Annale corrigée

Contraction et métabolisme des fibres musculaires

Exercice 1

Contraction et métabolisme des fibres musculaires

1 h 30

7 points

Intérêt du sujet • Restituez vos connaissances sur les fibres musculaires pour mettre en relation le type d'effort à réaliser avec le métabolisme des fibres préférentiellement sollicitées.

 

La recherche d'une performance sportive optimale s'appuie sur une connaissance précise des capacités physiologiques du sportif, mais aussi sur celle du métabolisme énergétique des cellules musculaires propres à sa discipline. Un sprinter fournit un effort bref et intense de quelques secondes, tandis qu'un coureur de fond fait durer son effort pendant plusieurs heures. Ils ont ainsi des besoins énergétiques très différents.

À l'aide des connaissances et des documents, expliquez comment les cellules musculaires produisent l'énergie nécessaire à la contraction lors de ces deux types d'effort.

Document 1Fibre musculaire observée au microscope électronique

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ph © Photo Researchers/© Biophoto Associates/Biosphoto

Document 2Voie métabolique sollicitée comme source énergétique de la fibre musculaire en fonction de la durée de l'exercice

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Les clés du sujet

Étape 1. Comprendre le sujet

Lisez bien la consigne, ainsi que le texte introductif. Repérez les termes importants et l'objectif à atteindre. Ils serviront à la rédaction de l'introduction.

Étape 2. Exploiter les documents

Le document 1 permet de rappeler l'organisation d'une fibre musculaire et des structures impliquées dans la contraction musculaire.

Le document 2 explique les voies métaboliques impliquées dans la production de l'ATP lors d'un effort de courte ou de longue durée.

Étape 3. Construire la réponse

Au brouillon, libellez la problématique, puis organisez les informations de manière à établir un plan du devoir.

Rédigez le devoir en commençant par l'introduction qui doit amener et énoncer la problématique, puis annoncez le plan de résolution. Le développement prend la forme d'un texte argumenté par des notions les plus précises possible et illustré de schémas pertinents.

Introduction

Les cellules ou fibres musculaires sont constituées de myofibrilles, compo­sées d'éléments contractiles élémentaires : les sarcomères. Ceux-ci ont besoin d'énergie, fournie par la cellule sous forme d'ATP, pour se contracter. Or les stocks d'ATP sont très faibles et rapidement consommés : une régénération d'ATP est donc nécessaire et se fera différemment selon la durée de l'effort.

Quelles voies métaboliques sont utilisées lors d'un effort bref ou d'endurance pour produire l'ATP ? Comment celui-ci est-il utilisé afin de permettre la contraction ?

Nous montrerons dans une première partie l'importance de l'ATP pour la contraction musculaire, puis nous expliquerons dans une seconde partie les voies métaboliques mises en jeu lors d'un effort bref, avant de terminer par celles impliquées dans les efforts de longue durée.

I. L'ATP est nécessaire à la contraction musculaire

Un effort déclenche la production d'énergie, fournie par l'hydrolyse de molécules d'ATP (adénosine triphosphate) présentes dans la fibre musculaire et seules responsables de la contraction musculaire.

L'ATP est synthétisé lors de réactions de phosphorylation à partir d'ADP (adénosine diphosphate) et de phosphate inorganique (Pi).

Le conseil de méthode

Des schémas sont recommandés pour illustrer les propos ou expliquer certaines notions ; les schémas proposés dans le corrigé sont utiles mais pas tous attendus.

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Figure 1. Le cycle de l'ATP

Comment les molécules d'ATP permettent-elles la contraction musculaire ? Les fibres musculaires sont constituées de myofibrilles, organisées en une succession de sarcomères donnant cet aspect strié aux muscles squelettiques. Les sarcomères, composés de myofilaments d'actine et de myosine, représentent les unités contractiles élémentaires du muscle.

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Figure 2. Organisation d'une myofibrille

Lors de la contraction d'un sarcomère, sa longueur diminue sans que celles des myofilaments ne varient : les myofilaments d'actine glissent entre les myofilaments épais de myosine. Ainsi, chaque sarcomère se raccourcit, de sorte que les myofibrilles et l'ensemble de la fibre raccourcissent, conduisant à la contraction du muscle. Ce glissement des myofilaments est énergivore et nécessite de l'ATP.

