DEPARTEMENT DE BIOLOGIE PHYSIOLOGIE MUSCULAIRE UNIVERSITE MOHAMMED PREMIER FACULTE DES SCIENCES DEPARTEMENT DE BIOLOGIE OUJDA - MAROC SVI – S5 Module de Physiologie animale PHYSIOLOGIE MUSCULAIRE 2009-2010

OBJECTIFS DU COURS Assimiler correctement pour chaque type de muscle - Structure, Énergétique - Mécanisme de la contraction - Modalités du Couplage Excitation - Contraction et de Régulation

MUSCLE Un rares tissus : compréhension (au niveau moléculaire) du Déroulement et de Régulation de ces fonctions. Fonction : Mouvement Musculaire (Posture et Equilibre), Production de chaleur. Diversité des mouvements : Respiration, Marche, Nage, Vol, Pompage du Sang, Contraction des Intestins, de l'Utérus (Accouchement), …. Propriétés de base : Excitabilité, Contractilité, Extensibilité, Elasticité.

MUSCLES : CLASSIFICATION 1– M. STRIE 2– M. LISSE M. Strié : * M. Squelettique * M. Cardiaque Particularité m. cardiaque et squelettique : - Protéines Contractiles : % élevé (≈ 80 % des protéines totales) - PC : schéma très ordonné

Cellules musculaires = myocytes = fibres musculaires 3 types: 1. Tissu musculaire squelettique 2. Tissu musculaire cardiaque 3. Tissu musculaire lisse

MUSCLE SQUELETTIQUE

MUSCLE SQUELETTIQUE Squelettique : Attaché au Squelette (Mouvement du squelette) Muscle Volontaire Constitution : Fibres ou Cellules Musculaires (Myocytes) + Tissu Conjonctif Constituants de la Fibre Musculaire : - Membrane Plasmique ou Sarcolème - Noyau, Mitochondries, Appareil de Golgi - Réticulum Sacroplasmique (RS) : Réserve ce Ca++ - Myofibrilles (Protéines en faisceaux, volume important, Siège de la contraction) - Sarcoplasme ou Cytosol (cytoplasme)

Durée courte (1 à 2 ms) Er ≈ -80 mV ACTIVITE ELECTRIQUE Cellule EXCITABLE PA -80 + 30 Potentiel de membrane (mV) Temps (ms) A B Schéma du potentiel d’action du muscle squelettique 2 ms Dépolarisation (INa) Repolarisation (IK) Durée courte (1 à 2 ms) Er ≈ -80 mV

- 1 TT est associé à 2 citernes formant : une Triade PARTICULARITÉS - Invagination du sacrolème : Système Tubulaire ou Système T ou Tubules transverses - RS enroulé sur les Myofibrilles : Citernes Terminales au niveau des TT - 1 TT est associé à 2 citernes formant : une Triade Tubule T

Striation : Alternance de deux zones : Sombres (A) et Claires (I) PARTICULARITÉS Striation : Alternance de deux zones : Sombres (A) et Claires (I) Bandes Claires ou "I" : centrée par la ligne ou Strie Z Bandes Sombres ou "A" : centrée par bande "H" Bande "H" : centrée par la ligne "M".

Partie de la myofibrille comprise entre 2 stries Z = SARCOMERE Sarcomère Z Partie de la myofibrille comprise entre 2 stries Z = SARCOMERE SARCOMERE = Unité Fonctionnelle de Base de la Contraction Longueur du Sarcomère : - Muscle au Repos : entre 2 et 2,5 µm - Muscle Contracté :  à 2 µm.

À la myofibrille (organite) Niveaux d’organisation Du muscle (organe) À la myofibrille (organite) À la fibre musculaire (cellule) Au sarcomère Au myofilament

DE QUOI EST CONSTITUÉ UN SARCOMÈRE ? Protéines Contractiles : Protéines Contractiles ou Myo-Filaments ou Myofibrilles Protéines Contractiles : Dans cellule Animale (contraction puis Mouvement) Dans cellule Végétale (Responsables du flux protoplasmique et des mouvements des organites intracellulaires) TYPES DE MYOFILAMENTS : 1- Myofilament Epais (FE) : Myosine (M) 2- Myofilament Fin (FF) : Actine (A) + Protéines Régulatrices

COMMENT SONT DISPOSES LES MYOFILAMENTS DANS LE SARCOMÈRE ? Interpénétration ou Chevauchement Z Z Organisation dans l’espace !!!!! FE : entouré de 6 FF Donc : - 1 F de myosine peut se lier aux 6 F d’actine. - 1 F d’actine peut interagir avec 3 F ≠ de myosine

ACTINE - Protéine Globulaire (42 KDa)  Polymérisation  2 Chaînes Polypeptidiques Enroulées (Bande « I ») Filament d'actine. - Filaments d'Actine : Attachement à la Strie Z - Monomère d'Actine contient le Site de Fixation de Myosine.

