Thème 3 : Corps humain et santé Produire le mouvement : contraction musculaire et apport d’énergie

« Thème 3 : Corps humain et santé Produire le mouvement : contraction musculaire et apport d’énergie Origine de l’ATP nécessaire à la contraction de la cellule musculaire Origine de l’ATP nécessaire à la contraction de la cellule musculaire La contraction musculaire nécessite l’énergie libérée par l’hydrolyse de l’ATP.

Grâce à la conversion d’une énergie chimique en énergie mécanique, les molécules de myosine sont capables de changer de conformation et les myofilaments de myosine glissent sur les myofilaments d’actine. Ainsi la cellule musculaire a besoin de renouveler en permanence sont stock d’ATP. Problématique : Quelle est l’origine de l’ATP nécessaire à la contraction musculaire ? I/ Les différentes voies métaboliques permettant la régénération de l'ATP L’ATP (adénosine triphosphate) est une petite molécule constituée d’adénine, d’un ribose et de 3 ions phosphate (voir chapitre précédent).

L’hydrolyse de l’ATP donne de l’ADP (adénosine diphosphate) et un ion phosphate.

La rupture de cette liaison libère de l’énergie (environ 30 kJ.mol-1). ATP + H2O → ADP + Pi + énergie L’énergie libérée est ensuite transférée aux réactions biochimiques qui la consomment. Inversement la synthèse d’ATP nécessite de l’énergie. Les réserves d’ATP dans les cellules sont très réduites.

Elles ne permettent d’assurer la contraction musculaire que pendant quelques secondes.

Il existe ainsi différentes voies métaboliques qui permettent de reconstituer et d’apporter l’énergie nécessaire à sa régénération. Document 1 : Les différentes voies métaboliques intervenant lors d’un effort musculaire La production d’ATP peut se faire sous différentes conditions.

En condition anaérobies, c’est-à-dire en absence de dioxygène, la cellule musculaire peut utiliser la voie de la phosphocréatine ou la fermentation cellulaire.

En conditions aérobies, c’est-à-dire en présence de dioxygène, la cellule utilise la respiration cellulaire.

Les rendements en énergie ne sont pas identiques. ➢ La phosphocréatine Il existe dans les fibres musculaires une molécule, la phosphocréatine (PCr) possédant une liaison phosphate à haut potentiel énergétique.

L’énergie libérée par l’hydrolyse de la phosphocréatine n’est pas directement utilisée par le muscle mais permet de reconstituer de l’ATP.

Ce système est instantané et ne nécessite aucune structure cellulaire particulière.

Il permet de subvenir aux besoins immédiats, mais en moins de 30 secondes, les stocks d’ATP et de phosphocréatine s’épuisent. ➢ La fermentation cellulaire Le métabolisme de la fermentation peut être étudiée sur des levures.

En condition aérobie, ces dernières dégradent des molécules de glucose pour produire l’énergie nécessaire à la régénération de l’ATP. En plaçant une suspension de levures dans une enceinte et en réalisant un suivi grâce à l’Exao, on remarque que ces dernières libèrent du dioxyde de carbone et de l’éthanol dans le milieu.

Il s’agit ici d’une fermentation alcoolique, dont l’équation est C6H1206→ 2 C2H6O + 2 CO2 Les cellules musculaires produisent de l’ATP par fermentation lactique.

Il s’agit d’un processus d’oxydation de molécules organiques qui produit de l’ATP.

L’ensemble des réactions se situe dans le hyaloplasme et ne nécessite pas d’organites particuliers.

La dégradation du glucose est incomplète : il y a production d’un composé secondaire : l’acide lactique. Dans une première étape le glucose est oxydé en acide pyruvique (ou pyruvate) lors d’une succession de réactions biochimiques appelée Glycolyse.

Cette réaction est donc couplée avec la réduction d’un composé, le NAD+(Nicotinamide adénine dinucléotide). La NAD+ est souvent qualifié de transporteur d’hydrogène ou d’électrons.

Il est présent sous deux formes : la forme oxydée NAD+ ou la forme réduite NADH,H+.