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Figure 3. Cycle d'une contraction

II. La régénération d'ATP lors d'un effort bref

La réserve d'ATP musculaire est utilisée au bout de 1 ou 2 secondes seulement, donc d'autres mécanismes doivent se mettre en place rapidement pour produire l'ATP.

L'ATP est produit par hydrolyse de la phosphocréatine (stockée dans les cellules musculaires) en créatine grâce à une enzyme : la créatine kinase.

Le stock de phosphocréatine est reconstitué après l'effort par consommation d'ATP. Cette voie fournit de l'énergie pendant 10 secondes d'effort ; au-delà, une deuxième voie métabolique prend le relais : la voie anaérobie lactique.

La voie anaérobie lactique, encore appelée fermentation lactique, consiste à dégrader le glycogène en réserve dans les cellules musculaires et le glucose sanguin. Cette réaction est appelée la glycolyse. Elle a lieu dans le sarcoplasme et conduit à la production de pyruvate et de deux molécules d'ATP :

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La régénération des transporteurs d'électrons (NAD+ et NADH,H+) entraîne la formation de lactate.

L'ensemble de ces réactions se déroulent en l'absence de dioxygène : elles sont anaérobies.

On sait cependant qu'au-delà de 40 secondes d'effort la part de la fermentation lactique diminue au profit d'une autre voie métabolique générant davantage d'ATP : la voie métabolique aérobie.

III. La régénération d'ATP lors d'un effort de longue durée

Dans le cas d'un exercice physique modéré et long, la respiration cellulaire est la voie principale de production d'ATP dans les cellules musculaires. Elle se met en place au bout de quelques minutes d'effort, nécessaires à l'adaptation des systèmes cardio-vasculaire et respiratoire. Elle se déroule en partie dans le sarcoplasme de la cellule et en partie dans les mitochondries.

La respiration cellulaire débute par une glycolyse ou une glycogénolyse, mais, contrairement à la fermentation lactique, elle a lieu en présence de dioxygène dans le milieu. Le pyruvate formé entre dans les mitochondries, où il est transformé en acétyl-CoA : il participe ainsi au cycle de Krebs qui se déroule dans la matrice des mitochondries.

Cette série de réactions complexes permet la production de 2 ATP, produit du CO2, mais surtout des composés réduits NADH2 et FADH.

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La réoxydation de ces composés s'effectue grâce à la chaîne respiratoire mitochondriale, constituée d'un ensemble de molécules enchâssées dans la membrane interne des mitochondries, en permettant le transfert d'électrons jusqu'à un accepteur final : le dioxygène. Celui-ci est alors réduit en eau.

Cette série de réactions génère un gradient de protons qui va activer des ATP synthases, enzymes catalysant la synthèse d'une grande quantité d'ATP (36 molécules d'ATP par molécule de glucose).

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Figure 4. Régénération de NAD+ et production d'ATP par phosphorylation oxydative dans les crêtes mitochondriales

Conclusion

La production d'ATP est nécessaire à la contraction musculaire. Sans elle, les myofilaments de myosine et d'actine resteraient liés, donc aucun glissement et par conséquent aucune contraction ne serait possible.

La concentration d'ATP dans les cellules musculaires étant faible, cette molécule doit sans cesse être renouvelée. Lors d'un effort bref et intense, les voies métaboliques anaérobies sont les principales voies de régénération de l'ATP, alors que lors d'un effort long mais peu intense, c'est essentiellement la respiration cellulaire. Néanmoins, la fermentation lactique continue de produire de l'énergie pendant plusieurs minutes (expliquant par ailleurs l'accumulation d'acide lactique dans les muscles).

à noter

L'acide lactique est immédiatement transformé en lactate et envoyé vers d'autres organes qui vont le recycler et l'utiliser comme source d'énergie. L'entraînement ne diminue pas la qualité d'acide lactique fourni, mais rend son traitement plus efficace.

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