1 molécule de Myosine = 6 Chaînes Polypeptidiques : - 2 chaînes identiques (≈ 200 KDa chacune) : Chaînes Lourdes - 4 chaînes légères (≈ 20 KDa chacune) : Chaînes Légères - Chaînes lourdes: Enroulées - Responsables de la Bande A

2 Ch. Lourdes formant 2 parties : Chaînes Lourdes 2 Ch. Lourdes formant 2 parties : - Queue ou Bâtonnet pour la partie Enroulée (portion S2) - Tête Globulaire (TG) pour la partie Déroulée (portion S1) Queue Tête Chaque Tête Globulaire possède 2 Sites : - Site Enzymatique (ATPase) - Site de Fixation d’actine Rôle des Tête Globulaire dans la contraction …….

Chaînes Légères - 2 paires Chaînes Légères / myosine - Positionnées sur les Têtes Globulaires (2 chaînes / tête) Zone Flexible entre Queue et TG de myosine = Rotation

COMMENT SONT ASSEMBLEES LES MYOSINES ? FE : ≈ 300 molécules de Myosine (disposition opposée) : - TG : Assemblage dans les 2 extrémités du FE - D’où, Zone centrale sans qu’aucune TG ne se projette ( Bande H) Bande « A » Centre sarcomère

PROTEINES REGULATRICES - Fixées sur l’actine - Régulent la Contraction Constituants : - Tropomyosine - Complexe de Troponines Tropomyosine (Tm) 2 Chaînes polypeptidiques enroulées. 1 Molécule de Tm = 35 nm ( 7 unités d'actine globulaire) Disposition : dans le creux formé par les filaments d'actine Au repos : Bloque les sites de fixation de myosine sur l'actine

Complexe de Troponines (Tn) 3 sous unités : - Troponine T (TnT) - Troponine I (TnI) - Troponine C (TnC) TnT (TM)= Fixation de Tn à la Tm et à l'Actine TnC (Calcium) = Fixation du Ca++ (sites) TnI (Inhibitrice) = Maintient la Tm dans une position masquant le site de liaison de la myosine sur l'actine.

AUTRES PROTEINES Titine = Protéine extrêmement longue (≈ 1 μm) de ligne Z à ligne M. Stabilité longitudinale du sarcomère Nébuline = Très grande protéine liée à l’actine près de Z - Renforcement du filament fin α-Actinine = - Protéine de la ligne Z qui lie ensemble les filaments d’actine Desmine = - lie la ligne Z aux myofibrilles adjacentes et permet de la maintenir en place.

Comment sont arrangées Myosine et Actine dans le Sarcomère ? - Attachement des Actines à la strie Z (extrémités du sarcomère) - Attachement des Myosines au Centre du Sarcomère (ligne M) - Têtes Emergent dans la Partie en Chevauchement avec l'actine

ELÉMENTS BIOCHIMIQUES DE LA CONTRACTION ATP = Energie pour la Contraction Ca++ = Libération du site de fixation de la Myosine sur l'actine Si Muscle au Repos : Ca++ intracellulaire Faible ≈ 0,1 μmol.L-1 (10-4 mM) Si Muscle en Contraction : Ca++ intracellulaire Élevé ≈ 0,1 mmol.L-1 (10-1 mM) Augmentation de 1000 x Ca++ + ATP  Contraction

Diapositive empruntée au Pr. G. SALIDO (Espagne) AU REPOS 0.2 – 1 mM 0.0001 – 0.01 mM 0.0001 mM Mitochondria Reticulum Sarcoplasmic Cytosol 1.2 mM Diapositive empruntée au Pr. G. SALIDO (Espagne)

MOUVEMENTS TRANSMENBRANAIRES DU CA++ Canaux Calciques (RS) : Sortie du Ca++ du RS vers le sarcoplasme Echangeur Na+/Ca++ (Sarcolème ): Entrée & Sortie du Ca++ de la cellule (double sens) ATPases Calciques ou Pompes (RS et Sarcolème) : * Sortie du Ca++ à l’extérieur de la cellule * Retour du Ca++ vers le RS (Transport actifs)

