LE TISSU MUSCULAIRE
Le tissu musculaire se définit par une propriété physiologique, la contractilité, aboutissant à la motilité des masses musculaires.
Différents caractères fonctionnels et morphologiques font distinguer le muscle strié squelettique (à contraction volontaire), le muscle strié cardiaque (à contraction involontaire) et le muscle lisse (à contraction involontaire).
Le muscle strié squelettique est un tissu musculaire à contraction volontaire, intervenant dans le maintien postural et le mouvement. Il est constitué principalement de fibres multinucléées qui doivent leur nom à une double striation longitudinale et transversale.
1. Organisation générale : constitution d'un muscle strié squelettique.
Les muscles sont des organes propres au sein desquels des fibres musculaires striées sont juxtaposées parallèlement et organisées en faisceaux, tendus entre deux insertions tendino-aponévrotiques.
Le corps du muscle (Figure 1) est entouré d'une épaisse couche de tissu conjonctif dense, l'épimysium, qui donne lui-même naissance à des cloisons conjonctives (le périmysium) qui divisent le muscle en faisceaux. Enfin le périmysium donne naissance à l'endomysium, constitué de fines cloisons de tissu conjonctif lâche qui pénètrent les faisceaux et entourent individuellement chaque fibre musculaire.
Les fibres musculaires sont responsables de la contraction tandis que le tissu conjonctif (particulièrement du périmysium et de l'endomysium) constitue une armature de soutien pour les fibres et les relie aux tissus adjacents. Le tissu conjonctif sert également de lieu de passage pour les vaisseaux et les nerfs du muscle.
2. Fibres musculaires (extra-fusales)
a - en microscopie optique (Figure 2), les fibres musculaires extra-fusales apparaissent comme des éléments allongés, plurinucléés et présentant une striation transversale régulière. De forme plus ou moins cylindrique, elles mesurent 10 à 100 µm de diamètre avec une longueur variable de quelques mm à plusieurs cm. Plusieurs noyaux, en position périphérique, sont allongés dans le sens de la fibre; en coupe transversale à 5 µm d'épaisseur, chaque fibre contient en moyenne 2 à 5 noyaux.
La majeure partie du cytoplasme est occupée par des myofibrilles, qui se groupent en amas apparaissant en coupe longitudinale sous forme de colonnes (Leydig) et transversalement sous forme de polygones (champs de Cohnheim). Les myofibrilles et le cytoplasme restant constituent par définition le sarcoplasme, lequel est limité en périphérie par la membrane plasmique. Celle-ci est doublée d'une lame basale, l'ensemble constituant le sarcolemme.
Les myofibrilles sont des cylindres d'un diamètre moyen d'un à deux µm, disposés parallèlement avec une striation transversale périodique concordant de l'une à l'autre, ce qui explique l'aspect strié de l'ensemble de la fibre. Cette striation se caractérise par l'alternance régulière de disques sombres A anisotropes (d'une longueur moyenne d'1,5 µm) et de disques clairs I isotropes (d'une longueur moyenne de 0,8 µm). La partie centrale des disques I est marquée une strie régulière, ou strie Z (Figure 3). Une zone plus claire au centre du disque A correspond à la bande H, parfois centrée par la strie M.
La case musculaire, ou sarcomère, a été décrite en 1868 par Krause comme un prisme de substance anisotrope (disque A) entouré de part et d'autre de substance isotrope (deux demi-disques I). Cet ensemble, limité latéralement par deux stries Z, correspond à l'unité élémentaire de contraction du tissu musculaire.
b - la microscopie électronique a permis d'établir la structure filamentaire des myofibrilles (Figure 3).
.myofilaments de myosine et d'actine : le sarcomère contient deux types de myofilaments superposés les uns aux autres et orientés dans l'axe des myofibrilles.
Les filaments épais de myosine, de 12 à 14 nm d'épaisseur et d'1,6 µm de long, sont situés au milieu du sarcomère au niveau du disque A.
Les filaments fins d'actine, de 5 à 7 nm d'épaisseur et de 0,98 µm de long, s'insèrent sur les stries Z. Ils se situent dans les disques I et les parties latérales du disque A (en dehors de la bande H).
