Contraction musculaire, respiration et fermentation
Lucas court un 100 m, puis un marathon avec son club de Nantes. Dans les deux cas, ses muscles se contractent en consommant de l'ATP, mais ils ne le fabriquent pas de la même façon. Pourquoi un sprint se termine-t-il par des jambes qui brûlent, alors qu'on peut courir des heures à allure modérée ?
Le sarcomère : l'unité de contraction
Un muscle strié squelettique est formé de fibres musculaires (des cellules très allongées). Chaque fibre contient des myofibrilles, découpées en petites unités successives : les sarcomères.
Un sarcomère est limité par deux stries Z. Il contient deux types de filaments :
-
les filaments fins d'actine, accrochés aux stries Z ;
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les filaments épais de myosine, au centre, dont les « têtes » peuvent se fixer sur l'actine.
Lors de la contraction, les filaments ne se raccourcissent pas : l'actine glisse le long de la myosine. Le sarcomère se raccourcit (les stries Z se rapprochent), donc la myofibrille, la fibre et le muscle aussi.
Le mécanisme se répète en cycles :
-
une molécule d'ATP se fixe sur la myosine : elle se détache de l'actine ;
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l'ATP est hydrolysé (en ADP + Pᵢ), ce qui « réarme » la tête de myosine ;
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en présence d'ions Ca²⁺ libérés dans la cellule, la tête (portant ADP + Pᵢ) se fixe sur l'actine ;
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la tête pivote et fait glisser l'actine, avec libération du Pᵢ puis de l'ADP ; la tête est alors prête à fixer un nouvel ATP.
Décrire l'organisation d'un sarcomère (filaments d'actine et de myosine, strie Z) et indiquer ce qui se raccourcit lors de la contraction.
Décrire l'organisation d'un sarcomère (filaments d'actine et de myosine, strie Z) et indiquer ce qui se raccourcit lors de la contraction.
L'ATP doit être régénéré en continu
L'ATP est la molécule qui fournit directement l'énergie aux cellules. Mais le stock musculaire est minuscule : il ne permet que quelques secondes d'effort intense. La cellule doit donc régénérer l'ATP à partir de l'ADP et du phosphate, en utilisant l'énergie des nutriments, surtout le glucose.
Deux grandes voies régénèrent l'ATP à partir du glucose : la respiration cellulaire (avec dioxygène) et la fermentation lactique (sans dioxygène).
Une cellule musculaire contient environ $5\times10^{-6}$ mol d'ATP par gramme de muscle. Un muscle de 400 g consomme 2 µmol d'ATP par seconde et par gramme lors d'un…
Une cellule musculaire contient environ $5\times10^{-6}$ mol d'ATP par gramme de muscle. Un muscle de 400 g consomme 2 µmol d'ATP par seconde et par gramme lors d'un effort intense, sans régénération.
- a) Calculer la quantité totale d'ATP du muscle.
- b) Calculer la durée pendant laquelle ce stock suffirait.
- c) Conclure sur la nécessité de régénérer l'ATP en continu et citer deux voies de régénération.
La respiration cellulaire
La respiration oxyde complètement le glucose en présence de dioxygène :
$$\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\,\text{O}_2 \rightarrow 6\,\text{CO}_2 + 6\,\text{H}_2\text{O} + \text{énergie (ATP + chaleur)}$$Elle se déroule en trois étapes, à des endroits différents de la cellule.
| Étape | Localisation | Ce qui se passe | Principal produit énergétique |
|---|---|---|---|
| Glycolyse | cytosol | glucose → 2 pyruvate | 2 ATP et des coenzymes réduits (RH₂) |
| Cycle de Krebs | matrice mitochondriale | pyruvate (via acétyl-CoA) oxydé en CO₂ | coenzymes réduits (RH₂), 2 ATP |
| Chaîne respiratoire | membrane interne de la mitochondrie | RH₂ réoxydés, O₂ réduit en H₂O | environ 32 à 34 ATP |
Dans la chaîne respiratoire, les électrons des coenzymes réduits passent de complexe en complexe jusqu'au dioxygène, accepteur final, qui forme de l'eau. Ce transfert fait pomper des protons H⁺ de la matrice vers l'espace intermembranaire : il crée un gradient de protons. Les protons reviennent vers la matrice en traversant l'ATP synthase, qui utilise ce flux pour fabriquer l'ATP à partir d'ADP + Pᵢ. C'est le couplage entre oxydation et phosphorylation.
Au total, un glucose donne environ 36 à 38 ATP par respiration.
Indiquer, pour la glycolyse, le cycle de Krebs et la chaîne respiratoire, la localisation cellulaire (cytosol, matrice mitochondriale, membrane interne) et le principal…
Indiquer, pour la glycolyse, le cycle de Krebs et la chaîne respiratoire, la localisation cellulaire (cytosol, matrice mitochondriale, membrane interne) et le principal produit énergétique de chacune.
On mesure chez un sportif la consommation de dioxygène : 0,3 L·min⁻¹ au repos, 3,0 L·min⁻¹ à l'effort modéré, 4,2 L·min⁻¹ à l'effort maximal, plateau atteint à cette…
On mesure chez un sportif la consommation de dioxygène : 0,3 L·min⁻¹ au repos, 3,0 L·min⁻¹ à l'effort modéré, 4,2 L·min⁻¹ à l'effort maximal, plateau atteint à cette valeur.
- a) Calculer le facteur multiplicatif de la consommation entre repos et effort maximal.
- b) Définir la VO₂max et indiquer sa valeur ici.
