Terminale S 2016-2017

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L'utilisation de l'énergie par la cellule

L'ATP est la molécule énergétique de la cellule. Elle est formée lors de la respiration cellulaire en milieu aérobie, ou par fermentation en milieu anaérobie. L'ATP est utilisée dans le muscle pour la contraction musculaire, en permettant le glissement des filaments d'actine au milieu des filaments de myosine.

I

Généralités sur l'ATP

L'ATP, ou adénosine triphosphate, est une molécule universelle composée de :

  • 1 adénosine
  • 1 ribose
  • 3 groupements phosphates

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 par 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
II

L'utilisation de l'ATP par la fibre musculaire

A

Généralités sur le muscle

Les muscles squelettiques sont composés de myofilaments : l'actine et la myosine. Les myofilaments sont associés en myofibrilles, qui elles-mêmes assemblées forment les fibres musculaires (cellules musculaires). Enfin, les fibres musculaires sont assemblées en faisceaux pour former le muscle.

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Organisation du muscle

Il existe deux types de myofilaments :

  • Les filaments fins d'actine : ils sont composés, entre autres, d'un assemblage de molécules d'actines globulaires organisées en 2 chaînes enroulées l'une autour de l'autre.
  • Les filaments épais de myosine : ils sont 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. Les myofibrilles sont formées d'une succession de sarcomères, chacun limité par une strie Z.

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Filament fin

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Sarcomère

Cette association particulière des filaments fins et épais entraîne un aspect strié du muscle. Il est possible de localiser des bandes sombres (ou bande A) et des bandes claires (ou bandes I). Les bandes sombres sont formées de l'association des filaments fins et épais, alors que les bandes claires sont formées préférentiellement par des filaments fins.

B

La contraction musculaire

La contraction musculaire est visible par le raccourcissement des sarcomères, c'est-à-dire le rapprochement des stries Z. Ce raccourcissement s'explique par un glissement des filaments d'actine au milieu des filaments de myosine.

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Contraction à l'échelle d'un sarcomère

La contraction musculaire nécessite de l'ATP. Elle se déroule en 4 phases :

  • L'ATP se fixe sur la tête de myosine qui est fixée à l'actine. Cette fixation permet de libérer la tête de myosine de 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.
  • La tête de myosine se fixe sur l'actine.
  • L'ADP et le Pi sont libérés, ce qui entraîne un basculement de la tête de myosine. Ce basculement provoque le filament d'actine qui glisse entre les filaments de myosine : c'est la contraction.
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Le couplage actine myosine lors de la contraction musculaire

III

Le métabolisme de la fibre musculaire

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.

La régénération de l'ATP se fait par différentes voies car cette dernière ne peut être stockée dans le muscle :

  • Un mécanisme anaérobie alactique : la phosphocréatine
  • Un mécanisme anaérobie lactique : la fermentation lactique
  • Un mécanisme aérobie alactique : la respiration cellulaire

La phosphocréatine est une molécule de réserve contenue dans l'organisme. Cette molécule est capable de transférer un phosphate à l'ADP afin de reformer de l'ATP. Le stock de phosphocréatine dans l'organisme est limité. Si l'exercice est très intense, il dure moins de 10 secondes.

La seconde voie de régénération de l'ATP, est la fermentation lactique. Les cellules musculaires ont la capacité d'utiliser le glucose par fermentation. Le problème est le rendement très faible de cette voie métabolique : pour une molécule de glucose utilisée, seulement 2 ATP sont formés. De plus, la fermentation lactique produit des lactates qui sont semblables à un « poison musculaire ». En effet, les lactates font baisser le pH musculaire, qui empêche la contraction musculaire.

Le dernier mécanisme de régénération de l'ATP est la respiration cellulaire. C'est cette voie qui a le rendement le plus important car elle conduit à la production de 36 ATP pour une molécule de glucose utilisée. Cependant, cette voie nécessite du dioxygène : il faut que son apport soit suffisant au niveau du muscle grâce à une augmentation des fréquences ventilatoire et cardiaque.

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Utilisation des différentes voies métaboliques au cours du temps