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Produire un mouvement volontaire

Même au repos, la plupart de nos muscles sont dans un état de contraction partielle appelé « tonus musculaire ». Le tonus est maintenu par l’activation constante d’une petite quantité d’unités motrices qui se contracte en alternance.

Les fibres musculaires appartenant à une même unité motrice ne sont pas situées côte à côte mais plutôt dispersées dans le muscle. Cette organisation s’explique sur le plan fonctionnel si l’on prend en considération l’apport énergétique nécessaire à la contraction musculaire. Celle-ci tire en effet son énergie de la combustion du glucose amené aux fibres musculaires par les capillaires sanguins circulant entre les fibres musculaires. Or comme toutes les fibres innervées par un motoneurone se contractent en même temps, leur élargissement comprimerait les capillaires les alimentant en énergie si elles étaient regroupées au même endroit. Cette diminution rapide de l’apport énergétique amènerait donc une fatigue rapide de l’unité motrice, d’où la distribution éparse de leurs fibres dans le muscle pour éviter ce problème.

LA JONCTION NEUROMUSCULAIRE ET LA CONTRACTION DES MUSCLES

La contraction musculaire d’une unité motrice est initiée par la libération d’acétylcholine au niveau de la jonction neuromusculaire.

L’activation des récepteurs nicotiniques cholinergiques déclenche un potentiel post-synaptique excitateur au niveau de la plaque motrice de la fibre musculaire. Si celui-ci atteint un certain seuil, un potentiel d’action musculaire est généré par les canaux sodiques dépendants du potentiel de membrane.

Ce potentiel d’action circule à la surface du

lemme puis des tubules T pour provoquer la libération du calcium stocké dans le réticulum sarcoplasmique. Ce calcium diffuse dans les myofibrilles qui sont divisés par les stries Z en segments appelés sarcomères. Dans chaque sarcomère, des filaments fins et épais peuvent glisser les uns sur les autres pour rapprocher les stries Z et réduire ainsi la longueur du sarcomère lors de la contraction musculaire.

Pour comprendre comment le calcium va provoquer ce glissement des filaments fins et épais, il faut considérer la protéine formant principalement les filaments fins, l’actine, et celle formant majoritairement les filaments épais, la myosine. Et plus particulièrement les « têtes » des molécules de myosines qui, en s’associant à celles de l’actine, provoquent un changement de conformation qui induit une rotation des têtes de la myosine. C’est cette rotation qui fera glisser d’un cran les filaments fins le long des filaments épais, un peu comme un mécanisme de crémaillère. Or en l’absence de calcium, la myosine ne peut pas interagir avec l’actine car ses sites de liaison sont occupés par une autre protéine, la troponine.

Le calcium qui arrive suite à un potentiel d’action musculaire va donc, en se fixant sur la troponine, faire deux choses : 1) exposer les sites d’interaction de la myosine et 2) modifier la forme d’une autre protéine, la tropomyosine, qui va pour sa part libérer les sites de fixation spécifiques de la myosine présents sur la molécule d'actine. L’actine et la myosine pouvant maintenant interagir, la rotation des têtes de myosine sur celles d’actine devient possible. La contraction musculaire va donc avoir lieu tant que le calcium et l’ATP seront disponibles. L’ATP est entre autre nécessaire à la rupture de la liaison entre l’actine et la myosine. C’est ce qui explique la rigidité musculaire d’un cadavre lorsque cet apport d’ATP vient qu’à manquer.

La quantité de calcium émis par le réticulum sarcoplasmique dépend de la fréquence des potentiels d’action dans la fibre muculaire. À partir de 50 stimuli par seconde, la fréquence est suffisante pour provoquer une contraction musculaire soutenue appelée tétanos.

La contraction musculaire prend fin quand cessent les potentiels d’action et que diminue la concentration de calcium dans les myofibrilles. Cette diminution est causée par la recapture du calcium dans le réticulum sarcoplasmique, un processus actif qui nécessite de l’ATP. Quand la concentration de calcium revient à la normale, la fibre musculaire se relaxe et revient à sa position détendue.

