Exercices: Contraction musculaire, respiration et fermentation

Décrire l'organisation d'un sarcomère (filaments d'actine et de myosine, strie Z) et indiquer ce qui se raccourcit lors de la contraction.

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.

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).

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.

1. a) Calculer la quantité totale d'ATP du muscle.

1. b) Calculer la durée pendant laquelle ce stock suffirait.

1. c) Conclure sur la nécessité de régénérer l'ATP en continu et citer deux voies de régénération.

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.

1. a) Expliquer ce choix de voie selon la durée et l'intensité de l'effort.

1. b) Pour 1 mol de glucose, calculer le rapport entre l'ATP produit par respiration (36 mol) et par fermentation (2 mol).

1. c) Expliquer l'origine des crampes et de la fatigue après un sprint.

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.

1. a) Calculer le facteur multiplicatif de la consommation entre repos et effort maximal.

1. b) Définir la VO₂max et indiquer sa valeur ici.

1. 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 phosphate, nulle après ajout de cyanure (inhibiteur de la chaîne respiratoire). Un découplant (dinitrophénol) provoque une forte consommation de O₂ sans synthèse d'ATP.

1. a) Interpréter chaque observation.

1. b) Expliquer le rôle du gradient de protons et de l'ATP synthase.

1. c) Expliquer pourquoi le découplant fait aussi chauffer l'organisme.

1. d) Montrer en quoi ces données justifient que le couplage dépend de l'intégrité de la membrane interne.

Une substance dopante, l'EPO, augmente le nombre de globules rouges chez un cycliste : son hématocrite passe de 45 % à 55 %.

1. a) Expliquer l'effet attendu sur le transport du dioxygène et sur la VO₂max.

1. b) Expliquer l'effet sur la part de la respiration dans la production d'ATP lors d'un effort long.

1. c) Discuter deux risques pour la santé liés à l'augmentation de la viscosité sanguine.

1. 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 taux de lactate sanguin élevé dès le repos.

1. a) Expliquer le lien entre la mutation et le taux de lactate élevé.

1. b) Prédire l'effet sur le rendement en ATP par glucose.

1. c) Justifier que les tissus les plus consommateurs d'énergie (muscles, cerveau) soient les plus touchés.

1. d) Expliquer pourquoi la transmission de cette maladie est maternelle.