Annale corrigée Pratique du raisonnement scientifique 1

La maladie de Mc Ardle

Exercice 2

La maladie de Mc Ardle

1 heure

8 points

Intérêt du sujet • Ce sujet d'entraînement à la pratique du raisonnement scientifique aborde le métabolisme des fibres musculaires à travers l'exemple d'une myopathie, la maladie de Mc Ardle, qui provoque des douleurs et des crampes musculaires graves. 

 

La maladie de Mc Ardle se manifeste après moins d'une minute d'exercice intense par une faiblesse des muscles squelettiques et des douleurs musculaires rendant difficile la poursuite de l'activité physique.

Néanmoins, on a remarqué que les personnes atteintes ont la capacité de reprendre un effort long mais de faible intensité après une courte pause (effet de second souffle). On parle donc d'intolérance à l'effort court et intense.

À partir des documents et de vos connaissances, expliquez l'origine de la maladie de Mc Ardle ainsi que les capacités physiques des individus atteints.

Document de référence

Principales étapes du métabolisme énergétique dans une cellule musculaire

L'ATP est une molécule de transfert de l'énergie au sein des cellules ; elle est nécessaire à la contraction des muscles. Dès les dix premières secondes d'un effort, la cellule musculaire consomme les réserves d'ATP dont elle dispose. Elle doit donc régénérer de l'ATP grâce à différentes voies énergétiques.

La réalisation des réactions chimiques nécessite l'action de protéines enzymatiques spécifiques.

svtT_2000_00_25C_01

Document 1Origine et rôle de la myophosphorylase

La myophosphorylase est une enzyme spécifique des cellules musculaires, qui intervient dans la glycogénolyse :

GlycogèneMyophosphorylaseGlucose-1-phosphateGlucose

Le tableau suivant indique les fragments du brin transcrit du gène PYGM codant la myophosphorylase et les séquences peptidiques correspondantes.

Tableau de 3 lignes, 3 colonnes ;Tetière de 1 lignes ;Ligne 1 : ;Séquences nucléotidiques;Séquences peptidiques;Corps du tableau de 2 lignes ;Ligne 1 : Individu sain;  148 2526…CCA CGA… …GGA;  50 842… Pro Arg… …Ile; Ligne 2 : Patient Mc Ardle;  148 2526…CCA TGA… …GGA;  49… Pro;

Les chiffres correspondent au numéro de nucléotide ou d'acide aminé de la séquence étudiée. Les pointillés signifient que les nucléotides ou les acides aminés sont identiques.

Document 2Mise en évidence du glycogène et de la myophosphorylase dans un muscle de la cuisse

Dans les coupes transversales de muscle observées au microscope, le glycogène est coloré en violet.

Tableau de 3 lignes, 3 colonnes ;Tetière de 1 lignes ;Ligne 1 : ;Sujet atteint de la maladie de Mc Ardle;Sujet sain;Corps du tableau de 2 lignes ;Ligne 1 : Glycogène musculaire; ; ; Ligne 2 : Myophosphorylase (UA/g de tissu musculaire); 1; 34 ± 18;

Document 3La production d'acide lactique

On demande à un sujet atteint de la maladie de Mc Ardle et à un sujet sain de serrer régulièrement la main autour d'un cylindre relié à un système de mesure, afin d'évaluer la force musculaire lors d'efforts physiques courts et intenses. On mesure en même temps, grâce à des prélèvements sanguins réguliers, la quantité de lactate dans le sang, issu du métabolisme musculaire.

svtT_2000_00_25C_03

Document 4Comparaison de la quantité d'ATP produite lors de la dégradation d'une molécule de substrat

Tableau de 3 lignes, 3 colonnes ;Tetière de 1 lignes ;Ligne 1 : Nature du substrat;Molécules d'ATP formées;Molécules d'O2 consommées;Corps du tableau de 2 lignes ;Ligne 1 : Glucose; 36 ; 12; Ligne 2 : Acide palmitique (acide gras); 129 ; 50;
 

Les clés du sujet

Étape 1. Exploiter les documents

Extrayez les informations pertinentes de chaque document qui, mises en relation avec le document de référence, permettent de déterminer l'origine génétique de la maladie (doc. 1), ses conséquences sur la réalisation du métabolisme cellulaire assurant une production d'énergie rapide (doc. 2 et 3) ou plus longue (doc. 4).

