Mechanics of Fast Force Recovery in striated muscles
Mécanique de la récupération rapide de force des muscles striés
Résumé
This thesis is devoted to the modelling of transient response of muscle fibers submitted to fast mechanical loadings. At the nanometer scale, the muscle fiber contains actin and myosin filaments grouped to form contracile units called 'sarcomeres'. Myosin filament is an assembly of molecular motors that periodically attach and detach to the actin filament in presence of ATP. During this attachement-detachement process, myosin undergoes a force generating conformational change called the 'power-stroke' whose characteristics can be revealed by the transient responses following fast mechanical loadings. We propose an innovative mechanical model of a half sarcomere that links the characteristics of myosin to the response of the whole fiber. Unlike existing models, using a discrete approach, this model is based on the definition of a continuous energy landscape that takes into account a mean field interaction between the molecular motors. This system presents radically different responses under imposed length and imposed force conditions. We particularly emphasize a difference in the kinetics, also observed experimentally. We show that the half-sarcomere is inherently unstable which explains the sarcomere length inhomogeneities observed recently on myofibrils.
Cette thèse est consacrée à la modélisation de la réponse transitoire d'une fibre musculaire squelettique soumise à des sollicitations mécaniques rapides. A l'échelle du nanomètre, la fibre musculaire contient des filaments d'actine et de myosine regroupés en unités contractiles appelées "sarcomères". Le filament de myosine est un assemblage de moteurs mol ́eculaires qui, en présence d'ATP, s'attachent et se d ́etachent p ́eriodiquement au filament d'actine. Au cours de ce processus d'attachement-détachement, la myosine génère une force lors d'un changement de conformation appelé "power-stroke". Ses caractéristiques peuvent être étudiées lors de la réponse transitoire de la fibre soumise à des sollicitations mécaniques rapides. Nous proposons un modèle mécanique innovant du demi-sarcomere permettant de relier les caractéristiques de la myosine à la réponse de la fibre complète. A la différence des modèles existants, privilégiant une approche discrète, ce modèle s'appuie sur la définition d'un potentiel d'énergie continu qui prend en compte une interaction de champ moyen entre les moteurs moléculaires. Ce système présente des réponses radicallement différentes à longueur imposée et à force imposée. Nous proposons en particulier une explication à la différence de cinétique observée expérimentalement. Nous montrons également que le demi-sarcomere est m ́ecaniquement instable ce qui explique les inhomogénéités de longueurs observées dans une myofibrille.
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