Annale corrigée Pratique du raisonnement scientifique 1

L'adaptation du muscle à l'entraînement

Exercice 2

L'adaptation du muscle à l'entraînement

1 h 30

9 points

Intérêt du sujet • Ce sujet vous propose d'étudier les propriétés contractiles et le métabolisme des fibres musculaires selon le type d'activité auquel les muscles sont soumis.

 

Les scientifiques ont découvert depuis quelques années certains des mécanismes moléculaires responsables de l'amélioration des performances physiques. Une modification des fibres musculaires peut être obtenue dans le cas d'entraînements d'endurance (longs et peu intenses) ou de résistance (brefs et intenses) effectués sur des périodes longues.

À partir des documents et de vos connaissances, montrez comment modifier les caractéristiques des fibres musculaires par l'entraînement améliore les performances.

Document 1Entraînement et composition d'un muscle

On observe au microscope les différentes fibres présentes dans un muscle de la cuisse chez l'humain, avant entraînement (T), après des entraînements d'endurance (A) et après des entraînements de résistance (B). Les fibres de type I et II sont repérées par des anticorps dirigés contre les myosines de type I qui apparaissent en noir.

Le schéma B correspond à une partie du schéma T (cadre rouge).

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Document 2Séparation des différents types de myosine par électrophorèse

a) Schéma d'une molécule de myosine constituée d'un assemblage de chaînes légères et de chaînes lourdes (dont font partie les « têtes » de myosine).

b) On isole des fibres musculaires d'un individu non entraîné, puis on en extrait les différentes chaînes lourdes de myosine (MHC) par électrophorèse. Les chaînes MHC IIX sont associées à une vitesse de contraction très rapide, les chaînes MHC IIA à une vitesse de contraction rapide, alors que les chaînes MHC I sont associées à une vitesse de contraction lente. Chacune des pistes a, b et c correspond au contenu d'une fibre musculaire isolée (fibres II pour a et b ; fibre I pour c) ; la piste d révèle les molécules MHC d'un mélange de fibres musculaires issues du même muscle.

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Document 3Expression des différents types de myosine après entraînement

Le nombre de « + » est proportionnel à la quantité de protéines ­présentes ; « – » signifie leur absence.

Tableau de 5 lignes, 7 colonnes ;Tetière de 1 lignes ;Ligne 1 : Types de fibres;Fibres I;Fibres II;Corps du tableau de 4 lignes ;Ligne 1 : Types de myosine exprimée; MHC I; MHC IIA; MHC IIX; MHC I; MHC IIA; MHC IIX; Ligne 2 : Sujet non entraîné; +++; +; –; –; +; +++; Ligne 3 : Sujet entraîné en endurance; +++; +; –; +; +++; +; Ligne 4 : Sujet entraîné en résistance; ++; +++; +; –; +; +++;

Document 4Nombre de mitochondries dans les fibres musculaires avant et après une période d'entraînement d'endurance

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Document 5Comparaison des voies de production d'ATP chez un sujet entraîné et un sujet non entraîné

Des mesures de la production d'ATP par différentes voies métaboliques sont réalisées à partir d'extraits de muscles prélevés chez différents sportifs avant et après 6 mois d'entraînement en endurance.

Tableau de 3 lignes, 3 colonnes ;Tetière de 1 lignes ;Ligne 1 : Voies métaboliques étudiées;Sujet non entraîné;Sujet après 6 mois d'entraînement;Corps du tableau de 2 lignes ;Ligne 1 : Quantité d'ATP formée par glycolyse anaérobie (en µmol d'ATP/min par gramme de muscle); 208; 144; Ligne 2 : Quantité d'ATP formée par voie aérobie (en µmol d'ATP/min par gramme de muscle); 26; 52;

L'activité des enzymes mitochondriales est plus importante chez un individu entraîné que chez un individu non entraîné.

Document 6Entraînement en résistance et effet sur les fibres musculaires

Les cellules satellites sont des cellules non différenciées, juxtaposées aux fibres musculaires et assurant leur régénération après lésion.

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Les clés du sujet

Étape 1. Exploiter les documents

Extrayez de chaque document les informations relatives aux modifications des fibres musculaires suite à une période d'entraînement en endurance d'une part (doc. 3, 4 et 5) et en résistance d'autre part (doc. 1, 3 et 6).

Étape 2. Construire la réponse

Mettez en relation les données précédentes avec des connaissances sur les myofilaments de myosine impliqués dans la contraction musculaire (doc. 2 et 3) et sur le métabolisme des fibres (doc. 4 et 5).

Rédigez la réponse en commençant par poser la problématique, à laquelle il faut répondre clairement en conclusion. Utilisez des connecteurs logiques et citez des valeurs ou des proportions afin de donner cohérence et rigueur à la démarche.

Introduction

En fonction du type d'entraînement proposé, en endurance ou en résistance, un sportif verra ses performances musculaires s'améliorer spécifiquement. Comment les caractéristiques des fibres musculaires peuvent-elles être modifiées par ces deux types d'entraînement et ainsi permettre une amélioration des performances musculaires ?

à noter

Pour être performant en endurance, un muscle doit pouvoir se contracter sur une longue durée, donc produire de l'ATP longtemps, alors que pour être performant en résistance, il doit être capable de produire ­rapidement de l'ATP pour une contraction de courte durée.

