Science et motricité
De Boeck Université
I.S.B.N.2804142493
130 pages
p. 7 à 31
doi: 10.3917/sm.050.0007
Veille sur la revue
Veille sur l'auteur
De Boeck Université
I.S.B.N.2804142493
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doi: 10.3917/sm.050.0007
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no 50 2003/3
Modulations rédox de la contraction musculaire
Ynuk Bossé Denis R joanisse Marcel R boulay [(1)]
Les niveaux d’antioxydants, d’espèces oxygénées réactives (ROS) et d’espèces azotées réac~tives (RNS) sont les principaux déterminants du milieu rédox. Les ROS et les RNS produi~tes lors de l’activité physique occasionnent des perturbations rédox pouvant moduler la force
de contraction des muscles squelettiques et induire la fatigue musculaire. On a ainsi proposé
que le muscle non-fatigué répond de manière biphasique à des doses croissantes de ROS,
suggérant qu’il existe un milieu rédox optimal permettant une force de contraction maxi~male. Cette revue de la littérature traite des derniers développements concernant les sites de
production des ROS lors de l’activité physique et de l’impact des perturbations rédox sur
l’activité de certaines protéines régulant la force de contraction du muscle squelettique. Le
récepteur de la ryanodine (RYR1) du réticulum sarcoplasmique et certaines autres protéines
assurant le couplage excitation-contraction, comme la calcium-ATPase et l’actomyosine-ATPase, semblent être des cibles moléculaires potentielles des ROS et des RNS. De plus,
l’activité de certaines enzymes bioénergétiques comme la kinase de la créatine, la déshydro~génase du glycéraldéhyde-3- phosphate, la déshydrogénase du succinate et l’oxydase du
cytochrome c semble inhibée par des perturbations rédox, ce qui pourrait compromettre la
force musculaire en limitant l’accessibilité du muscle à l’ATP lors de la contraction.
Mots-clés :
Oxydants, potentiel rédox, espèces oxygénées réactives, espèces azotées réactives, contraction musculaire.
Concentrations of antioxidants, reactive oxygen species (ROS) and reactive nitrogen species
(RNS) are the main determinants of the redox potential. ROS and RNS produced during
physical activity cause redox perturbations capable of modulating skeletal muscle contrac~tions and susceptible of inducing muscle fatigue. It has been proposed that non-fatigued
muscle presents a biphasic response to increasing doses of ROS suggesting that there is an
optimal redox potential essential for the generation of a maximal contraction by skeletal
muscles. This literature review deals with the latest developments concerning the site of
ROS and RNS production during physical activity and their impact on protein activities
regulating the strength of contraction in skeletal muscles. The sarcoplasmic reticulum ryan~odine receptor (RYR1) and other proteins involved in excitation-contraction coupling such
as calcium-ATPase and actomyosin-ATPase, are potential targets of ROS and RNS. More~over, modifications of the redox potential induced by inhibition of bioenergetic enzymes such
as creatine kinase, glyceraldehyde-3 phosphate dehydrogenase, succinate dehydrogenase and
cytochrome c oxidase might compromise the development of muscle contraction by limiting
the availability of ATP.
Keywords :
Oxidants, redox potential, reactive oxygen species, reactive nitrogen species, muscle contraction.
Introduction
Les espèces oxygénée réactives (ROS)
Les espèces oxygénées réactives (ROS) sont impliquées dans l’étiologie
du vieillissement (Finkel & Holbrook, 2000 ; Wickens, 2001), dans le
dommage musculaire induit par l’activité physique (Bejma & Ji, 1999 ;
Dekkers et al., 1996), ainsi que dans plus de 100 maladies dégénératives
(Halliwell et al., 1992). Les ROS sont majoritairement des radicaux libres
à base d’oxygène constamment produites par l’organisme en proportion avec le niveau d’activation du métabolisme aérobie (Leaf et al.,
1997). L’origine, la principale source, ainsi que la demi-vie des principaux ROS sont présentées dans le Tableau 1.
TABLEAU 1
Identité moléculaire, demi-vie et origine des espèces oxygénées réactives (ROS)
La plupart des ROS possèdent un nombre impair d’électrons les
rendant excessivement instables et réactives. En faible concentration,
elles semblent jouer un rôle dans l’homéostasie des tissus et dans
l’expression et la régulation des gènes sensibles aux perturbations rédox
(Essig & Nosek, 1997 ; Storz & Polla, 1996). Par contre, en excès, les ROS
représentent un potentiel dommageable pour les tissus (Figure 1). Heureusement, l’organisme est muni de systèmes de protection, les antioxydants, qui ont la capacité de tamponner les ROS avant qu’elles oxydent
les bio molécules environnantes et endommagent les tissus.
