1 PHYSIOLOGIE MUSCULAIRE SVI – S5 2009-2010 Module de Physiologie animale UNIVERSITE MOHAMMED...

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PHYSIOLOGIE MUSCULAIRE

SVI – S5

2009-2010

Module de Physiologie animale

UNIVERSITE MOHAMMED PREMIERFACULTE DES SCIENCES

DEPARTEMENT DE BIOLOGIEOUJDA - MAROC

- Modalités du Couplage Excitation - Contraction et de Régulation

OBJECTIFS DU COURS

- Structure, Énergétique

- Mécanisme de la contraction

Assimiler correctement pour chaque type de muscle

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Propriétés de base :Excitabilité, Contractilité, Extensibilité, Elasticité.

MUSCLE

Fonction :Mouvement Musculaire (Posture et Equilibre),

Production de chaleur.

Diversité des mouvements :Respiration, Marche, Nage, Vol, Pompage du Sang, Contraction des Intestins, de l'Utérus

(Accouchement), ….

Un rares tissus : compréhension (au niveau moléculaire)du Déroulement et de Régulation de ces fonctions.

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- M. Strié : * M. Squelettique * M. Cardiaque

MUSCLES : CLASSIFICATION

Particularité m. cardiaque et squelettique : - Protéines Contractiles : % élevé (≈ 80 % des protéines totales)- PC : schéma très ordonné

1– M. STRIE 2– M. LISSE

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MUSCLE SQUELETTIQUE

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MUSCLE SQUELETTIQUE

Squelettique : Attaché au Squelette (Mouvement du squelette)

Muscle Volontaire

Constitution : Fibres ou Cellules Musculaires (Myocytes) + Tissu Conjonctif

Constituants de la Fibre Musculaire :- Membrane Plasmique ou Sarcolème- Noyau, Mitochondries, Appareil de Golgi- Réticulum Sacroplasmique (RS) : Réserve ce Ca++

- Myofibrilles (Protéines en faisceaux, volume important, Siège de la contraction)- Sarcoplasme ou Cytosol (cytoplasme)

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-80

+ 30

0

Potentiel de membrane (mV)

Temps (ms)

A B

Schéma du potentiel d’action du muscle squelettique

2 ms

Durée courte (1 à 2 ms) Er ≈ -80 mV

ACTIVITE ELECTRIQUE

Cellule EXCITABLE PA

Dépolarisation (INa)

Repolarisation (IK)

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PARTICULARITÉS

- Invagination du sacrolème : Système Tubulaire ou Système T ou Tubules transverses

- RS enroulé sur les Myofibrilles : Citernes Terminales au niveau des TT

Tubule T

- 1 TT est associé à 2 citernes formant : une Triade

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Striation : Alternance de deux zones : Sombres (A) et Claires (I)

PARTICULARITÉS

Bandes Sombres ou "A" : centrée par bande "H"Bande "H" : centrée par la ligne "M".

Bandes Claires ou "I" : centrée par la ligne ou Strie Z

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Longueur du Sarcomère :- Muscle au Repos : entre 2 et 2,5 µm

- Muscle Contracté : à 2 µm.

Partie de la myofibrille comprise entre 2 stries Z = SARCOMERE

SARCOMERE = Unité Fonctionnelle de Base de la Contraction

Sarcomère

ZZ

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Niveaux d’organisation

Du muscle (organe)

Au myofilament

Au sarcomère

À la fibre musculaire (cellule)

À la myofibrille (organite)

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DE QUOI EST CONSTITUÉ UN SARCOMÈRE ?

Protéines Contractiles ou Myo-Filaments ou Myofibrilles

1- Myofilament Epais (FE) : Myosine (M)

2- Myofilament Fin (FF) : Actine (A) + Protéines Régulatrices

TYPES DE MYOFILAMENTS :

Protéines Contractiles :Dans cellule Animale (contraction puis Mouvement)

Dans cellule Végétale (Responsables du flux protoplasmique et des mouvements des organites intracellulaires)

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Interpénétration ou Chevauchement

COMMENT SONT DISPOSES LES MYOFILAMENTS DANS LE SARCOMÈRE ?