I. Des modifications du type de fibres en fonction de l'entraînement

Le document 1 présente la composition d'un muscle en fibres musculaires avant ou après un entraînement. Il permet de démontrer qu'un même muscle contient les deux types de fibres, de type I et de type II, en proportion quasi équivalente avant un entraînement (T).

Après des exercices d'endurance (A), les fibres de type I (en gris foncé) sont deux fois plus abondantes que les fibres de type II, mais elles ont gardé la même taille : des fibres de type I ont remplacé des fibres de type II. En revanche, après des exercices de résistance (B), le diamètre et la proportion des fibres de type II ont augmenté (par rapport à T). Des fibres de type II ont été remplacées par des fibres de type I. On peut supposer que des fibres de type II se sont transformées en fibres de type I suite à des entraînements en endurance et inversement suite à des entraînements en résistance.

II. Des modifications structurales des fibres

Le document 2 permet de proposer une explication à ce phénomène. On sait que les myofibrilles constituant les fibres sont composées de protéines musculaires contractiles : les myofilaments de myosine et d'actine. En fonction de la chaîne lourde dont elle est constituée, la myosine peut exister sous différentes versions : MHC I dans les fibres de type I, MHC IIA et MHC IIX dans les fibres de type II (doc. 2).

Or, après entraînement (doc. 3), les fibres de type I expriment des MHC II normalement caractéristiques de fibres de type II et les fibres de type II expriment des MHC I caractéristiques des fibres de type I. Dans tous les cas, ce sont les chaînes lourdes MHC IIA qui sont davantage exprimées.

On en déduit que sous l'effet d'un entraînement d'endurance les fibres de type II ont produit des protéines contractiles caractéristiques des fibres de type I et IIA permettant une contraction plus lente et que sous l'effet d'un entraînement de résistance les fibres de type I ont produit des protéines contractiles caractéristiques essentiellement des fibres de type IIA et IIX qui permettent une contraction plus rapide.

Il y a donc bien eu modification des caractéristiques structurales des fibres sous l'effet de l'entraînement. Les fibres de type I et de type IIX se sont transformées essentiellement en fibres de type IIA.

Ceci est confirmé en partie par le document 6. Lors d'un exercice en résistance, les cellules satellites fusionnent avec les fibres musculaires, augmentant le nombre de leurs noyaux et par là même leur pouvoir de transcription. Ceci entraîne une augmentation de la synthèse des protéines musculaires (dont la myosine), ce qui explique l'augmentation de la taille et du nombre de myofibrilles, car elles sont constituées de ces protéines. Ainsi la taille des fibres augmente.

III. Des modifications du métabolisme des fibres

Les documents 4 et 5 montrent un dernier effet de l'entraînement : une modification du métabolisme cellulaire des fibres. Sous l'effet d'un entraînement en endurance, le nombre de mitochondries contenues par les fibres musculaires double en cinq semaines (doc. 4) et l'activité des enzymes mitochondriales augmente (doc. 5). Or les enzymes mitochondriales interviennent dans le métabolisme aérobie essentiellement utilisé lors d'efforts longs et peu intenses. Cependant, le volume de mitochondries retrouve sa valeur de base en quatre semaines si l'individu cesse de s'entraîner, donc ces modifications métaboliques sont bien imputables à l'entraînement.

à noter

Les fibres de type I sont oxydatives, les fibres de type IIX sont glycolytiques et les fibres de type IIA sont mixtes.

Enfin, on observe aussi au bout de 6 mois que, chez un sujet entraîné en endurance, la quantité d'ATP formée par glycolyse anaérobie, c'est-à-dire la fermentation lactique, a diminué d'un tiers, alors que celle formée par la voie aérobie, c'est-à-dire la respiration cellulaire, a doublé (doc. 5). L'ensemble de ces données montre qu'il y a dans le muscle une diminution de l'activité de la voie métabolique anaérobie au profit d'une augmentation de l'activité de la voie aérobie, donc davantage de fibres utilisant préférentiellement la respiration cellulaire.

Conclusion

Ainsi, sous l'effet de l'entraînement en endurance, des fibres musculaires de type II composées de myosines MHC IIX et MHC IIA vont exprimer des myosines MHC I et MHC IIA ; leur nombre de mitochondries, ainsi que l'activité de leurs enzymes vont augmenter, conduisant à leur transformation en fibres de type I oxydatives ou MHC IIA mixtes, c'est-à-dire oxydatives et glycolytiques. Par ces modifications structurales et métaboliques, elles deviennent capables de fournir l'énergie nécessaire à un effort long et peu intense : le muscle devient donc plus performant dans ce type d'effort.

De même, sous l'effet de l'entraînement en résistance, des fibres musculaires de type I composées de myosines MHC I vont exprimer des myosines MHC II, conduisant à leur transformation en fibres de type IIA mixtes ou de type IIX glycolytiques. De plus, toutes les fibres de type II vont augmenter de volume. Par ces modifications structurales, elles deviennent capables de fournir l'énergie et la force nécessaires à un effort court et intense : le muscle devient donc plus performant dans ce type d'effort.

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