Théorie du filament glissant - Sliding filament theory
La théorie du filament glissant explique le mécanisme de contraction musculaire basé sur des protéines musculaires qui glissent les unes sur les autres pour générer un mouvement. Selon la théorie des filaments glissants, les filaments de myosine (épais) des fibres musculaires glissent devant les filaments d'actine (fins) pendant la contraction musculaire, tandis que les deux groupes de filaments restent de longueur relativement constante.
Il a été introduit indépendamment en 1954 par deux équipes de recherche, l'une composée d' Andrew F. Huxley et Rolf Niedergerke de l' Université de Cambridge , et l'autre composée de Hugh Huxley et Jean Hanson du Massachusetts Institute of Technology . Il a été conçu à l'origine par Hugh Huxley en 1953. Andrew Huxley et Niedergerke l'ont présenté comme une hypothèse "très attrayante".
Avant les années 1950, il existait plusieurs théories concurrentes sur la contraction musculaire, notamment l'attraction électrique, le repliement des protéines et la modification des protéines. La nouvelle théorie a directement introduit un nouveau concept appelé théorie des ponts croisés (classiquement pont croisé oscillant, maintenant principalement appelé ( cycle de pont croisé ) qui explique le mécanisme moléculaire du filament glissant. La théorie des ponts croisés indique que l'actine et la myosine se forment un complexe protéique (classiquement appelé actomyosine ) par fixation de la tête de myosine sur le filament d'actine, formant ainsi une sorte de pont croisé entre les deux filaments.La théorie du filament glissant est une explication largement acceptée du mécanisme qui sous-tend la contraction musculaire.
Histoire
Premières œuvres
La première protéine musculaire découverte était la myosine par un scientifique allemand Willy Kühne , qui l'a extraite et nommée en 1864. En 1939, une équipe russe mari et femme Vladimir Alexandrovich Engelhardt et Militsa Nikolaevna Lyubimova ont découvert que la myosine avait une propriété enzymatique (appelée ATPase ) qui peut décomposer l' ATP pour libérer de l'énergie. Albert Szent-Györgyi , un physiologiste hongrois, s'est tourné vers la physiologie musculaire après avoir remporté le prix Nobel de physiologie ou médecine en 1937 pour ses travaux sur la vitamine C et l'acide fumarique . Il a démontré en 1942 que l'ATP était la source d'énergie pour la contraction musculaire. Il a en fait observé que les fibres musculaires contenant de la myosine B se raccourcissaient en présence d'ATP, mais pas avec la myosine A, l'expérience qu'il décrira plus tard comme "peut-être le moment le plus excitant de ma vie". Avec Brunó Ferenc Straub , il a rapidement découvert que la myosine B était associée à une autre protéine, qu'ils appelaient actine, alors que la myosine A ne l'était pas. Straub a purifié l'actine en 1942 et Szent-Györgyi a purifié la myosine A en 1943. Il est devenu évident que la myosine B était une combinaison de myosine A et d'actine, de sorte que la myosine A a conservé son nom d'origine, alors qu'ils ont renommé la myosine B en actomyosine. À la fin des années 1940, l'équipe de Szent-Györgyi avait postulé avec des preuves que la contraction de l'actomyosine était équivalente à la contraction musculaire dans son ensemble. Mais la notion était généralement opposée, même de la part de lauréats du prix Nobel tels qu'Otto Fritz Meyerhof et Archibald Hill , qui adhéraient au dogme dominant selon lequel la myosine était une protéine structurelle et non une enzyme fonctionnelle. Cependant, dans l'une de ses dernières contributions à la recherche sur les muscles, Szent-Györgyi a démontré que l'actomyosine entraînée par l'ATP était le principe de base de la contraction musculaire.
