Fonctionnement du muscle squelettique : fibre et sarcomère, Ca²⁺ du réticulum sarcoplasmique, cycle actine-myosine, hydrolyse et régénération de l'ATP

1. Idée : une chaleur identique dans l'air et sans dioxygène ne vient pas de la respiration. D'après le document, la chaleur initiale vaut 100 u.a. dans les trois conditions : dans l'air, dans l'azote et avec le cyanure. Sa production ne dépend ni du dioxygène ni du fonctionnement des mitochondries : elle provient de réactions anaérobies, qui se déroulent pendant la contraction elle-même.

2. Idée : relier chaque baisse de la chaleur retardée à l'arrêt de la consommation de dioxygène. Dans l'air, la chaleur retardée (104 u.a.) est du même ordre que la chaleur initiale ; elle s'accompagne d'une consommation supplémentaire de 45 nmol/g de O₂, sans accumulation d'acide lactique (5 nmol/g). Dans l'azote, elle tombe à 9 u.a., moins du dixième de sa valeur dans l'air, sans consommation de O₂, et 160 nmol/g d'acide lactique s'accumulent. Le cyanure, qui bloque la chaîne respiratoire, donne dans l'air le même résultat que l'anaérobiose (10 u.a., aucune consommation supplémentaire de O₂, 150 nmol/g d'acide lactique). Par conséquent, la chaleur retardée provient de la $\boxed{\text{respiration cellulaire}}$ : l'oxydation de l'acide pyruvique dans les mitochondries, qui consomme le dioxygène. Sans respiration, l'acide pyruvique est réduit en acide lactique (fermentation lactique), réaction qui libère peu d'énergie : il ne reste qu'une faible chaleur retardée.

3. Idée : pendant la contraction, seules les réactions rapides du sarcoplasme ont lieu. La chaleur initiale provient de l'hydrolyse de l'ATP par l'activité ATPasique des têtes de myosine ($\mathrm{ATP+H_2O\longrightarrow ADP+P_i}$), dont une partie de l'énergie devient travail mécanique et le reste chaleur, et de la régénération immédiate de l'ATP par la phosphocréatine ($\mathrm{PC+ADP}\longrightarrow\text{créatine}+\mathrm{ATP}$).

4. Idée : la récupération reconstitue ce que la contraction a consommé. À la fin du tétanos, la phosphocréatine consommée doit être reconstituée : la respiration régénère l'ATP, qui recharge la créatine en phosphocréatine. Ces réactions se poursuivent pendant plusieurs minutes après le relâchement et consomment du dioxygène : la chaleur qu'elles libèrent est donc retardée par rapport à la contraction.

1. Idée : un stock qui ne varie presque pas alors qu'il est consommé est régénéré. Pendant les 10 s de stimulation, l'ATP du muscle T reste presque constant (5,0 → 4,8 mmol/kg, soit − 0,2 mmol/kg) alors que la phosphocréatine chute de 20 à 10 mmol/kg, la moitié du stock. L'ATP consommé par la contraction est donc régénéré au fur et à mesure, aux dépens de la phosphocréatine.

2. Idée : bloquer une voie révèle ce qu'elle faisait. Comparé au muscle T, le muscle D garde sa phosphocréatine (20 mmol/kg tout au long), mais son ATP chute de 5,0 à 1,6 mmol/kg en 10 s, soit − 3,4 mmol/kg (68 % du stock). Le DNFB empêchant l'utilisation de la phosphocréatine, l'ATP consommé n'est plus régénéré assez vite. La phosphocréatine assure donc la régénération rapide de l'ATP, dans le sarcoplasme, par transfert de son groupement phosphate à l'ADP :

Elle maintient l'ATP presque constant pendant un effort bref et intense.

