Plan du chapitre

Ce site a été réalisé par Mme et Mr ESTHER

Introduction

L’image ci-dessus montre les fibres musculaires observées en coupe longitudinale. Nous avons étudié ces fibres au cours du chapitre précédent. On constate néanmoins que ces fibres n’ont pas toutes la même couleur (certaines sont plus rouges que d’autres). Cela est du à la présence d’une molécule, la myoglobine (molécule proche de l’hémoglobine qui donne sa couleur rouge au sang et transporte le dioxygène) et cela est lié à la vitesse de consommation de l’ATP…

En effet, nous avons vu que la contraction musculaire nécessite la consommation d’ATP (Adénosine TriPhosphate) au niveau des molécules de myosine. On peut alors se poser plusieurs questions : d’où provient cette molécule énergétique ? Sa consommation/production a-t-elle les mêmes conséquences nos efforts : court (sprint) ou long (marathon) ?

Problématique

Comment est produit l’ATP dans les fibres musculaires  ?

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I – L’ATP et les fibres musculaires

L’ATP ou Adénosine TriPhosphate est une molécule (de type acide nucléique) riche en énergie, facilement mobilisable, par les cellules. Au niveau des cellules musculaires, l’ATP est consommé au niveau des têtes de myosine pour permettre le déplacement de celle-ci sur les filaments d’actine (ce qui entraine la contraction musculaire).

Figure 1 : L’ATP, une molécule de transfert riche en énergie

Vidéo sur l’ATP (Source : INSERM) – vidéo du module 1 – Parcours ELEA 5

On peut mesurer la quantité d’ATP au niveau musculaire et on constate qu’elle est très faible.

Figure 2 : Concentration en ATP dans les muscles chez l’être humain

L’ATP n’est pas une forme de stockage de l’énergie dans les muscles, plutôt une molécule de transfert, qui doit être renouvelée en permanence.

Au niveau des cellules musculaires, il existe trois voies métaboliques principales de régénération de l’ATP :

  • L’hydrolyse de la phosphocréatine est la voie la plus rapide ; elle permet une libération d’énergie importante sur une durée de quelques secondes (les stocks de phosphocréatine musculaire sont 4 à 6 fois supérieurs à ceux d’ATP) ;
  • La voie anaérobie par fermentation lactique utilise le glucose mis en réserve dans les cellules musculaires et intervient après 20 à 30 secondes d’efforts ; cette voie permet la synthèse d’ATP pendant quelques minutes ;
  • La voie aérobie, ou respiration, utilise différentes molécules organiques mises en réserves ou apportées par le sang (glucose, acides gras) ; elle se met en place après quelques minutes d’efforts et permet de réaliser des efforts allant jusqu’à plusieurs heures ;

Figure 3 : Graphique montrant la part de chaque voie énergétique au cours d’un effort selon sa durée

Voie 1 : hydrolyse de la phosphocréatine ; Voie 2 : voie anaérobie par fermentation lactique ; Voie 3 : voie aérobie, ou respiration

Au niveau du muscle, on constate que certaines fibres musculaires utilisent certaines voies métaboliques. Voici un tableau de comparaison des trois types de fibres musculaires :

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II – La fermentation lactique (voie anaérobie lactique)

Au niveau cellulaire, la voie anaérobie par fermentation lactique est un ensemble de réactions qui se produisent dans le cytoplasme. On a deux grandes réactions :

  • La glycolyse (1) qui consiste à transformer les molécules de glucose en pyruvate ; avec libération d’ATP et de coenzymes réduits (NADH) ;
  • La fermentation lactique (2) qui entraîne la transformation du pyruvate en lactate ( = acide lactique) et permet la régénération des coenzymes (NAD+) ;

On a donc une production de deux molécules d’ATP par molécule de glucose avec un rendement global faible de 2%. Ce rendement est sous-estimé car les molécules de lactate sont ensuite recyclées.

Remarque : chez les levures, on observe une autre forme de fermentation nommée « fermentation alcoolique » dont le rendement est globalement identique à la fermentation lactique mais les molécules formées sont de l’éthanol (alcool) et pas du lactate (acide lactique).

Encart – Lactate-acide lactique et crampes : une infox !

