatre pour la glycolyse. Cependant, la respiration aérobie ne peut être maintenue sans un apport constant d'O2 au muscle squelettique et est beaucoup plus lente (Figure 7). Pour compenser, les muscles stockent une petite quantité d'oxygène en excès dans des protéines appelées myoglobine, ce qui permet des contractions musculaires plus efficaces et moins de fatigue. L'entraînement aérobie augmente également l'efficacité du système circulatoire de sorte que O2 peut être fourni aux muscles pendant de plus longues périodes.

La fatigue musculaire se produit lorsqu'un muscle ne peut plus se contracter en réponse aux signaux du système nerveux. Les causes exactes de la fatigue musculaire ne sont pas entièrement connues, bien que certains facteurs aient été corrélés avec la diminution de la contraction musculaire qui se produit pendant la fatigue. L'ATP est nécessaire pour une contraction musculaire normale, et comme les réserves d'ATP sont réduites, la fonction musculaire peut décliner. Cela peut être davantage un facteur de production musculaire brève et intense plutôt que d'efforts soutenus et de faible intensité. L'accumulation d'acide lactique peut abaisser le pH intracellulaire, affectant l'activité des enzymes et des protéines. Déséquilibres en Na+ et K+ les niveaux résultant de la dépolarisation de la membrane peuvent perturber le Ca++ sortir de la SR. De longues périodes d'exercice soutenu peuvent endommager le SR et le sarcolemme, entraînant une altération du Ca++ régulation.

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

Relaxation d'un muscle squelettique

La relaxation des fibres musculaires squelettiques et, finalement, du muscle squelettique, commence par le motoneurone, qui arrête de libérer son signal chimique, ACh, dans la synapse du NMJ. La fibre musculaire va se repolariser, ce qui ferme les portes du RS où Ca++ était en train d'être libéré. Les pompes entraînées par l'ATP déplaceront Ca++ du sarcoplasme dans le SR. Il en résulte un "reblindage" des sites de liaison à l'actine sur les filaments minces. Sans la capacité de former des ponts croisés entre les filaments fins et épais, la fibre musculaire perd sa tension et se détend.

Force musculaire

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

Essayez-le

La dystrophie musculaire de Duchenne (DMD) est un affaiblissement progressif des muscles squelettiques. C’est l’une des nombreuses maladies collectivement appelées « dystrophie musculaire ». La DMD est causée par un manque de la protéine dystrophine, qui aide les minces filaments des myofibrilles à se lier au sarcolemme. Sans dystrophine suffisante, les contractions musculaires provoquent la déchirure du sarcolemme, provoquant un afflux de Ca++, entraînant des dommages cellulaires et une dégradation des fibres musculaires. Au fil du temps, à mesure que les dommages musculaires s'accumulent, la masse musculaire est perdue et des déficiences fonctionnelles plus importantes se développent.

La DMD est une maladie héréditaire causée par un chromosome X anormal. Elle affecte principalement les hommes et est généralement diagnostiquée dans la petite enfance. La DMD apparaît généralement d'abord comme une difficulté d'équilibre et de mouvement, puis évolue vers une incapacité à marcher. Il continue de progresser vers le haut dans le corps des membres inférieurs vers le haut du corps, où il affecte les muscles responsables de la respiration et de la circulation. Il provoque finalement la mort par insuffisance respiratoire, et les personnes atteintes ne vivent généralement pas au-delà de la vingtaine.

Parce que la DMD est causée par une mutation dans le gène qui code pour la dystrophine, on pensait que l'introduction de myoblastes sains chez les patients pourrait être un traitement efficace. Les myoblastes sont les cellules embryonnaires responsables du développement musculaire et, idéalement, ils seraient porteurs de gènes sains qui pourraient produire la dystrophine nécessaire à une contraction musculaire normale. Cette approche a été largement infructueuse chez l'homme. Une approche récente a consisté à tenter d'augmenter la production musculaire d'utrophine, une protéine similaire à la dystrophine qui peut être en mesure d'assumer le rôle de la dystrophine et de prévenir les dommages cellulaires.


