Le muscle squelettique :

• Structure et fonctions adaptées aux différents types de contraintes,
• Spécificité inter et intra – espèces en fonction du travail physique
• Chez l’Homme, le niveau d’activité physique influence le volume de la masse musculaire totale, les propriétés métaboliques et contractiles des muscles et leurs évolutions en fonction des différentes étapes de la vie

Fonctions :

• Seul organe qui assure le travail biomécanique de la locomotion
• Transformer l’énergie biochimique contenue dans les substrats énergétiques en énergie mécanique
• Maintien d’une fonction musculaire normale est indispensable à la vie de relation et à l’autonomie fonctionnelle

Métabolisme:

• Plaque tournante du métabolisme énergétique, son volume et son activité conditionnent la prévention des maladies métaboliques
• Acteur déterminant de la régulation de l’homéostasie glucidique = principal compartiment d’utilisation du glucose
• Tissu soumis à un processus de remaniement continuel par production de radicaux libres résultant de l’augmentation du métabolisme énergétique local.

1.Contraction musculaire:

• Représente la base de l’activité physique
• Résulte de la transformation d’énergie chimique en énergie mécanique par glissement des filaments de protéines contractiles, l’actine et la myosine (Huxley, 1969).
• Energie chimique fournie par l’hydrolyse d’adénosine triphosphate (ATP) sous influence de l’activité ATPasique de la tête de myosine.
• L’importance de cette activité enzymatique hydrolysante règle la vitesse de glissement des myofilaments entre eux.
• Processus contractile principalement sous la dépendance de la commande nerveuse, facteur d’excitation de la contractilité reposant sur une transmission de l’information de la périphérie du muscle vers l’intérieur par le biais d’un couplage entre l’excitation et la contraction.

Cycle de contraction-relaxation de la fibre musculaire directement lié à la concentration du calcium ionisé intracytoplasmique :

• Montée du calcium produit une interaction entre les molécules d’actine et la tête de la myosine
• Glissement des filaments = phénomène mécanique de la contraction musculaire.
• Relâchement par hydrolyse de l’ATP et destruction de la liaison entre actine et myosine = Recaptation du calcium par le réticulum sarcoplasmique

La puissance, la résistance à la fatigue et la vitesse de contraction du muscle sont dépendantes de la nature des

protéines contractiles et de l’équipement métabolique de chaque fibre musculaire.

Les unités motrices (UM) regroupant un ensemble de fibres musculaires classées en différents types sur la base de leurs propriétés contractiles et métaboliques (Brooke et Kaiser, 1970) :

• UM de type lent (slow) : caractérisées par la lenteur de leur vitesse de contraction, la faible valeur de leur puissance mécanique, et leur résistance à la fatigue.
• UM de type rapide (fast) : caractérisées par leur contraction rapide, une puissance élevée et réparties en rapides- fatigables ou rapides-résistantes, en fonction de leur résistance à la fatigue.

Polymorphisme des protéines contractiles et essentiellement des chaînes lourdes de myosine. Chaque

molécule de myosine est formée par l’association de :

• 2 chaînes polypeptidiques lourdes (Myosin Heavy Chains, MHC). L’isoforme de la chaîne lourde (qui possède l’activité ATPasique) détermine le type lent ou rapide de la fibre musculaire.
• 4 chaînes polypeptidiques légères (Myosin Light Chains, MLC).

Les propriétés métaboliques dépendent de l’équipement enzymatique et de la densité mitochondriale.

Les fibres lentes de type I (slow twitch) :

• Possèdent une forte densité mitochondriale
• Possèdent des enzymes orientant le métabolisme vers les voies oxydatives
• Sont capables d’utiliser des substrats glucidiques ou lipidiques
• Sont aussi le siège de l’oxydation de certains acides aminés lors du travail musculaire

Les fibres de type rapides sont classées en deux sous-groupes qui diffèrent par leurs capacités

métaboliques :

• Les fibres rapides résistantes à la fatigue (Fast Twitch Resistant type IIA) : sont capables d’assurer un métabolisme oxydatif important
• Les fibres rapides fatigables (Fast Twitch Fatigables type IIB) ont un métabolisme essentiellement anaérobie.

Voie anaérobie =

• voie métabolique prépondérante lors de la réalisation d’exercices musculaires courts et intenses = dégradation des réserves en phosphagènes musculaires ou métabolisation du glycogène musculaire dans la voie de la glycolyse jusqu’à la production de lactate

2.Effets de l'entrainement physique :

Les modifications de la typologie musculaire sous l’effet de l’entraînement résultent de trois facteurs

principaux qui sont :

• le type de stimulation nerveuse
• la nature des contraintes mécaniques liées à chaque type d’activité physique
• la réponse hormonale à l’effort
• la nutrition pouvant moduler l’expression de ces précédents facteurs.

