Annale corrigée

La production d'ATP dans les cellules musculaires

Exercice 1

La production d'ATP dans les cellules musculaires

1 h 30

7 points

Intérêt du sujet • Étudiez le métabolisme énergétique de l'effort et distinguez les voies énergétiques mobilisées en fonction de la nature de cet effort.

 

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.

Expliquez à l'entraîneur d'où provient l'énergie utilisée par les cellules musculaires dans ces deux types de course.

Les documents fournis sont conçus comme une aide : ils peuvent vous permettre d'illustrer votre exposé, mais leur analyse n'est pas attendue.

DOCUMENT 1Les 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.

Tableau de 3 lignes, 4 colonnes ;Tetière de 1 lignes ;Ligne 1 : ;Voie 1Anaérobie alactique;Voie 2Anaérobie lactique;Voie 3Aérobie;Corps du tableau de 2 lignes ;Ligne 1 : Substrats utilisés; Créatine phosphate + ADP; Glucose ou autressubstrats + ADP; Glucose ou autres substrats + O2 + ADP; Ligne 2 : 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 2Performances 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.

Les 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 sont renseignées dans le tableau ci-dessous.

Tableau de 7 lignes, 3 colonnes ;Tetière de 2 lignes ;Ligne 1 : Distance de la course (en mètres);Contribution relative (en %);Ligne 2 : Voies anaérobies;Voie aérobie;Corps du tableau de 5 lignes ;Ligne 1 : 100; 90; 10; Ligne 2 : 200; 60; 40; Ligne 3 : 400; 40; 60; Ligne 4 : 800; 17; 83; Ligne 5 : 1 500; 10; 90;

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

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

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

svtT_2000_00_06C_01

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

 

Les clés du sujet

Étape 1. Comprendre le sujet

Il faut partir du fait que l'ATP est la seule source d'énergie qui permet la contraction musculaire et que les réserves cellulaires d'ATP sont infimes. Ce sont les mécanismes qui permettent de renouveler l'ATP au cours de l'effort qu'il faut exposer.

Il faut ensuite envisager l'implication des voies métaboliques décrites dans des exercices intenses et de durée différente.

Étape 2. Exploiter les documents

Le document 1 indique, d'un point de vue qualitatif et non quantitatif, le bilan global des trois voies métaboliques assurant la production d'ATP.

Le document 2 renseigne sur la contribution des voies métaboliques à la régénération de l'ATP en fonction de l'intensité et, surtout, de la durée de l'effort chez des nageurs.

Le document 3 précise quantitativement l'intervention des trois voies métaboliques au cours d'efforts de durée variable.

Étape 3. Construire la réponse

Tableau de 4 lignes, 2 colonnes ;Corps du tableau de 4 lignes ;Ligne 1 : I. Différents mécanismes de régénération de l'ATP; Exposez les mécanismes anaérobies et aérobies renouvelant l'ATP.Localisez dans la cellule (fibre) musculaire l'endroit où ont lieu les métabolismes.; Ligne 2 : II. La régénération de l'ATP durant le 100 mètres nage; Expliquez pourquoi la contribution des mécanismes anaérobies au renouvellement de l'ATP est prépondérante au cours d'exercices intenses de courte durée.; Ligne 3 : III. La régénération de l'ATP durant le 1 500 mètres nage; Expliquez pourquoi les mécanismes anaérobies, contrairement aux mécanismes aérobies, ne peuvent assurer la production d'ATP au cours d'exercices intenses de longue durée.; Ligne 4 : Bilan; Proposez un schéma de synthèse des voies métaboliques.;

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.

A. Les voies anaérobies sont de deux types

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). 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.

B. La voie aérobie

Le bilan global de cette voie 3 est :

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

Ce bilan global résulte de deux phases :

la première, commune avec la voie 2, est la glycolyse et fournit 2 molécules d'ATP ;

la deuxième a lieu dans les mitochondries et nécessite du dioxygène. Le pyruvate issu de la glycolyse 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.

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 piège à éviter

Attention, le document 3 ne se rapporte pas à des épreuves de natation, mais à des épreuves d'athlétisme.

Le 100 mètres de natation correspond à peu près à un 400 mètres en athlétisme et le 1 500 mètres de natation à un peu plus de 5 000 mètres en athlétisme.

On peut préciser ces données grâce aux informations du document 3 :

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 (voie 3) 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 3 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

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.

Les voies anaérobies, essentiellement la voie 2 lactique, sont prépondérantes pendant la première minute et pendant le sprint final éventuellement.

Ensuite, le renouvellement de l'ATP est de plus en plus assuré par la voie aérobie qui l'assure quasiment à elle seule au bout de quelques minutes. 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 (figure 1)

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.

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.

à noter

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.

svtT_2000_00_06C_02

Figure 1. Schéma de synthèse
Portion de cellule musculaire avec localisation
des voies métaboliques 2 et 3

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