3. Idée : moins d'ATP, moins de cycles des têtes de myosine. Dans le muscle D, l'ATP tombe à 1,6 mmol/kg : moins de têtes de myosine peuvent hydrolyser l'ATP et pivoter, et moins de têtes se détachent de l'actine pour recommencer un cycle. Le nombre de cycles actine-myosine diminue et la tension tombe à 38 % de sa valeur initiale, contre 92 % pour le muscle T, qui garde son ATP.

4. Idée : ce qui remonte au repos sans phosphocréatine utilisable est régénéré par une autre voie. Entre 10 et 70 s, l'ATP du muscle D remonte de 1,6 à 5,0 mmol/kg alors que sa phosphocréatine reste inutilisable ; dans le muscle T, c'est la phosphocréatine qui remonte de 10 à 20 mmol/kg. Une autre voie régénère donc l'ATP, plus lentement (environ une minute) : dans ces muscles oxygénés, c'est surtout la $\boxed{\text{respiration cellulaire}}$, qui achève dans les mitochondries la dégradation complète du glucose. Dans le muscle T, l'ATP ainsi produit sert aussi à recharger la créatine en phosphocréatine (réaction inverse, catalysée par la même enzyme).

1. Idée : ouvrir la fibre pour imposer la composition du milieu au contact des myofilaments. Le glycérol détruit le sarcolemme et le réticulum sarcoplasmique : les ions Ca²⁺ et l'ATP du milieu atteignent directement les myofilaments, à la concentration choisie par l'expérimentateur. La fibre, vidée de son contenu soluble, ne dispose plus de son propre ATP ni de sa phosphocréatine, et son réticulum ne peut plus ni stocker ni libérer de Ca²⁺. On peut donc tester séparément l'effet du Ca²⁺ et celui de l'ATP.

2. Idée : ne changer qu'un facteur à la fois. Milieux 1 et 2 : seul le Ca²⁺ diffère. Avec Ca²⁺ et ATP, la fibre se raccourcit et produit beaucoup d'ADP + Pi ; sans Ca²⁺, l'ATP n'est presque pas hydrolysé et la fibre reste souple. Le Ca²⁺ est nécessaire : il se fixe sur la troponine et démasque les sites de fixation de l'actine ; sans lui, les têtes de myosine ne forment pas de ponts et leur activité ATPasique reste très faible. Milieux 1 et 3 : seul l'ATP diffère. Sans ATP, même en présence de Ca²⁺, il n'y a ni raccourcissement ni production d'ADP + Pi : l'ATP est la source d'énergie de la contraction. La contraction exige donc à la fois le $\boxed{\text{Ca}^{2+}\text{ et l'ATP}}$.

3. Idée : la raideur signale des ponts fixés, la souplesse des têtes détachées ; l'analogue sépare la fixation de l'ATP de son hydrolyse. Sans ATP (milieu 3), la fibre est raide : les têtes de myosine fixées sur l'actine y restent, les ponts ne se rompent pas. Transférée dans le milieu 4, cette fibre redevient souple sans produire d'ADP + Pi : la simple fixation de l'analogue sur la tête de myosine suffit à rompre le pont actomyosine, sans hydrolyse ; en l'absence de Ca²⁺, les sites de l'actine restent masqués et les têtes ne se refixent pas. Dans le milieu 5, le Ca²⁺ démasque les sites : les têtes chargées de l'analogue se fixent sur l'actine, d'où la raideur, mais la fibre ne se raccourcit pas et ne produit pas d'ADP + Pi : sans hydrolyse, les têtes fixées ne pivotent pas. L'ATP a donc deux rôles : sa fixation détache la tête de l'actine ; son hydrolyse fournit l'énergie du pivotement et du glissement des filaments.

4. Idée : la mort arrête la régénération de l'ATP. Après la mort, la circulation et donc l'apport de dioxygène cessent : la respiration s'arrête, les réserves de phosphocréatine puis de glycogène s'épuisent et l'ATP n'est plus régénéré. Faute d'ATP, les pompes du réticulum sarcoplasmique ne recaptent plus le Ca²⁺, qui reste dans le sarcoplasme : les têtes de myosine se fixent sur l'actine, mais aucune molécule d'ATP ne vient rompre ces ponts. Les muscles restent raides, comme la fibre du milieu 3.

