1- Le fonctionnement de la jambe lors de la course chez le valide

Lors de la course chez le valide, ce sont les jambes qui permettent le déplacement du corps. La jambe est une partie du membre inférieur allant du genou jusqu'à la cheville. Néanmoins le terme "jambe" est couramment employé pour parler du membre inférieur dans sa totalité comprenant alors la cuisse, la jambe et le pied.

 A- Les articulations. 

Qu'est-ce qu'une articulation ?

Une articulation est le lieu de rencontre entre plusieurs os. Elle se compose de plusieurs éléments:

- Cartilage: tissu conjonctif1 qui recouvre et renforce les articulations mobiles.

- Ligament: bande de tissu conjonctif reliant les os entre eux au sein d'une articulation.Il évite les mouvement excessifs des os.

- Tendon: liaison entre les os et les muscles permettant le mouvement. Il est composé de fibres collagènes garantissant sa résistance.

- Synovie: liquide visqueux qui facilite le mouvement de l'articulation en limitant les frottements entre les os. La synovie est secrétée par la membrane synoviale.

Le membre inférieur se compose de trois articulations : la hanche, le genou et la cheville.

Or le type de prothèse (fémorale ou tibiale) va dépendre de l'absence ou de la présence de ces articulations selon la localisation de l'ablation. L'amputation trans-tibiale est l'ablation chirurgicale de la jambe en dessous du genou. L'amputation trans-fémorale est l'ablation chirurgicale de la jambe au-dessus du genou.

La hanche est l'articulation coxofémorale liant l'os du fémur à celui du bassin (os iliaque). La tête fémorale s'articule avec le cotyle qui est une cavité articulaire de l'os iliaque. Les surfaces articulaires sont maintenues en contact par la capsule articulaire composée du ligament iliofémoral, pubofémoral et ischiofémoral (ligaments extra-synoviaux) et par le ligament rond (ligament intra-synovial). Le cartilage permet de protéger les surfaces articulaires et la synovie en facilite le mouvement.

L'articulation de la hanche est donc très solide et mobile permettant ainsi de relier les jambes avec le reste du corps.

Le genou est une articulation essentielle à la motricité. Elle unit la cuisse à la jambe. Elle se compose de trois os : le fémur, la rotule et le tibia. Le péroné ne fait pas partie de l'articulation mais est tout de même rattaché au fémur par le ligament collatéral latéral.

L'articulation possède deux ménisques, un ménisque interne et un ménisque externe. Le ménisque est un petit cartilage permettant de stabiliser le genou en absorbant les chocs et en répartissant le poids de tout le corps sur le plateau tibial. Il est également responsable de la diffusion du liquide synovial rendant le mouvement de l'articulation plus fluide.

La rotule (ou patella) est un os maintenu grâce au tendon du quadriceps et au tendon patellaire. Elle permet de protéger le genou et d'améliorer l'extension de la jambe en centralisant les forces exercées sur l'articulation.

Le cartilage présent à la surface des os permet de réduire le frottement pendant le mouvement.

Le genou possède de nombreux ligaments essentiels à la biomécanique. Quatre ligaments principaux assurent la stabilité du genou. L'articulation se déplace sur les ligaments croisés reliant le fémur au tibia. Le ligament croisé antérieur (LCA) stabilise l'articulation en limitant la rotation interne et l'hyper-extension. Pendant la flexion, il réduit le déplacement en avant du tibia par rapport aux condyles fémoraux2. Le ligament croisé postérieur (LCP) contrôle également la rotation du genou et intervient lui pendant l'extension en réduisant le déplacement en arrière du tibia par rapport aux condyles fémoraux. Le LCA est beaucoup moins vascularisé et donc plus fragile que le LCP qui est plus robuste.

A l'extérieur du genou on retrouve deux ligaments. Le ligament collatéral latéral, reliant le fémur au péroné, et le ligament collatéral médial, reliant le fémur au tibia en adhérant au ménisque (non visible sur la photo). Ils permettent d'éviter les mouvements latéraux du tibia sur le genou.

Enfin le membre inférieur se compose de la cheville qui articule le pied. Trois os entrent en contact , l'extrémité inférieure du tibia qui en s'élargissant forme le pilon tibial, l'extrémité inférieure du péroné et l'astragale reposant sur le calcanéum. La cheville comprend deux articulations :

- la talo-crurale : la cheville permet au pied de remonter (flexion dorsale) ou de s'abaisser (flexion plantaire).

- la sous-talienne : la cheville permet les mouvements latéraux d'inversion et d'éversion du pied.

 L'avant-pied comprend quant à lui 12 articulations : des articulations métatarso-phalangiennes et inter-phalangiennes.

 La cheville est stabilisée par des ligaments très puissants selon la disposition suivante :

C'est la résultante des mouvements qui se passent au sein de toutes ces articulations renforcées par les ligaments qui permet le mouvement du pied dans tous les plans de l'espace. La voûte plantaire, elle, joue un rôle dynamique d'amortissement tout au long de la foulée.