- c) Expliquer le lien entre consommation de O₂ et production d'ATP dans la mitochondrie.
Des mitochondries isolées sont placées dans un milieu avec du pyruvate. On mesure la consommation de O₂ : elle est faible sans ADP, forte après ajout d'ADP et de…
Des mitochondries isolées sont placées dans un milieu avec du pyruvate. On mesure la consommation de O₂ : elle est faible sans ADP, forte après ajout d'ADP et de phosphate, nulle après ajout de cyanure (inhibiteur de la chaîne respiratoire). Un découplant (dinitrophénol) provoque une forte consommation de O₂ sans synthèse d'ATP.
- a) Interpréter chaque observation.
- b) Expliquer le rôle du gradient de protons et de l'ATP synthase.
- c) Expliquer pourquoi le découplant fait aussi chauffer l'organisme.
- d) Montrer en quoi ces données justifient que le couplage dépend de l'intégrité de la membrane interne.
La fermentation lactique
Lors d'un effort très intense, le sang n'apporte pas assez de O₂ : la chaîne respiratoire est limitée. La glycolyse continue, car elle ne demande pas de dioxygène, mais les coenzymes réduits doivent être réoxydés. La cellule le fait en réduisant le pyruvate en lactate : c'est la fermentation lactique.
$$\text{glucose} \rightarrow 2\ \text{lactate} + 2\ \text{ATP}$$L'accepteur final d'électrons est ici une molécule organique (le pyruvate), pas O₂. Le glucose n'est que partiellement oxydé : il reste de l'énergie dans le lactate. Le rendement n'est que de 2 ATP par glucose.
| Respiration | Fermentation lactique | |
|---|---|---|
| Dioxygène | nécessaire | inutile |
| Accepteur final d'électrons | O₂ | pyruvate |
| Produits | CO₂ + H₂O | lactate |
| Localisation | cytosol + mitochondrie | cytosol |
| ATP par glucose | 36 à 38 | 2 |
| Vitesse de production | plus lente | très rapide |
Comparer en un tableau la respiration cellulaire et la fermentation lactique : substrat, accepteur final d'électrons, produits, rendement approximatif en ATP par…
Comparer en un tableau la respiration cellulaire et la fermentation lactique : substrat, accepteur final d'électrons, produits, rendement approximatif en ATP par molécule de glucose (36 à 38 pour l'une, 2 pour l'autre).
Quelle voie pour quel effort ?
-
Sprint : besoin d'ATP très rapide, O₂ apporté insuffisamment vite. Dans les toutes premières secondes (un 100 m dure environ 10 s), l'ATP vient surtout du stock et de la créatine-phosphate ; la fermentation lactique prend le relais et domine pour des efforts intenses de 30 s à 2 min, avec lactate et fatigue.
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Effort long (marathon) : apport de O₂ suffisant, besoin soutenu. Respiration dominante, rendement élevé, consommation du glucose et des lipides.
La VO₂max est la consommation maximale de dioxygène par l'organisme (en L·min⁻¹) : elle atteint un plateau malgré l'augmentation de l'intensité. Elle dépend du cœur, des poumons, du sang (globules rouges, hémoglobine) et du nombre de mitochondries.
Retour au début : pendant le 100 m de Lucas, l'ATP vient d'abord du stock et de la créatine-phosphate, puis la fermentation fournit vite de l'ATP mais produit du lactate (jambes qui brûlent) ; au marathon, la respiration donne beaucoup d'ATP en continu.
Lors d'un sprint de 400 m, un athlète du club de Nantes produit de l'ATP surtout par fermentation lactique. Lors d'un marathon, il utilise surtout la respiration. a)…
Lors d'un sprint de 400 m, un athlète du club de Nantes produit de l'ATP surtout par fermentation lactique. Lors d'un marathon, il utilise surtout la respiration.
- a) Expliquer ce choix de voie selon la durée et l'intensité de l'effort.
- b) Pour 1 mol de glucose, calculer le rapport entre l'ATP produit par respiration (36 mol) et par fermentation (2 mol).
- c) Expliquer l'origine des crampes et de la fatigue après un sprint.
Une substance dopante, l'EPO, augmente le nombre de globules rouges chez un cycliste : son hématocrite passe de 45 % à 55 %. a) Expliquer l'effet attendu sur le…
Une substance dopante, l'EPO, augmente le nombre de globules rouges chez un cycliste : son hématocrite passe de 45 % à 55 %.
- a) Expliquer l'effet attendu sur le transport du dioxygène et sur la VO₂max.
- b) Expliquer l'effet sur la part de la respiration dans la production d'ATP lors d'un effort long.
- c) Discuter deux risques pour la santé liés à l'augmentation de la viscosité sanguine.
- d) Proposer un argument montrant pourquoi l'EPO n'améliore pas un sprint de 10 secondes.
Un patient présente une mutation de l'ADN mitochondrial altérant un complexe de la chaîne respiratoire. Il ressent une fatigue musculaire intense au moindre effort, avec…
Un patient présente une mutation de l'ADN mitochondrial altérant un complexe de la chaîne respiratoire. Il ressent une fatigue musculaire intense au moindre effort, avec un taux de lactate sanguin élevé dès le repos.
- a) Expliquer le lien entre la mutation et le taux de lactate élevé.
- b) Prédire l'effet sur le rendement en ATP par glucose.
- c) Justifier que les tissus les plus consommateurs d'énergie (muscles, cerveau) soient les plus touchés.
- d) Expliquer pourquoi la transmission de cette maladie est maternelle.