Situation Problème :
Marie, une jeune gymnaste, s'entraîne intensément pour une compétition. Lors de ses exercices, elle ressent parfois des crampes musculaires soudaines et une fatigue inhabituelle dans ses muscles. Elle se demande pourquoi ses muscles se contractent soudainement sans qu’elle le veuille, et pourquoi ils restent tendus, la laissant dans l’incapacité de poursuivre son entraînement.
Marie veut comprendre le mécanisme de la contraction musculaire pour trouver des solutions qui l’aideront à éviter ces crampes et améliorer sa récupération. Qu'est-ce qui se passe dans ses muscles pendant la contraction et la relaxation, et comment pourrait-elle adapter son entraînement pour optimiser la performance musculaire et réduire les risques de crampes ?

Objectif de la leçon
• Comprendre les mécanismes responsables du raccourcissement des fibres musculaires lors de la contraction.
• Analyser les processus biochimiques et structuraux qui provoquent le raccourcissement des fibres musculaires pendant la contraction.

Introduction :

Le mouvement musculaire est au cœur de toutes les activités physiques, qu'il s'agisse de simples gestes du quotidien ou de performances sportives de haut niveau. Les muscles squelettiques, grâce à leur capacité de contraction, permettent aux individus de se déplacer, de soulever des objets et de maintenir différentes postures. Cependant, le fonctionnement de cette contraction musculaire, bien que commun, reste complexe et dépend de nombreux mécanismes biochimiques et structuraux.

I. Les étapes de la contraction musculaire

L’observation d’électro photographie d’un muscle en contraction montre un raccourcissement des bandes claires, les bandes sombres conservant leur longueur. Cependant, ni les filaments fins d’actine, ni les filaments épais de myosine n’ont changé de longueur.
En effet, lors de la contraction musculaire, les filaments d’actine pénètrent profondément dans les faisceaux des filaments de myosine de telle sorte que les bandes isotropes ou claires deviennent plus étroites pendant que les bandes anisotropes ou bandes sombres gardent la même dimension de l’état de repos.
Le glissement des myofilaments est provoqué par la formation des ponts d’union entre myosines et actines (ponts d’actomyosines), suivie d’un pivotement des têtes de myosines.
La rupture des ponts d’actomyosines met fin à la contraction.
Les étapes de la contraction musculaire sont :
• L'arrivée de l'onde de dépolarisation (potentiel d’action) permet l’ouverture des canaux Ca²⁺ permettant le relargage du Ca²⁺ contenu dans le réticulum endoplasmique dans le sarcoplasme de la fibre musculaire.
• La fixation des ions calcium sur les sites spécifiques des myofilaments permet la liaison entre les tètes des filaments d’actine et l'ATP (complexe actine-myosine-ATP) : c’est le rattachement.
• L'hydrolyse de l’ATP libère l'énergie permettant le pivotement de la tété de la molécule de myosine suivi de la libération de l’ADP du complexe. Il est donc responsable du glissement des filaments d'actine entre les filaments de myosine : c’est le pivotement.
• Le complexe actine-myosine (A-M) reste stable et seule la présence d'une nouvelle molécule d'ATP permet la rupture de la liaison entre l'actine et la myosine, le redressement des têtes de myosine : c’est le détachement.
Si la concentration du Ca²⁺ est élevée, le cycle se reproduit.
Le mécanisme prend fin quand la concentration en Ca²⁺ est faible et que les sites calciques sont libres.

II. Mécanisme de la contraction d’une fibre musculaire.

La contraction musculaire exige un apport énergétique important. Le calcium en se fixant sur un myofilament déclenche l’hydrolyse de l’ATP.
L’énergie libérée par l’ATP provoque le glissement des myofilaments entre eux, aboutissant à la contraction. Ce glissement est réalisé par :
• Fixation d’ATP sur la tête de myosine
• Fixation du complexe ATP-myosine sur une molécule d’actine grâce aux ions Ca²⁺ , Hydrolyse d’ATP entraînement un pivotement de la tête de la molécule de myosine et ce pivotement est responsable du glissement de l’actine par rapport à la myosine
• La fixation d’une nouvelle molécule d’ATP provoque la séparation de la myosine de l’actine, et le redressement des têtes de myosine
Il y a donc transformation de l’énergie chimique de l’ATP en énergie mécanique et en chaleur.
\(ATP + {H_2}O\) \(\overset{Ca^{2+}}{\rightarrow}\) \(ADP + Pi + E\)

III. Rôle de l’ATP et des ions calcium dans la contraction.

Le réticulum sarcoplasmique, une forme spécialisée de réticulum endoplasmique lisse qui entoure les myofibrilles, libère les ions calcium qu'il stocke pour déclencher la contraction musculaire. De plus, il a été estimé que lors d'un exercice musculaire de haute intensité, la vitesse de consommation élevée de l'ATP lors d'un exercice intensif montre son importance dans le cycle de contraction-relaxation.
Il est logique d’en déduire que l’ATP et le calcium sont cruciaux pour la contraction musculaire.

Expérimentation

Des myofibrilles isolées, placées dans des conditions spécifiques, conservent leur capacité à se contracter, ce qui se traduit par une augmentation de leur tension. Cette tension est mesurable et permet de quantifier leur activité. Le graphe suivant illustre l'évolution de la tension des myofibrilles après ajout de différents composés dans le milieu : l'ATP seul, l'ATP associé à des ions Ca²+, et du salyrgan (un poison qui inhibe l’hydrolyse de l’ATP).
TRAVAIL DEMANDE : Analyser et Interpréter les résultats obtenus.

Conclusion

La contraction musculaire ne peut se produire sans la présence d'ions calcium, qui permettent l'accès aux sites de fixation sur l'actine, nécessaires à l'attachement des têtes de myosine. De plus, l'ATP est indispensable à cette contraction, car son hydrolyse fournit l'énergie nécessaire au pivotement des têtes de myosine au début du processus et à leur séparation à la fin. Cette réaction est rendue possible grâce à l'activité ATPasique de la myosine. La chaleur initiale générée pendant la contraction résulte de l'énergie libérée lors du transfert d'un groupement phosphate de la créatine phosphate à l'ADP, qui se transforme ainsi en ATP (voir la régénération de l'ATP lors des efforts de courte durée). Enfin, la chaleur dégagée après la contraction est liée à la régénération des molécules phosphatées par la respiration cellulaire.