MOTRICITE

La Contraction du Muscle Strié ≠ types de muscles: Striés (Squelletique & Cardiaque), Lisses Architecture des Muscles Striés : Muscle  Fibres  Myofibrilles   Sarcomères  Filaments (Epais & Fins)  Protéines Protéines des Filaments Epais (Myosine) Protéines des Filaments Fins (Actine, Tropomyosine, Troponine) Initiation de la Contraction (Libération de Ca2+) Mecanisme Général de la Contraction Musculaire (Cycle de l’Actomyosine ATPase) Régulation Tm-Tn de la Contraction Musculaire ( Etat “Bloqué”, “Fermé” et “Ouvert”) Energie pour la Contraction Musculaire (Sources d’ATP) Types de Fibres (Rapides, Fast, Lentes, Slow) Mecanique de la Contraction Musculaire Contraction Musculaire expérimentale

Gullberg, D. Nature 424, 138 - 140 (2003) Formation du muscle Le processus commence par des cellules précurseurs programmées à former le muscle, ce sont des myoblastes. Ces myoblastes prolifèrent alors jusqu’au site de formation du muscle, où ils fusionnent pour former des myotubes. Quand ces myotubes arrivent à maturation, leur sarcomère se développe; des réseaux de fibres de myosine et d’actine vont former l’unité contractile du muscle. Des intégrines sont nécessaires pour la fusion des myoblastes et l’assemblage du sarcomère.

Muscles Squelettiques Biceps Triceps Les muscles Biceps-Triceps représentent une paire de muscles antagonistes.

Muscle Squelettique section d’un muscle squelettique (200x) Les muscles squelettiques constituent la majeure partie de la masse musculaire et se contractent lors de la commande nerveuse motrice volontaire. Les fibres (cellules musculaires) sont multinuclées et semblent striées du fait de l’arrangement des filaments d’actine et de myosine.

Muscle strié Fibre musculaire Noyau

Muscle cardiaque Le coeur est fait de tissu musculaire spécialisé qui ressemble à la fois au muscle strié et lisse. Il se contracte de manière involontaire et ses fibres sont mononuclées comme le muscle lisse. Il est strié comme le muscle squelettique ce qui signifie qu’il possède au niveau microscopique des myofilaments visibles arrangés en parallèle avec la structure de sarcomère. Les fibres musculaires cardiaques sont ramifiées. Une autre différence à signaler est la présence de disques intercalés qui sont des connections spécialisées entre cellules musculaires cardiaques. Ces connections serrées permettent des communications intercellulaires aisées entre cellules cardiaques (mouvements ioniques des potentiels d’action musculaires).

Architecture du muscle strié :

Structure d’une fibre musculaire

Structure d’un sarcomère musculaire z A I

Photo en ME d’une fibre musculaire striée Z-line One sarcomere ≈ 2.4 µm

Filament lourds de protéines: MYOSINE MW 480 kDa Forms thick filaments Hydrolyses ATP Interacts with F-actin 300-400 myosin molecules per 1 filament S1 150 nm S1

Myosine Chaînes légères Chaînes lourdes ELC RLC 160 nm ELC Chaînes lourdes -hélice RLC S1 – Moteur moléculaire de la contraction

28.000 acides aminés (3MDa) c’est la plus grosse protéine connue chez les mammifères. Titine La titine est localisée dans les espaces situés entre les deux filaments, attachée sur plusieurs points à la myosine, et elle s’étend jusquaux disques Z de chaque côté du sarcomère. On pense que cette protéine permet de recentrer les filaments de myosine pendant la contraction.