Dans le disque A, les filaments s'intriquent suivant une disposition paracristalline : chaque filament épais est entouré d'une couronne régulière de 6 filaments fins; chaque filament fin est entouré de 3 filaments épais.
Là où ils se chevauchent, les deux systèmes filamentaires sont unis par des ponts transversaux constitués de myosine :
-espacés de 60-70 Å le long du filament de myosine
-s'insérant sur le filament suivant une ligne en hélice
-formant les uns avec les autres un angle d'environ 60°
-de telle sorte qu'il y a connexion d'un filament de myosine avec chacun des filaments d'actine qui l'entoure tous les 400 Å environ.
Ces ponts de myosine ou complexes d'actomyosine sont à la base de la contraction musculaire : nous y reviendrons.
.reticulum sarcoplasmique et système des tubules T (Figure 4)
-le reticulum sarcoplasmique (lisse) est très développé dans le muscle squelettique, où il forme un réseau de tubules disposés parallèlement à l'axe des myofibrilles. Des anastomoses transversales au niveau des jonctions A-I forment des citernes dilatées, ou citernes terminales, entourant complètement chaque myofibrille.
-les tubules T représentent des invaginations de la membrane plasmique qui s'enfonçent en profondeur et cheminent entre les citernes terminales voisines du reticulum sarcoplasmique. L'ensemble des tubules transverses T constitue, par définition, le système T.
L'ensemble des citernes terminales et du tubule T correspondant constitue une triade. Dans le muscle strié squelettique, les triades sont situées au niveau de la jonction disque A - disque I et il existe deux triades au niveau de chaque sarcomère.
Ces dispositifs jouent un rôle essentiel dans le transfert et le stockage du calcium intra-cellulaire, en particulier lors de la contraction musculaire.
.autres constituants des fibres musculaires
-le cytosquelette comporte des microtubules ainsi que d'autres filaments, parfois annexés au sarcomère (Figure 5). Ainsi les filaments intermédiaires de desmine forment un réseau abondant au niveau des stries Z, avec quelques filaments tendus longitudinalement le long du sarcomère. De façon comparable, des filaments de titine et de nébuline (protéines musculaires de haut poids moléculaire) constitueraient une armature longitudinale de renforcement du sarcomère. Les filaments de titine sont tendus sur toute la longueur du sarcomère et possèdent une partie élastique reliant l'extrémité des filaments épais de myosine à la strie Z. Les filaments de nébuline sont associés aux filaments fins d'actine. Tous ces filaments joueraient un rôle dans l'élasticité des myofibrilles.
-le sarcolemme comporte plusieurs différenciations spécialisées, en particulier au niveau des insertions myotendineuses ou des synapses neuro-musculaires (plaque motrice).
Différentes protéines, d'individualisation récente, jouent un rôle important dans les relations entre le cytosquelette des fibres et la matrice extra-cellulaire (Figure 6).
La dystrophine, codée par un gène situé en Xp21 sur le bras court du chromosome X), se localise au sein des fibres musculaires dans la région du plasmalemme et jouerait un rôle important dans les relations entre le cytosquelette des fibres et un complexe glycoprotéique membranaire.
Les protéines/glycoprotéines associées à la dystrophine constituent un complexe transmembranaire faisant le lien entre la dystrophine et l'environnement extra-cellulaire. Le complexe des dystroglycanes comporte ?-dystroglycane (extra-cellulaire, liée à la mérosine de la laminine) et ?-dystroglycane (transmembranaire). Le complexe des sarcoglycanes est constitué de protéines transmembranaires, ?-sarcoglycane, ?-sarcoglycane, ?-sarcoglycane et ?-sarcoglycane. Les syntrophines (?, ?1 et ?2) complètent ces complexes au niveau de la face sarcoplasmique du plasmalemme.
La laminine est en relation avec ces complexes de protéines/glycoprotéines associées à la dystrophine, en particulier pour ce qui concerne sa partie A, la mérosine.
-parmi les autres organites, les mitochondries ("sarcosomes") sont nombreuses, volontiers situées autour des myofibrilles autour des disques I ou parfois organisées en longues chaînes intermyofibrillaires. Des gouttelettes lipidiques sont souvent en contiguïté avec les mitochondries.