FE : entouré de 6 FFDonc : - 1 F de myosine peut se lier aux 6 F d’actine.

Organisation dans l’espace !!!!!

- 1 F d’actine peut interagir avec 3 F ≠ de myosine

Sarcomère

ZZ

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- Monomère d'Actine contient le Site de Fixation de Myosine.

ACTINE

- Protéine Globulaire (42 KDa) Polymérisation 2 Chaînes Polypeptidiques Enroulées (Bande « I ») Filament d'actine.

- Filaments d'Actine : Attachement à la Strie Z

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- Chaînes lourdes: Enroulées

MYOSINE

- Responsables de la Bande A

1 molécule de Myosine = 6 Chaînes Polypeptidiques :

- 2 chaînes identiques (≈ 200 KDa chacune) : Chaînes Lourdes

- 4 chaînes légères (≈ 20 KDa chacune) : Chaînes Légères

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2 Ch. Lourdes formant 2 parties :- Queue ou Bâtonnet pour la partie Enroulée (portion S2)

- Tête Globulaire (TG) pour la partie Déroulée (portion S1)

Chaînes Lourdes

Chaque Tête Globulaire possède 2 Sites :- Site Enzymatique (ATPase)- Site de Fixation d’actine

Rôle des Tête Globulaire dans la contraction …….

QueueTête

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Chaînes Légères

- 2 paires Chaînes Légères / myosine- Positionnées sur les Têtes Globulaires (2 chaînes / tête)

Zone Flexible entre Queue et TG de myosine = Rotation

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- D’où, Zone centrale sans qu’aucune TG ne se projette ( Bande H)

COMMENT SONT ASSEMBLEES LES MYOSINES ?

FE : ≈ 300 molécules de Myosine (disposition opposée) :

- TG : Assemblage dans les 2 extrémités du FE

Bande « A »

Centre sarcomère

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- Tropomyosine (Tm)- 2 Chaînes polypeptidiques enroulées.- 1 Molécule de Tm = 35 nm ( 7 unités d'actine globulaire)- Disposition : dans le creux formé par les filaments d'actine- Au repos : Bloque les sites de fixation de myosine sur l'actine

PROTEINES REGULATRICES

- Fixées sur l’actine

Constituants : - Tropomyosine - Complexe de Troponines

- Régulent la Contraction

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Complexe de Troponines (Tn)3 sous unités : - Troponine T (TnT)

- Troponine I (TnI)- Troponine C (TnC)

TnT (TM)= Fixation de Tn à la Tm et à l'ActineTnC (Calcium) = Fixation du Ca++ (sites)TnI (Inhibitrice) = Maintient la Tm dans une position masquant le site de liaison de la myosine sur l'actine.

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Desmine =- lie la ligne Z aux myofibrilles adjacentes et permet de la maintenir en place.

AUTRES PROTEINES

Titine = - Protéine extrêmement longue (≈ 1 μm) de ligne Z à ligne M.- Stabilité longitudinale du sarcomère

Nébuline =- Très grande protéine liée à l’actine près de Z- Renforcement du filament fin

α-Actinine =- Protéine de la ligne Z qui lie ensemble les filaments d’actine

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- Attachement des Myosines au Centre du Sarcomère (ligne M)- Têtes Emergent dans la Partie en Chevauchement avec l'actine

Comment sont arrangées Myosine et Actine dans le Sarcomère ?

- Attachement des Actines à la strie Z (extrémités du sarcomère)

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Ca++ + ATP Contraction

ELÉMENTS BIOCHIMIQUES DE LA CONTRACTION

Ca++ = Libération du site de fixation de la Myosine sur l'actine

ATP = Energie pour la Contraction

- Si Muscle au Repos :Ca++ intracellulaire Faible ≈ 0,1 μmol.L-1 (10-4 mM)

- Si Muscle en Contraction :Ca++ intracellulaire Élevé ≈ 0,1 mmol.L-1 (10-1 mM)