Titin e

Autres filaments épais de protéines : Myosin binding protein C – MW 140 kDa se fixe sur la queue de la myosin X- protein- MW 134 kDa H- protein- MW 55 kDa M-line proteins: creatine kinase (40kDa), M-protein (165 kDa), myomesin (185 kDa). M-line

Filaments fins de protéines: Z-line F-actin Z-line

Les molécules bleues et grises sont des monomères d’actine (MW 42.000) G-Actine F-Actine Ken C. Holmes: Max-Planck-Institute G à F actine MW 42 kDa Les molécules bleues et grises sont des monomères d’actine (MW 42.000) Les monomères d’actine polymérisent sous forme d’une longue hélice appelée F-actine. Cette hélice de F-actine peut être comprise soit comme un double brin de pas 36 nm ou une simple hélice de 5.5 nm de pas.

Other Thin Filament Proteins: -actinin CapZ Tropomodulin (blue) binds the extreme N-terminal region of nebulin (green), as well as the terminal Tm (red) and actin (gray) molecules at the pointed ends of the thin filaments. Whether the pointed ends of the actin filaments are capped by one or two Tmods per actin filament awaits further clarification. The stoichiometry as determined biochemically in skeletal myofibrils is between 1.2 and 1.6 Tmods per thin filament. Additionally, whether there are one, two, or four nebulin molecules per thin filament awaits further clarification. McElhinny et al. (2001) J. Biol. Chem., 276, 583

Initiation de la contraction musculaire : La contraction du sarcomère est initiée par la commande du SNC Le sarcomère contient tout le nécessaire pour la contraction sauf du Ca2+ Le Ca2+ est stocké dans le reticulum sarcoplasmique (RS) La commande de contraction arrive à la fibre musculaire, le potentiel d’action déclenche une dépolarisation de la membrane cellulaire, ce qui à son tour déclenche la sortie du RS de grandes quantités de Ca2+ Le Ca2+ se fixe à la Troponine C, déclenchant une série de changements de conformation à l’intérieur des protéines du sarcomère, et s’accompagne d’interactions myosine-actine.

Jonction neuromusculaire

Initiation de la contraction, libération de Ca2+:

Muscle lisse: Muscle cardiaque: Dans le muscle lisse, les tubules T sont absents, le reticulum sarcoplasmique est peu développé et les pompes calcium présentes sont plus lentes. Du fait de ces différences, les fibres musculaires lisses se contractent et se relâchent 30 fois plus lentement que le muscle strié, en consommant moins d’énergie. Lorsqu’une cellule cardiaque est excitée, le potentiel d’action résultant se propage aux cellules voisines. Ce qui permet au muscle auriculaire et ventriculaire de se contracter dans leur ensemble, pour constituer une pompe sanguine puissante. Les potentiels d’action cardiaques sont aussi spécialisés pour optimiser la fonction de la pompe cardiaque. Ils durent 10 à 30 fois plus longtemps que ceux du muscle strié squelettique et s’accompagnent par conséquent d’une période de contraction plus allongée. Muscle lisse: Muscle cardiaque:

Couplage excitation-contraction au niveau du muscle cardiaque Le reticulum sarcoplasmique contient des ions calcium à forte concentration qui sont libérés lorsque les tubules T adjacents sont excités. Les pompes membranaires mitochondriales permettent de récupérer le Ca++.

Rabbit Skeletal TnC, 159 aa, 18 kDa N-Domain KCa=3 x 105 M-1 Ca2+-specific Each TnC domain contains two motifs called EF hands, and it is the EF hands that directly bind calcium ions. Thus, the EF hands are TnC's way of sensing the calcium concentration; at ≈ 100 nM calcium (the usual cellular concentration) the N-domain EF hands are empty, but if the local concentration rises to 1 mM, as it does when the muscle contracts, all of the EF hand bind calcium. Central Helix KCa= 2 x 107 M-1 Ca2+-Mg2+ sites C-Domain Rabbit Skeletal TnC, 159 aa, 18 kDa TDQQAEARSY LSEEMIAEFK AAFDMFDADG GGDISVKELG TVMRMLGQTP TKEELDAIIEEV DEDGSGTI DFEEFLVMM RQMKEDAKGK SEEELAECFR IFDRNADGYI DAEELAEIFR ASGEHVTDEE IESLMKDGDK NNDGRIDFDE FLKMMEGVQ

