La production d’ATP dans les cellules musculaires

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Annales corrigées
Classe(s) : Tle S | Thème(s) : Énergie et cellule vivante
Type : Pratique du raisonnement scientifique 2 | Année : 2014 | Académie : France métropolitaine
Corpus Corpus 1
La production d’ATP dans les cellules musculaires

Énergie et cellule vivante

svtT_1409_07_07C

Spécialité

40

France métropolitaine • Septembre 2014

pratique du raisonnement scientifique

Exercice 2 • 5 points

L’entraîneur d’une équipe de natation souhaite comprendre d’où vient l’énergie utilisée par les muscles lors des courses de 100 mètres et de 1 500 mètres, afin d’adapter ses séances d’entraînement.

> Vous êtes chargé d’expliquer à l’entraîneur d’où provient l’énergie utilisée par les cellules musculaires dans ces deux types de course.

Vous devez lui rédiger un document explicatif, en utilisant les données des documents et vos connaissances. Situez les voies métaboliques 2 et 3 du document 1 sur le schéma ci-après.

Les voies métaboliques énergétiques dans une portion de cellule musculaire


 

Schéma à compléter

 DOCUMENT 1 
Les différentes voies métaboliques de régénération de l’ATP dans les cellules musculaires

Lors d’un effort, une cellule musculaire consomme de très nombreuses molécules d’ATP. Elle régénère ces molécules grâce à trois voies métaboliques décrites ci-dessous.

 

Voie 1 : anaérobie alactique

Voie 2 : anaérobie lactique

Voie 3 : aérobie

Substrats utilisés

Créatine phosphate + ADP

Glucose ou autres substrats + ADP

Glucose ou autres substrats + O2 + ADP

Produits formés

Créatine + ATP

Acide lactique + ATP

H2O + CO2 + ATP

 

D’après L’Exercice musculaire, C. Lacoste et D. Richard, Nathan Université, collection 128

 DOCUMENT 2 
Performances et données métaboliques chez des nageurs professionnels

Aux derniers Jeux olympiques d’été, le médaillé d’or du 1 500 m nage libre homme a mis 14 minutes 31 secondes pour parcourir la distance. Sa vitesse moyenne était donc de 103 m/min. Le médaillé d’or du 100 m nage libre a mis 47 secondes et 52 centièmes. Sa vitesse moyenne était donc de 125 m/min.

Contributions relatives de la voie aérobie et des voies anaérobies selon les types de course et selon les vitesses atteintes par des nageurs de niveau olympique

 

Distance de la course (en mètres)

Contribution relative en %

Voies anaérobies

Voie aérobie

100

90

10

200

60

40

400

40

60

800

17

83

1 500

10

90

 

D’après L’Exercice musculaire, C. Lacoste et D. Richard, Nathan Université, collection 128

 DOCUMENT 3 
Mise en jeu des trois voies métaboliques en fonction de la durée d’un exercice musculaire

On considère que l’effort maximal fourni lors d’un 100 m correspond à une dépense énergétique de 100 %.


 

D’après Cometti et al., 1989 - svt.ac-dijon.fr/schemassvt

Les clés du sujet

Comprendre le sujet

  • Il faut partir du fait que l’ATP est la source d’énergie qui permet la contraction musculaire et que les réserves cellulaires d’ATP sont infimes, ne permettant d’entretenir la contraction que pendant une à deux secondes. Ce sont les mécanismes qui renouvellent l’ATP au cours de l’effort qui vont être envisagés.
  • Il n’est pas question d’étudier ici la façon dont les fibrilles musculaires (myofibrilles) utilisent cet ATP, même si le schéma à compléter pourrait le laisser penser.
  • Les documents fournissent beaucoup d’informations. L’apport des connaissances est cependant nécessaire si on ne veut pas risquer de paraphraser ces documents. Toutefois, il faut limiter cet apport à l’essentiel : les intermédiaires métaboliques principaux impliqués dans les mécanismes conduisant au renouvellement de l’ATP, en particulier le pyruvate issu de la glycolyse.