Augmentation de 1000 x

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0.2 – 1 mM

0.0001 – 0.01 mM

0.0001 mM

Mitochondria

Reticulum Sarcoplasmic

Cytosol

1.2 mM

Diapositive empruntée au Pr. G. SALIDO (Espagne)

AU REPOS

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- ATPases Calciques ou Pompes (RS et Sarcolème) :* Sortie du Ca++ à l’extérieur de la cellule* Retour du Ca++ vers le RS

(Transport actifs)

MOUVEMENTS TRANSMENBRANAIRES DU CA++

- Canaux Calciques (RS) :Sortie du Ca++ du RS vers le sarcoplasme

- Echangeur Na+/Ca++ (Sarcolème ):Entrée & Sortie du Ca++ de la cellule (double sens)

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MOUVEMENTS TRANSMENBRANAIRES DU CA++

Cellule Musculaire squelettique

Na+

Ext

Ca++

RS

Cytosol

Canal Ca++

Energie

Energie

Int

Pompe à Ca++

Sarcolème

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SOURCES D'ATP

Existence de Système Enzymatique Efficace pour

REGÉNÉRER l'ATP :

ATP + H2O → ADP + Pi + Energie

Phosphorylation oxydativeGlycolyse

Niveau d'ATP : Pas de Variation Importante

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Phosphocréatine + ADP ATP + CréatinePCK

Réaction enzymatique : RÉACTION DE LOHMANN

C'est la [PCr] qui chute lors d'une contraction

2- Enzyme : Phosphocréatine kinase (PCK)

Substrat énergétique : Phosphocréatine (PCr)

ADP + ADP ATP + AMPMyokinase

1- Enzyme : MyoKinase Substrat : ADP

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5- Liaison entre Actine et Myosine (Pont Actomyosine)

MECANISME MOLECULAIRE DE LA CONTRACTION

I. Rôle du Ca++ : Etablir la Liaison Actine –Myosine

Relation Directe et Proportionnelle :entre Ca++ interne et le nombre de Ponts AM formés et l'Amplitude de la Contraction.

Comment ?

1- Formation du Complexe Ca++-TnC

2- Changement de conformation de TnI de l'Actine

3- Déplacement de la Tropomyosine (site débloqué) 4- Libération du site de Fixation de la Myosine

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Tête de Myosine : Hydrolyse l'ATP Energie Pivotement du Pont AM Glissement des Filaments d'Actine entre ceux de Myosine :

II. Rôle de l'ATP : Mouvement du pont actomyosine

Théorie de GLISSEMENT DES MYOFILAMENTS

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Hugh Huxley1954

La théorie de la contraction par

GLISSEMENT des filaments

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RELACHEMENT MUSCULAIRE

Relâchement = Rupture du Pont actomyosine

2 Conditions pour dissocier le Pont AM :

2- Diminution du Ca++ Cytosolique

- Capter par le RS (ATPases calciques Réticulaires)

- Refouler à l’extérieur (ATPases calciques plasmiques et Echangeur Na+/Ca++

1- Attachement d’une nouvelle molécule d'ATP sur son site de myosine.

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DIMINUTION DU CA++ INTRACELLULAIRE

Na+

Ext

Ca++

RS

Cytosol

Canal Ca++

Energie

Energie

Int

Pompe à Ca++

Sarcolème

SEQUENCE DE LA CONTRACTION CYCLE DE L’ATP !!!

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+ Ca++

- Ca++

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San Diego State University College of Sciences Biology 590 - Human PhysiologyActin Myosin Crossbridge 3D Animation*

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COUPLAGE EXCITATION - CONTRACTION

Rappel : Citernes Terminales du RS Très Proches des Myofibrilles au niveau des TT (Triade).

PA Membranaire(nerf ou muscle)

Contraction des Myofibrilles ?

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1. Dépolarisation du Sarcolème et des TT2. Dépolarisation de la Membrane du RS (?)3. Ouverture des Canaux à Ca++ du RS4. Augmentation du Ca++ interne et Contraction

Simultanée de Toutes les Myofibrilles.