FIGURE 1
Un modèle hypothétique illustrant l’origine et le double rôle des ROS dans le muscle
Les antioxydants
Par définition un antioxydant est une molécule possédant un pouvoir
réducteur par sa capacité à transmettre ses électrons à un oxydant afin
de le rendre plus stable et donc moins réactif. L’ensemble des réactions
d’oxydoréduction dans un tissu (i.e., l’ensemble des échanges d’électrons susceptibles de se produire entre différentes molécules) représente le milieu rédox (Figure 2). Les antioxydants peuvent être de
source endogène, c’est-à-dire synthétisés dans nos tissus sous forme
d’enzymes antioxydantes (EAO) comme la dismutase du superoxide
(SOD, EC 1.15.1.1), la catalase (CAT, EC 1.11.1.6), la peroxydase du glutathion (GPX, EC 1.11.1.9), la réductase du glutathion (GR, EC 1.6.4.2),
la sulfure-transférase du glutathion (GST, EC 2.5.1.18), la transpeptidase
du •-glutamyle (GGT, EC 2.3.2.2), la synthase du •-glutamylcystéine
(GCS, EC 6.3.2.2) et la synthase du glutathion (GSHS, EC 6.3.2.3) ; ou
sous forme de produits métaboliques comme l’acide urique (AU), la
bilirubine et le glutathion (•- glutamylcystéinylglycine). Les antioxydants peuvent aussi provenir de source exogène, c’est-àdire de la diète
ou de la supplémentation alimentaire comme la vitamine E, la vitamine
C, l’acide •-lipoïque, le ß-carotène et autres caroténoïdes, ainsi que certains minéraux agissant comme cofacteurs pour assurer l’activité normale des EAO comme le sélénium (Se), le zinc (Zn), le manganèse (Mn),
le cuivre (Cu) et le fer (Fe). Les ROS et les antioxydants interagissent
pour maintenir un milieu rédox optimal et un déséquilibre en faveur
des premières occasionne un stress oxydatif. Par exemple, les acides
gras polyinsaturés (PUFA) des membranes biologiques sont extrêmement vulnérables face au stress par oxydation (Figure 3).
FIGURE 2
Réaction d’oxydoréduction entre des molécules rédox actives.
L’origine et le rôle nuisible des ROS lors de l’activité physique
On sait maintenant que l’activité physique augmentent la production
des ROS et occasionnent un stress oxydatif (Alessio, 1993). Par contre,
les systèmes et les mécanismes responsables de générer les ROS durant
un effort physique ne sont pas encore élucidés avec exactitude. Les sites
de production les plus probables identifiés jusqu’à récemment sont : 1)
des fuites d’électrons au niveau de la chaîne respiratoire (McCord,
1979) ; 2) le système xanthine déshydrogénase/oxydase activé lors
d’ischémie-reperfusion (Rubin et al., 1996 ; Sjödin et al., 1990) ; 3)
l’enzyme NAD(P)H oxydase (EC 1.6.99.1) associée à la membrane des
cellules endothéliales (Nethery et al., 1999) ; et 4) l’activation des processus pro-inflammatoires postexercice utilisant la brûlure respiratoire
comme stratégie pour épurer les tissus endommagés durant l’activité
physique (Tiidus, 1998) et responsable de la douleur musculaire retardée (DOMS : delayed onset muscle soreness) (Lee et al., 2002). Il a été proposé que le stress oxydatif est impliqué dans la fatigue musculaire et
qu’une supplémentation antioxydante pourrait retarder l’apparition de
cette fatigue et améliorer la performance d’endurance (Novelli et al.,
1991 ; Reid et al., 1994).
FIGURE 3
Peroxydation des lipides.
Les espèces azotées réactives (RNS)
Les espèces azotées réactives (RNS) sont une sous-famille de radicaux
libres. Le monoxyde d’azote (NO), une molécule qui fait actuellement
l’objet de beaucoup d’attention dans plusieurs domaines de recherche,
fait partie des RNS, au même titre que le dioxyde d’azote (NO2), le
trioxyde diazoté (N2O3) et le peroxynitrite (ONOO). Le NO est une des
–
dix plus petites molécules que l’on retrouve dans la nature (Landcaster
1992). Il est composé d’un atome d’oxygène doté de huit électrons et
d’un atome d’azote qui en possède sept. Afin d’atteindre l’équilibre, les
électrons d’une molécule doivent se pairer. Le NO ayant un nombre
impair d’électrons est donc une molécule très réactive. En fait, le NO à
une demi-vie de moins de 10 secondes ce qui limite probablement son
activité à des effets autocrines ou paracrines. Son inactivation est la plupart du temps causée par sa combinaison avec l’O2 pour produire du
nitrite (NO2) ou du nitrate (NO3 ). Par ailleurs, on utilise souvent ces
–
dérivés beaucoup plus stables pour quantifier la production de NO
dans un tissu.
L’origine et les principaux rôles du monoxyde d’azote (NO)
Le NO provient des synthases du monoxyde d’azote (NOS, EC
1.14.13.39). Le muscle squelettique est le premier organe dans lequel on
a identifié les deux isoformes constitutives (cNOS : nNOS et eNOS) et la
forme inductible (iNOS) de NOS (Reid, 2001a). nNOS (NOS de type 1)
est la forme neuronale que l’on retrouve en plus grande concentration
au niveau du sarcolemme et qui semble plus active dans les fibres à contraction rapide (type II). eNOS (NOS de type 3) est la forme endothéliale
que l’on retrouve en grande concentration dans les mitochondries et les
microsomes et dont le rôle dans le muscle squelettique est encore
inconnu.