Muscle Contraction: Ca2+ / b ATP Ca2+ Muscle Contraction: Pi In the absence of Ca2+, the interaction of myosin with actin and consequently contraction is inhibited. Upon release of Ca2+ from the SR, the regulatory, Ca2+ specific sites of TnC bind Ca2+ exposing a patch of hydrophobic residues located in the N-terminal domain of TnC and the interaction of the TnC with TnI and TnT can take place. These internal Tn interactions promote translocation of the Tn·Tm complex away from the outer domain of the actin filaments enabling the cyclic interaction between myosin heads (S1) and actin. The myosin head, an actin activated-Mg2+-ATPase dependent molecular motor, binds to actin and undergoes a power stroke, a phenomenon responsible for the interaction between the thick filament and the thin filaments and force generation.

Muscle Contraction

Sliding Filament Theory for Muscle Contraction Muscle contraction occurs when actin and myosin, the major proteins of the thin and thick filaments, respectively, slide past each other in an ATP-driven enzymatic reaction. Huxley AF and Niedergerke R, Nature 173, 971-973 (1954) Structural changes in muscle during contraction; interference Microscopy of living muscle fibers. Huxley HE and Hanson J, Nature 173, 973-976 (1954) Changes in cross-strations of muscle during contraction and stretch and their structural interpretation.

The micrograph shows myosin bound to actin EM evidence for sliding filament theory The micrograph shows myosin bound to actin Contraction of one sarcomere

Sliding Filament Theory for Muscle Contraction Coupling of chemical reactions with vectorial motion. ATP (Crossbridge) ADP + Pi + Energy Cross-bridge hypothesis of muscle contraction: Sliding of thin and thick filaments is caused by the cross-bridges that extend from the myosin filament, attach to actin, pull the thin filaments toward the center of the sarcomere and detach. This cyclic interaction is coupled with the hydrolysis of ATP.

Cross-bridges

ATPase Cycle: Pi release rate: 10-20s-1  1. A • M + ATP 2. A+ M•ATP 3. A •M •ADP •Pi 4. A •M •ADP +Pi 5. A •M +ADP  Pi ADP Pi release rate: 10-20s-1

Myosin Phosphorylated-RLC Regulation of Smooth Muscle Contraction: The smooth muscles lack troponin Phosphorylation of the myosin RLC with Ca2+-CaM MLCK initiates contraction Caldesmon (CaD) binds to actin filaments and prevents myosin binding When [Ca2+] arrives its binds to CaM and the Ca2+-CaM complex binds CaD allowing myosin heads to interact with actin. Myosin RLC Myosin Phosphorylated-RLC RLC

de la contraction musculaire Energie chimique de la contraction musculaire                                                      ATP Fibre Musculaire [ATP]=4 mM 1-2 s Glycogène Stocké dans les muscles, foie 2-4 hours ADP +Phosphocréatine 5-8 s Métabolisme oxidatif : hydrates de Carbone graisses Protéines heures Transformation du Glycogène en pyruvate et acide lactique (énergie anaerobique) 1 min ATP (Myosin)  ADP + Pi + Energie Le muscle peut être considéré comme une machine qui convertit de l’énergie chimique en travail.

Energy Sources At rest and during light exercise, muscles use lipids as their energy source. The use of carbohydrates becomes more important as the intensity of exercise increases. The breakdown of glucose to water and carbon dioxide generates energy that is transferred to regenerate phosphocreatine and ATP. When oxygen supplies are inadequate this process is short circuited and a metabolite (lactic acid) of one of the products builds up in the muscle. This is called anaerobic metabolism (glycolysis) and is a normal process that can occur prior to the oxidative breakdown of glucose. The lactate builds up in the muscles causing a change in pH that inhibits enzyme activity. Short intense exercise utilizes anaerobic metabolic mechanisms. But, the final and limitless supply of energy, comes from the process of oxidative phosphorylation. Maximum energy production rates from oxidative phosphorylation are not as high as from glycolysis. Aerobic events - the marathon.