Quelques empilements de citernes golgiennes sont situés à proximité des pôles nucléaires, où ils coexistent avec de rares éléments du reticulum granuleux.
La matrice sarcoplasmique contient des grains de glycogène, de l'eau, des sels minéraux ainsi qu'un pigment respiratoire caractéristique, la myoglobine.
3. Cellules satellites (Figure 7)
En dehors des fibres musculaires, le muscle squelettique de l'adulte comporte des cellules satellites mononucléées situées entre les fibres et la lame basale.
Représentant environ 5 % du nombre des noyaux sur les coupes de muscle, les cellules satellites sont normalement au repos. Elles possèdent une potentialité myogénique et peuvent, en cas de lésion musculaire, s'activer et concourir à la formation de nouvelles fibres musculaires ou à la réparation des fibres altérées. Ce processus constitue la régénération musculaire.
4. Vascularisation - Innervation
a - la vascularisation est abondante, avec un réseau anastomotique constituant un réseau capillaire à mailles rectangulaires autour des fibres musculaires.
b - l'innervation est faite de nerfs qui s'épanouissent dans le périmysium. Certains nerfs sont pûrement moteurs; d'autres comportent à la fois des fibres motrices et sensitives et sont destinés principalement aux fuseaux neuro-musculaires.
.l'innervation motrice est assurée par des motoneurones ?, issues de la corne antérieure de la moelle. L'ensemble des fibres musculaires innervées par un même motoneurone constitue une unité motrice (Figure 8).
Chaque fibre musculaire n'est, en principe, innervée que par un seul motoneurone. La zone de contact entre la terminaison nerveuse et le sarcolemme de la fibre musculaire constitue la plaque motrice. La structure de la plaque motrice comporte (Figure 8) :
-une région présynaptique au niveau de la terminaison axonale contenant des mitochondries, des vésicules synaptiques emplies d'acétylcholine et présentant une membrane présynaptique
-une fente synaptique d'environ 60 nm, avec différents replis conduisant à distinguer une fente synaptique primaire et des fentes synaptiques secondaires
-une région post-synaptique ou "sole", où le sarcolemme présente un plissement régulier décrit sous le nom d'appareil sous-neural (ou appareil de Couteaux). La fibre musculaire contient à ce niveau de nombreux noyaux tandis que le sarcoplasme est riche en mitochondries.
.l'innervation sensitive s'effectue grâce à des terminaisons nerveuses libres et à des formations encapsulées.
-les fuseaux neuro-musculaires (Figure 9), de 7 à 10 mm de long, ont une forme allongée avec une partie centrale encapsulée ou région équatoriale et deux extrémités effilées ou pôles. Ils comportent des fibres musculaires spécialisées (ou fibres intra-fusales) avec des noyaux groupés à la partie centrale sous forme de "sac nucléaire" ou de "chaîne nucléaire". Les fuseaux neuro-musculaires sont des mécanorécepteurs sensibles aux variations passives ou actives de la longueur du muscle.
-les organes tendineux de Golgi (Figure 10), fusiformes, sont situés au niveau des jonctions myotendineuses ou des tendons et possèdent une extrémité pûrement musculaire. Ils comprennent une capsule engaînant un segment plus ou moins long d'un faisceau tendineux ainsi que les arborisations terminales d'un nerf sensitif. Les organes tendineux sont spécifiquement sensibles à la tension du tendon.
a - constitution chimique des filaments (Figure 11)
.le filament épais de myosine est constitué de l'association de 200-300 molécules de myosine native. Chaque molécule, d'un poids moléculaire d'environ 470.000 daltons, d'une longueur de 140-170 nm, est allongée en forme de club de golf et présente une queue ainsi qu'une tête globuleuse.
La trypsine clive la molécule en deux parties : méromyosine légère et méromyosine lourde. La méromyosine légère constitue la majeure partie de la queue et confère aux molécules de myosine la capacité de s'assembler pour constituer le filament épais. La papaïne clive la méromyosine lourde en une partie en batônnet ou fragment S2, et en deux parties globulaires ou fragments S1.