D’autre part, iNOS (NOS de type 2) est induite par certaines cytokines pro-inflammatoires et produit des quantités importantes de NO.
Synthétisé en doses contrôlées, le NO est impliqué dans la régulation de plusieurs paramètres physiologiques comme la vasodilatation,
la réponse immunitaire, l’érection du pénis et la neurotransmission.
Paradoxalement, en surabondance, le NO semble impliqué dans certaines pathologies graves, dont le choc septique.
Perspective de cette recension
Cette recension a été rédigée pour mettre en lumière les derniers développements dans le domaine des radicaux libres et des antioxydants.
Dans un premier temps, ce travail de synthèse traitera des plus récentes
découvertes concernant les sites de production des ROS lors de l’effort
physique. Dans un deuxième temps, nous traiterons des principales
protéines régulatrices de la contraction musculaire qui ont été suggérées
comme cibles moléculaires des ROS et des RNS.
L’origine des ros dans la chaîne respiratoire
Dépendance de l’isoforme 14-kDa de la phospholipase A2
La compréhension des facteurs ou des mécanismes qui régulent la production des ROS dans la chaîne respiratoire durant l’activation du métabolisme aérobie est encore fragmentaire.
Par contre, dans les dernières années, l’équipe de Supinski a publié
une série d’articles fort innovateurs qui ont largement contribué à
l’avancement des connaissances dans ce secteur de recherche (Nethery
et al., 1999 ; Nethery et al., 2000 ; Stofan et al., 2000 ; Supinski et al., 1999).
Ils ont d’abord démontré que la formation des ROS dans un muscle
squelettique était dépendante de l’isoforme 14-kDa de la phospholipase
A2 (PLA2, EC 3.1.1.4) (Nethery et al., 1999). Leurs études ont été effectuées dans des conditions in vitro sur des diaphragmes de rats mâles
perfusés soumis à des stimulations électriques répétitives.
Les muscles stimulés produisaient beaucoup de ROS contrairement aux muscles contrôles, confirmant le rôle de la contraction musculaire dans la formation des ROS. Toutefois, une pré-stimulation avec le
manoalide et l’acide aristolochique (deux inhibiteurs de l’isoforme 14-kDa de la PLA2) supprimaient complètement l’apparition des ROS
induites par les contractions. Ces résultats suggéraient donc que la
PLA2 joue un rôle essentiel dans la formation des ROS.
Localisation et rôle de la PLA2
L’isoforme 14-kDa de PLA2 est préférentiellement localisé dans la mitochondrie et à la face interne du sarcolemme. Cette enzyme hydrolyse les
phospholipides des membranes en acide arachidonique (AA). L’AA
agit ensuite comme substrat pour les voies métaboliques de la cyclooxygénase (COX, EC 1.14.99.1) et de la 5-lipoxygénase (5-LO, EC 1.13.11.34)
menant à la formation de prostanoïdes et de leucotriènes respectivement. Certains chercheurs ont spéculé que les réactions catalysées par la
COX génèrent des radicaux libres comme sous-produits. Par contre,
cette hypothèse a été infirmée par l’équipe de Supinski (Stofan et al.,
2000) qui ont démontré in vitro que l’indométhacine (un inhibiteur de la
COX) n’empêchait pas le relâchement de O2– par les muscles en contraction. Ces résultats suggéraient également que le métabolite responsable
de la génération de O2– durant l’effort se situe entre la PLA2 et la COX,
soit l’AA.
Régulation de l’activité de la PLA2
On a démontré qu’une élévation de la concentration de calcium (Ca2+)
intracellulaire augmente l’activité de la PLA2 (Mayer & Marshall, 1993)
et que le degré de dysfonction du muscle dans certaines conditions
pathologiques est modulé par la concentration de Ca2+ extracellulaire
(Jones et al., 1984). Supinski et al. (1999) ont donc vérifié l’impact de trois
différentes concentrations de Ca2+ extracellulaire sur la génération des
ROS, suivant le même protocole de stimulation électrique que l’étude
citée précédemment (Nethery et al., 1999). Ils ont démontré que la génération des ROS par la contraction musculaire augmentait en fonction de
la concentration de Ca2+ extracellulaire et que la nimodipine, un bloquant des canaux à Ca2+ de type-L, supprimait cette augmentation. Ces
résultats suggéraient que la formation des ROS durant la contraction
musculaire dépend du transit de Ca2+ vers le sarcoplasme.