1. Idée : lire sur chaque courbe l'instant où elle démarre et celui de son maximum. D'après le document 1, le PA musculaire culmine à 4 ms. La luminescence, donc la concentration de Ca²⁺ dans le sarcoplasme, commence à monter vers 6 ms, culmine à 12 ms et revient à zéro vers 35 ms. La tension démarre vers 10 ms, culmine à 36 ms et revient à zéro vers 100 ms. Les trois événements se succèdent donc dans cet ordre : $\boxed{\text{PA musculaire}\rightarrow\text{Ca}^{2+}\rightarrow\text{tension}}$. La hausse du Ca²⁺ précède la tension : elle la déclenche. Le Ca²⁺ est déjà recapté quand la tension est maximale, et la tension retombe ensuite.

2. Idée : sans Ca²⁺ dans le liquide, ce qui disparaît dépend du Ca²⁺ extracellulaire ; ce qui persiste utilise un Ca²⁺ intérieur. Expérience 1 : sans Ca²⁺ dans le liquide, le potentiel d'action nerveux atteint le bouton synaptique, mais il n'y a ni PA musculaire, ni luminescence, ni tension : la transmission à la plaque motrice échoue. L'entrée de Ca²⁺ extracellulaire dans le bouton synaptique est nécessaire à l'exocytose de l'acétylcholine. Expérience 2 : dans le même liquide sans Ca²⁺, la stimulation directe de la fibre donne un PA, une luminescence et une tension : le Ca²⁺ qui s'élève dans le sarcoplasme ne vient pas de l'extérieur mais d'une réserve intérieure, le réticulum sarcoplasmique. Le Ca²⁺ intervient donc à deux niveaux : dans le bouton synaptique (Ca²⁺ extracellulaire → exocytose de l'acétylcholine) et dans la fibre (Ca²⁺ du réticulum → démasquage des sites de l'actine).

3. Idée : dissocier le PA musculaire de la libération du Ca²⁺. Expérience 3 : avec le dantrolène, le PA musculaire existe mais il n'y a ni luminescence ni tension : la plaque motrice et l'excitabilité du sarcolemme sont intactes, et le dantrolène bloque la libération du Ca²⁺ par le réticulum sarcoplasmique, l'étape qui suit le PA musculaire. Expérience 4 : la caféine, sans aucun PA, déclenche la luminescence et un raccourcissement durable : la libération du Ca²⁺ du réticulum suffit à déclencher la contraction. Expérience 5 : quand les tubules transverses sont séparés du sarcolemme, le PA se propage sur le sarcolemme mais le Ca²⁺ n'est plus libéré : les tubules transverses conduisent le PA en profondeur, jusqu'aux citernes du réticulum sarcoplasmique ; ils couplent l'excitation du sarcolemme à la libération du Ca²⁺.

4. Idée : enchaîner sans sauter d'étape, en plaçant les deux sources de Ca²⁺.

1. PA au bouton synaptique → ouverture de canaux Ca²⁺ voltage-dépendants, entrée de Ca²⁺ extracellulaire ;
2. exocytose de l'acétylcholine dans la fente synaptique ;
3. fixation de l'acétylcholine sur ses récepteurs-canaux de la membrane de la fibre, entrée de Na⁺ : potentiel de plaque motrice ;
4. PA musculaire propagé le long du sarcolemme, puis dans les tubules transverses ;
5. libération du Ca²⁺ du réticulum sarcoplasmique dans le sarcoplasme (étape bloquée par le dantrolène) ;
6. fixation du Ca²⁺ sur la troponine, démasquage des sites de l'actine ;
7. fixation des têtes de myosine, hydrolyse de l'ATP et pivotement des têtes ;
8. glissement des filaments d'actine vers le centre du sarcomère : raccourcissement du sarcomère.