TS spé Chapitre 3 L'utilisation de l'ATP par la cellule musculaire

Quels sont la structure et le fonctionnement des cellules musculaires qui interviennent dans les activités physiques ?

Comment intervient l’ATP dans le mécanisme de contraction musculaire ?

I L'ATP une molécule de transport de l’énergie

L'ATP est une molécule composée de : 1 adénosine 1 ribose 3 groupements phosphates

Molécule d'ATP visualisé avec le logiciel Rastop

http://svtmarcq.blogspot.fr/2012/11/la-photosynthese-spe.html L'adénosine triphosphate (ATP) est la principale forme d'énergie utilisée par les cellules chez tous les organismes vivants. L'ATP est un nucléotide d'ARN sur lequel sont ajoutés deux groupements phosphate. Il contient donc une adénine, un ribose et trois groupements phosphate. Les liaisons entre la molécule et les groupements phosphates sont riches en énergie. C'est cette énergie que la cellule utilise au travers de couplages énergétiques. Cette énergie est libérée de la molécule d'ATP, par l'hydrolyse d'un ou deux de ses groupements phosphates : ATP = ADP + énergie ADP = AMP + énergie L'ADP est de l'adénosine diphosphate et l'AMP de l'adénosine monophosphate. L'ATP est formée dans la cellule par le biais de : La respiration en milieu aérobie La fermentation en milieu anaérobie si la cellule dispose du matériel enzymatique pour la réaliser

http://svtmarcq.blogspot.fr/2012/11/la-photosynthese-spe.html L'hydrolyse de l'ATP en ADP + Pi (Phosphate inorganique) est une réaction exergonique (cad libérant de l'énergie) :

Remarque : l'ATP et son rôle important dans les processus musculaires et les fermentations a été découvert par le biochimiste allemand Karl Lohmann en 1929 Pb : la contraction musculaire est un exemple d'activité cellulaire très consommatrice d'énergie. Comment se déroule-t-elle et à quel moment intervient l'ATP ?

II- Les mécanismes de la contraction musculaire 1- Généralités sur les muscles

Le tissu musculaire comporte trois types présentant quelques différences : le muscle strié squelettique, le muscle strié cardiaque et le muscle lisse. Le muscle constitue l'un des quatre types principaux de tissus biologiques animaux avec les tissus épithélial, conjonctif et nerveux. Le tissu musculaire représente 40 à 50 % du poids corporel de l'être humain de sexe masculin. Les organes principalement constitués de tissu musculaire sont également appelés muscles. La contraction musculaire permet de fournir un travail mécanique à l'échelle de ces organes. Ainsi, les muscles permettent par exemple le maintien de la posture, la préhension, la ventilation pulmonaire, la circulation sanguine, la progression des aliments ou le remplissage de la vessie. La science qui étudie le muscle est la myologie.

Les muscles squelettiques sont composés de grandes cellules contenant plusieurs noyaux, appelées fibres musculaires ou myocytes. Le cytoplasme est appelé sarcoplasme. Il renferme des réserves de glycogène (polymère du glucose) et de très nombreuses mitochondries. La cellule musculaire contient des filaments protéiques capable de se mouvoir l’une par rapport à l’autre et appelées myofibrilles.

Organisation du muscle

muscle : observation microscopique (snv jussieu)

Source : http://archimede.bibl.ulaval.ca/archimede/fichiers/25962/ch03.html Ces myofibrilles sont organisées en unités répétitives, les sarcomères. Les sarcomères sont formés par des filaments fins reliés et des filaments épais.

Documents extraits du manuel de SVT spe BELIN 2012

Structure d’un Sarcomère

Les filaments fins, composés d'un assemblage de molécules d'actines globulaires organisées en 2 chaînes enroulées l'une autour de l'autre

Filament fin

Les filaments épais, composés de molécules de myosine accolées les unes aux autres, avec les têtes orientées vers l'extérieur pour permettre la liaison aux filaments d'actine

Les filaments fins sont intercalés entre les filaments épais, formant des sarcomères au sein des myofibrilles.