Dépendance de l’acide arachidonique (AA)
Afin de pousser leurs observations plus loin, Nethery et al. (2000) ont
isolé les mitochondries du diaphragme de rats afin de mesurer la formation de H2O2 par les mitochondries en suspension suivant l’administration de différentes substances : 1) de Ca2+ et d’ADP, afin de mimer l’augmentation induite par la contraction musculaire ; 2) de manoalide ou de
cytidine 5•- diphosphocholine (CDC), des inhibiteurs de l’isoforme 14-kDa de la PLA2 ; 3) de mélittine, un activateur de la PLA2 ; 4) d’AA, le
principal produit du catabolisme de la PLA2 ; 5) de diphénylène iodonium, un inhibiteur de l’oxydase du NADPH ; 6) de roténone, un inhibiteur du complexe I (déshydrogénase du NADH, EC 1.6.5.3) de la
chaîne respiratoire ; et 7) de cyanure de potassium, un inhibiteur du
complexe IV (l’oxydase du cytochrome c, EC 1.9.3.1) de la chaîne respiratoire. Les expériences ont été effectuées en présence de trois types de
substrats : soit du pyruvate et du malate, dont la transformation génère
du NADH qui transmet ses électrons au niveau du complexe I de la
chaîne de transport des électrons ; ou soit du succinate, dont la transformation génère du FADH qui transmet ses électrons au niveau du complexe II (déshydrogénase du FADH, EC 1.3.5.1) de la chaîne de transport des électrons.
Les résultats de l’étude démontraient que l’addition de Ca2+ et
d’ADP augmentait la formation de H2O2 par les mitochondries en présence des substrats du complexe I (pyruvate et malate) et que les deux
inhibiteurs de la PLA2 (manoalide et CDC) supprimaient cette augmentation. De plus, la mélittine, activateur de la PLA2, ainsi que l’ajout
direct d’AA, augmentaient remarquablement la formation de H2O2. Ces
résultats confirmaient les études antérieures démontrant que la production des ROS est dépendante de la production de l’AA par la PLA2 et
que le Ca2+ et l’ADP sont des activateurs de l’enzyme.
Ils ont également démontré que l’addition de roténone, un inhibiteur du complexe I, bloquait l’effet de l’AA ; tandis que l’addition du
cyanure de potassium, un inhibiteur du complexe IV, n’avait aucun
effet. Ces résultats indiquaient que la molécule affectée par l’AA et responsable de la formation des ROS se situe entre le complexe I et le complexe IV de la chaîne respiratoire.
Le complexe I de la chaîne respiratoire : Cible moléculaire de l’AA
La découverte la plus intéressante concerne le fait que le Ca2+ et l’ADP
n’étaient pas en mesure de stimuler la production de H2O2 par les mitochondries lorsque le succinate était utilisé comme substrat. Le catabolisme du succinate génère du FADH qui agit au niveau de complexe II
de la chaîne respiratoire avec le flux subséquent d’électrons se continuant vers les complexes III et IV. Ces résultats venaient exclure la possibilité que les complexes II, III ou IV soient impliqués dans la formation
des ROS et suggéraient donc que le complexe I de la chaîne respiratoire
est la source de production des ROS dans la mitochondrie.
En accord avec cette hypothèse, l’administration du diphénylène
iodonium n’a pu renverser l’effet du Ca2+ et de l’ADP sur la production
de H2O2, effaçant la possibilité qu’une NAPDH oxydase membranaire
puisse être responsable de la production des ROS lors de la contraction
musculaire. Ce résultat concordait bien avec les résultats précédents
s’opposant à l’idée qu’il existe un générateur de radicaux libres à la surface cellulaire étant donné que l’entrée de Ca2+ à l’intérieur de la myofibre, via les canaux à Ca2+ de type-L, est un pré-requis pour la formation
des ROS (Supinski et al., 1999).
Séquence d’événements définitive
Brièvement, les travaux de l’équipe de Supinsky ont démontré que la
production des ROS durant des contractions répétitives est causée par
l’augmentation de la concentration d’AA dans les mitochondries suite à
l’activation de la PLA2 par le Ca2+ et d’ADP. L’AA interagit ensuite avec
le complexe I de la chaîne respiratoire pour former du O2–. Par une cascade de réactions enzymatiques ou en collision avec certains métaux
lourds, le O2– est subséquemment transformé en d’autres ROS. Ces ROS
représentent une menace pour les tissus et peuvent engendrer certaines
dysfonctions musculaires par un stress oxydatif. La séquence d’évènements décrite par l’équipe de Supinski, les autres sources potentielles de
ROS, ainsi que leurs interactions entre elles et avec les principales enzymes antioxydantes sont illustrés à la figure 4.
Cibles moléculaires des ROS et du NO
Les ROS : Protagonistes de la force de contraction musculaire.
Reid et al. (2001b) ont proposé une courbe biphasique suggérant l’existence d’un milieu rédox optimal permettant le déploiement d’une force
de contraction maximale (Figure 5). En appui à des travaux in vitro, les
chercheurs prétendent que le tissu musculaire squelettique à l’état de
repos est dans un milieu rédox réduit ne permettant pas une force de
contraction maximale. L’ajout d’antioxydants à la préparation physiologique empire la situation diminuant la force de contraction (Khawli &
Reid, 1994 ; Reid & Moody, 1994) ; alors que l’ajout d’oxydants pousse
le milieu rédox à un niveau intermédiaire améliorant la force de contraction (Reid et al., 1993). À l’autre extrême, une oxydation trop prononcée
diminue la force de contraction du muscle (Plant et al., 2001), un effet
réversible par l’administration subséquente d’antioxydants (Andrade et
al., 1998 ; Reid et al., 1992). L’invasion des ROS dans les muscles squelettiques et les perturbations rédox qui en résultent semblent donc avoir
un impact important sur la force de contraction. Par contre, on ne connaît toujours pas la cible moléculaire de ces agents rédox et comment ils
pourraient altérer les fonctions contractiles du muscle.