Sports d’endurance VS sports de force et vitesse :

Sports d’endurance :

• augmentation de la proportion de fibres lentes de type I dans les muscles locomoteurs associée à un réseau capillaire plus dense
• Augmentation de la densité mitochondriale corrélée avec une amélioration de la consommation maximale d’oxygène. Les athlètes entraînés dans des sports de force présentent

Sports de force et de vitesse :

• Augmentation de la surface des fibres musculaires et de la proportion de fibres de type rapides.
• D’après une étude sur des jumeaux monozygotes et dizygotes (Bouchard et coll., 1986 et 1992), 25 à 50 % de la variabilité de typologie musculaire sont liés à l’hérédité.

Régénération musculaire :

• Recrutement et stimulation de cellules souches du muscle pour prolifération, les cellules satellites (Kadi et Thomell, 2000) après lésion musculaire.

Muscle =

• Constitué de cellules ayant les caractéristiques de cellules souches et localisées à la périphérie des fibres musculaires (cellule satellites)

Cellules satellites =

• Principaux acteurs de la régénération musculaire après une blessure
• Cellules quiescentes soumises à aucune contrainte
• Expansion des cellules satellites
• augmentation du volume des fibres musculaires existantes (hypertrophie)
• augmentation du nombre de fibres musculaires (hyperplasie)

Toigo et Boutellier (2006) =

• Action des stimuli mécaniques et biochimiques sur la membrane musculaire puis traduits en signaux intracellulaires modulant la transcription et la traduction des protéines contractiles et des protéines impliquées dans le métabolisme
• Action dépendant de l’âge, du sexe, de l’architecture musculaire préexistante et du statut métabolique

A.Contraintes mécanique:

• Elles correspondent à l’ensemble des contraintes imposées aux structures membranaires des cellules musculaires.
• Elles peuvent être passives en réponse à l’étirement du muscle ou actives liées au raccourcissement de la contraction.

Membrane des myocytes =

• Système de molécules d’adhésion, les intégrines activant des facteurs de transduction les Mitogen Activated Protein Kinase (MAPK)

MAPK =

• Induit une cascade de phosphorylations qui stimulent des facteurs régulant l’expression du génome musculaire

Titine =

• Capteurs de tension situés à l’intérieur de la cellule musculaire
• Protéine géante du sarcomère associée aux protéines contractiles = intégrateur des variations de longueur du muscle
• Simple tension passive prolongée d’un muscle permet de maintenir une partie de la masse musculaire

B.Facteurs métaboliques:

Le débit d’énergie de la contraction musculaire :

• Aboutit à une diminution de la charge énergétique intramusculaire.
• En résulte une augmentation du rapport AMP/ATP.
• Activation d’un système enzymatique, l’AMP kinase (AMPK) = capteur du statut énergétique de la cellule agissant sur les synthèses protéiques musculaires.
• La voie de l’AMPK stimule l’expression de gènes spécifiques de l’adaptation musculaire à une augmentation de la dépense énergétique, il s’agit principalement des gènes qui codent pour les protéines mitochondriales.

L’autre facteur métabolique qui agit sur le développement musculaire est influencé par le niveau de

l’oxygénation musculaire : il s’agit de l’Hypoxic Inductible Factor (HIF).

• Les techniques de spectroscopie par résonance magnétique ont mis en évidence une baisse de la tension d’oxygène locale lors du début de la contraction musculaire.
• Cette hypoxie locale stimulerait la production du facteur HIF, favorisant la biogenèse des mitochondries (Semenza, 1999). De plus, l’hypoxie tissulaire locale stimule un facteur de développement du réseau capillaire le Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF)
• L’augmentation de l’activité du VEGF est sous le contrôle de HIF (Richardson et coll., 1999).

La connaissance du rôle de ces facteurs métaboliques montre que l’adaptation du muscle à l’entraînement physique est obtenue au prix d’une contrainte métabolique importante. Ces éléments expliquent le fait qu’un travail intermittent intense et de courte durée permet d’obtenir une adaptation métabolique à l’exercice musculaire.

C.Facteurs nerveux:

La commande nerveuse de la motricité agit initialement sur l’entrée de calcium dans la cellule musculaire.