Les fragments S1 constituent les deux sous-unités globuleuses de la tête de la molécule de myosine, sont le siège d'une activité ATPasique et correspondent à la région de la molécule capable de se lier à l'actine. Le fragment S2 de la molécule est capable de basculer lors de la contraction musculaire.
Dans le filament épais, les molécules de myosine sont associées par la méromyosine légère pour former un cylindre dont les têtes S1 constituent des expansions latérales. Ces têtes adoptent une disposition hélicoïdale autour de l'axe du filament en dessinant une hélice d'un pas d'environ 43 nm. Présentes sur toute la longueur du disque A (sauf au niveau de la bande H), les têtes S1 sont orientées vers l'extrémité du filament épais.
.le filament fin d'actine est constitué par deux brins d'actine formant une hélice dans la gorge de laquelle se logent des molécules de tropomyosine et se répartissent de façon périodique des complexes de troponine.
L'actine est une protéine globulaire (actine G) dont le monomère possède un diamètre de l'ordre de 5,5 nm et un poids moléculaire de 43.000 daltons. La molécule peut fixer un ion Ca2+ et possède une forte affinité pour une molécule d'ATP ou d'ADP. La polymérisation en présence de Ca2+ ou de Mg2+ et d'ATP aboutit à la formation d'actine F (fibrillaire). Deux chaînes polymérisées s'enroulent en double hélice (d'un pas de 37 nm) pour constituer le filament fin. La position relative des monomères d'actine définit la polarité du filament (tous les filaments d'actine qui appartiennent à un même sarcomère et qui s'insèrent sur la même strie Z possèdent la même polarité).
La tropomyosine est une protéine fibrillaire d'une longueur de 40 nm, d'un poids moléculaire de 130.000 daltons, constituée de deux chaînes polypeptidiques a et b disposées en hélice. Dans le filament fin, la tropomyosine se dispose dans la gorge de l'hélice d'actine de telle sorte que le complexe ainsi formé comprend 7 molécules d'actine pour une molécule de tropomyosine.
La troponine est une protéine globulaire, d'un poids moléculaire de 86.000 daltons, attachée au système actine-tropomyosine du filament fin à des intervalles réguliers d'environ 38 nm. Le complexe troponine comporte trois sous-unités :
-troponine C, fixant le calcium
-troponine T, se liant à la tropomyosine,
-troponine I, inhibant les interactions actine-myosine. Cette inhibition est levée lorsque la troponine C du complexe de troponine fixe le calcium.
.histophysiologie et la contraction musculaire
Les myofibrilles sont directement responsables de la contraction musculaire, grâce à l'établissement de ponts entre les molécules d'actine et de myosine et au glissement des myofilaments. L'énergie nécessaire est fournie par l'hydrolyse de l'ATP produit soit par la voie glycolytique en l'absence d'oxygène soit par la voie oxydative.
Le reticulum sarcoplasmique a la possibilité de stocker et de retenir dans sa lumière des ions Ca2+. A la suite d'une stimulation nerveuse, la transmission par les tubules T d'une onde de dépolarisation membranaire au reticulum sarcoplasmique favorise la libération d'ions Ca2+ dans le sarcoplasme où ils entrent en contact avec les myofilaments. Le calcium se fixe à la troponine C, levant l'inhibition par la troponine I de l'activité ATPasique de la tête de myosine et favorisant la création de complexes d'actomyosine entre la tête S1 de la myosine et deux monomères d'actine. Les filaments de myosine et d'actine glissent les uns par rapport aux autres, sans doute du fait de changements de conformation liés à la mobilité de la partie S2 de la molécule de myosine. Après dissociation de la liaison d'actomyosine, le mouvement se reproduit de proche en proche et aboutit au raccourcissement du sarcomère, transformant ainsi l'énergie chimique en énergie mécanique. Chaque liaison d'actomyosine aboutit à la consommation d'une molécule d'ATP.
Lorsque cesse la dépolarisation membranaire, le recaptage du calcium dans le reticulum sarcoplasmique aboutit à la perte de l'activité ATPasique de la myosine, à l'augmentation de la concentration sarcoplasmique en ATP et, partant, à la relaxation musculaire.