FIGURE 4
Les ROS et les antioxydants dans la cellule musculaire.
O2–, superoxyde ; H2O2, peroxyde d’hydrogène ; NO, monoxyde d’azote ; OH•, radical
hydroxyle ; ONOO–, peroxynitrite ; HOONO, acide peroxyazoteux ; HO2•, radical
hydroperoxyle ; RO•, radical alkoxyle ; ROO•, radical peroxyle ; R–OOH, hydroperoxyde
organique ; ROH, alcool ; 1O2, oxygène singlet ; HOCl, acide hypochloreux ; GSH, glutathion
réduit ; GSSG, glutathion disulfure ; MnSOD, CuZnSOD et EC-SOD, l’isoforme manganèse,
cuivre-zinc et extracellulaire de la dismutase du superoxyde ; CAT, catalase ; GPX, peroxydase
du glutathion ; GR, réductase du glutathion ; GST, sulfure-transférase du glutathion ; PLA2,
phospholipase A2 ; XO, oxydase de la xanthine ; HX, hypoxanthine ; X, xanthine ; UA, acide
urique ; AMP, adénosine monophosphate ; ADP, adénosine diphosphate ; G6P, glucose-6-phosphate ; G6PD, déshydrogénase du glucose-6- phosphate ; 6PG, 6-phosphogluconate ; MPO,
myéloperoxidase ; NADPH, nicotinamide adénine dinucléotide phosphate réduit ; NADP+,
nicotinamide adénine dinucléotide oxydé ; cNOS et iNOS, isoforme constitutive et inductible de
la synthase de monoxyde d’azote ; H+, proton d’hydrogène ; PUFA, acide gras polyinsaturé ;
NO3
–, nitrate ; NO2•, dioxyde d’azote ; PMN, neutrophile polymorphonucléaire ; AA, acide
arachidonique ; Fe3+, ion ferrique ; Fe2+, ion ferreux ; I, II, III, IV, complexes de la chaîne
respiratoire.
FIGURE 5
Modèle démontrant l’effet biphasique du statut rédox cellulaire sur la force isométrique
Cibles du NO dans le muscle squelettique
Comme dans son rôle permettant le relâchement des muscles lisses
entourant les vaisseaux sanguins, le NO semble diminuer la force de
contraction du muscle squelettique (Reid, 1998,2001a & 2001b). Environ
la moitié de l’inhibition de la contraction par le NO est modulée par un
second messager (Schmidt et al., 1993). Dans cette voie métabolique, le
NO interagit avec la guanylate cyclase, une enzyme soluble dont l’activation par le NO stimule la synthèse de guanosine monophosphate
cyclique (cGMP). Le tissu répond ensuite à ce second messager via des
protéines kinases dépendantes du cGMP qui permettent le relâchement
des fibres musculaires. Toutefois, la deuxième moitié de l’inhibition est
modulée par un mécanisme indépendant de la cGMP. Le NO semble
donc avoir un impact direct sur certaines protéines régulatrices de la
contraction musculaire.
Modèle théorique de Reid
Selon Reid (2001b), certaines protéines impliquées dans la contraction
musculaire seraient sensibles à des perturbations du milieu rédox.
L’oxydation ou la réduction de ces protéines par les ROS ou des agents
réducteurs (antioxydants) modifieraient leur niveau d’activité. Dans le
modèle proposé (Figure 6), il inclut deux protéines hypothétiques dont
l’une est sensible à l’oxydation et l’autre à la réduction. Évidemment, il
faut supposer que ces deux protéines sont essentielles pour le développement de la force et que leurs impacts sur les propriétés contractiles du
muscle sont indépendant l’un de l’autre. En étudiant son modèle, on
constate qu’un milieu rédox réduit inhibe la protéine sensible à la réduction, alors que la protéine sensible à l’oxydation est maximalement fonctionnelle dans cette condition. Au contraire, plus le milieu rédox évolue
vers un état d’oxydation prononcé, plus le niveau d’activité de la protéine sensible à l’oxydation est diminué et plus le niveau d’activité de la
protéine sensible à la réduction est augmenté. Entre les deux extrêmes,
il existerait un milieu rédox intermédiaire permettant à chacune des
protéines d’être fonctionnelle et c’est dans cette condition que le muscle
pourrait générer la plus grande force.
FIGURE 6
Modèle théorique des mécanismes rédox limitant la force de contraction isométrique.