• L’entrée transmembranaire du calcium active le relargage cyclique du calcium intracellulaire stocké dans le reticulum sarcoplasmique.
• Le calcium est fixé sur des protéines de liaison, les calmodulines, ce qui déclenche une cascade d’événements agissant sur la différenciation métabolique et structurale des muscles.
• L’augmentation de la synthèse des chaînes lourdes de la myosine de type lent et la biogenèse mitochondriale en réponse à l’entraînement physique est en grande partie dépendante de l’activation des voies de signalisation calcique.

Un élément important de la transmission du message nerveux via la calcineurine est représenté par le rôle de la famille des myogénines. Les myogénines au nombre de quatre (MyoD, MRF4, myogenin, Myf5) sont

des protéines qui :

• Interagissent avec le génome
• Régulent l’expression génique des protéines musculaires
• Se fixent sur les régions promotrices de gènes codant pour les chaînes lourdes de la myosine.
• Sont particulièrement impliquées dans l’augmentation des capacités oxydatives du muscle en réponse à l’entraînement.

D.Rôle des hormones:

• Hormones agissant principalement sur le développement de la masse musculaire
• Hormones contrôlant la différenciation du tissu musculaire.

Hormones stéroïdiennes =

• Permet l’augmentation de la masse musculaire en coordination avec l’axe somatotrope et l’insuline
• Concentrations circulantes influencées par l’activité physique (faiblement)

Axe somatotrope =

• Réponse importante sous l’effet de l’exercice musculaire IGF-1
• Concentration d’IGF-1 (Insulin Growth Factor-1) intra-musculaire est augmentée sous l’effet de l’activité musculaire.
• Régulation de type paracrine ou autocrine en réponse aux contraintes locales subies par le muscle.
• IGF-1 stimule la prolifération et la différenciation des cellules satellites et des myoblastes (hypertrophie)
• Augmente les synthèses protéiques et joue un rôle majeur sur l’anabolisme musculaire
• Stimulation IGF-1 induit la prolifération des cellules musculaires des sujets

Hormones thyroïdiennes =

• Déterminisme typologique de la fibre musculaire
• Augmentation de la proportion des fibres rapides
• Action par le biais du système des myogénines

Réponse hormonale pour un même niveau d’entraînement physique est influencée, par l’âge, le statut nutritionnel et le niveau de récupération

E.Rôle de la nutrition :

• Croissance musculaire dépendant de l’apport protéique et de l’apport calorique total.
• Seuil d’apport protéique de 0,80 g/kg en dessous duquel la croissance musculaire s’arrête et se négativise.
• Au repos, le besoin protéique s’accroît quand l’apport énergétique décroît.
• Utilisation protéique s’accroit dans un population sédentaire par la pratique d’un entraînement physique de type aérobie.
• Influence de la nature des acides aminés ingérés sur le niveau des synthèses protéiques (disponibilité en leucine très important)
• Influence du niveau des apports glucidiques sur la fixation des protéines = hyperinsulinisme résultant d’un apport glucidique élevé.

L’insuline exerce un effet anabolique puissant sur les protéines musculaires.

• Nécessité d’un apport énergétique suffisant et riche en glucides pour assurer une fixation optimale des protéines sous l’effet de l’entraînement physique.
• Association activité sportive et conseil nutritionnel pour prévenir la sarcopénie du vieillissement

F.Inhibition de la croissance musculaire :

Myostatine = puissant régulateur limitant la croissance du muscle, un membre de la famille des TGF(Transforming Growth Factor)

En pathologie, réduction de l’action de la myostatine par perte de fonction du gène de la myostatine = développement précoce et anormal de la musculature chez l’enfant.

3.Entrainement et maintien de la fonction musculaire :

• Obésité = Réduction relative de la masse musculaire au regard de la masse grasse et également d’une réduction absolue.
• L’augmentation de la masse musculaire joue un rôle dans la prévention de la surcharge pondérale en augmentant le métabolisme de repos et la capacité de locomotion.

Les mécanismes d’action de la masse musculaire sur la prévention de l’obésité sont multiples :

• Augmentation de la sensibilité à l’insuline en réponse à une augmentation de la masse musculaire
• Diminution de la sensibilité à l’insuline sous l’effet de la réduction de volume et de la fonction musculaires. Cette diminution de la sensibilité à l’insuline diminue la sensibilité des récepteurs de la leptine.

Il a été démontré que la prescription du renforcement musculaire est efficace pour réduire la masse grasse

chez l’enfant et l’adolescent. À l’âge adulte, il faut systématiquement associer des séances de musculation

au plan d’entraînement physique prescrit dans un but de prévention de la surcharge pondérale.

