Le rôle du muscle strié squelettique dans la conversion de l’énergie chimique en énergie mécanique
4– La contraction musculaire:
Durant la contraction musculaire l’énergie provient directement de l’hydrolyse de l’ATP, selon la réaction suivante:
ATP + H2O ——-Enzyme(ATPase)—————> ADP + Pi + 7,3Kcal (30,5 kjoules)
Cette énergie libérée par hydrolyse d’ATP est convertie en énergie mécanique avec dégagement de chaleur (chaleur initiale de contraction).
Comment intervient l’ATP dans le mécanisme de contraction musculaire?
Pour comprendre les mécanismes de la contraction, on réalise les observations et expériences suivantes:
Document 1: Observations au microscope électronique d’une myofibrille au repos et en contraction,
1 –A partir de l’exploitation du document 1, comparer l’aspect de la myofibrille quand le muscle est au repos (a) et quand il est contracté (b) puis déduire les caractéristiques de la contraction au niveau de la myofibrille.
1 – On observe que les stries Z dans la myofibrille contractée sont plus rapprochées que celles de la myofibrille au repos d’où un sarcomère plus court dans la myofibrille contractée. D’autre part la myofibrille contractée présente une bande claire I et une zone H plus courtes que celles de la myofibrille au repos. Tandis que la longueur de la bande sombre A est la même dans les deux états.
La contraction se traduit donc par :
- Un raccourcissement du sarcomère;
- Une réduction de longueur de la bande claire I et de la zone H;
- Une constance des dimensions de la bande sombre A.
Document 2: Schémas et animation illustrant le mécanisme du raccourcissement du sarcomère
2 – A partir du document 2, Expliquer les modifications de structure au niveau de la myofibrille.
2 – Le sarcomère est essentiellement constitué de deux types de filaments protéiques; l’actine et la myosine, et puisque les dimensions des bandes sombres A restent constantes, le raccourcissement du sarcomère n’est pas dû à un raccourcissement des myofilaments, mais à un glissement des filaments d’actine entre les filaments de myosine.
Document 3: On mesure la force de contraction des myofibrilles isolées suite à l’ajout des ions Ca2+ et de l’ATP, puis le Salyrgan qui est un poison qui bloque l’utilisation de l’ATP, et le chélateur qui fixe les ions Ca2+, inhibant ainsi leur action.
On cultive des fibres musculaires dans un milieu contenant du calcium radioactif. On observe par autoradiographie les fibres musculaires quand elles sont relâchées et quand elles sont contractées. le document 4 montre les résultats obtenus :
1 – A partir de l’exploitation du document 3, déduire les conditions nécessaires à la contraction musculaire.
2 – En exploitant le document 4, dégager l’information supplémentaire apportée par cette expérience.
1 – L’ajout des ions Ca2+ et de l’ATP déclenche immédiatement une augmentation de la tension des myofibrilles. Mais l’ajoute du Salyrgan qui bloque l’utilisation d’ATP ou du chélateur qui inhibe l’action des ions Ca2+, entraîne une diminution de la tension donc l’absence de contraction. Ces résultats montrent que la contraction musculaire nécessite la présence de l’ATP et des ions Ca2+.
2 – On observe que le calcium radioactif est localisé dans le réticulum sarcoplasmique quand la fibre musculaire est relâchée et dans le sarcoplasme quand la fibre musculaire est contractée. Cela veut dire que lors de la contraction musculaire, le réticulum sarcoplasmique libère les ions Ca2+ dans le sarcoplasme.
Document 5 : Conformation des myofilaments d’actine de de myosine avant et après ajoute des ions Ca2+.
1 – A partir de l’exploitation du document 5, déduire le rôle des ions calcium.
1 – Avant l’ajout du calcium, la tropomyosine masque le site de fixation de la tête de la myosine sur l’actine, par ailleurs la présence des ions Ca2+ fixés à la troponine induit une modification conformationnelle du système troponine-tropomyosine. Il change de forme et libère ainsi le site de fixation de la tête de myosine sur l’actine, ce qui permet la constitution du complexe actomyosine (pont actomyosine).
Document 6: La jonction entre un neurone moteur (motoneurone) et une fibre musculaire (la jonction neuro-musculaire ou plaque motrice )
Les tubules transverses, également appelée tubules T, sont des invaginations du sarcolemme délimitant le contenu de la cellule musculaire.
Document 7: Cycle d’interaction entre l’actine et la myosine dans les sarcomères
Document 8: Une animation montrant l’intervention de l’ATP lors de la contraction musculaire.
1 – A partir de l’exploitation des documents 6,7 et 8, décrire le processus qui permet de transformer une énergie chimique en énergie mécanique au niveau musculaire.
Document 6 : Au niveau de la jonction neuro-musculaire, et quand l’influx nerveux arrive sur la fibre musculaire, il se propage le long des tubules transverses du sarcolemme, parvient à proximité du réticulum sarcoplasmique, ce qui permet l’ouverture des canaux Ca2+ et la libération du calcium présent au niveau du réticulum sarcoplasmique dans le sarcoplasme de la fibre musculaire.
Document 7 et 8 : Le calcium libéré dans le sarcoplasme de la fibre musculaire, se fixe sur la troponine induisant une modification conformationnelle du système troponine-tropomyosine, libérant ainsi le site de fixation de la tête de myosine sur l’actine et formant le pont actomyosine. Le Pi puis l’ADP se détachent de la tête de myosine, entraînant une libération d’énergie permettant la rotation de la tête de myosine de 90° à 45°, et donc un glissement des filaments d’actine vers le centre du sarcomère. L’arrivé d’une nouvelle molécule d’ATP permet la rupture de la liaison entre l’actine et la myosine, et l’activation de l’enzyme ATPase de la tête de myosine qui hydrolyse l’ATP, ce qui permet le redressement de la tête de myosine, qui reprend sa configuration initiale. Le cycle se reproduit tant que la concentration en Ca2+ est suffisante.
- Le mécanisme prend fin quand la concentration en Ca²⁺ est insuffisante ( absence de stimulation ). Les canaux calciques de la membrane du réticulum sarcoplasmique se ferment, et le calcium est transporté activement dans le réticulum sarcoplasmique.
- Si l’ATP n’est pas renouvelé, les têtes de myosine ne se détachent pas de l’actine et la myofibrille reste contractée.
Bilan :
Le muscle convertit l’énergie chimique de l’ATP en rotation des têtes de myosine provoquant le glissement des filaments et raccourcissement des sarcomères (énergie mécanique = mouvement ), et une partie d’énergie est libérée sous forme de chaleur (énergie thermique).