MOTS CLEFS: Métabolisme, Mitochondrie, Oxydo-réduction, Acide pyruvique, Glycolyse, ADP/ATP, Hyaloplasme/Cytosol, NAD+/NADH,H+, Matrice mitochondriale, Cycle de Krebs, Membrane interne mitochondriale/crête, Chaîne respiratoire, Fermentation lactique, Fermentation alcoolique, Phase anaérobie alactique, Phase anaérobie lactique, Phase aérobie, Fibre musculaire de type 1 et de type2, Dopage.

Th3Bp2: La production d’énergie dans les cellules

Nous avons vu dans le Th3Bp1 que le cycle de contraction et relâchement des myofibrilles nécessite l’intervention de la molécule d’ATP (adénosine tri-phosphate).

L’hydrolyse de l’ATP en ADP + Pi (ion phosphate) et libère de l’énergie utilisable par la cellule pour ses différentes activités.

Inversement, la régénération d’une molécule d’ATP se réalise à partir d’ADP + Pi et nécessite un apport d’énergie.

Les besoins quotidiens en énergie et donc en ATP dans nos cellules sont très importants et largement supérieurs aux très faibles quantités d’ATP stockées.

Un renouvellement permanent a donc lieu et permet de maintenir un taux stable d’ATP dans les cellules.

1 - Comment se fait l’apport en énergie nécessaire à la synthèse de nouvelles molécules d’ATP ?

TP2 –Métabolismes des levures

•  CORRECTION 

DEF : METABOLISME : ensemble de réactions chimiques ayant lieu dans une cellule / un organisme.

ex : production de glucose lors de la photosynthèse 

Plusieurs voies de production d’ATP existent dans les cellules dont deux utilisent comme substrat le glucose.

A) Respiration cellulaire ou métabolisme aérobie

A9 –les voies respiratoires cellulaires

Document B : Manipulation sur des mitochondries isolées

JVQ : Apparition de la consommation de O2 seulement après injection de pyruvate et non de glucose

JSQ : la respiration se caractérise par la consommation de O2 et se localise dans la mitochondrie

JDQ : 

L’oxydation du glucose se réalise en 3 étapes :

Dans les années 1930, plusieurs scientifiques (Meyerhof, Embden et Lohmann) décrivent :

ETAPE1 : 

DOCB: Pour le glucose soit utile à la production d’énergie par la mitochondrie lors de la respiration, il doit d’abord être transformé en pyruvate.

C'est la GLYCOLYSE : phase d’oxydation du glucose en 2 molécules d’acide pyruvique qui se réalise dans le hyaloplasme.

DEF : HYALOPLASME  ou CYTOSOL: Liquide du cytoplasme de la cellules dans lequel les organites sont situés.

Cette étape est une série de réactions chimiques qui permet la production de 2 molécules d’ATP par molécule de glucose oxydé et 2 molécules de NAD réduites en NADH,H+.

Le NADH, H+, est un transporteur (accepteur) d’électrons (e-) et d’ions H+.

RAPPELS: Oxydo-réduction:

Un OXYDANT est une espèce chimique susceptible de capter un ou plusieurs électrons.

Un REDUCTEUR est une espèce chimique susceptible de céder un ou plusieurs électrons.

L'OXYDATION correspond à une perte d'un ou plusieurs électrons au cours de la réaction.

La REDUCTION correspond au gain d'un ou plusieurs électrons au cours de la réaction.

ETAPE2 :

DOC C: le pyruvate est utilisé dans la matrice mitochondriale.

DOC D: l’acide pyruvique oxydée en CO2 permet la réduction de transporteurs d’e- et la production d’ATP. Cela se réalise dans la matrice des mitochondries.

C'est le CYCLE DE KREBS .

A l’issue du cycle de Krebs, les 2 molécules d’acide pyruvique sont donc entièrement oxydées en CO2 ce qui a permis la formation de 8 molécules de NADH,H+ additionnées de 2 FADH2 et de 2 molécules d’ATP. 6 molécules de CO2 auront été rejetées.

=► Ces deux premières étapes aboutissent donc à:

1. 1. 1.  l’oxydation totale du glucose en 6 CO2

      2.  la réduction de 10 NADH,H+ et  2 FADH2.

      3. la production de 4 ATP.

ETAPE3 : 

C'est la réoxydation des transporteurs d'électrons ( NADH, H+ ) par la CHAINE RESPIRATOIRE.

Celle-ci est rendue possible par la réduction finale de l’O2 en H20 le long de cette chaîne.

Elle est localisée dans la membrane interne des mitochondries.

Ces réactions d’oxydo-réduction conduisent à la production d’une importante quantité de molécules d’ATP (en moyenne 32 / molécule de glucose oxydée). C’est donc la chaîne respiratoire qui permet de produire la majorité des molécules d’ATP indispensable aux cellules.