La myasthénie est une maladie liée à un défaut de transmission de l'influx nerveux entre le nerf et le muscle volontaire. Il s’agit d’une maladie dite auto-immune parce que certains globules blancs fabriquent, chez ceux qui en souffrent, des anticorps contre leurs propres récepteurs de l'acétylcholine, ce qui a pour effet de les détruire. L’efficacité de la jonction neuromusculaire est donc réduite, ce qui amène une faiblesse musculaire à l’effort ou, dans les formes graves de la maladie, une force musculaire réduite en permanence.

Recherche spécialisée versus démarche multidisciplinaire

Des courants dus à la libération spontanée de vésicules d'ACh peuvent être enregistrés au niveau de la jonction neuromusculaire en l'absence de toute stimulation de l'axone moteur. Ces courants miniatures correspondent à l'ouverture d’environ 1600 récepteurs nicotiniques ouverts par l'ACh. Comme il faut 2 molécules d'ACh pour ouvrir un seul canal, une vésicule contient alors 3200 molécules d'ACh. Le pic du courant d’une plaque motrice correspondant à environ 100 courants miniatures, soit à l'ouverture de 160 000 récepteurs nicotiniques par l'acétylcholine libérée, donc 320 000 molécules d'ACh.

LE RÉCEPTEUR NICOTINIQUE DE L'ACÉTYLCHOLINE

À la jonction neuromusculaire, l’acétylcholine est synthétisée dans le cytoplasme de la terminaison nerveuse à partir de l’acétylCoA et de la choline. Environ la moitié de cette choline vient de la choline recaptée par la terminaison nerveuse après hydrolyse de l’acétylcholine par l’acétylcholinestérase dans la fente synaptique. Plusieurs milliers de molécules d’acétylcholine sont ainsi stockée par vésicule synaptique (voir encadré).

Dès leur libération, environ la moitié des molécules d’acétylcholine sont hydrolysées par l’enzyme acétylcholinestérase. Mais il s’en accumule bientôt une telle quantité dans la fente synaptique que l’enzyme ne peut tout dégrader et l’autre moitié atteint les récepteurs nicotiniques. Tout cela se déroule évidemment très rapidement puisqu’on estime la demi-vie de l’acétylcholine à 1 ou 2 millisecondes, l’acétylcholinestérase étant capable d’hydrolyser 4000 molécules d’ACH par site et par seconde. La répartition de l’acétylcholinestérase se superpose d’ailleurs parfaitement à celle des récepteurs nicotiniques postsynaptiques.

C’est donc principalement une réaction biochimique qui termine ici la transmission synaptique, contrairement aux catécholamines où la diffusion à l’extérieur de la fente synaptique et surtout la recapture par le bouton présynaptique en sont les principales responsables.

En ce qui concerne les récepteurs à l’acétylcholine, on les subdivise en deux grandes familles : nicotiniques et muscariniques. Ceux de la jonction neuromusculaire, de type nicotiniques, sont des protéines pentamériques qui forment un canal ionique fiché dans la couche bi-lipidique de la membrane postsynaptique. On en compte près de 10 000 au micromètre carré. L’acétylcholine se fixe sur la partie extra-cellulaire des deux sous-unités alpha de cette protéine canal qui compte 5 sous-unités en tout.

Chaque sous-unité comprend elle-même quatre domaines hélicoïdaux transmembranaires identifiés M1 à M4. Dans chaque sous-unité, c’est la partie M2 de ces hélices qui forment la paroi du canal ionique. Ce canal ionique, ouvert par le changement de conformation allostérique provoqué par la fixation de l’acétylcholine, est également perméable à Na et K. La perméabilité au calcium ne contribue que pour 2,5 % à la perméabilité totale. La demi-vie des récepteurs nicotiniques adultes est de 4 à 6 jours.