Ainsi au cours de cette première étape le NAD+ est réduit en NADH,H+. L’énergie libérée par cette réaction permet en parallèle la production de 2 molécules d’ATP par mole de glucose à partir de l’ADP+Pi. La glycolyse est ensuite suivie de la réduction du pyruvate en acide lactique.

Cette réduction est ainsi couplée à une oxydation.

Ainsi le NAD+ se régénère en transférant les électrons du NADH,H+ au pyruvate.

Le NAD+ peut alors servir à nouveau pour l’oxydation du glucose dans la glycolyse. Oxydation réduction Oxydation réduction La fermentation a donc un faiblement rendement, car il consomme beaucoup de réserves glucidiques pour une production d’ATP relativement modeste. En effet l’énergie potentielle fournie par la combustion complète d’une mole de glucose est de 2860 kJ.

En supposant que l’énergie libérée par l’hydrolyse d’une mole d’ATP est de 30kJ, on obtient un rendement de R= (2 * 30) / 2860) = 2% De plus, l’acide lactique produit par la fermentation abaisse le ph musculaire, ce qui contribue à la fatigabilité. ➢ La respiration cellulaire En conditions aérobies, et lors d’un effort de longue durée, la cellule réalise donc la respiration cellulaire. La molécule de glucose est complètement oxydée en CO2 et permet la production de 36 molécules d’ATP par mole de glucose. C6H12O6 + 6O2 → 6 CO2 + 6H2O La respiration cellulaire est le mécanisme le plus efficace pour produire durablement de l’ATP, le rendement en ATP est très élevé.

Cependant elle dépend des conditions et nécessite donc une bonne oxygénation des cellules. II/ La respiration cellulaire La respiration cellulaire se déroule en plusieurs étapes.

Ces différentes étapes et leurs localisations peuvent être mises en évidence grâce à différentes expériences. On peut réaliser une expérience sur une suspension de levures dans un milieu oxygéné et en présence de glucose marqué (C*6H12O6).

On peut alors suivre par radiographie la localisation de ce carbone marqué et par chromatographie les molécules synthétisées.

Cette expérience met plusieurs choses en évidence : - Au bout de quelques minutes on retrouve dans le hyaloplasme du glucose radiomarqué, puis du pyruvate radiomarqué.

Ainsi une première étape se déroule dans le hyaloplasme où le glucose est oxydé en pyruvate.

Il s’agit de la glycolyse, commune à la respiration et à la fermentation. - Le pyruvate radiomarqué se retrouve ensuite dans la mitochondrie, puis du CO 2 radiomarqué est libéré.

Dans cette nouvelle étape l’oxydation se poursuit dans ce qu’on définira par la suite comme étant le cycle de Krebs, qui sera suivi par des oxydations le long de la chaîne respiratoire. 1) La glycolyse Ainsi tout comme la fermentation, une première étape se déroule dans le hyaloplasme : la glycolyse. Le glucose y est oxydé en 2 molécules d’acide pyruvique, et les atomes d’hydrogènes du glucose sont pris en charge par le NAD+ qui est alors réduit en NADH,H+. L’énergie libérée permet de produire 2 molécules d’ATP par molécule de glucose. 2) Le cycle de Krebs Le cycle de Krebs est une deuxième étape qui se déroule dans la matrice des mitochondries.

Il s’agit d’un organite délimité par une double membrane, la membrane interne formant des crêtes mitochondriales, et le volume interne la matrice. Au cours du cycle de Krebs, l’acide pyruvique est totalement dégradé au cours de plusieurs oxydations (de décarboxylations oxydatives pour être plus précis).

C’est l’origine du dioxyde de carbone.

Il se forme 3 molécules de CO2 pour un pyruvate, soit 6 au total par molécule de glucose. En parallèle les électrons et les ions hydrogène sont pris en charge par des composés NAD+ qui sont alors réduits en NADH,H+ .

Il se forme ainsi 5 composés réduits ( 4 NADH,H+ et 1 FADH2 pour être précis) par pyruvate soit 10 par molécule de glucose. Enfin le cycle de Krebs libère 2 molécules d’ATP pour une molécule de glucose. 3) La chaîne respiratoire. Une troisième.... »