Types of Skeletal Muscle Fibers: Fast Twitch, Glycolytic Slow Twitch,Oxidative (white muscles) (red muscles) “Color” White Red Contraction Fast Slow Metabolism Glycolytic / anaerobic Oxidative / Aerobic Blood Supply Low High Fiber Diameter Large Small Myosin ATPase High Low Mitochondria Few Many Myoglobin Low High Performance Rapid, powerful contractions (jumping) Prolonged, continued muscle activity (marathon races)

The activation of skeletal muscle: ► Single twitch (short, single contraction) ► Multiple twitches, ► Fused tetanus (long sustained contraction; frequency >10 Hz)

Fibres à contraction rapide Répondent très rapidement (rapides) Donnent de très puissantes contractions anaérobiques N’ont pas besoin de beaucoup d’oxygène

Fibres à contraction rapide 2 fois plus grandes que les fibres lentes Contiennent très peu de myoglobine Ressortent en blanc Contiennent plus de myofilaments que les fibres lentes

Fibres à contraction rapide Moins de mitochondries Moins de capillaires Abondance de glycogène Se fatiguent rapidement Les muscles des membres ont des fibres rapides en plus grand nombre

Fibres à contraction rapide Les sprinters ont une plus grande densité de fibres rapides

Fibres à contraction lente Se contractent lentement Utilisées lors d’efforts prolongés Aérobiques Ont besoin d’O2 pour respirer Résistantes à la fatigue

Fibres à contraction lente

Fibres intermédiaires à contraction rapide Groupe fourre-tout où sont placées les fibres qui ne rentrent pas dans les autres groupes Contraction rapide aérobiques Résistantes à la fatigue Intermédiaires en taille et puissance Rencontrées surtout dans les membres inférieurs

Relation Tension – Longueur de Sarcomère Mécanismes de la contraction musculaire : Relation Tension – Longueur de Sarcomère Filaments fins Filaments épais

Relation Longueur - Tension (muscle entier) Total Tension Passive Active Longueur Lo

Muscle Tone Skeletal muscle is under voluntary control, but even when a muscle is relaxed it is being unconsciously stimulated at a low level by its motor neurons. This results in a small amount of tension being generated, called muscle tone. The absence of tone in a muscle is a sign of neuromuscular dysfunction. Active Tension Contractility of whole muscles depends on the properties of its connective tissues as well as of its muscle fibers. The tension produced by the contraction of a muscle's fibers is called active tension. It is used to do useful work through shortening the muscle, controlling its lengthening or preventing a change in its length. Passive Tension Passively stretching a muscle is resisted by its connective tissues, which become progressively taut. This is passive tension and helps to limit damage to the joints moved by the stretched muscle. Various elements of muscle fibers also contribute to passive tension (resisting stretching), such as the membrane and internal scaffold proteins (e.g. titin).

Force - Velocity Relationship Work = Force x Distance Power = Work / Time Note: Maximum power for 1/3 of maximum velocity Force Power 1/3 Max. Vel. 1/3 Velocity

Contraction isométrique Les contractions musculaires isométriques surviennent quand les muscles ne se raccourcissent pas. Par exemple quand on pousse sur un objet fixe (un mur) ou en portant un poids à un niveau constant. (Pas Mvt) Contraction isotonique Les contractions isotoniques surviennent lorsque la tension musculaire reste constante et que le muscle se raccourcit (comme en portant des haltères) - Mvt La différence fondamentale entre ces deux formes de contraction c’est que la contraction isométrique ne oes not require much sliding of the filaments among each other, but force is developed. No external work is done. In isotonic contraction, sliding of the filaments occurs, and a load is moved: external work is performed.

Muscle Contraction in the Lab Cardiac/Skeletal Muscle Cell (Fiber)

FORCE TRANSDUCER