La jonction neuromusculaire

Le processus de contraction musculaire commence à l'endroit où le terminal d'un motoneurone rencontre la fibre musculaire, appelé le jonction neuromusculaire (JNM). Chaque fibre musculaire squelettique dans chaque muscle squelettique est innervée par un motoneurone au niveau d'un NMJ. Les signaux d'excitation du motoneurone sont le seul moyen d'activer fonctionnellement les fibres musculaires pour qu'elles se contractent.

Site Web externe

Chaque fibre musculaire squelettique est fournie par un motoneurone au NMJ. Regardez cette vidéo pour en savoir plus sur ce qui se passe au NMJ. (a) Quelle est la définition d'une unité motrice? (b) Quelle est la différence structurelle et fonctionnelle entre une grande unité motrice et une petite unité motrice ? (c) Pouvez-vous donner un exemple de chacun ? (d) Pourquoi le neurotransmetteur acétylcholine est-il dégradé après s'être lié à son récepteur ?


Protéines régulatrices

Lorsqu'un muscle est au repos, l'actine et la myosine sont séparées. Pour empêcher l'actine de se lier au site actif de la myosine, des protéines régulatrices bloquent les sites de liaison moléculaire. Tropomyosine bloque les sites de liaison de la myosine sur les molécules d'actine, empêchant la formation de ponts croisés et empêchant la contraction dans un muscle sans apport nerveux. Troponine se lie à la tropomyosine et aide à la positionner sur la molécule d'actine, elle se lie également aux ions calcium.

Pour permettre une contraction musculaire, la tropomyosine doit changer de conformation, découvrant le site de liaison de la myosine sur une molécule d'actine et permettant la formation de ponts croisés. Cela ne peut se produire qu'en présence de calcium, qui est maintenu à des concentrations extrêmement faibles dans le sarcoplasme. S'ils sont présents, les ions calcium se lient à la troponine, provoquant des changements de conformation de la troponine qui permettent à la tropomyosine de s'éloigner des sites de liaison de la myosine sur l'actine. Une fois la tropomyosine retirée, un pont croisé peut se former entre l'actine et la myosine, déclenchant la contraction. Le cycle des ponts croisés se poursuit jusqu'à ce que les ions Ca 2+ et l'ATP ne soient plus disponibles et que la tropomyosine recouvre à nouveau les sites de liaison sur l'actine.


Mécanismes cellulaires de la fatigue musculaire

La fatigue, définie comme l'incapacité à maintenir la puissance de sortie requise ou attendue, est un problème complexe, car de multiples facteurs sont clairement impliqués, l'importance relative de chacun dépendant de la composition du type de fibre du ou des muscles en contraction et de l'intensité , le type et la durée de l'activité contractile. Les principaux sites de fatigue semblent se situer dans la cellule musculaire elle-même et n'impliquent pour la plupart pas le système nerveux central ou la jonction neuromusculaire. Les principales hypothèses de fatigue portent sur des perturbations de la membrane de surface, le couplage E-C ou des événements métaboliques. Les sites cellulaires les plus fréquemment liés à l'étiologie de la fatigue musculaire squelettique sont illustrés à la figure 1. Les muscles squelettiques sont composés d'au moins quatre types de fibres distinctes (3 à contraction rapide et 1 à contraction lente), avec les fibres lentes de type I et rapides de type IIa. contenant le contenu mitochondrial et la résistance à la fatigue les plus élevés. Malgré les différences de types de fibres dans le degré de fatigabilité, les propriétés contractiles subissent des changements caractéristiques avec le développement de la fatigue qui peuvent être observées dans les muscles entiers, les unités motrices uniques et les fibres uniques. Le Po diminue, et les temps de contraction et de relaxation se prolongent. De plus, il y a une diminution du taux maximal de développement et de déclin de la tension et un Vo réduit. Les changements de Vo sont plus résistants à la fatigue que Po et ne sont observés que lorsque Po a diminué d'au moins 10 % de sa valeur initiale préfatiguée. Cependant, la puissance de crête réduite par laquelle la fatigue est définie résulte à la fois d'une réduction de Vo et de Po. En l'absence d'endommagement des fibres musculaires, le temps de relaxation prolongé associé à la fatigue provoque un décalage de la courbe force-fréquence vers la gauche, de sorte que les tensions maximales sont obtenues à des fréquences de stimulation plus basses. Dans un mécanisme pas clairement compris, le système nerveux central détecte cette condition et réduit la fréquence d'activation du nerf alpha-moteur à mesure que la fatigue se développe. Dans certains cas, une LFF sélective se développe qui déplace la courbe force-fréquence vers la droite. Bien que cela ne soit pas prouvé, il semble probable que cette condition soit associée et probablement causée par une blessure musculaire, de sorte que le SR libère moins de Ca2+ à de faibles fréquences d'activation. Alternativement, la LFF pourrait résulter d'une excitabilité membranaire réduite, de sorte que la fréquence du potentiel d'action du sarcolemme est considérablement inférieure à la fréquence de stimulation. (RÉSUMÉ TRONQUÉ À 400 MOTS)