Mobiliser ses connaissances

  • La fibre musculaire utilise l’ATP fourni, selon les circonstances, par la fermentation lactique ou la respiration.
  • La mitochondrie joue un rôle essentiel dans la respiration.
  • L’oxydation du glucose fait intervenir la glycolyse.
Corrigé
Corrigé

Introduction

L’ATP est l’unique source d’énergie utilisable pour la contraction des cellules musculaires. Les réserves cellulaires d’ATP sont très faibles, de sorte que l’ATP doit être sans cesse régénéré dans la cellule musculaire pour entretenir sa contraction.

Nous allons envisager les mécanismes énergétiques assurant ce renouvellement de l’ATP chez des nageurs au cours de deux épreuves, l’une relativement courte, le 100 mètres, et l’autre beaucoup plus longue, le 1 500 mètres.

I. Des mécanismes différents de régénération de l’ATP

Le document 1 indique que la régénération de l’ATP peut se faire par trois voies métaboliques, deux anaérobies, c’est-à-dire ne nécessitant pas de dioxygène, et une troisième aérobie.

1. Les voies anaérobies sont de deux types (exploitation du document 1)

  • Une voie anaérobie alactique (voie 1), ainsi nommée car elle n’entraîne pas la production d’acide lactique, contrairement à la voie 2 lactique.

Elle se déroule en une seule réaction catalysée par une enzyme :

Créatine phosphate + ADP → Créatine +ATP

  • Une voie anaérobie lactique (voie 2) qui se traduit par la réaction globale :

Glucose + 2 ADP + 2 Pi  → 2 acides lactiques (lactates) +2 ATP (Pi = phosphate) 

  • Contrairement à la voie alactique qui ne fait intervenir qu’une seule réaction chimique, la voie lactique comporte deux phases :
  • la première, appelée glycolyse, dégrade une molécule de glucose en deux molécules d’acide pyruvique (pyruvate) à la suite de nombreuses réactions chimiques. Elle fournit 2 molécules d’ATP par molécule de glucose dégradée ;
  • la seconde, nécessaire pour que la glycolyse se poursuive, se traduit par la réduction des pyruvates en lactates en condition anaérobie.

La créatine phosphate et le glucose (ou sa forme de réserve, le glycogène, présent dans les fibres musculaires) sont les deux sources d’énergie respectives de ces deux voies métaboliques. Les réactions chimiques de ces deux voies ont lieu dans le cytoplasme des fibres. La voie 2, contrairement à la voie 1, produit un déchet métabolique, le lactate.

2. La voie aérobie (exploitation du document 1)

  • Le bilan global de cette voie est :  

C6H12O6 (glucose) + 6 O2+ 36 ADP + 36 Pi  → 6 CO2+ 6 H2O +36 ATP

  • Ce bilan global résulte de deux phases comprenant chacune de nombreuses réactions chimiques :
  • la première, commune avec la voie 2, est la glycolyse. Elle a donc lieu dans le cytoplasme, et fournit deux molécules d’ATP à chaque fois qu’une molécule de glucose est dégradée en deux molécules de pyruvate ;
  • la deuxième a lieu dans les mitochondries et nécessite du dioxygène. Le pyruvate est dégradé en dioxyde de carbone et en eau, et cela s’accompagne de la production de 34 molécules d’ATP. Le dioxyde de carbone est donc un déchet de cette phase.

Le glucose (mais aussi d’autres molécules comme les acides gras) est donc, comme pour la voie 2, la source d’énergie de cette voie aérobie. Cette voie fournit beaucoup plus d’ATP par molécule de glucose dégradée que la voie 2. Pour que les voies 1 et 2 fournissent autant de molécules d’ATP que la voie aérobie, elles doivent dégrader beaucoup de molécules de créatine phosphate pour l’une ou beaucoup de molécules de glucose pour l’autre.