ETAPES DU CEC

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COMMENT SE FAIT LA TRANSMISSIONENTRE MEMBRANES TT ET RS AU NIVEAU DES TRIADES ?

Lien entre Excitation membranaire (Dépolarisation du sarcolème) et Libération de Ca++ du RS ???

Tubule T

- Membranes TT et CT : TRIADE- Distance entre TT et CT ≈15 nm

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Enzyme Impliquée : Phospholipase C (PLC) membranaireSi PLC Activée Production de l'IP3 et du Diacylglycérol (DAG)

Second Messager Intracellulaire : Inositol Triphosphate (IP3)

REGULATION DE LA CONTRACTION

Origine : Phosphoinositides (phospholipides membranaires)

PIP2 IP3 + DAG

PLC

+

Ca++

Récepteur

RS

Tout ce qui modifierait le taux du Ca++ intracellulaire

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MUSCLE LISSE

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- Muscle des systèmes Digestif, Vasculaire, Respiratoire, Uro-génital, ...- Muscle Involontaire (SN Autonome).- Pas de Striation apparente.- Myofibrilles disposées en plusieurs couches- Pas de TT, RS peu développé, Pas de Troponines.- Peu d'ATP et de PCr, ATPase Faible (Contraction Plus Lente).

MUSCLE LISSE

Entrée : Canaux Membranaires, RSSortie : ATPases (MP, RS), Echangeur Ca++/Na+

Caractéristiques :

Homéostasie Calcique :

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-55

+ 20

0

Potenteil de membrane (mV)

Temps (ms)

Schéma du potentiel d’action du muscle lisse

Er ≈ -55 mV2 phases : A = Dépolarisation (ICa)

B = Repolarisation (IK)

ACTIVITE ELECTRIQUE

ICaIK

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MÉCANISME DE CONTRACTION

- Ca++ : Activateur de la Contraction (= M. Squelettique)

- Etat du Muscle dépend de l'état de la Chaîne Légère de Myosine (CLM).

- Absence de Tnp. Mais, Ca++ interagit avec la Calmoduline (Cmd) : Complexe Ca++-Cmd.

Contraction = Si Phosphorylation de la CLM.

Relâchement = SI Déphosphorylation de la CLM.

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Activité MLCK & MLCP : Dépend du Ca++-Cmd

2 Enzymes Impliquées : Kinase et Phosphatase

MÉCANISME DE CONTRACTION

Contraction du Muscle lisse Equilibre MLCK / MLCP

- Phosphatase = Phosphatase des Chaînes Légères de Myosine (MLCP).

- Kinase = Kinase des Chaînes Légères de Myosine (MLCK).

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ATPADP Myosine-Pi activée

CalmodulineComplexe

Ca++- Calmoduline

Kinase des chaînes légères de myosine ou MLCK (inactive)

ComplexeMLCK-Ca++- Calmoduline

(MLCK active)

Myosine(inactive)

Actine

Pont acto-myosine produisant la contraction

Phosphatase des chaînes légères de myosine ou MLCP

Pi Myosine déphosphorylée (inactive)

Dissociation du pont acto-myosine (relâchement)

Cycle contraction – relâchement du muscle lisse

Ca++ Stimulation

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Etapes du CEC :

Dépolarisation de la Membrane de la Cellule Musculaire Lisse.

Ouverture des Canaux Membranaires à Ca++ (VOC) Elévation du Ca++ interne et Contraction.

Implication de l’IP3 après activation de la PLC

COUPLAGE EXCITATION – CONTRACTION

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- Nerveuse (SN Autonome) et Hormonale.- Actions : Inactivation de MLCK et/ou Diminution Ca++ interne.

RÉGULATION DE LA CONTRACTION

Exemple de Régulation hormonale :

Adrénaline : Réduit l’Affinité MLCK et Complexe Ca++-Cmd Relâchement du Muscle Lisse intestinale.

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MUSCLE CARDIAQUE

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Cœur : Activité Cyclique et Maintenue (Endurance).

MÉTABOLISME ENERGÉTIQUE

Substrats : AG, Lactate, Glucose et Pyruvate.

Métabolisme : Oxydatif.