Mécano-biologie de l'hypertrophie et de la régénération des muscles squelettiques : mécanisme possible de l'activation induite par l'étirement des cellules souches myogéniques résidentes

Dans les fibres musculaires postnatales non endommagées avec des activités de contraction et de relaxation normales, des cellules satellites au repos des cellules souches myogéniques résidentes sont interposées entre la lame externe sus-jacente et le sarcolemme d'une fibre musculaire mature sous-jacente. Lorsque le muscle est blessé, exercé, surutilisé ou étiré mécaniquement, ces cellules sont activées pour entrer dans le cycle de prolifération cellulaire, se diviser, se différencier et fusionner avec la fibre musculaire adjacente, et sont responsables de la régénération et de l'hypertrophie induite par le travail des fibres musculaires. Par conséquent, un mécanisme doit exister pour traduire les changements mécaniques dans le tissu musculaire en signaux chimiques qui peuvent activer les cellules satellites. Des études récentes de cellules satellites ou de fibres musculaires isolées en culture et in vivo ont démontré le rôle essentiel du facteur de croissance des hépatocytes (HGF) et du radical oxyde nitrique (NO) dans la voie d'activation. Ces expériences ont également rapporté que l'étirement mécanique des cellules satellites ou des muscles squelettiques vivants déclenche l'activation par libération rapide de HGF à partir de son attache extracellulaire et la présentation ultérieure au récepteur c-met. Il a été démontré que la libération de HGF repose sur la formation de calcium-calmoduline et la production de radicaux NO dans les cellules satellites et/ou les fibres musculaires en réponse à la perturbation mécanique, et dépend de la régulation à la hausse ultérieure de l'activité des métalloprotéinases matricielles (MMP). Ces résultats indiquent que le mécanisme d'activation est une cascade d'événements comprenant l'afflux d'ions calcium, la formation de calcium-calmoduline, l'activation de NO synthase, la production de NO radical, l'activation de MMP, la libération de HGF et la liaison à c-met. Une meilleure compréhension de la « mécano-biologie » sur l'activation des cellules satellites est essentielle pour concevoir des procédures qui pourraient améliorer la croissance musculaire et les activités de réparation dans l'élevage d'animaux de boucherie ainsi que dans les maladies neuromusculaires et le vieillissement chez l'homme.