Filament épais Documents extraits du manuel de SVT spe BELIN 2012

Au centre des sarcomères se trouvent des molécules de myosines intercalées entre les molécules d'actine.

(snv jussieu)

Documents extraits du manuel de SVT spe BELIN 2012

Lors d'une contraction musculaire, il y a raccourcissement des sarcomères par glissement des filaments d'actine par rapport aux molécules de myosine. Un raccourcissement des sarcomères entraîne donc un raccourcissement des myofibrilles, donc de la fibre musculaire

Documents extraits du manuel de SVT spe BELIN 2012

http://svt.ghediri.com/bac-sciences/10/neurophysiologie/20/fonctionnement-muscle-squelettique.html

Les myofibrilles sont reliées à la membrane plasmique des fibres musculaires grâce à d'autres protéines, comme les dystrophines. ( hors programme)

http://archimede.bibl.ulaval.ca/archimede/fichiers/25962/ch04.html 2- Rôle de l'ATP dans la contraction Les filaments de myosine possèdent des extrémités globuleuses (« têtes ») qui peuvent se fixer sur les filaments d’actine : en se fixant et en se détachant de façon répétitive, les filaments d’actine et de myosine glissent les uns par rapport aux autres, ce qui peut raccourcir le sarcomère d’environ 25 % de sa longueur. C’est à ce stade qu’intervient l’ATP. La contraction musculaire se déroule en 4 phases : Activation : L'ATP se fixe sur la tête de myosine qui n'est pas fixée à l'actine. L'ATP est hydrolysée

en ADP + Pi qui restent fixés sur la tête de myosine, ce qui libère de l'énergie. Cette énergie permet le redressement de la tête de myosine.

Fixation : En présence de calcium, la tête de myosine qui a conservé son ADP et son Pi se fixe à l'actine. En absence de calcium la fibre reste au repos.

Désactivation : L'ADP et le Pi sont libérés, ce qui entraîne un basculement de la tête de myosine. Ce basculement entraîne le filament d'actine qui glisse entre les filaments de myosine : c'est la contraction.

Séparation : L'ATP est nécessaire à la rupture du complexe actine/myosine (d'où la rigidité

cadavérique après la mort) pour permettre un nouveau cycle.

Documents extraits du manuel de SVT spe BELIN 2012

Pb : Comment l’ATP est-il régénéré ?

III - Le métabolisme des fibres musculaires

Le basculement de la tête de myosine peut se produire plusieurs fois par seconde, et se produit sur la majeure partie des têtes le long des filaments. La contraction nécessite donc beaucoup d'ATP que la cellule doit rapidement produire car elle ne se conserve pas dans la cellule.

1- Une régénération rapide

C’est donc l’hydrolyse de l’ATP qui fournit directement aux cellules musculaires l’énergie nécessaire à la contraction. Cependant, les réserves des cellules musculaires en ATP, extrêmement faibles, seraient presque immédiatement épuisées s’il n’existait pas plusieurs mécanismes de restauration de l’ATP : durée théorique de travail permise par 20 kg de muscles impliqués dans l'exercice si le renouvellement de l'ATP ne pouvait avoir lieu : 10' seulement !

Documents extraits du manuel de SVT spé BORDAS 2002 2- Les différentes voies de restauration de l’ATP

a. Subvenir aux besoins immédiats

À très court terme, dans les fibres musculaires, l'ATP est régénérée par hydrolyse de la phosphocréatine en créatine.

On constate que dès le début de l’effort la

phosphocréatine est consommée et que dès

qu’elle arrive à épuisement du stock, de

l’acide lactique apparaît.

On en déduit que la phosphocréatine est une

réserve énergétique immédiate qui laisse le

temps aux autres voies métaboliques de se

mettre en route.