Dans des conditions in vivo, plusieurs protéines sont impliquées
dans la contraction musculaire et sujettes à des changements d’activité
par des perturbations rédox. Il semble utopique de croire que toutes des
protéines puissent être maximalement fonctionnelles à un niveau rédox
particulier. La force maximale exercée dépend de plusieurs facteurs,
dont le nombre de protéines régulatrices actives, le niveau d’activité de
chacune de ces protéines, et la priorité d’activation des protéines ayant
les fonctions de régulation les plus importantes. Il semble donc plus réaliste de supposer que la force maximale pouvant être générée par un
muscle (apogée de la courbe) est dictée par le milieu rédox offrant la
meilleure combinaison possible de ces facteurs.
Complications méthodologiques
Absence d’unité de mesure
Le prochain défi pour les scientifiques est de découvrir les protéines
impliquées dans la contraction musculaire dont le niveau d’activité est
modulé par des perturbations rédox.
Toutefois, les chercheurs sont confrontés à un problème majeur.
Contrairement aux autres paramètres musculaires qui doivent atteindre
une valeur optimale afin de permettre une force de contraction maximale comme le pH, la température ou le niveau d’osmolarité, on ne dispose d’aucun unité de mesure pour quantifier le milieu rédox.
Techniques quantifiant la capacité antioxydante globale
Afin de remédier à la situation, plusieurs techniques innovatrices ont
été développées dans la dernière décennie pour tenter de mesurer la
capacité antioxydante globale d’un tissu plutôt que de quantifier les
concentrations individuelles de chacune des molécules antioxydantes
individuellement. À titre d’exemple, on peut énumérer la FRCP (ferric
reducing capacity power), la TEAC (trolox equivalent absorbance capacity) et
l’ORAC (oxygen radical absorbance capacity) (Cao & Prior, 1998). Cependant, même si ces techniques sont sensées mesurer le même paramètre,
les variations inter-techniques dans un même tissu sont très importantes. Ces observations suggèrent que l’affinité des antioxydants envers
les radicaux libres diffèrent selon le radical libre généré. En plus d’être
innombrables, les oxydants et les antioxydants interfèrent entre eux
avec une certaine spécificité ce qui complexifie encore davantage la
tâche des chercheurs. Néanmoins, les techniques d’absorbance totale
des radicaux libre représentent une piste intéressante pour quantifier le
milieu rédox et demeurent actuellement les techniques les plus valides.
Alternatives déjà entreprises afin d’identifier les protéines sensibles
aux perturbations rédox
Beaucoup de travail doit être réalisé avant de quantifier le milieu rédox.
Pour l’instant, les chercheurs désireux d’identifier les protéines sensibles aux perturbations rédox adoptent une autre approche. Ils se contentent d’introduire des antioxydants pour réduire le milieu ou d’introduire des oxydants (ou un système générateur de radicaux libres) pour
oxyder le milieu, sans connaître la valeur rédox initiale de la préparation physiologique. Ils vérifient ensuite l’impact de telles manipulations
sur l’activité d’une protéine candidate. Même si l’approche peut paraître simpliste a priori, elle semble efficace puisque beaucoup de protéines
ont déjà été ciblées pour expliquer le modèle de Reid (Figure 4). Cependant, l’absence de la valeur rédox initiale limite l’extrapolation de ces
résultats dans des conditions in vivo.
Les protéines vulnérables aux perturbations REDOX
Le récepteur de la ryanodine
La protéine qui a suscité le plus d’intérêt jusqu’à présent est le canal de
libération de Ca2+ du réticulum sarcoplasmique (RS) (Favero, 1999),
nommé plus communément le récepteur de la ryanodine (RYR). On
l’appelle ainsi car la ryanodine (alcaloïde isolé à partir de la plante
Ryana speciosa) est un marqueur de l’activité de ce récepteur. Chez les
mammifères, on a identifié les isoformes RYR1, RYR2 et RYR3 qu’on
retrouve respectivement dans le muscle squelettique, le muscle cardiaque et le cerveau. Le récepteur de la ryanodine est formé de quatre sous-unités de 565-kDa constituant le plus gros canal ionique connu. Son rôle
est d’une importance capitale dans la contraction, car il est responsable
de la libération du Ca2+ dans le cytosol. La libération de Ca2+ est une
étape clé dans le couplage excitation-contraction puisque le Ca2+ joue le
rôle de médiateur entre l’influx nerveux et le glissement des filaments
minces d’actine sur les filaments épais de myosine.
Il a été proposé que le RYR1 est sensible aux perturbations rédox
(Aghdas et al., 1997 ; Favero, 1999 ; Sun et al., 2001). Dans chaque sous-unité du RYR1 on compte entre 38 et 48 thiols à l’état libre qui semblent
vulnérables à l’oxydation et qui semblent jouer un rôle dans l’activation
du canal. Sun et al. (2001) ont récemment démontré que le niveau d’activité du RYR1 répond de manière biphasique à l’administration de doses
croissantes d’oxydants. Ils ont effectué leurs études sur des vésicules
isolées de RS provenant de muscles squelettiques de lapin.