Mettez en relation les données précédentes avec vos connaissances sur les mutations génétiques et leur impact sur les protéines traduites (doc. 1), ainsi que sur les différentes voies du métabolisme énergétique préférentiellement utilisées dans des efforts courts et intenses (doc. 2 et 3) ou longs mais peu intenses (doc. 4).

Étape 2. Construire la réponse

Rédigez la réponse en commençant par poser clairement la problématique. Utilisez des connecteurs logiques et citez des valeurs ou des proportions afin de donner de la rigueur à la démarche.

Introduction

Un individu atteint de la maladie de Mc Ardle présente une intolérance à l'effort court et intense, mais peut fournir un effort long et peu intense. Comment expliquer les capacités physiques d'un individu malade et leur origine ?

I. Origine moléculaire de la maladie de Mc Ardle

D'après le document 1 mis en relation avec le document de référence, la myophosphorylase est une enzyme de la glycogénolyse qui permet la dégradation du glycogène en glucose-1-phosphate. Celui-ci permet ensuite la production d'ATP grâce à la glycolyse anaérobie ou la respiration cellulaire.

Chez un individu malade, la séquence du gène codant cette enzyme est mutée en position 148, une cytosine est remplacée par une thymine. La séquence peptidique est donc modifiée, car le triplet TGA correspond à un codon-stop : la synthèse de la protéine est interrompue et la protéine résultante est seulement constituée de 49 acides aminés au lieu de 842. La protéine produite n'est donc probablement pas une myophosphorylase fonctionnelle.

à noter

Les séquences de nucléotides sont traduites en séquences peptidiques ; à un triplet de nucléotides correspond un acide aminé.

Le document 2 confirme ces observations. Les cellules musculaires d'un individu malade contiennent très peu de myophosphorylase (1 UA/g de tissu musculaire) comparé à un individu sain (34 UA/g de tissu musculaire). En même temps, la coloration très foncée des cellules révèle une forte concentration en glycogène chez les individus malades.

On en déduit que, sans myophosphorylase fonctionnelle, les cellules musculaires ne peuvent pas dégrader le glycogène, ce qui explique que sa concentration cellulaire augmente.

II. Conséquences sur le métabolisme cellulaire

D'après le document 3, une personne saine voit sa concentration en lactate multipliée par trois au cours d'un effort court et intense, alors qu'elle reste stable chez un individu malade. Or on sait que le lactate est une molécule produite lors de la fermentation lactique (voie anaérobie lactique) qui est la voie productrice d'ATP privilégiée lors de ce type d'effort.

On en déduit que le patient est capable de réaliser la glycolyse anaérobie, mais uniquement en dégradant le glucose sanguin. Celui-ci n'étant pas disponible rapidement en grande quantité, la glycolyse n'a qu'un très faible rendement.

Or d'autres voies métaboliques, comme la β-oxydation, permettent la production d'ATP sans glucides. Le document de référence montre que cette voie consiste en une dégradation des lipides (acides gras) en acétyl-CoA, qui entre ensuite dans le cycle de Krebs, ce qui conduit à la phosphorylation oxydative. Or, d'après le document 4, cette voie aérobie (car il y a consommation de dioxygène) produit trois fois plus d'ATP que celle démarrant par la glycolyse. Cependant, les voies métaboliques aérobies mettent quelques minutes à produire de l'ATP du fait des besoins en dioxygène et du nombre de réactions impliquées.

III. Conséquences sur les capacités physiques

Un individu sera atteint de la maladie de Mc Ardle s'il possède les allèles mutés du gène codant pour la myophosphorylase : c'est donc une myopathie d'origine génétique.

à noter

La maladie de Mc Ardle est une maladie génétique récessive : il faut être porteur des deux allèles défectueux pour en être atteint.

En l'absence de myophosphorylase, les cellules musculaires du malade ne produisent que très peu d'énergie via les voies métaboliques « rapides » comme la glycolyse anaérobie, car il leur est impossible de dégrader le glycogène en glucose (seul le glucose sanguin est alors utilisable) : un effort bref et intense est donc difficile.

à noter

En l'absence de glycogène, le tissu musculaire lui-même est dégradé et utilisé comme source d'énergie, entraînant la dégradation des fibres musculaires.

En revanche, elles sont capables de produire de l'énergie par une voie oxydative à partir d'acides gras. Mais cette voie aérobie est plus lente à produire de l'ATP, ce qui peut expliquer qu'un effort soit possible, mais seulement s'il est peu intense et long comme dans l'effet de second souffle.

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