Mécano-biologie de l'hypertrophie et de la régénération des muscles squelettiques : mécanisme possible de l'activation induite par l'étirement des cellules souches myogéniques résidentes

Dans les fibres musculaires postnatales non endommagées avec des activités normales de contraction et de relaxation, des cellules satellites au repos des cellules souches myogéniques résidentes sont interposées entre la lame externe sus-jacente et le sarcolemme d'une fibre musculaire mature sous-jacente. Lorsque le muscle est blessé, exercé, surutilisé ou étiré mécaniquement, ces cellules sont activées pour entrer dans le cycle de prolifération cellulaire, se diviser, se différencier et fusionner avec la fibre musculaire adjacente, et sont responsables de la régénération et de l'hypertrophie induite par le travail des fibres musculaires. Par conséquent, un mécanisme doit exister pour traduire les changements mécaniques dans le tissu musculaire en signaux chimiques qui peuvent activer les cellules satellites. Des études récentes de cellules satellites ou de fibres musculaires isolées en culture et in vivo ont démontré le rôle essentiel du facteur de croissance des hépatocytes (HGF) et du radical oxyde nitrique (NO) dans la voie d'activation. Ces expériences ont également rapporté que l'étirement mécanique des cellules satellites ou des muscles squelettiques vivants déclenche l'activation par libération rapide de HGF à partir de son attache extracellulaire et la présentation ultérieure au récepteur c-met. Il a été démontré que la libération de HGF repose sur la formation de calcium-calmoduline et la production de radicaux NO dans les cellules satellites et/ou les fibres musculaires en réponse à la perturbation mécanique, et dépend de la régulation à la hausse ultérieure de l'activité des métalloprotéinases matricielles (MMP). Ces résultats indiquent que le mécanisme d'activation est une cascade d'événements comprenant l'afflux d'ions calcium, la formation de calcium-calmoduline, l'activation de NO synthase, la production de NO radical, l'activation de MMP, la libération de HGF et la liaison à c-met. Une meilleure compréhension de la « mécano-biologie » sur l'activation des cellules satellites est essentielle pour concevoir des procédures qui pourraient améliorer la croissance musculaire et les activités de réparation dans l'élevage d'animaux de boucherie, ainsi que dans les maladies neuromusculaires et le vieillissement chez l'homme.


Éducation et formation

Les membres du PMI organisent des cours et dispensent une formation à la recherche sur les muscles, la motilité cellulaire et le cytosquelette dans le cadre de programmes d'études supérieures à la Faculté de médecine, à la Faculté des arts et des sciences et à la Faculté d'ingénierie et de sciences appliquées.

Voir ci-dessous pour en savoir plus sur nos cours et nos recherches.

Mécanisme et régulation de la contraction musculaire

Mécanisme et régulation de la contraction musculaire

Trois types de muscles, squelettiques, cardiaques et lisses, convertissent l'énergie métabolique en force mécanique et travaillent pour une myriade de fonctions dans l'organisme. Le large impact de la compréhension du mécanisme moléculaire et du contrôle de la contraction musculaire en biologie cellulaire doit être souligné. Le mécanisme moléculaire de la contraction musculaire est similaire à celui de la motilité cellulaire et organelle qui sont des conditions préalables au développement et au fonctionnement normaux des cellules. La contractilité est également un modèle pour la transduction d'énergie biologique et l'enzymologie en général. La relation entre la séquence d'acides aminés, la biologie structurelle et la production fonctionnelle des protéines motrices et des protéines contractiles est étudiée de manière intensive dans de nombreux laboratoires PMI.

Comme pour la motilité non musculaire, le paradigme général utilisé par les cellules pour générer le mouvement est une protéine motrice glissant le long d'une piste filamenteuse linéaire. Cette architecture a d'abord été découverte dans les cellules musculaires parce que ces machines élégantes expriment et assemblent des réseaux interdigités concentrés et hautement périodiques de filaments de myosine et d'actine qui se prêtent particulièrement aux études structurelles, mécaniques et biochimiques. Les filaments ne changent pas de longueur lorsque le muscle se contracte, mais ils glissent les uns par rapport aux autres en utilisant l'énergie libérée par l'hydrolyse de l'ATP en ADP et en phosphate. Les relations entre les étapes biochimiques de l'hydrolyse de l'ATP, le développement mécanique de la force et du glissement des filaments et les changements de structure moléculaire sont les objectifs majeurs de cette recherche. Des technologies de pointe, telles que la photolyse laser de substrats « en cage » et de molécules de signalisation, la microscopie électronique à résolution temporelle, les pièges optiques (pince laser), la spectroscopie de polarisation de fluorescence et la génétique moléculaire sont appliquées pour découvrir le mécanisme de la chimie- conversion d'énergie en énergie mécanique.