Origine
Au moment où Hugh Huxley a obtenu son doctorat de l'Université de Cambridge en 1952 sur ses recherches sur la structure du muscle, Szent-Györgyi avait tourné sa carrière vers la recherche sur le cancer. Huxley est allé au laboratoire de Francis O. Schmitt au Massachusetts Institute of Technology avec une bourse post-doctorale en septembre 1952, où il a été rejoint par un autre boursier post-doctoral anglais Jean Hanson en janvier 1953. Hanson avait un doctorat en structure musculaire du King's College de Londres en 1951. Huxley avait utilisé la diffraction des rayons X pour spéculer que les protéines musculaires, en particulier la myosine, forment des filaments structurés donnant naissance au sarcomère (un segment de fibre musculaire). Leur objectif principal était d'utiliser la microscopie électronique pour étudier les détails de ces filaments comme jamais auparavant. Ils ont rapidement découvert et confirmé la nature filamenteuse des protéines musculaires. La myosine et l'actine forment des filaments qui se chevauchent, les filaments de myosine constituant principalement la bande A (la région sombre d'un sarcomère), tandis que les filaments d'actine traversent à la fois les bandes A et I (région claire). Huxley a été le premier à suggérer la théorie du filament glissant en 1953, déclarant :
"… [I] s'il est postulé que l'étirement du muscle a lieu, non par une extension des filaments, mais par un processus dans lequel les deux ensembles de filaments glissent [c'est nous qui soulignons] l'un devant l'autre ; l'extensibilité sera alors inhibée si la myosine et l'actine sont liées ensemble."
Plus tard, en 1996, Huxley a regretté d'avoir inclus Hanson dans la formulation de sa théorie car elle était basée sur leur travail collaboratif.
Andrew Huxley , qu'Alan Hodgkin a décrit comme « un sorcier doté d'un appareil scientifique », venait de découvrir le mécanisme de transmission de l'influx nerveux ( potentiel d'action ) (pour lequel lui et Hodgkin ont plus tard remporté le prix Nobel de physiologie ou médecine en 1963) en 1949 en utilisant sa propre conception de pince de tension et recherchait un associé capable de disséquer correctement les fibres musculaires. Sur la recommandation d'un ami proche Robert Stämpfli, un médecin allemand Rolf Niedergerke l'a rejoint à l'Université de Cambridge en 1952. À ce moment-là, il s'est rendu compte que le microscope à contraste de phase classiquement utilisé n'était pas adapté aux structures fines des fibres musculaires, et a ainsi développé son propre microscope interférentiel . Entre mars 1953 et janvier 1954, ils exécutèrent leurs recherches. Huxley s'est souvenu qu'à l'époque, la seule personne qui ait jamais pensé aux filaments coulissants avant 1953 était Dorothy Hodgkin (plus tard lauréate du prix Nobel de chimie en 1964 ). Il passa l'été 1953 au Laboratoire de biologie marine de Woods Hole, dans le Massachusetts, pour y utiliser le microscope électronique. Là, il a rencontré Hugh Huxley et Hanson avec qui il a partagé des données et des informations sur leurs travaux. Ils se sont séparés par un accord selon lequel ils resteraient en contact et, une fois leur objectif atteint, ils publieraient ensemble, s'ils « arrivaient à des conclusions similaires ».
La théorie du filament glissant
La théorie du filament glissant est née de deux articles consécutifs publiés dans le numéro du 22 mai 1954 de Nature sous le thème commun « Changements structurels du muscle pendant la contraction ». Bien que leurs conclusions soient fondamentalement similaires, leurs données et propositions expérimentales sous-jacentes étaient différentes.
Hypothèse de Huxley-Niedergerke
Le premier article, écrit par Andrew Huxley et Rolf Niedergerke, s'intitule « Microscopie par interférence des fibres musculaires vivantes ». Il était basé sur leur étude du muscle de la grenouille à l'aide d'un microscope à interférence, développé à cet effet par Andrew Huxley. Selon eux:
- les bandes I sont composées de filaments d'actine, et les bandes A principalement de filaments de myosine ; et
- pendant la contraction, les filaments d'actine se déplacent dans les bandes A entre les filaments de myosine.