Néanmoins les articulations sont passives et ont besoin de muscles pour bouger.

B- Les muscles.

Qu'est-ce qu'un muscle ?

Nous nous intéressons ici à un type de muscle en particulier : les muscles squelettiques également appelés striés en raison de leur observation au microscope.

Un muscle est un tissu mou du corps humain composé de fibres musculaires qui en se contractant permet le mouvement. Les muscles sont reliés aux os grâce aux tendons et fonctionnent par paires (agoniste et antagoniste) pour actionner l'articulation. Ils assurent plusieurs fonctions : par exemple les fléchisseurs ont pour rôle de rapprocher les deux os articulés, à l'inverse des extenseurs qui ont pour rôle de les éloigner... Les muscles, et en particulier ceux des membres inférieurs, sont «l'outil» du sportif.

Un muscle squelettique est composé de nerfs, de vaisseaux sanguins,  de tissus conjonctifs (épimysium, périmysium et endomysium) et de faisceaux de fibres musculaires

 Voici les principaux muscles composant le membre inférieur:

On retrouve ces différents muscles sur le dessin suivant, les muscles fléchisseurs étant représentés en bleu et les extenseurs en vert :

 C- La contraction musculaire.

Nous allons maintenant nous intéresser au phénomène de contraction musculaire. Chaque fibre musculaire (correspondant à une cellule musculaire) est composée de myofibrilles (dans son cytoplasme). Chaque myofibrille se compose d'une succession d'unités appelées des sarcomères séparés entre eux par des stries appelées lignes Z.  

Chaque sarcomère se compose de myofilaments : les filaments fins d'actine et les filaments épais de myosine. C'est le glissement du filament de myosine par rapport au filament d'actine qui entraîne le raccourcissement du sarcomère et donc la contraction du muscle.

Étudions le glissement entre ces deux filaments à l'échelle moléculaire (représenté sur le schéma ci-dessous) :

Au cours de la contraction musculaire ces deux filaments vont s'attacher l'un à l'autre.

❶ La myosine est au départ liée par ces têtes à une molécule d'ATP. Les têtes de myosine ne se sont pas fixées au filament fin d'actine. L'ATP est une molécule organique composée de trois éléments : l'adénine, le ribose et 3 groupements phosphates. De plus l'ensemble adénine/ribose donne le nom à cette molécule d'adénosine triphosphate qui lorsqu'elle se rompt, libère de l'énergie.

❷ Chaque tête de myosine va ensuite hydrolyser (ou découper) cette molécule en de l'ADP et du Pi (phosphate inorganique). L'ADP est de l'ATP qui a perdu un groupement phosphate d'où le nom d'adénosine diphosphate.

❸ Ce découpage permet d'activer la molécule de myosine qui libère son Pi et adopte une configuration particulière qui lui permet de se fixer temporairement à un endroit du filament fin d'actine. Les deux filaments sont alors liés momentanément entre eux et la myosine conserve sa molécule d'ADP.

❹ La tête de myosine joue le rôle de balance et fait progresser le filament fin d'actine qui se rapproche de plus en plus du centre du sarcomère.

❺ Le molécule d'ADP est ensuite libérée engendrant le décrochage des deux filaments qui ne sont donc plus liés l'un à l'autre.

❻ Une molécule d'ATP vient alors reprendre sa place initiale sur chaque tête de myosine et un nouveau cycle recommence sachant que chaque tête de myosine viendra se fixer un petit peu plus loin sur le filament d'actine.

L'énergie chimique de l'ATP est donc transformée en énergie mécanique permettant la contraction musculaire. Voici ci-dessous un schéma récapitulatif du phénomène de contraction musculaire :

Néanmoins nous remarquons que ce phénomène demande un renouvellement important de molécules d'ATP.

Étudions un graphique montrant le mécanisme de régénération de l'ATP (Phosphocréatine, fermentation d'acide lactique ou respiration cellulaire) le plus utilisé en fonction du temps de l'effort.

Nous pouvons conclure à l'aide de ce graphique et de nos connaissances que :

Pour un effort bref et intense (de quelques secondes), l'ATP peut être régénéré à partir du stock de phosphocréatine qui va fournir son phosphate qui, associé à de l'ADP, formera un ATP.

Pour un effort d'une à deux minutes, l'ATP est régénéré par le mécanisme de fermentation lactique mais ce processus induit la fabrication d'acide lactique responsable de la fatigue musculaire (courbatures) et de l'apparition des crampes. Ce mécanisme n'est donc pas durable dans le temps.

Pour un effort de longue durée, le mécanisme le plus efficace est celui de la respiration cellulaire qui permet la production de 36 molécules d'ATP par glucose (sucre) oxydé.

La vidéo ci-dessous revient sur le mécanisme de contraction musculaire en expliquant en complément le rôle les ions calcium :

Conclusion partielle : La jambe est un élément essentiel pour la motricité du corps humain. Après avoir fait en quelque sorte le "cahier des charges du prothésiste", nous allons nous intéresser aux éléments de la prothèse sportive permettant de combler les lacunes voire même de les améliorer. 

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