Le contrôle de la contraction musculaire prend de nombreuses formes, notamment la signalisation calcique, la phosphorylation par des kinases spécifiques et les cascades de signaux récepteur-effecteur. Comme pour la contraction, la signalisation et le contrôle des cellules musculaires agissent comme des principes pour les processus correspondants tout au long de la biologie cellulaire. Des techniques modernes de biophysique et de biologie moléculaire sont appliquées pour détailler les mécanismes moléculaires de ces voies. Les laboratoires PMI jouent un rôle important dans le développement de nouvelles techniques à large impact.


13.9 : Contraction et relaxation des fibres musculaires - Biologie

Lecture de fond : voir notamment chapitre 8 p.268-72

1) Comprendre et définir les termes suivants : contraction musculaire, unité motrice, période de latence, temps de contraction, temps de relaxation, sommation, tétanie et fatigue.

2) Comprendre les façons dont les contractions musculaires peuvent être manipulées, c'est-à-dire augmenter la tension, changer la fréquence, etc.

3) Se familiariser avec le programme Lab View qui nous permet de mesurer les contractions musculaires.

Le muscle répond à un seul stimulus (stimulation neurale ou choc électrique) par une contraction et une relaxation rapides. Ensemble, cela s'appelle une contraction musculaire (Figure 1 ). Un muscle est composé de fibres musculaires individuelles (vous l'aurez plus en détail dans le cours).

Figure 1 : De Sherwood, L. Physiologie humaine Des cellules aux systèmes. Figure 8-14 4e éd. Brooks/Cole, Californie, 2001. p.251

Le stimulus qui entraîne une contraction musculaire variera de deux manières dans ce laboratoire : en augmentant l'amplitude du stimulus (tension) et en augmentant la vitesse à laquelle les stimuli sont appliqués (fréquence). Ces manipulations sont destinées à illustrer que la contraction musculaire est en fait constituée de nombreux groupes de fibres musculaires se contractant à l'unisson.

La force de la contraction augmente avec l'augmentation de l'amplitude du choc. Par conséquent, la force de la contraction est dite graduée (ou augmentée progressivement). Cela est dû au recrutement d'un nombre accru de fibres musculaires impliquées dans la contraction.

Si vous augmentez la fréquence du choc, le deuxième stimulus sera éventuellement appliqué avant la fin de la première contraction musculaire, puis le deuxième stimulus s'appuiera sur la contraction précédente et s'ajoutera à cette réponse. C'est ce qu'on appelle la sommation des contractions (Figure 2).

Figure 2 : De Sherwood, L. Physiologie humaine Des cellules aux systèmes. 4e éd. Figure 8-17 a et b Brooks/Cole, Californie, 2001. p.271

Au fur et à mesure que vous continuez à augmenter la fréquence des chocs, aucune relaxation ne sera finalement permise et la contraction musculaire augmentera en douceur jusqu'à un point de force maximale où les contractions individuelles ne sont pas observées. C'est ce qu'on appelle la tétanie. La tétanie est la voie par laquelle les contractions musculaires normales se produisent. Ne pas confondre ce terme avec le tétanos, une maladie où les muscles se contractent continuellement en raison d'une infection bactérienne et de la libération de toxine tétanique qui empêche la synapse neuromusculaire de se détendre.

Figure 3 : De Sherwood, L. Physiologie humaine Des cellules aux systèmes. 4e éd. Figure 8-17 Brooks/Cole, Californie, 2001. p.271

Physiogrip : Il s'agit d'un déclencheur auquel est attaché un transducteur. Un transducteur convertit un événement physiologique, tel qu'une contraction musculaire, en un signal électrique. Ce signal est envoyé à un ordinateur où notre programme LabView l'interprétera pour nous.