.modifications du sarcomère au cours de la contraction musculaire
Lors de la contraction, les sarcomères des fibres musculaires se raccourcissent ce qui entraîne un certain nombre de modifications ultrastructurales (Figure 12). Ainsi : les stries Z se rapprochent, les demi-disques I se raccourcissent, la bande H diminue et disparaît. Elle peut même, en cas de contraction extrême, être remplacée par une bande sombre à la partie centrale du sarcomère.
Ces modifications permettent, en microscopie électronique, de juger de l'état de contraction ou de relâchement d'un sarcomère.
.hétérogénéité fonctionnelle des fibres musculaires
Chez certains animaux, existent des muscle rouges à contraction lente (jouant habituellement un rôle postural) et des muscles blancs à contraction rapide (jouant un rôle dans le mouvement).
Chez l'Homme, il n'existe pas de muscles anatomiquement blancs ou rouges et l'hétérogénéité ne se conçoit qu'à l'échelle des fibres musculaires : il existe des fibres à contraction lente (de type I) et des fibres à contraction rapide (de type II). Ces fibres, pouvant être caractérisées par leurs propriétés histochimiques (activités ATPasiques et oxydatives en particulier) se répartissent en proportion variable dans les différents muscles de l'organisme. Cette répartition se fait de façon homogène, en damier (Figure 13). Le caractère des fibres musculaires dépend de leur innervation motrice, et toutes les fibres d'une même unité motrice sont de même type (lent ou rapide).
La plupart des muscles de l'organisme comportent exclusivement des fibres de type I, IIA et IIB avec une répartition homogène, en damier, mais en proportions variables. A titre d'exemple, un muscle des membres comme le quadriceps contient environ 40 % de fibres de type I et 60 % de fibres de type II. Certains muscles présentent une différenciation métabolique plus complexe, en particulier dans certains territoires spécialisés (par exemple masséter, diaphragme, muscles extra-oculaires).
a - microscopie optique
Le myocarde est un muscle strié involontaire, dont la structure diffère nettement de celle du muscle strié squelettique :
-les fibres sont souvent bifurquées et constituent un véritable réseau à trois dimensions
-les noyaux ne sont pas périphériques mais centraux, entourés d'une zone périphérique claire dépourvue de myofibrilles
-les jonctions intercellulaires sont visibles en microscopie optique sous forme de stries scalariformes (Figure 14).
b - la microscopie électronique précise que les stries scalariformes sont des jonctions intercellulaires organisées avec des segments transversaux (comportant des desmosomes et des fascia occludens) et des segments longitudinaux (comportant des fascia occludens très étendus).
Il existe d'autres particularités ultrastructurales du myocarde par rapport au muscle strié squelettique :
-les tubules T correspondent à une invagination de l'ensemble de la membrane plasmique et de la lame basale (donc de l'ensemble du sarcolemme)
-les triades constituées par les tubules T et les citernes terminales du reticulum sarcoplasmique entourent les myofibrilles au niveau des stries Z (et non plus en regard des jonctions disque sombre - disque clair)
-les fibres cardiaques sont particulièrement riches en mitochondries et en glycogène.
c - au plan histophysiologique, la contraction des fibres musculaires cardiaques doit aboutir à la contraction coordonnée des quatre cavités. La coordination de cette contraction est sous la dépendance d'un tissu particulier : le tissu nodal.
La vascularisation artérielle du coeur est de type terminal, et il n'existe pas de possibilité de régénération du muscle cardiaque.
Le tissu nodal, ou cardionecteur, représente l'innervation intrinsèque du coeur. Ses cellules contrôlent et régulent la contraction des cellules du myocarde.
a - au plan topographique, les cellules nodales se répartissent :
.en noeuds : sino-auriculaire de Keith et Flack et atrio-ventriculare d'Aschoff-Tawara
.en faisceaux : de His, faisant suite au noeud auriculo-ventriculaire
.en réseau sous-endocardique : de Purkinje, faisant suite au faisceau de His et parcourant les ventricules.
b - au plan histologique, il existe différents types de cellules de type musculaire au sein du tissu nodal. Les plus caractéristiques sont les cellules de Purkinje possédant un noyau central et un cytoplasme relativement pauvre en myofibrilles à disposition périphérique (Figure 15).
c - histophysiologie : le tissu nodal est responsable de l'automatisme cardiaque. Pour les classiques, l'influx prend naissance au niveau du noeud sino-auriculaire (rythme sinusal), modulé dans le noeud auriculo-ventriculaire et transmis aux cellules myocardiques par les faisceaux puis réseau sous-endocardique.