Le lactate (ou acide lactique, selon le pH) est souvent « accusé » de provoquer fatigue et douleurs musculaires (crampes et courbatures). C’est un mythe qui a la vie dure. Le lactate est produit en quantité pendant l’effort intense de courte à moyenne durée et cela coïncide avec une baisse de pH musculaire et des douleurs MAIS c’est une simple corrélation PAS une relation de cause à effet.

La baisse de pH musculaire est en revanche probablement liée à l’apparition de la fatigue musculaire.

Pour les crampes, les scientifiques n’ont toujours pas d’hypothèse solide.https://www.cairn.info/revue-staps-2001-1-page-63.htm

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III – La respiration (voie aérobie)

La voie aérobie fait intervenir les mitochondries ; on peut la découpler en trois étapes qui permettent l’oxydation complète du glucose  :

  • La glycolyse au niveau cytoplasmique (voir paragraphe précédent) ;
  • Le cycle de Krebs dans la mitochondrie ;
  • La production d’ATP au niveau de la chaîne respiratoire mitochondriale ;

Figure 5 : Observation au microscope électronique à transmission d’une mitochondrie

III 1 – La glycolyse

Comme nous l’avons déjà vu précédemment la glycolyse est un ensemble de réactions se déroulant dans le cytoplasme.

Le glucose consommé par ces réactions peut provenir du sang ou de la transformation du glycogène stocké dans les muscles.

Encart – La maladie de McArdle

Certaines personnes souffrent d’une maladie génétique nommée maladie de McArdle. Du fait d’une mutation, elles fabriquent une version non fonctionnelle d’une enzyme permettant la transformation du glycogène de réserve en glucose.

Les conséquences sont implacables : intolérance à l’effort, douleurs musculaires intenses en cas d’effort inhabituel ou prolongé (voire destruction des fibres musculaires).

Les cellules musculaires n’arrivent pas renouveler leurs molécules d’ATP faute de glucose !

Pour aller plus loin : https://muscle.ca/wp-content/uploads/2019/10/MaladieDeMcardle-F.pdf

Une animation sur la glycolyse (les détails ne sont pas à connaitre mais cela peut t’aider à comprendre) :

III 2 – Le cycle de Krebs

Les mitochondries sont des organites où se déroulent un grand nombre de réactions chimiques notamment en lien avec la respiration cellulaire. On constate que les cellules aux besoins énergétiques importants (fibres musculaires, spermatozoïdes…) contiennent un grand nombre de mitochondries.

Les produits de la glycolyse (pyruvate et NADH) entrent dans la mitochondrie jusque dans la matrice mitochondriale. Le pyruvate va entrer dans une série de réactions nommées cycle de Krebs. Au cours de ce cycle, il va y avoir une oxydation totale du pyruvate, une production de CO2 et de plusieurs molécules de coenzyme (NADH).

Le bilan du cycle de Krebs peut être simplifié ainsi :

Le cycle de Krebs est un véritable carrefour métabolique pour les cellules car il permet :

  • L’oxydation du pyruvate issu de la glycolyse en vue de produire de l’ATP ;
  • L’oxydation des acides gras en vue de produire de l’ATP ;

La production de molécules importantes pour la cellule comme des acides aminés ;

Une animation sur le cycle de Krebs (les détails ne sont pas à connaitre mais cela peut t’aider à comprendre) :

III 3 – La production d’ATP au niveau de la chaine respiratoire

La membrane interne des mitochondries forme des replis appelées « crêtes mitochondriales ». Ces crêtes sont riches en protéines et notamment en ATP synthase. Ces protéines forment un ensemble nommé « chaîne respiratoire » qui va permettre la conversion de l’énergie des coenzymes NADH, en énergie pour produire de l’ATP au niveau de l’ATP synthase.

Au cours des réactions de la chaîne respiratoire, on a une consommation de dioxygène (accepteur final des électrons). Le bilan de la chaîne respiratoire mitochondriale peut être simplifié ainsi :

Rappel : le dioxygène consommé provient de la respiration (au niveau pulmonaire) et est transporté par l’hémoglobine jusqu’aux organes (ici les muscles).

Une animation sur la chaine respiratoire (les détails ne sont pas à connaitre mais cela peut t’aider à comprendre) :

III 4 – Bilan chimique et schéma de la voie aérobie

Dans le cas où le substrat initial est du glucose, on peut faire le bilan suivant :

Remarque : comme dans le cas de la photosynthèse, les coenzymes (NAD+/NADH) ne sont que des molécules de transfert qui sont renouvelés en permanence.