Stimulateur : Il envoie des impulsions de tension de forme d'onde carrée, de force (volts), de durée (msec) et de fréquence (Hz = cycles/seconde) variables, et est utilisé pour stimuler les muscles chez les sujets humains.

REMARQUE : Les élèves ayant des antécédents de maladie cardiaque ne doivent pas servir de sujets. Aussi, avant de stimuler le sujet, vous devez d'abord vous familiariser avec les commandes du stimulateur. Donner à votre camarade de classe un choc électrique n'est pas quelque chose à prendre à la légère, alors soyez prudent lorsque vous réglez les commandes.

Il existe des contrôles pour la force, la durée et la fréquence du stimulus. Assurez-vous de bien comprendre les différences entre ces variables. Il existe également des commutateurs qui vous permettent de multiplier les valeurs des variables par n'importe quel nombre, assurez-vous de choisir le bon niveau. Ne changez pas de variable trop rapidement ou ne commencez pas à des niveaux élevés, informez votre sujet de tout changement que vous apporterez. Vous ne devriez jamais avoir besoin des boutons multiplicateurs pour ce laboratoire, alors évitez ces commandes.

1. Reportez-vous à la figure 4. Enduisez la surface intérieure de l'électrode plate de gelée d'électrode et fixez-la sur le dos de la main du sujet avec une sangle en caoutchouc. Mettez une noisette de gelée d'électrode sur l'extrémité de la sonde du stimulateur. Essayez de ne pas en mettre trop car l'excès de gelée va diffuser le signal et donner au sujet une sensation de picotement sur toutes les zones de la peau recouvertes par la gelée d'électrode.

2. Avec l'interrupteur du stimulateur sur arrêt, réglez la tension sur 10-5 V, une fréquence de 2 chocs/s et une durée de 10 ms.

3. Localisez le muscle fléchisseur superficiel des doigts (FDS) en observant l'avant-bras pendant que le sujet fléchit volontairement et étend le quatrième doigt (annulaire) de la main avec l'électrode à plaque fixée.

4. Appuyez fermement sur l'électrode au-dessus du muscle fds. Déplacez la sonde sur la surface de la peau tout en appuyant fermement jusqu'à ce que le quatrième (ou troisième) doigt fléchisse fortement. Vous voudrez peut-être marquer l'endroit pour référence future. La tension peut devoir être augmentée progressivement si aucune réponse n'est obtenue.

Figure 4 : Placement des électrodes sur l'avant-bras

C. Expériences de contraction musculaire

Réglages du stimulateur Tension Réglez pour une réponse qui donne une contraction musculaire mesurable.

Fréquence 1 choc/sec

Durée 10 ms

Mode Continu

une. Cliquez sur la flèche de course blanche, en haut à gauche de l'écran.

b. Réalisez une expérience de stimulation musculaire avec Physiogrip.

c. Appuyez sur le bouton jaune « stop ».

ré. Un graphique du déplacement de la gâchette (mm) au fil du temps (sec) apparaîtra.

e. Pour calculer la durée, la force et la vitesse d'une contraction musculaire particulière :

  • Placez le curseur vert "start" au début du twitch.
  • Placez le curseur rouge "fin" à la fin du twitch (flèches colorées sur la figure 5).
  • La différence entre les coordonnées x est la durée totale de la contraction.
  • Enregistrez ce nombre (sec)
  • Placez le curseur vert horizontal en bas du twitch.
  • Placez le curseur rouge horizontal en haut du twitch (flèches noires dans la figure 5)
  • La différence entre les coordonnées Y est le déplacement (mm) causé par le twitch. Ceci est proportionnel à la force ou à l'amplitude de la contraction.
  • Enregistrez ce numéro.
  • Laissez le curseur vert vertical là où il se trouve.
  • Déplacez le curseur rouge vertical au milieu (point le plus haut) de la contraction.
  • La différence dans les coordonnées x est maintenant la durée de contraction.
  • Enregistrez ce nombre (sec).
  • Déplacez le curseur vert vertical jusqu'à la fin du twitch, laissez le curseur rouge là où il se trouve.
  • La différence des coordonnées x est maintenant la durée de relaxation , qui peut être très différente de la durée de contraction.
  • Enregistrez ce nombre (sec).
  • Pour obtenir les vitesses de contraction et de relaxation, divisez le déplacement par la durée de contraction ou la durée de relaxation pour obtenir la vitesse en mm/msec.

