Du sprint au trac : contraction musculaire, ATP et réponse au stress

Tu cours après ton bus : tes cuisses se contractent, ton cœur s'emballe. Le matin d'un oral, immobile, ton cœur bat aussi vite. Comment un muscle se raccourcit-il, d'où tire-t-il son énergie, et que se passe-t-il quand tu stresses ?

La fibre musculaire, une machine à raccourcir

Un muscle squelettique est fait de fibres musculaires, cellules géantes à nombreux noyaux, parfois longues de plusieurs centimètres. Elles sont remplies de myofibrilles, chaînes d'unités de 2 à 3 µm, les sarcomères, limités par deux stries Z. Dans chaque sarcomère alternent des filaments fins d'actine, accrochés aux stries Z, et des filaments épais de myosine, au centre.

Pendant la contraction, les filaments ne raccourcissent pas : l'actine glisse entre les filaments de myosine et les stries Z se rapprochent. Au microscope, la bande sombre A (la myosine) garde sa longueur ; la bande claire I et la zone centrale H raccourcissent.

Exemple 1 : un calcul d'échelle. Une myofibrille de 10 cm compte 100 000 µm ÷ 2,5 µm = 40 000 sarcomères. Si chacun passe de 2,5 à 2,0 µm, la myofibrille mesure 40 000 × 2,0 µm = 8 cm : elle a raccourci de 2 cm, soit 20 %.

Le mécanisme moléculaire

Un potentiel d'action, venu du motoneurone, parcourt la membrane de la fibre et libère des ions calcium stockés dans le réticulum sarcoplasmique. Le calcium démasque des sites de fixation sur l'actine, et un cycle commence :

1. une tête de myosine se fixe sur l'actine (formation d'un pont) ;
2. elle pivote et tire le filament d'actine vers le centre du sarcomère ;
3. une molécule d'ATP se fixe sur la tête, qui se détache ;
4. l'hydrolyse de l'ATP en ADP et phosphate « réarme » la tête, prête pour un nouveau cycle.

Quand le calcium est repompé dans le réticulum, ce qui consomme aussi de l'ATP, le muscle se relâche. Sans ATP, les têtes restent fixées : c'est la rigidité cadavérique, quelques heures après la mort.

L'ATP, une monnaie à renouveler sans cesse

Le muscle ne stocke que quelques secondes d'ATP : il doit le régénérer à partir de l'ADP.

• La phosphocréatine cède son phosphate à l'ADP : immédiat mais limité aux premières secondes d'un sprint.
• La glycolyse, dans le cytoplasme, coupe un glucose (issu surtout du glycogène du muscle) en deux pyruvates : bilan de 2 ATP, et des transporteurs d'électrons réduits (R en RH₂).
• La respiration cellulaire, dans les mitochondries, avec du dioxygène : le pyruvate est oxydé en CO₂ (cycle de Krebs), puis la chaîne respiratoire réoxyde les RH₂, réduit le dioxygène en eau et permet la synthèse de beaucoup d'ATP. Bilan : C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O, et de 30 à 36 ATP par glucose selon les estimations.
• La fermentation lactique, quand le dioxygène manque ou que l'effort est très intense : le pyruvate est réduit en lactate, ce qui régénère les R nécessaires à la glycolyse. Rapide, mais 2 ATP par glucose seulement.

Exemple 2 : deux athlètes. Un sprinteur de 100 m utilise surtout phosphocréatine et glycolyse, dans des fibres rapides pauvres en mitochondries. Un marathonien tire presque tout son ATP de la respiration du glycogène et des graisses ; l'entraînement a multiplié dans ses fibres lentes mitochondries et capillaires. Avec 30 à 36 ATP contre 2, la respiration rapporte 15 à 18 fois plus.

Le stress, une réponse de tout l'organisme

Le stress est l'ensemble des réponses de l'organisme à une situation perçue comme menaçante, l'agent stresseur : danger, examen, conflit. Le cerveau déclenche deux réponses complémentaires.

• En quelques secondes : le système nerveux sympathique stimule la médullosurrénale, qui libère de l'adrénaline : le cœur accélère, les bronches se dilatent, le foie libère du glucose, le sang afflue vers les muscles.
• En quelques minutes : l'hypothalamus sécrète la CRH, qui stimule l'hypophyse ; celle-ci libère dans le sang l'ACTH, qui stimule la corticosurrénale, d'où la sécrétion de cortisol : la glycémie monte, l'inflammation est freinée.

Exemple 3 : le retour au calme. Le cortisol agit en retour sur l'hypothalamus, l'hypophyse et l'hippocampe, ce qui freine la sécrétion de CRH et d'ACTH : ce rétrocontrôle négatif arrête la réponse, le danger passé. Si le stress dure des semaines (stress chronique), ce frein se dérègle : le cortisol reste élevé, au risque d'altérer le sommeil, les défenses immunitaires et, chez l'animal, certains neurones de l'hippocampe.

Activité physique, sommeil, relaxation et soutien des proches aident à le réguler. Les anxiolytiques de la famille des benzodiazépines renforcent l'inhibition dans le cerveau ; ils ne se prennent que sur prescription, peu de temps, car ils exposent à une dépendance.

À retenir

• La contraction est un glissement de l'actine entre les filaments de myosine, déclenché par le calcium, alimenté par l'ATP.
• L'ATP est régénéré par la phosphocréatine, la glycolyse, puis la respiration (beaucoup d'ATP, avec du dioxygène) ou la fermentation lactique (2 ATP).
• Face à un stresseur, l'adrénaline agit en secondes, le cortisol (axe CRH-ACTH) en minutes.
• Le rétrocontrôle négatif du cortisol arrête la réponse ; son dérèglement entretient le stress chronique.

★ Pour aller plus loin

Longtemps accusé des courbatures, le lactate est en fait un carburant : le cœur et les fibres lentes l'oxydent, le foie le reconvertit en glucose. Les courbatures viennent plutôt de micro-lésions des fibres, par exemple après une longue descente.

En 1936, le médecin Hans Selye décrit un « syndrome général d'adaptation » commun à des agressions variées : il popularisera le mot « stress » en biologie.

Sources pour creuser

• Physiologie et méthodologie de l'entraînement, Véronique Billat (De Boeck), sur les filières énergétiques.
• Anatomie et physiologie humaines, Elaine Marieb et Katja Hoehn (Pearson).
• Le cerveau à tous les niveaux (site de l'université McGill) : cherche « stress ».
• Sur YouTube, la chaîne C'est pas sorcier : cherche « muscles ».
• lumni.fr et inserm.fr : cherche « stress ».