Ce mécanisme ne nécessite ni apport de métabolite extérieur, ni dioxygène, ni aucune structure cellulaire particulière. Cette réaction est couplée à la synthèse d'ATP à partir d'ADP.

Cependant, au cours d’un exercice, le stock de phosphocréatine est épuisé en moins de 20 secondes. On parle de métabolisme anaérobie alactique (sans dioxygène et sans acide lactique)

b. Subvenir aux besoins à court terme

Les fibres musculaires ont d’autre part la capacité d’effectuer une fermentation lactique. Cette voie métabolique a l’avantage de pouvoir procurer rapidement de l’ATP, sans nécessiter d’apport accru en dioxygène. La glycolyse, réalisée à partir de glucose issu des réserves de glycogène produit en effet de l’ATP. On parle de métabolisme anaérobie lactique. Ce mécanisme est cependant d’un faible rendement car il consomme beaucoup de réserves glucidiques pour une production d’ATP relativement modeste. En outre, l’acide lactique produit par cette fermentation abaisse le pH musculaire, ce qui contribue à la fatigabilité et conduit même à l’épuisement.

c. Subvenir aux besoins à long terme Après un délai de quelques secondes, la dégradation des glucides a lieu par voie aérobie. La respiration permet de produire davantage d'ATP que la fermentation lactique. On parle de métabolisme aérobie. Elle est à l'origine des contractions de plus longue durée et permet également de régénérer l'ATP après un effort. L’ensemble des réserves énergétiques de l’organisme (et non celles du muscle seulement) peuvent être mobilisées et le rendement en ATP est très élevé. Cependant, cette voie de production d’ATP est limitée par l’approvisionnement des cellules en dioxygène, lui-même soumis aux capacités des appareils respiratoire et circulatoire. Ainsi, selon l'intensité et la durée de l'effort, la fermentation lactique et la respiration vont fournir l'ATP nécessaire à la contraction musculaire

d. Des mécanismes complémentaires

Au cours d’un exercice, les réserves d’ATP et de phosphocréatine, instantanément mobilisées, permettent de réaliser immédiatement le travail musculaire. La fermentation lactique intervient ensuite en relais, permettant le maintien du travail musculaire en attendant que le système cardio-respiratoire s’adapte pour assurer un approvisionnement accru en dioxygène, indispensable au métabolisme respiratoire. Lorsque ce dernier atteint sa capacité maximale, la fermentation lactique permet également de fournir un surplus d’ATP.L’ATP fournit donc l’énergie nécessaire à la contraction musculaire. Les stocks d’ATP musculaires étant très faibles, la fibre musculaire utilise l’ATP fourni, selon les circonstances, par la phosphocréatine, la fermentation lactique ou la respiration.

Documents extraits du manuel de SVT spé BORDAS 2012

IV Des fibres musculaires striées spécialisées Il existe deux types de fibres musculaires. Coupe transversale d’un muscle squelettique observé au microscope optique (x40).

L’intensité de la coloration traduit l’activité d’une enzyme intervenant dans la production d’ATP par les mitochondries. On y distingue deux types principaux de fibres musculaires : - Les fibres de type I, de couleur foncée, à forte activité enzymatique ; - Les fibres de type II, de couleur claire, à faible activité enzymatique. Une étude de la proportion des deux types de fibres dans les muscles de sportifs ayant des spécialités différentes, montre que chez les sportifs qui doivent fournir un effort intense sur un laps de temps relativement court, comme par exemple pour les sprinters, les fibres de type II sont majoritaires.

sujet bac Antilles-Guyane 2010

Quelques caractéristiques des deux types de fibres musculaires (le nombre de croix indique l’importance relative de chaque caractéristique).