MOUVEMENTS TRANSMENBRANAIRES DU CA++ Ext Ca++ RS Cytosol Canal Ca++ Energie Int Pompe à Ca++ Sarcolème Cellule Musculaire squelettique

ATP + H2O → ADP + Pi + Energie SOURCES D'ATP ATP + H2O → ADP + Pi + Energie Phosphorylation oxydative Glycolyse Niveau d'ATP : Pas de Variation Importante Existence de Système Enzymatique Efficace pour REGÉNÉRER l'ATP :

Réaction enzymatique : RÉACTION DE LOHMANN 1- Enzyme : MyoKinase Substrat : ADP ADP + ADP ATP + AMP Myokinase 2- Enzyme : Phosphocréatine kinase (PCK) Substrat énergétique : Phosphocréatine (PCr) Phosphocréatine + ADP ATP + Créatine PCK C'est la [PCr] qui chute lors d'une contraction Réaction enzymatique : RÉACTION DE LOHMANN

MECANISME MOLECULAIRE DE LA CONTRACTION I. Rôle du Ca++ : Etablir la Liaison Actine –Myosine Comment ? 1- Formation du Complexe Ca++-TnC 2- Changement de conformation de TnI de l'Actine 3- Déplacement de la Tropomyosine (site débloqué) 4- Libération du site de Fixation de la Myosine 5- Liaison entre Actine et Myosine (Pont Actomyosine) Relation Directe et Proportionnelle : entre Ca++ interne et le nombre de Ponts AM formés et l'Amplitude de la Contraction.

Théorie de GLISSEMENT DES MYOFILAMENTS II. Rôle de l'ATP : Mouvement du pont actomyosine Tête de Myosine : Hydrolyse l'ATP  Energie  Pivotement du Pont AM  Glissement des Filaments d'Actine entre ceux de Myosine : Théorie de GLISSEMENT DES MYOFILAMENTS

Hugh Huxley 1954 La théorie de la contraction par GLISSEMENT des filaments

RELACHEMENT MUSCULAIRE Relâchement = Rupture du Pont actomyosine 2 Conditions pour dissocier le Pont AM : 1- Attachement d’une nouvelle molécule d'ATP sur son site de myosine. 2- Diminution du Ca++ Cytosolique - Capter par le RS (ATPases calciques Réticulaires) - Refouler à l’extérieur (ATPases calciques plasmiques et Echangeur Na+/Ca++

DIMINUTION DU CA++ INTRACELLULAIRE Na+ Ext Ca++ RS Cytosol Canal Ca++ Energie Int Pompe à Ca++ Sarcolème SEQUENCE DE LA CONTRACTION CYCLE DE L’ATP !!!

SEQUENCE DE LA CONTRACTION CYCLE DE L’ATP

+ Ca++ - Ca++

Actin Myosin Crossbridge 3D Animation* San Diego State University College of Sciences Biology 590 - Human Physiology Actin Myosin Crossbridge 3D Animation*

COUPLAGE EXCITATION - CONTRACTION Rappel : Citernes Terminales du RS Très Proches des Myofibrilles au niveau des TT (Triade). PA Membranaire (nerf ou muscle) Contraction des Myofibrilles ?

ETAPES DU CEC Dépolarisation du Sarcolème et des TT Dépolarisation de la Membrane du RS (?) Ouverture des Canaux à Ca++ du RS Augmentation du Ca++ interne et Contraction Simultanée de Toutes les Myofibrilles.

- Membranes TT et CT : TRIADE - Distance entre TT et CT ≈15 nm COMMENT SE FAIT LA TRANSMISSION ENTRE MEMBRANES TT ET RS AU NIVEAU DES TRIADES ? Lien entre Excitation membranaire (Dépolarisation du sarcolème) et Libération de Ca++ du RS ??? - Membranes TT et CT : TRIADE - Distance entre TT et CT ≈15 nm Tubule T

DONNÉES ACTUELLES - Membre des TT : Canaux calciques (Récepteurs aux Dihypyridines = DHPR) Si Dépolarisation (PA) : DHPR s’ouvrent et influx de Ca++ extracellulaire - Membre du RS (citernes terminales) : Canaux calciques (Récepteurs à Ryanodine = Ryn) Si Dépolarisation (PA) : Ryn s’ouvrent et sortie massive du Ca++ à partir du RS

COUPLAGE EXCITATION - CONTRACTION Membrane RS Ca++ Tubule T Récepteur DHP Récepteur à la ryanodine Sarcolème Citerne Terminale TRIADE EXT INT