II. La régénération de l’ATP durant le 100 mètres nage

  • Le document 2 indique que, lors d’un 100 mètres à vitesse maximale, 90 % de la régénération de l’ATP sont assurés par les voies anaérobies et seulement 10 % par la voie aérobie.
  • Le document 3 fournit des informations complémentaires :
  • pendant les premières secondes, la voie 1, anaérobie alactique, assure quasiment toute la régénération de l’ATP. Son apport diminue rapidement pour s’annuler vers 30 secondes d’effort ;
  • au bout d’environ 10 secondes, la voie 2 anaérobie lactique contribue de plus en plus à la régénération de l’ATP, pour en assurer 90 % au bout de 40 secondes ;
  • la voie aérobie n’intervient que durant les 20 dernières secondes du 100 mètres, où elle assure 10 à 20 % de la régénération de l’ATP.
  • Les caractéristiques des trois voies métaboliques permettent d’expliquer leurs interventions au cours du 100 mètres nage :
  • ne faisant intervenir qu’une seule réaction chimique, la voie alactique est mise en jeu sans délai. À condition de consommer beaucoup de molécules de créatine phosphate, elle permet d’obtenir beaucoup d’ATP immédiatement. Comme les réserves de créatine phosphate sont limitées et s’épuisent très rapidement, la voie alactique cesse d’être efficace très rapidement ;
  • la voie 2 lactique est plus complexe que la voie 1 alactique, ce qui explique qu’elle soit mise en jeu avec un certain délai et qu’elle n’atteigne son efficacité maximale que vers 40 secondes. Sa source d’énergie, le glucose, est abondant dans les fibres musculaires, ce qui rend compte de son efficacité prolongée par rapport à la voie alactique ;
  • la voie aérobie n’est mise en jeu qu’à la fin du 100 mètres nage, en raison du temps mis par le système cardio-respiratoire à fournir aux muscles le supplément de dioxygène nécessaire à son fonctionnement.

III. La régénération de l’ATP durant le 1 500 mètres nage

  • Le document 2 indique que la voie aérobie assure 90 % du renouvellement de l’ATP au cours d’un 1 500 mètres nagé en moins de 15 minutes, donc très rapidement.
  • Le document 3 montre que les voies anaérobies, essentiellement la voie 2 lactique, sont efficaces pendant les premières minutes.
  • Pendant les 10 dernières minutes, c’est la voie aérobie qui assure quasiment à elle seule la fourniture d’ATP. Elle est efficace longtemps du fait de l’abondance du glucose et de la capacité de l’appareil cardio-respiratoire à fournir davantage de dioxygène pendant longtemps.
  • La voie alactique ne joue qu’un rôle très mineur à cause de l’épuisement très rapide des réserves de créatine phosphate. La voie lactique, malgré l’abondance du glucose, diminue d’efficacité dès la fin de la première minute car le lactate qu’elle engendre est un déchet qui altère les possibilités de contraction des fibres musculaires. Toutefois, cette voie lactique peut être mise en jeu au moment du sprint final, lorsque la dépense d’ATP est maximale et que la voie aérobie ne peut satisfaire totalement ces besoins en ATP.

Bilan

Pour les longues distances, la régénération de l’ATP est assurée essentiellement par la voie métabolique aérobie et dépend en conséquence de la capacité de l’organisme à fournir du dioxygène aux muscles durant l’effort, donc des capacités du système cardio-respiratoire. La production d’ATP par la voie aérobie dépend aussi de la capacité des fibres musculaires à utiliser ce dioxygène grâce à leurs mitochondries. L’entraînement doit viser à améliorer ces capacités.

Notez bien

Au cours d’un 50 m nage parcouru en 22-23 secondes, c’est la voie alactique qui assure la quasi-totalité des besoins en ATP.

Pour les courtes distances, ce sont les voies métaboliques anaérobies qui fournissent très rapidement beaucoup d’ATP, alors que la voie aérobie ne peut satisfaire les besoins en ATP pendant des efforts brefs et intenses. L’entraînement doit viser à améliorer les capacités de ces voies anaérobies.

Portion de cellule musculaire avec localisation des voies métaboliques 2 et 3


 

Schéma complété