Figure 5 : Exemple de mesure de la contraction musculaire

2. Effet de la force de stimulation.

Tension suffisante pour une contraction minimale

Fréquence 1-2 choc/sec

Durée 10 ms

Mode Continu

une. Utilisez les données de la partie 1. Single Muscle Twitch comme premier point de données pour la force du stimulus (tension vs déplacement).

b. Continuez à augmenter la tension par petits incréments (2-5 volts) pour obtenir 4 autres points de données, mais pas au point d'invoquer une réelle douleur. Si la gâchette atteint la fin de sa course, augmentez la tension du ressort ou remplacez-la par un ressort plus rigide, puis répétez l'expérience.

c. Mesurez la force (déplacement), la durée de contraction et la durée de relaxation pour chaque contraction. Enregistrez ces nombres avec la tension de chaque contraction mesurée.

3. Sommation temporelle et tétanie

Tension suffisante pour une contraction minimale

Fréquence 1-2 choc/sec

Durée 10 ms

Mode continu

une. Saisissez la poignée pistolet comme précédemment. Utilisez une tension qui donne une contraction minimale, mais enregistrable.

b. Progressivement (sur une période d'environ 4 secondes) augmentez la FRÉQUENCE du stimulus (PAS LA TENSION) jusqu'à ce qu'aucune période de relaxation ne soit enregistrée pendant environ 1 à 2 secondes. L'expérience devra peut-être être répétée plusieurs fois pour réussir.

c. Déterminer l'intervalle de temps entre les stimuli mesurés du pic d'un tic au pic du tic suivant (secondes) avant que la sommation ne se produise. Enregistrez ce numéro. Déterminez l'intervalle de temps entre les stimuli mesurés du pic d'un tic au pic du tic suivant (secondes) juste avant que la tétanie ne se produise. Enregistrez ce numéro.

ré. Mesurez le déplacement (force) d'une secousse qui s'est produite avant la sommation. Enregistrez ce numéro.

e. Mesurer le déplacement (force) de la contraction tétanique. Enregistrez ce numéro.

4. Fatigue et relaxation musculaire

5 mm de déplacement

Fréquence 1 choc/sec

Durée 10 ms

Mode Continu

une. Saisissez la poignée pistolet comme précédemment.

b. Cliquez sur la flèche d'exécution, puis tournez rapidement le stimulateur sur une fréquence de tétanisation, comme déterminé précédemment. Éteignez immédiatement le stimulateur MAIS CONTINUEZ À RECUEILLIR DES INFORMATIONS SUR L'ORDINATEUR jusqu'à ce que la tension musculaire revienne à la ligne de base, cliquez sur le bouton « arrêter les données ».

c. Déterminer la durée de relaxation du muscle. Enregistrez ce numéro.

e. Demandez au sujet de contracter le même doigt rapidement et vigoureusement pendant 2 minutes. Saisissez la poignée pistolet comme précédemment.

F. Cliquez sur la flèche blanche et tournez rapidement le stimulateur sur une fréquence de tétanisation, comme déterminé précédemment.

g. Éteignez immédiatement le stimulateur, mais CONTINUEZ à collecter des données jusqu'à ce que la tension musculaire revienne à la ligne de base.

h. Lorsque le muscle s'est détendu jusqu'à la ligne de base, arrêtez de collecter des données.

je. Déterminer la durée de relaxation du muscle. Enregistrez ce numéro.

