20.8: Cross-bridge Cycle
20.8: Cycle du pont transversal
As muscle contracts, the overlap between the thin and thick filaments increases, decreasing the length of the sarcomere—the contractile unit of the muscle—using energy in the form of ATP. At the molecular level, this is a cyclic, multistep process that involves binding and hydrolysis of ATP, and movement of actin by myosin.
When ATP, that is attached to the myosin head, is hydrolyzed to ADP, myosin moves into a high energy state bound to actin, creating a cross-bridge. When ADP is released, the myosin head moves to a low energy state, moving actin toward the center of the sarcomere. Binding of a new ATP molecule dissociates myosin from actin. When this ATP is hydrolyzed, the myosin head will bind to actin, this time on a portion of actin closer to the end of the sarcomere. Regulatory proteins troponin and tropomyosin, along with calcium, work together to control the myosin-actin interaction. When troponin binds to calcium, tropomyosin is moved away from the myosin-binding site on actin, allowing myosin and actin to interact and muscle contraction to occur.
Calcium
As a regulator of muscle contraction, calcium concentration is very closely controlled in muscle fibers. Muscle fibers are in close contact with motor neurons. Action potentials in motor neurons cause the release of the neurotransmitter acetylcholine in the vicinity of muscle fibers. This generates an action potential (depolarization) in the muscle cell, that is carried along the plasma membrane and through invaginations of the plasma membrane called transverse, or T-tubules.
T-tubules run deep into the muscle and are adjacent to specialized endoplasmic reticulum organelles called sarcoplasmic reticulum, or SR. Calcium sequestered inside the SR is released when voltage-gated ion channels (ion channels that open and close based on local charges) open in response to depolarization, allowing calcium ions to enter the cytoplasm, and muscles to contract.
When signaling from motor neurons stops, relaxation of the muscle begins as calcium is pumped back into the SR, decreasing the cytoplasmic levels of calcium and replenishing the SR calcium stores in preparation for the next contraction.
Muscle Degeneration
Healthy muscle can contract but diseased muscle often loses this ability. Diseases like myasthenia gravis prevent motor neuron stimulation of muscle which results in muscle atrophy and a decrease in muscle mass. Amyotrophic lateral sclerosis (ALS or Lou Gehrig’s disease) causes motor neurons to degenerate, which similarly leads to muscle degeneration and atrophy.
À mesure que le muscle se contracte, le chevauchement entre les filaments minces et épais augmente, diminuant la longueur du sarcomere — l’unité contractile du muscle — utilisant de l’énergie sous forme d’ATP. Au niveau moléculaire, il s’agit d’un processus cyclique en plusieurs étapes qui implique la liaison et l’hydrolyse de l’ATP, et le mouvement de l’actine par la myosine.
Lorsque l’ATP, qui est attaché à la tête de myosine, est hydrolysé à ADP, la myosine se déplace dans un état de haute énergie lié à actin, la création d’un pont transversal. Lorsque ADP est libéré, la tête de myosine se déplace vers un état de faible énergie, se déplaçant actin vers le centre du sarcomere. La liaison d’une nouvelle molécule d’ATP dissocie la myosine de l’actine. Lorsque cet ATP est hydrolysé, la tête de myosine se liera à l’actine, cette fois sur une partie de l’actin plus près de la fin du sarcomere. Les protéines réguleuses troponine et tropomyosine, ainsi que le calcium, travaillent ensemble pour contrôler l’interaction myosine-actine. Lorsque la troponine se lie au calcium, la tropomyosine est déplacée loin du site de myosine-liaison sur actin, permettant à la myosine et à l’actine d’interagir et de contracter la contraction musculaire.
Calcium
En tant que régulateur de la contraction musculaire, la concentration de calcium est très étroitement contrôlée dans les fibres musculaires. Les fibres musculaires sont en contact étroit avec les neurones moteurs. Les potentiels d’action dans les neurones moteurs provoquent la libération de l’acétylcholine neurotransmetteur à proximité des fibres musculaires. Cela génère un potentiel d’action (dépolarisation) dans la cellule musculaire, qui est transporté le long de la membrane plasmatique et à travers les invaginations de la membrane plasmatique appelée transverse, ou T-tubules.
Les tubules T s’enfoncent profondément dans le muscle et sont adjacents aux organites endoplasmiques spécialisés appelés réticulum sarcoplasmiques, ou SR. Le calcium séquestré à l’intérieur du SR est libéré lorsque les canaux ioniques à tension (canaux ioniques qui s’ouvrent et se ferment sur la base des charges locales) s’ouvrent en réponse à la dépolarisation, ce qui permet aux ions calciques d’entrer dans le cytoplasme et aux muscles de se contracter.
Lorsque la signalisation des neurones moteurs s’arrête, la relaxation du muscle commence lorsque le calcium est pompé dans le SR, diminuant les niveaux cytoplasmiques de calcium et réapprovisionnant les réserves de calcium SR en préparation pour la prochaine contraction.
Dégénérescence musculaire
Un muscle sain peut se contracter, mais le muscle malade perd souvent cette capacité. Des maladies comme la myasthénie gravis empêchent la stimulation des neurones moteurs du muscle, ce qui entraîne une atrophie musculaire et une diminution de la masse musculaire. La sclérose latérale amyotrophique (SLA ou maladie de Lou Gehrig) provoque la dégénération des neurones moteurs, ce qui entraîne de même une dégénérescence musculaire et une atrophie.
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