Ils modifiaient le milieu rédox en insérant des doses croissantes de
3-morpholinosydnonémine (SIN-1), un système générateur de O2- et de
NO, et en administrant du glutathion sous sa forme réduite (GSH) ou
sous sa forme disulfure (GSSG). Les auteurs concluaient que le stress de
réduction (GSH) diminuait l’activité du RYR1, une légère oxydation
(•[SIN-1] ou GSSG) maximisait l’activité du RYR1 et qu’une oxydation
trop importante (•[SIN-1] ou GSSG + SIN-1) diminuait l’activité du
RYR1.
Afin d’identifier le nombre de thiols devant être oxydés avant de
modifier le niveau d’activité du RYR1, Sun et al. (2001) ont mis en corrélation le niveau d’activité du RYR1 avec le nombre de thiols libres en
présence de molécules rédox actives (GSH, SIN-1). L’activité du RYR1
était : 1) inchangée par l’oxydation d’environ 10 thiols par sous-unité ;
2) à son maximum lorsque le nombre de thiols était réduit à environ 23
par sous-unité ; et 3) réduite à des valeurs initiales lorsqu’il ne restait
plus qu’environ 13 thiols par sous-unité. La réponse biphasique du
RYR1 à des modifications rédox coïncide donc parfaitement avec le
modèle de Reid.
La calcium-ATPase
La Ca2+-ATPase est une protéine de 110-kDa responsable de la reséquestration du Ca2+ dans le RS. Elle a donc un rôle antagoniste à celui du
RYR1, mais elle agit en synergie avec ce dernier pour entretenir
l’homéostasie calcique durant la contraction musculaire. Xu et al. (1997)
ont démontré que l’activité de la Ca2+-ATPase des muscles squelettiques
de lapins pouvait être inhibée par le radical OH· et qu’une préincubation avec 1 mmol/L d’ATP protégeait entièrement contre cette inhibition. Les auteurs ont ensuite démontré que le OH· n’endommageait pas
la structure primaire de la protéine et que l’ATP n’offrait aucune vertu
antioxydante directe contre le OH·. Ces résultats suggéraient donc que
le OH· inhibe l’activité de la Ca2+-ATPase en attaquant directement le
site de liaison de l’ATP et que l’occupation d’une molécule d’ATP sur le
site de liaison protège du dommage oxydatif induit par le OH·.
Dans la même veine, Scherer et Deamer (1986) ont démontré que la
Ca2+-ATPase du RS isolé de muscles abdominaux de homards pouvait
être inactivée par l’oxydation de ses groupements sulfhydryles (-SH)
avant même que le stress oxydatif atteigne un niveau suffisamment
élevé pour causer la peroxydation des lipides. Donc, si petit soit-il, le
stress oxydatif semble modifier l’activité de la Ca2+-ATPase. Le DTT
(dithiothreitol), un agent qui réduit spécifiquement les liens disulfures (S-S), réussissait à maintenir l’activité de la Ca2+- ATPase, la perméabilité
calcique du RS et son contenu total en Ca2+. Comme le RYR1, la Ca2+-ATPase peut également être inhibée par un stress de réduction.
Daiho et Kanazawa (1994) ont démontré que l’administration de
DTT inhibait complètement l’activité de la protéine en provoquant un
blocage sélectif au niveau de l’isomérisation de la phosphoenzyme via
la réduction de deux liens disulfures par site de phosphorylation.
L’ensemble de ces résultats suggère que la Ca2+-ATPase est une
candidate potentielle pour expliquer le modèle biphasique de Reid. Son
activité semble être contrôlée par la réduction des liens disulfures et par
l’oxydation des groupements sulfhydryles sur son site de phosphorylation. Un équilibre doit être atteint entre les molécules rédox actives afin
d’optimiser l’activité de la protéine, et ainsi entretenir l’homéostasie du
Ca2+ intracellulaire et la contraction musculaire normale.
Myosine-ATPase
L’actomyosine-adénosinetriphosphatase (myosine-ATPase, EC 3.6.4.1)
est une enzyme impliquée dans le couplage excitation-contraction ayant
comme fonction de recycler les ponts d’union de myosine dans leur configuration active. Perkins et al. (1997) ont démontré que la modification
de thiols sur la tête de myosine par un donneur de NO (sodium nitroprusside) inhibait l’activité de la myosine-ATPase dans les fibres musculaires du psoas de lapins.
Enzymes bioénergétiques
Le NO semble également avoir la possibilité d’inhiber la contraction
musculaire de façon indirecte en limitant le métabolisme énergétique
(Reid, 1998 ; Brown, 2001). Il a été établi par Cleeter et al. (1994) que le
NO inhibe la chaîne respiratoire en compétitionnant avec l’O2 pour le
site actif de l’oxydase du cytochrome c. De plus, Kobzik et al. (1995) ont
démontré que l’insertion de L-arginine (précurseur du NO) dans une
préparation de mitochondries isolées diminuait la consommation d’O2
de manière dose-dépendante et que cette inhibition pouvait être prévenue en pré-traitant les mitochondries avec des inhibiteurs de NOS. Ils
concluaient que eNOS (NOS de type 3) localisée dans la mitochondrie
peut moduler la respiration cellulaire.