Hypothèse de Huxley-Hanson
Le deuxième article, rédigé par Hugh Huxley et Jean Hanson, s'intitule « Changements dans les stries croisées des muscles pendant la contraction et l'étirement et leur interprétation structurelle ». Il est plus élaboré et était basé sur leur étude du muscle du lapin à l'aide de microscopes à contraste de phase et électroniques. Selon eux:
- l'épine dorsale d'une fibre musculaire est constituée de filaments d'actine qui s'étendent de la ligne Z jusqu'à une extrémité de la zone H, où ils sont attachés à un composant élastique qu'ils ont nommé filament S ;
- les filaments de myosine s'étendent d'une extrémité de la bande A à travers la zone H jusqu'à l'autre extrémité de la bande A ;
- les filaments de myosine restent de longueur relativement constante pendant l'étirement ou la contraction musculaire;
- si les filaments de myosine se contractent au-delà de la longueur de la bande A, leurs extrémités se replient pour former des bandes de contraction ;
- les filaments de myosine et d'actine se trouvent côte à côte dans la bande A et en l'absence d'ATP, ils ne forment pas de réticulations ;
- lors de l'étirement, seules les bandes I et la zone H augmentent de longueur, tandis que les bandes A restent les mêmes ;
- lors de la contraction, les filaments d'actine se déplacent dans les bandes A et la zone H se remplit, les bandes I se raccourcissent, la ligne Z entre en contact avec les bandes A ; et
- la force motrice possible de la contraction est constituée par les liaisons actine-myosine qui dépendent de l' hydrolyse de l' ATP par la myosine.
Réception et conséquences
Malgré des preuves solides, la théorie du filament glissant n'a obtenu aucun soutien pendant plusieurs années. Szent-Györgyi lui-même a refusé de croire que les filaments de myosine étaient confinés au filament épais (bande A). FO Schmitt, dont le microscope électronique a fourni les meilleures données, est également resté sceptique quant aux images originales. Il y avait aussi des arguments immédiats quant à l'organisation des filaments, si les deux ensembles (myosine et actine) de filaments étaient simplement superposés ou continus. Ce n'est qu'avec le nouveau microscope électronique que Hugh Huxley a confirmé la nature chevauchante des filaments en 1957. C'est également à partir de cette publication que l'existence d'une liaison actine-myosine (maintenant appelée pont croisé) a été clairement démontrée. Mais il a fallu encore cinq ans pour prouver que le pont croisé était une interaction dynamique entre les filaments d'actine et de myosine. Il a obtenu l'arrangement moléculaire réel des filaments en utilisant la cristallographie aux rayons X en s'associant avec Kenneth Holmes , qui a été formé par Rosalind Franklin , en 1965. Ce n'est qu'après une conférence en 1972 au Cold Spring Harbor Laboratory , où la théorie et ses preuves ont été délibérées, qu'elles sont devenues généralement acceptées. Lors de la conférence, comme Koscak Maruyama l'a rappelé plus tard, Hanson a dû répondre aux critiques en criant : "Je sais que je ne peux pas encore expliquer le mécanisme, mais le glissement est un fait." Les preuves factuelles sont arrivées au début des années 1980, lorsqu'il a été possible de démontrer le mouvement de glissement réel à l'aide de nouveaux outils sophistiqués par différents chercheurs.
Mécanisme de pont croisé
Avec des preuves substantielles, Hugh Huxley a formellement proposé le mécanisme de glissement du filament et est diversement appelé modèle de pont croisé oscillant, théorie des ponts croisés ou modèle de pont croisé. (Il préférait lui-même le nom de « swinging crossbridge model », car, comme il le rappelait, « c'était [la découverte], après tout, les années 1960 ».) Il a publié sa théorie dans le numéro du 20 juin 1969 de Science sous le titre « » Le mécanisme de la contraction musculaire". Selon sa théorie, le glissement des filaments se produit par fixation et détachement cycliques de la myosine sur les filaments d'actine. La contraction se produit lorsque la myosine tire le filament d'actine vers le centre de la bande A, se détache de l'actine et crée une force (AVC) pour se lier à la molécule d'actine suivante. Cette idée a ensuite été prouvée en détail et est plus appropriée connue sous le nom de cycle de pont croisé .