REGULATION DE LA CONTRACTION Tout ce qui modifierait le taux du Ca++ intracellulaire Second Messager Intracellulaire : Inositol Triphosphate (IP3) Origine : Phosphoinositides (phospholipides membranaires) Enzyme Impliquée : Phospholipase C (PLC) membranaire Si PLC Activée  Production de l'IP3 et du Diacylglycérol (DAG) RS PLC + Récepteur PIP2 IP3 + DAG Ca++

TYPES DE FIBRES MUSCULAIRES Fibres Musculaires : Propriétés Différentes (Composition, Structure, Cinétique, …) - Influence de l'Activité Nerveuse Plusieurs Types de Fibres dont 2 Majeures : Fibres Lentes Oxydatives (type I) Fibres Rapides Glycolitiques (type II)

Types et Caractéristiques Fibres lentes oxydatives Fibres rapides glycolytiques Production d'ATP Phosphorylation oxydative Glycolyse anaérobie ATPase de myosine Activité Faible Activité Elevée Cinétique de la contraction Lente Rapide Activité enzymatique glycolytique Faible Elevée Nombre des mitochondries Elevé Peu important Nombre de myofibrilles Capillaires sanguins Nombreux Peu nombreux Taux en myoglobine Elevé (rouge) Faible (blanc) Taux en glycogène Taux en triglycérides Diamètre des fibres Petit Gros Vitesse de fatigabilité Type d'exercice musculaire Lent et durable Rapide et peu durable

MUSCLE LISSE

Homéostasie Calcique : MUSCLE LISSE Caractéristiques : - Muscle des systèmes Digestif, Vasculaire, Respiratoire, Uro-génital, ... - Muscle Involontaire (SN Autonome). - Pas de Striation apparente. - Myofibrilles disposées en plusieurs couches - Pas de TT, RS peu développé, Pas de Troponines. - Peu d'ATP et de PCr, ATPase Faible (Contraction Plus Lente). Homéostasie Calcique : Entrée : Canaux Membranaires, RS Sortie : ATPases (MP, RS), Echangeur Ca++/Na+

2 phases : A = Dépolarisation (ICa) B = Repolarisation (IK) ACTIVITE ELECTRIQUE Er ≈ -55 mV 2 phases : A = Dépolarisation (ICa) B = Repolarisation (IK) -55 + 20 Potenteil de membrane (mV) Temps (ms) Schéma du potentiel d’action du muscle lisse ICa IK

MÉCANISME DE CONTRACTION - Ca++ : Activateur de la Contraction (= M. Squelettique) - Absence de Tnp. Mais, Ca++ interagit avec la Calmoduline (Cmd) : Complexe Ca++-Cmd. - Etat du Muscle dépend de l'état de la Chaîne Légère de Myosine (CLM). Contraction = Si Phosphorylation de la CLM. Relâchement = SI Déphosphorylation de la CLM.

MÉCANISME DE CONTRACTION 2 Enzymes Impliquées : Kinase et Phosphatase - Kinase = Kinase des Chaînes Légères de Myosine (MLCK). - Phosphatase = Phosphatase des Chaînes Légères de Myosine (MLCP). Activité MLCK & MLCP : Dépend du Ca++-Cmd Contraction du Muscle lisse  Equilibre MLCK / MLCP

Cycle contraction – relâchement du muscle lisse Ca++ Stimulation Calmoduline Complexe Ca++- Calmoduline Kinase des chaînes légères de myosine ou MLCK (inactive) Complexe MLCK-Ca++- Calmoduline (MLCK active) Myosine (inactive) ATP ADP Myosine-Pi activée Actine Pont acto-myosine produisant la contraction Phosphatase des chaînes légères de myosine ou MLCP Pi Myosine déphosphorylée (inactive) Dissociation du pont acto-myosine (relâchement) Cycle contraction – relâchement du muscle lisse

COUPLAGE EXCITATION – CONTRACTION Etapes du CEC : Dépolarisation de la Membrane de la Cellule Musculaire Lisse. Ouverture des Canaux Membranaires à Ca++ (VOC)  Elévation du Ca++ interne et Contraction. Implication de l’IP3 après activation de la PLC

RÉGULATION DE LA CONTRACTION - Nerveuse (SN Autonome) et Hormonale. - Actions : Inactivation de MLCK et/ou Diminution Ca++ interne. Exemple de Régulation hormonale : Adrénaline : Réduit l’Affinité MLCK et Complexe Ca++-Cmd  Relâchement du Muscle Lisse intestinale.