Le NO régule également le métabolisme des glucides en inhibant la
déshydrogénase du glycéraldéhyde-3-phosphate (GAPDH, EC 1.2.1.12)
par une S-nitrosylation au niveau de la cystéine 149 (Mohr et al., 1996).
Le NO semble aussi limiter la synthèse d’ATP par les réserves de phosphocréatine. Wolosker et al. (1995) ont démontré qu’un donneur exogène de NO inhibe l’activité de la kinase de la créatine (CK, EC 2.7.3.2)
dans les muscles striés, un effet réversible par l’administration d’un
agent réducteur. Bref, le NO inhibe la respiration mitochondriale, la glycolyse et la dégradation de la phosphocréatine limitant ainsi la disponibilité de l’ATP pour les activités normales de la cellule. L’ensemble de
ces résultats offre une explication vraisemblable concernant l’inhibition
de la contraction musculaire par le NO via un mécanisme indépendant
du cGMP..
Conclusion
Les travaux de Supinski et de ses collaborateurs ont permis d’élucider
la provenance des ROS dans la mitochondrie pendant les contractions
musculaires répétées (Nethery et al., 2000).
Il faut maintenant s’attarder à l’impact de ces ROS sur la force de
contraction du muscle. En 1993, Reid et al. ont proposé un modèle
démontrant la réponse biphasique du muscle squelettique à des doses
croissantes d’oxydants et la réversibilité de la diminution de force suite
à l’administration d’antioxydants dans des conditions in vitro. Depuis,
la régulation rédox de la contraction musculaire suscite de plus en plus
d’intérêt chez les scientifiques. Malgré le manque d’outil pour quantifier le milieu rédox, la compréhension des facteurs pouvant expliquer la
courbe biphasique de Reid avance rapidement.
Les chercheurs postulent que l’augmentation ou la chute de force
suivant des manipulations rédox est le résultat de changements d’activité de certaines protéines impliquées dans le couplage excitation~contraction ou contribuant à la synthèse d’ATP. Les chercheurs ont alors
ciblé des protéines clés afin de vérifier leur changement d’activité suite
à des manipulations rédox dans des conditions in vitro.
En fait, toutes les protéines possédant les acides aminés tryptophane, tyrosine, phénylalanine, histidine, méthionine et cystéine peuvent subir des modifications suivant des réactions d’oxydation ou de
réduction. La modification de liens disulfures ou de groupements sulfydryles sur ces acides aminés peut priver la protéine de son fonctionnement biologique normal ou, au contraire, augmenter l’efficacité de la
protéine. Les cibles moléculaires des ROS dans le muscle squelettique
sont donc nombreuses.
À ce jour, on sait que le RYR1 et la Ca2+-ATPase répondent de
manière biphasique à des doses croissantes de ROS. Évidemment, la
liste de protéines énumérées dans cet ouvrage et qui semble à la fois
impliquées dans la contraction musculaire et affectées par des perturbations rédox n’est pas exhaustive. La déshydrogénase du succinate (SDH,
EC 1.3.99.1), par exemple, n’a pas fait l’objet d’analyse dans ce travail
mais semble être sensible au stress oxydatif (Haycock et al., 1996).
Le NO inhibe aussi certaines protéines impliquées dans le couplage
excitationcontraction, comme la myosine-ATPase. Il semble également
diminuer la force de contraction indirectement en inhibant certaines
enzymes bioénergétiques. Par contre, s’il y a une leçon à tirer du NO,
c’est l’importance de la chimie dans la compréhension des processus
biologiques. C’est sûrement ses propriétés chimiques qui lui confèrent
sa grande versatilité physiologique. Étant une très petite molécule électriquement neutre, elle peut facilement traverser les membranes biologiques, facilitant ainsi son rôle comme messager cellulaire. De l’autre
côté, à cause de son nombre impair d’électrons, le NO est une molécule
très réactive, lui permettant d’interagir avec beaucoup de protéines
régulatrices et de modifier leur niveau d’activité.
Les ROS et les RNS dans le muscle squelettique forment un secteur
de recherche fascinant. Pour le physiologiste de l’effort, ces molécules
réactives jouent un rôle dans la contraction musculaire et sont probablement impliquées dans la fatigue musculaire ainsi que dans les signaux
transcriptionnels responsables de l’adaptation à l’effort (Essig & Nosek,
1997).
Pour le spécialiste de la santé, une meilleure compréhension de
leurs mécanismes d’action pourrait mener à des pistes prophylactiques
ou curatives dans le traitement de certaines maladies dégénératives qui
touchent de plus en plus les sociétés modernes.
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NOTES
[(1)]
Laboratoire des sciences de l’activité physique, Division de kinésiologie, Département
de Médecine sociale et préventive, Faculté de Médecine, Université Laval, Québec, Canada.
Laboratoire des sciences de l’activité physique, Division de kinésiologie, Département
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