5. Fatigue et contraction musculaire - Vous n'utiliserez pas le stimulateur pour cette expérience

une. Installez le RESSORT LE PLUS FORT sur la poignée pistolet.

b. Saisissez la poignée du pistolet avec le DOIGT INDEX sur la détente.

c. Cliquez sur la flèche d'exécution et commencez immédiatement à appuyer sur la gâchette à fond et à fond deux fois par seconde. Continuez à presser rythmiquement jusqu'à ce que la gâchette ne puisse plus être enfoncée à fond.

ré. Enregistrez le temps requis pour l'apparition de la fatigue.

e. Reposez-vous environ 5 minutes, puis gonflez un brassard de sphygmomanomètre autour du bras du sujet à environ 140 mm Hg et répétez l'expérience ci-dessus et enregistrez le temps nécessaire à l'apparition de la fatigue.


13.9: Muscle Fiber Contraction and Relaxation - Biology

Actine
The thin filaments consist of globular actin molecules in two long chains wound around each other and each actin molecule has a binding site for myosin. The protein tropomyosin winds around the thin filaments and covers the myosin binding sites. At regular intervals along the tropomyosin cable sit troponin molecules.

Myosin
The thick filaments consist of bundles of myosin molecules. Each myosin molecule is composed of two long protein chains with a globular head at one end. The myosin head attaches to the binding site on the actin filament. In addition, it binds ATP, acting as an enzyme to transfer energy from ATP. The energy transfer changes the shape of the myosin head ("cocks" the apparatus).

Contraction
When muscle contracts, the globular heads of the thick myosin filaments attach to the binding sites on the thin actin filaments and pull them toward each other. Since the thin filaments are anchored in the Z line, the sliding of the filaments causes each sarcomere - and thus the muscle fibers - to shorten.

Shortening
The action potential traveling along the nerve cell releases a chemical messenger (acetylcholine) which crosses the neuromuscular junction and depolarizes the muscle fiber membrane in the same way as depolarization occurs in a nerve cell. Upon depolarization, the sarcoplasmic reticulum releases calcium ions. The calcium ions bind to the troponin, changing the shape of the troponin-tropomyosin complex such that the actin binding sites are uncovered. As soon as myosin binds to actin, the cocked head of myosin releases sliding the actin fiber. Once the action potential occurs in the muscle fiber, it takes a few milliseconds for the processes of excitation and coupling to result in an increase in tension. Peak contraction takes place in about 10 ms in fast muscle fibers and about 100 ms in slow fibers.

Clean-up
Once acetylcholine initiates an action potential at the sarcoplasmic reticulum, it is inactivated by an enzyme. The muscle fiber will contract again only if another signal arrives from the nerve. As soon as the calcium ions flood into the muscle cell, the cell rapidly pumps them back to the sacs of the sarcoplasmic reticulum, using energy from ATP, and the troponin-tropomyosin complex returns to its original shape blocking the actin binding sites.

Décès
When the heart stops beating, neither glucose nor oxygen reaches the cells. Without an energy source or an electron acceptor, the cell cannot pump ions to polarize the membrane, it cannot make ATP, or pump calcium ions out. Without blood flow, calcium leaks into the cells and muscles contract until the cellular supply of ATP is exhausted. Since the muscles cannot relax without ATP to disconnect myosin from actin, the body becomes limp again only when the muscle proteins are digested by lysosomal enzymes during decomposition.


13. Concluding remarks

Signal transduction is essential for the function of contractile cells. The stimulatory signal results in an increase in cytosolic calcium levels, which activates muscle contraction. We now know the main contributors to the various types of muscle contraction, and have a better appreciation of the changes that occur to the contractile apparatus under exercise and pathophysiological conditions. For example, the identification of PGC1α as a master regulator of transcription factors up-regulated in both exercised and pathological striated muscle provides new avenues to modulate muscles in a therapeutic setting. It is also apparent that many signaling proteins in both smooth and striated muscles are activated by changes in cytosolic calcium levels, and these signaling pathways often lead to alterations in gene expression. Because we now have a better appreciation of the changes that occur to the contractile apparatus under pathophysiological conditions, this knowledge can be harnessed to allow us to treat disease strategically.


Voir la vidéo: Class 11 Biology Muscle Contraction (Mai 2022).