Apport Permanent en Énergie : (ATP et O2)

Adaptation Permanente entre Production d’Energie et Demande.

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Particularités :- Disques Intercalaires (DI) :Séparations Intercellulaires Transmission rapide (Syncytium).

MUSCLE CARDIAQUE

- Structure du Myocarde = Muscle Squelettique

Cellule cardiaque =

Cardiomyocyte=

Myocyte

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Canal Calcique Pompe Calcique Système d’Echange Na+ / Ca++

MOUVEMENTS TRANSMEMBRANAIRES DU CA++

Ca++ = intervient dans la Contraction et le PA

Trois Structures Membranaires Ioniques :

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- Conductance Calcique  (gCa++) à 2 systèmes :Activation (d) et Inactivation (f)

- Formule de Calcul du Courant Calcique (ICa++) :

Canal Calcique (VOC)- PA du Myocarde

ICa = gCa x d x f x (Em - ECa)

- 90 mV

+ 20 mV

100 ms

Repolarisation (IK

+)

Plateau de dépolarisation (ICa

++)Dépolarisation (INa

+)

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- Régulation du Ca++ interne (et du Na+).- Sensible au Potentiel Membranaire, aux Gradients de Concentration des 2 ions.- Sens Réversible (Contraction si entré de Ca++ et Relâchement si sortie de Ca++).

Pompe Calcique (ATPases Calciques)

- Lieu : Sarcolème, RS, Mitochondries.- Rôle : Régulation du Ca++ interne (Contre son Gradient, TAP)

Système d’Echange Na+ / Ca++

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Identique au Muscle Squelettique

(Théorie de Glissement de Myofilaments)

MÉCANISME DE CONTRACTION

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COUPLAGE EXCITATION - CONTRACTION

↑ Ca++  Extracellulaire (gCa++, Na+/Ca++), surtout par RS

- Rôle d’IP3 : Mis en évidence dans ↑ du Ca++ interne.

Ca++ Lui-Même :Ca++ Diffuserait de l'extérieur des TT vers des Sites Calciques

du RS (Fixation), Libération du Ca++ à travers canaux calciques,

Au centre du CEC : ↑ du Ca++ interne

(Calcium Induced Calcium Realese)

d’où le nom = Ca++ Libéré par Lui-même ou

CICR

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IP3 et Diacylglycérol (DAG)

Ca++ interne

Récepteurà IP3

RS

PIP2 IP3 + DAG

PLC

+

Protéine Kinase C(PKC)

Phosphorylations(Canal Ca++

plasmique)

+

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ATPases calciques du sarcolème (extérieur),

Echangeur Na+/Ca++ (extérieur)

ATPases calciques du RS,

RELÂCHEMENT

= ↓ de la concentration cytosolique en Ca++

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RÉGULATION INTRACELLULAIRE DE LA CONTRACTION

Toute Substance Modifiant le Ca++ interne(Hormones, IP3, Protéines, …)

Hormones et Seconds Messagers

Exemple :

Catécholamines (Adrénaline) fixés sur les Récepteurs -adrénergiques.

Etapes :

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AC

ATP

AMPc

Membrane

Récepteur PKAPhosphorylations (canal Ca++)

Ca++ int

(CICR)

Hormone

AMPPDE

6. AMPc : Dégradé par les Phosphodiestérases (PDE).

1. Fixation Hormone (Adrénaline) sur Récepteur

2. + d’enzyme membranaire : Adényl Cyclase (AC).

3. Formation du Second Messager : Adénosine monophosphate cyclique (AMPc).

4. Activation d’une Protéine Kinase A (PKA).

5. Phosphorylation de Protéines Cibles (gCa++) et Activation Ca++ interne Augmentation de Force de Contraction : Effet Inotrope positif

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- Modification touchant la Myosine (Activité Variable de l’ATPase de myosine) : Adaptation à Long Terme.

Régulation par les Protéines Contractiles

- Facteur régulé : Affinité TnC – Ca++

Exemple :pH cytoplasmique réduit cette Affinité et donc la Contraction : Effet Inotrope négatif

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FIN