À l’image de ce qui est recommandé pour le tissu osseux, il est utile de développer une masse musculaire

suffisante au début de l’existence et à l’âge moyen, ce qui permet de ralentir le déclin physiologique

associé au vieillissement.

La sarcopénie :

• Est une perte de masse et de fonction musculaires induite par l’âge
• Est responsable d’une perte d’autonomie, de chutes et de perte de force.
• La prévention doit commencer tôt par un ensemble de mesures dont une prescription d’activité physique adaptée aux différentes étapes de l’existence.
• Est caractérisée par une diminution concomitante de la masse et de la force musculaires, elle est la conséquence d’une réduction préférentielle des fibres rapides oxydatives de type 2.

Sur le plan histologique=

• nécrose des fibres musculaires avec un remplacement des fibres musculaires par du tissu conjonctif et graisseux

Sur le plan physiologique =

• phénomène d’apparition progressive à partir de l’âge moyen puis s’accélérant à partir de 50 ans
• Résultant à une perte moyenne de 30 à 40 % de la masse musculaire totale entre 50 et 80 ans.

Mécanisme =

• Apoptose des cellules musculaires et à une diminution de leur remplacement par un recrutement de cellules satellites
• Renforcé par les modifications endocriniennes propres au vieillissement (déclin de la sécrétion de GH (Growth Hormone) de l’IGF-1 (Insulin like Growth Factor-1), et des stéroïdes circulants anabolisants.

Entraînement en force =

• Stimule l’axe somatotrope (GH, IGF-1) et réduit les phénomènes inflammatoires (cytokines).
• = Stimulation des mécanismes moléculaires de la croissance musculaire.

Entraînement en musculation =

• Prévient la sarcopénie du vieillissement
• Augmente la masse musculaire et la force de façon identique chez l’homme et chez la femme
• Réduit la raideur musculotendineuse due au vieillissement
• Impose de fortes contraintes mécaniques

Entraînement en endurance =

• Augmente les capacités oxydatives du muscle
• Impose des contraintes métaboliques
• Prévient les maladies cardiovasculaires et métaboliques liées au vieillissement

ENTRAINEMENT PHYSIQUE ET PATHOLOGIES MUSCULAIRES :

• Meilleurs résultats dans les myopathies dont l’atteinte siège au niveau de la machinerie métabolique du muscle,
• Résultats plus aléatoires dans le cas d’altérations des composants de la structure du muscle.
• Etudes sur les myopathies mitochondriales mettant en évidence une restauration partielle des capacités oxydatives mitochondriales à l’issue de 8 semaines d’un entraînement en endurance = augmentation nette de la capacité aérobie et de la tolérance à l’exercice physique.

Dystrophies musculaires =

• Soit mutation du gène de la dystrophine, une protéine du sarcolemme
• Soit déficit de protéines qui entrent dans la constitution de l’enveloppe du noyau cellulaire (ex lamine)
• Entraînement en force globalement plus efficace que l’entraînement en endurance.

Résultats =

• Augmentation du métabolisme énergétique lors des premières séances de réentraînement produit un stress oxydant au niveau du tissu musculaire
• Défenses anti-oxydantes sont très faibles chez les sujets sans entraînement physique
• La phase initiale d’entraînement peut s’accompagner de lésions musculaires produites par les radicaux libres.
• L’augmentation de la consommation d’oxygène musculaire est une source de radicaux libres.

4.Radicaux libre :

Radicaux libres =

• Atomes ou des molécules portant un électron non apparié.
• Eléments très réactifs car tendance à se réapparier, déstabilisant ainsi d’autres molécules et pouvant provoquer une destruction des structures cellulaires.

Mitochondries =

• Consomment plus de 90 % de l’oxygène utilisé par les cellules
• Chaîne respiratoire génèrant un flux continu de radicaux libres dérivés de l’oxygène (estimation à 2-3 % de la quantité totale d’oxygène consommée)

Cellule musculaire =

• En condition physiologique, formation principalement liée à l’activité physique et en fonction de l’intensité de l’exercice et de la consommation d’oxygène
• Également liée à l’inflammation produite par les contraintes mécaniques s’exerçant sur le muscle lors de l’exercice physique.

Les cellules du système immunitaire impliquées dans la réaction inflammatoire peuvent produire des cytokines comme le TNF-? qui est capable de faire produire des radicaux libres par les mitochondries des cellules cibles