On constate donc que l’oxydation complète d’une molécule de glucose au cours du métabolisme aérobie permet la production (ou régénération) de 36 molécules d’ATP.

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IV – Modifications du fonctionnement musculaire

Les muscles sont des organes qui présentent une certaines plasticité selon l’usage qui en est fait.

IV 1 – Les effets de l’entraînement sur le fonctionnement musculaire

On peut distinguer deux types d’entraînement :

  • L’entraînement en endurance, avec des exercices prolongés d’intensité faibles à moyenne ;
  • L’entraînement en résistance avec des exercices court d’intensité très forte ;

Les conséquences sur les muscles et leur fonctionnement sont différentes selon le type d’entraînement :

Figure 6 : entraînement et effet sur les muscles

Un entraînement adapté peut donc modifier la répartition des fibres musculaires (I/II) et le métabolisme énergétique du muscle.

IV 2 – Les effets du dopage – exemple de l’EPO

Le métabolisme par la voie aérobie est limité par l’approvisionnement en dioxygène du muscle. Cet approvisionnement en dioxygène dépend de nombreux paramètres physiologiques : fréquence cardiaque, volume d’éjection cardiaque, pression partielle du sang en O2, intensité de l’effort réalisé, etc.

L’entraînement favorise le renforcement musculaire du cœur et donc le volume d’éjection cardiaque.

La pression partielle en dioxygène dépend notamment de la concentration en hémoglobine (une protéine qui transporte le dioxygène dans le sang).

L’érythropoïétine, ou EPO, contrôle la production de globules rouges dans l’organisme. C’est une hormone indispensable à l’érythropoïèse, le mécanisme qui, à partir de cellules souches, aboutit à la production d’érythrocytes ou globules rouges.

Figure 7 – La molécule d’EPO

L’EPO favorise la production d’hémoglobine et donc l’apport en dioxygène au muscle. Il favorise donc le métabolisme aérobie pendant l’effort physique.

Cette molécule peut être fabriquée en laboratoire et est parfois utilisée comme substante dopante par les sportifs.

Figure 8 : effet de la prise d’EPO (en U/kg) sur la concentration sanguine en hémoglobine

Outre que l’utilisation de l’EPO dans une optique d’amélioration des performances va à l’encontre de l’éthique et de l’équité sportive, la lutte contre ce type de dopage est nécessaire, car il n’est pas sans conséquences délétères pour la santé du sportif. Les effets secondaires dangereux sont :

  • Une augmentation de la viscosité sanguine (excès de globule rouge), et risque de complications cardiovasculaires et d’AVC ;
  • Une augmentation du nombre de plaquettes et donc risque de thrombose artérielle pouvant aller jusqu’à l’infarctus ;

De plus, les effets de la prise régulière d’EPO sont mal connus à long terme.

Encart – Stage d’altitude et fabrication « naturelle » d’EPO

L’hypoxie sanguine, c’est-à-dire la faible quantité de dioxygène dans le sang, entraine une fabrication naturelle d’EPO. Lors d’un stage en altitude, le peu de dioxygène dans l’air , entraîne une hypoxie et donc une production d’EPO et une augmentation du nombre de globules rouges dans le sang. C’est pour cette raison que des stages sportifs sont organisés en altitude avant certaines grandes compétitions.      

Conclusion

On s’interrogeait au début de ce chapitre sur les différents modes de renouvellement de l’ATP. On en a mis trois en évidence : la voie des phosphocréatines (voie anaérobie alactique), la voie anaérobie lactique et la voie aérobie (avec respiration mitochondriale).

On a également vu que selon le type et la durée de l’effort réalisé, les différentes voies métaboliques et les différentes fibres musculaires mises en jeu ne seront pas les mêmes. Dans le cas d’un exercice court et intense, les voies anaérobies et les fibres de type II seront utilisées. Dans le cas d’un exercice long de type endurance, la voie aérobie et les fibres de type I seront plus utilisées.

Nous avons globalement mis en évidence que l’ATP est renouvelé grâce à l’oxydation du glucose (ou des acides gras). Dans le chapitre suivant, nous allons montrer comment est régulé la quantité de glucose dans le sang (et dans l’organisme).

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Voici quelques exemples possibles de sujets de bac sur ce chapitre :

rien pour l’instant…