L'innervation extrinsèque n'intervient que pour réguler l'activité du tissu nodal.
Le tissu musculaire lisse est très répandu dans l'organisme, constituant en particulier la musculature lisse involontaire de différents organes. Il participe ainsi à la régulation des grandes fonctions digestive, respiratoire et circulatoire.
1. Type de description : les musculeuses lisses
a - structure des fibres musculaires lisses
Les fibres musculaires lisses, qui ne présentent pas de striation transversale, sont des cellules fusiformes présentant une partie moyenne renflée et deux extrémités effilées. Leur taille est variable : en moyenne de 20-200 µm de long sur 4-8 µm de large. Elles peuvent atteindre 500 µm de long dans l'utérus gravide. Le noyau est unique, en position centrale.
La membrane plasmique est recouverte par une lame basale, et présente des invaginations ou vésicules superficielles (caveolae) ainsi que des zones de jonction.
Le sarcoplasme contient :
-des corps denses disposés dans le cytoplasme ou accolés à la membrane. Ces corps denses correspondraient à l'équivalent de stries Z du muscle squelettique (elles contiennent d'ailleurs de l'?-actinine)
-des myofilaments de trois types :
.filaments fins d'actine d'un diamètre de 40 à 80 Å
.filaments épais de myosine d'un diamètre de 135 à 175 Å, d'1,5 µm de long, résultant de l'assemblage de molécules de myosine avec des extrémités globulaires S1 identiques à celles présentes dans le muscle squelettique
.filaments intermédiaires de 10 nm, de desmine, appartenant au réseau du cytosquelette.
-différents organites : un reticulum endoplasmique lisse, des mitochondries.
b - au plan topographique, les fibres musculaires lisses peuvent être isolées ou plus habituellement organisées en faisceaux. Les cellules alors ont une disposition ventre à pointe ou en banc de poissons (Figure 16).
L'organisation fasciculaire se trouve en particulier au niveau des parois vasculaires, de viscères creux. La disposition organoïde correspond à la constitution de musculeuses en deux couches (tube digestif ou urinaire) ou parfois plexiforme (utérus, vessie).
c - au plan physiologique, la contraction des fibres musculaires lisses est involontaire, lente, durable et soutenue. Elle dépend d'un certain nombre de facteurs : système nerveux végétatif, facteurs humoraux.
Les mécanismes cellulaires de la contraction sont comparables à ceux décrits au niveau du muscle squelettique et font intervenir la constitution de ponts d'actomyosine entre les filaments fins et les filaments épais (Figure 17).
2. Un certain nombre de types cellulaires particuliers se rapprochent des fibres musculaires lisses.
a - les cellules rameuses des parois vasculaires des artères élastiques s'insèrent sur les fibres élastiques de la média.
b - les cellules myoépithéliales facilitent l'excrétion de certaines glandes exocrines (cf. cours sur les épitheliums).
c - les cellules myoépithélioïdes des artérioles afférentes du glomérule rénal élaborent un facteur hormonal, la rénine.
d - les myofibroblastes constituent un exemple très particulier de cellules intermédiaires entre les fibroblastes et les cellules musculaires lisses. Il semble exister dans ce groupe différentes sous-populations cellulaires aux capacités réactionnelles voisines. L'expression par les cellules de différentes associations d'?-actine lisse, de vimentine et de desmine permet de distinguer plusieurs phénotypes cellulaires des myofibroblastes :
- V : expression exclusive de vimentine
- VA : expression de vimentine et d'?-actine lisse
- VD : expression de vimentine et de desmine
- VAD : expression de vimentine, d'?-actine lisse et de desmine.