(*) La myoglobine est une protéine de couleur rouge, présente dans le cytoplasme des fibres musculaires, dont le rôle est de fixer et diffuser dans la fibre le dioxygène apporté par le sang

Electronographie des deux types de fibres musculaires striées

Métabolisme pratiqué par les deux types de fibres :

Les fibres de type II possèdent un métabolisme anaérobie alactique. Ce sont donc elles qui sont le plus sollicitées dans les sports intenses et rapides (dits explosifs).

Des suppléments alimentaires de créatine permettraient aux muscles d'augmenter leurs réserves de créatine-phosphate et donc de prolonger un peu un effort important (exercices intenses et de très courte durée). La créatine ne serait efficace que pour ce type d'exercice, elle n'améliore en rien les performances dans les sports d'endurance puisque les réserves de créatines-P sont limitées (elles s'épuisent dans les premières minutes de l'activité). Dans un sport d'endurance, le recyclage de l'ADP en ATP se fait surtout par respiration cellulaire et ce sont les fibres de type I qui interviennent.

V Les réserves énergétiques corporelles

1. Origine du glucose utilisé par les cellules musculaires

Vérifions la présence de réserves de glycogène dans le foie

La glycogénolyse va donc permettre d’assurer l’apport en glucose lors des efforts musculaires. Ce sont les fibres de type II qui assurent le métabolisme anaérobie lactique

Le premier tube est un tube témoin qui permet de prouver que le lugol

ne réagit pas avec l’eau du filtrat.

On constate dans le tube test contenant le filtrat que le lugol prend une

une couleur brun acajou caractéristique de la présence de glycogène. On

en déduit que le filtrat contient du glycogène qui é été libéré des cellules

du foie par le broyage.

Le test à l’éthanol produit un précipité blanc. Cela confirme le test au

lugol.

Dans le cas des sports de fond, c'est le métabolisme aérobie qui prend la relève. On est dans le cadre de la respiration cellulaire. C'est toujours le glycogène qui est la source de l'énergie mais dans ce cas, après glycogénolyse, le glucose est totalement oxydé en CO2. Ce sont les fibres de type I qui sont sollicitées. Utilisation du glycogène chez un marathonien.

2. Les différentes molécules de réserve énergétique

La consommation d’ATP est variable au cours du temps et l’apport alimentaire l’est aussi, sans qu’il y ait de relation entre les deux. L’organisme doit donc réguler son métabolisme énergétique, emmagasiner des réserves de substrats ou les dépenser pour faire l’appoint.

L’ATP lui-même est une réserve d’énergie pour les cellules, mais son poids moléculaire est élevé (507), et il ne peut donner qu’une liaison riche en énergie. S’il fallait assurer notre besoin quotidien minimum en énergie (métabolisme basal) soit 7500 kJ, il faudrait 124215 g d’ATP. Or notre organisme tout entier n’en contient que 75 g ce qui nous assure une autonomie de 52 secondes !

Le glucose est un meilleur substrat énergétique pour les cellules. Son poids moléculaire est 180 daltons, et il peut donner 36 liaisons riches en énergie par mole. S’il fallait assurer notre métabolisme basal avec du glucose en aérobiose, il en faudrait 471 g. Or notre organisme tout entier n’en contient que 10 g ce qui nous assure une autonomie d’une demi-heure.

Le glycogène est une forme de réserve énergétique. Il peut donner 39 liaisons riches en énergie par mole de glucose. S’il fallait assurer notre métabolisme basal avec du glycogène en aérobiose, il en faudrait 424 g. Or notre organisme tout entier n’en contient que 400 g ce qui nous assure une autonomie de 22 heures 30 mn.

Les triglycérides sont la meilleure forme de réserve énergétique de notre organisme. Ils peuvent donner 432 liaisons riches en énergie par mole. S’il fallait assurer notre métabolisme basal avec la graisse du tissu adipeux, il en faudrait 190 g. Or notre organisme tout entier en contient environ 7000 g ce qui nous assure une autonomie d’un mois !

Conclusion :