REMARQUE IMPORTANTE :

Le O2 constitue donc l’accepteur final d’e- dans la chaîne respiratoire de la membrane interne mitochondriale.

Un déficit d’apport en O2, va donc créer des difficultés dans le transfert d’e- au sein des crêtes mitochondriales, ralentir le système et donc limiter la production d’ATP car:

• • un manque de O2 ralentit la chaîne respiratoire : les NADH,H+ ne peuvent plus libérer facilement leurs e- et leurs protons H+, le gradient de H+ ne se forme plus aussi bien, l’ATP synthase est ralentie.

  • De même, le cycle de Krebs est ralenti car les NAD+ nécessaires à l’oxydation complète du pyruvate sont moins disponibles.

B) La fermentation cellulaire ou métabolisme anaérobie

TP2 –Métabolismes des levures

•  CORRECTION

VIDEO: Fermentation

En l’absence d’un apport suffisant en dioxygène, les cellules sont en situation d’anaérobie. Ces cellules ne peuvent alors produire les molécules d’ATP que lors de l’étape de la glycolyse.

Au niveau de la cellule musculaire, elle sera de type lactique

La FERMENTATION LACTIQUE permet alors de recycler les molécules de NADH, H+ en NAD+, cette réaction étant couplée à la réduction de l’acide pyruvique en acide lactique et se déroule dans le cytosol ou hyaloplasme.

La fermentation ne produit donc qu’une très faible quantité d’ATP (2 molécules contre 36 pour la respiration) mais celle-ci peut se réaliser très rapidement dans les cellules musculaires.

La fermentation existe aussi chez d’autres espèces privées d’O2 ou dépourvues de mitochondries. C’est le cas de la fermentation alcoolique.

La différence entre les fermentations dépend du matériel enzymatique à disposition de la cellule et donc du patrimoine génétique.

2 – Comment le muscle s’adapte à des activités physiques différentes ?

A) des voies métaboliques adaptées

A10-Adaptation à l’effort 

•  CORRECTION

Quel que soit le sportif, la durée d’effort fait varier le métabolisme cellulaire selon 3 phases principales :

- La PHASE ANAÉROBIE ALACTIQUE : est une phase très courte (quelques dizaines de secondes) dans laquelle la fermentation n’a pas lieu. Elle est permise par des échanges rapides au niveau énergétique avec la CREATINE PHOSPHATE, un composé très énergétique.

- La PHASE ANAÉROBIE LACTIQUE : est la phase durant laquelle la fermentation lactique est active (surtout entre 20/30 secondes et 3 à 4 min (30 à 50%) ET suivant l’entraînement et le type d’effort).

La fermentation intervient surtout dans les exercices courts et puissants (nécessitant un apport très rapide d’ATP)

- La PHASE AÉROBIE : est la phase durant laquelle l’apport majoritaire d’ATP est produit par la respiration cellulaire. Surtout à partir de 3 à 4 min.

Elle exige un apport suffisant en dioxygène durant l’effort physique et permet donc des efforts d’endurance.

L’activation des voies métaboliques anaérobies (fermentation lactique) et/ou aérobies (respiration) dépend donc du type d’effort à fournir. Et suivant le type d’effort pratiqué (nature et intensité), les muscles vont se modifier progressivement pour adapter leur fonctionnement à l’effort.

Ainsi, les fibres musculaires vont se spécialiser selon 2 types principaux :

- Les FIBRES DE TYPE 1, rouge (riches en myoglobine pour capter l’O2), à métabolisme aérobie (respiration cellulaire), ont un fonctionnement plus lent mais endurant.

- Les FIBRES DE TYPE 2, blanche, à métabolisme anaérobie (fermentation), ont un fonctionnement rapide, puissant mais peu endurant.

B) améliorer les performance avec des substances : le dopage

A11-Dopage

• VIDEO

•   CORRECTION

Différentes substances peuvent être utilisées pour améliorer ses performances sportives. Ce sont des substances dopantes, comme des dérivés de la testostérone (stéroïdes anabolisants) ou l’EPO (érythropoïétine), qui agissent selon différentes modalités : augmentation de la masse musculaire, stimulation du métabolisme musculaire. D’autres substances, comme les corticoïdes, permettent de retarder la sensation de fatigue. Ces substances peuvent avoir des effets graves sur la santé et leur usage est interdit.

Conclusion

L’ATP est une molécule énergétique essentielle à tous les travaux cellulaires, et notamment celui de raccourcissement des sarcomères permettant la contraction des cellules musculaires. L’ATP est produit par la glycolyse mais également par la respiration cellulaire dont la part dépend de la durée de l’effort, du type de sport mais aussi de l’entraînement.