MUSCLE CARDIAQUE

MÉTABOLISME ENERGÉTIQUE Cœur : Activité Cyclique et Maintenue (Endurance). Substrats : AG, Lactate, Glucose et Pyruvate. Métabolisme : Oxydatif. Adaptation Permanente entre Production d’Energie et Demande. Apport Permanent en Énergie : (ATP et O2)

MUSCLE CARDIAQUE Myocyte - Structure du Myocarde = Muscle Squelettique Particularités : Disques Intercalaires (DI) : Séparations Intercellulaires  Transmission rapide (Syncytium). Cellule cardiaque = Cardiomyocyte = Myocyte

MOUVEMENTS TRANSMEMBRANAIRES DU CA++ Trois Structures Membranaires Ioniques : Canal Calcique Pompe Calcique Système d’Echange Na+ / Ca++ Ca++ = intervient dans la Contraction et le PA

ICa = gCa x d x f x (Em - ECa) Canal Calcique (VOC) - PA du Myocarde Plateau de dépolarisation (ICa++) Dépolarisation (INa+) - 90 mV + 20 mV Repolarisation (IK+) 100 ms - Conductance Calcique  (gCa++) à 2 systèmes : Activation (d) et Inactivation (f) - Formule de Calcul du Courant Calcique (ICa++) : ICa = gCa x d x f x (Em - ECa)

Pompe Calcique (ATPases Calciques) - Lieu : Sarcolème, RS, Mitochondries. - Rôle : Régulation du Ca++ interne (Contre son Gradient, TAP) Système d’Echange Na+ / Ca++ - Régulation du Ca++ interne (et du Na+). - Sensible au Potentiel Membranaire, aux Gradients de Concentration des 2 ions. - Sens Réversible (Contraction si entré de Ca++ et Relâchement si sortie de Ca++).

MÉCANISME DE CONTRACTION Identique au Muscle Squelettique (Théorie de Glissement de Myofilaments)

COUPLAGE EXCITATION - CONTRACTION (Calcium Induced Calcium Realese) Au centre du CEC : ↑ du Ca++ interne ↑ Ca++  Extracellulaire (gCa++, Na+/Ca++), surtout par RS Ca++ Lui-Même : Ca++ Diffuserait de l'extérieur des TT vers des Sites Calciques du RS (Fixation), Libération du Ca++ à travers canaux calciques, d’où le nom = Ca++ Libéré par Lui-même ou CICR (Calcium Induced Calcium Realese) - Rôle d’IP3 : Mis en évidence dans ↑ du Ca++ interne.

(Canal Ca++ plasmique) IP3 et Diacylglycérol (DAG) PIP2 IP3 + DAG PLC + RS Récepteur à IP3 +  Ca++ interne Phosphorylations (Canal Ca++ plasmique) Protéine Kinase C (PKC)

Image provenant du Dr. Barber au Pikeville College, KY.

RELÂCHEMENT = ↓ de la concentration cytosolique en Ca++ ATPases calciques du sarcolème (extérieur), Echangeur Na+/Ca++ (extérieur) ATPases calciques du RS,

RÉGULATION INTRACELLULAIRE DE LA CONTRACTION Toute Substance Modifiant le Ca++ interne (Hormones, IP3, Protéines, …) Hormones et Seconds Messagers Exemple : Catécholamines (Adrénaline) fixés sur les Récepteurs -adrénergiques. Etapes :

1. Fixation Hormone (Adrénaline) sur Récepteur 2. + d’enzyme membranaire : Adényl Cyclase (AC). 3. Formation du Second Messager : Adénosine monophosphate cyclique (AMPc). 4. Activation d’une Protéine Kinase A (PKA). 5. Phosphorylation de Protéines Cibles (gCa++) et Activation   Ca++ interne  Augmentation de Force de Contraction : Effet Inotrope positif 6. AMPc : Dégradé par les Phosphodiestérases (PDE). Membrane ATP Hormone AC  Ca++ int (CICR) Phosphorylations (canal Ca++) Récepteur AMPc PKA PDE AMP

Régulation par les Protéines Contractiles - Facteur régulé : Affinité TnC – Ca++ Exemple : pH cytoplasmique réduit cette Affinité et donc la Contraction : Effet Inotrope négatif - Modification touchant la Myosine (Activité Variable de l’ATPase de myosine) : Adaptation à Long Terme.

FIN