▶ À partir de l'exploitation des documents et de l'utilisation des connaissances, expliquez les mécanismes énergétiques qui assurent le maintien des différences de concentrations ioniques pour une cellule nerveuse.
Document 1 Fonctionnement de la pompe sodium-potassium (représentation schématique) et concentrations intracellulaires en ions
La pompe permet d'échanger les ions sodium (Na+) issus du milieu intracellulaire avec les ions potassium (K+) issus du milieu extracellulaire dans un rapport précis (3 Na+/2 K+).
D'après Biologie TD, collection Tavernier, 1989
Document 2 Mesures de concentrations intracellulaires en ions Na+ et K+ pour un neurone dans différents milieux de culture
| Composition du milieu | Na+ en mmol ⋅ l–1 | K+ en mmol ⋅ l–1 |
| Sans glucose | 77 | 85 |
| Avec glucose | 15 | 150 |
| Avec glucose + inhibiteur de la glycolyse | 64 | 93 |
| Avec pyruvate | 18 | 148 |
| Avec pyruvate + inhibiteur de la glycolyse | 23 | 117 |
Rappel : le pyruvate est le produit final de la glycolyse.
D'après ddata.over-blog.com
Document 3 Effets du cyanure sur la consommation en dioxygène du neurone
On suit l'évolution de la teneur en dioxygène du milieu de culture dans lequel sont placés des neurones, avant et après ajout de cyanure. Ce dernier traverse facilement les membranes cellulaires.
D'après SVT, collection Duco, 2012
Document 4 Effets du cyanure et de l'ATP sur des neurones de calmar
Caldwell et Keynes ont placé des neurones de calmar contenant des ions 24Na+ radioactifs dans de l'eau de mer. Ils ont mesuré la vitesse de sortie de ces ions dans trois conditions différentes :
eau de mer,
eau de mer additionnée de cyanure,
injection d'ATP dans le neurone en présence de cyanure.
De l'ATP ajouté à l'eau de mer mais non injecté dans le neurone n'a aucun effet.
D'après www.didier-pol.net/6SET696.html
Les clés du sujet
Comprendre le sujet
Même si le support documentaire est relatif à la cellule nerveuse, il s'agit bien d'une question portant sur l'énergétique cellulaire, à savoir les mécanismes producteurs et consommateurs d'ATP dans la cellule.
Dans un premier temps, il faut montrer que le fonctionnement de la pompe entretient les différences de concentrations ioniques entre les milieux extra- et intracellulaires en consommant de l'ATP. L'ATP est la seule source d'énergie qu'utilise la pompe pour fonctionner. Il faut alors signaler que la cellule ne possède pas de réserves d'ATP le fonctionnement de la pompe est donc tributaire d'une production permanente d'ATP par la cellule. Dans un deuxième temps, l'exploitation des documents doit avoir pour objectif de dégager les mécanismes producteurs d'ATP dans la cellule.
Le document 2 fournit des résultats d'expériences différant par divers paramètres. Dans ce cas, il est judicieux d'utiliser la méthode comparative, c'est-à-dire comparer les résultats d'expériences différant par un seul paramètre plutôt que d'analyser les résultats d'expériences un par un.
Les informations sur le fonctionnement de la pompe sont fournies par deux types de données. Un premier type, direct, est une information sur l'intensité des échanges ioniques entre les milieux extra- et intracellulaires. Un deuxième type, indirect, est la valeur des concentrations ioniques dans les deux milieux par rapport à la référence que constituent les valeurs physiologiques. Un écart important indique que la pompe ne fonctionne pas.
Mobiliser ses connaissances
L'ATP joue un rôle majeur dans les couplages énergétiques nécessaires au fonctionnement des cellules.
La mitochondrie joue un rôle majeur dans la respiration cellulaire. L'oxydation du glucose comprend la glycolyse (dans le hyaloplasme) puis le cycle de Krebs dans la mitochondrie. Dans leur ensemble, ces réactions produisent du CO2 et des composés réduits RH2.
La chaîne respiratoire mitochondriale permet la réoxydation des composés réduits ainsi que la réduction du dioxygène en eau. Ces réactions s'accompagnent d'une production d'ATP qui permet les activités cellulaires.
Corrigé
Introduction
Les cellules, et notamment les neurones, maintiennent des différences importantes de concentrations des ions Na+ et K+ entre leur milieu intracellulaire et le milieu extracellulaire avec lequel elles sont en contact. En exploitant les informations extraites des documents, nous allons envisager la façon dont sont entretenues ces différences de concentrations ioniques et en quoi cet entretien est dépendant du métabolisme énergétique de la cellule.
I. L'ATP et le fonctionnement de la pompe Na+ – K+
La figure du document 1 montre que la pompe est une macromolécule traversant la membrane plasmique. Lorsqu'elle fonctionne, elle assure un transfert simultané d'ions Na+ du milieu intracellulaire vers le milieu extracellulaire et d'ions K+ en sens inverse. Les sens de ces transferts ioniques indiquent que l'activité de la pompe est capable d'entretenir les différences de concentrations ioniques.
Attention !
Il y a bien sûr un très grand nombre de protéines pompes dans la membrane cellulaire. Dans la suite du corrigé, on utilisera l'expression « la pompe » pour désigner l'ensemble des pompes Na+- K+.
Cette figure indique en outre que l'activité de la pompe est couplée à l'hydrolyse de l'ATP en ADP. Autrement dit, la pompe a une activité enzymatique qui catalyse l'hydrolyse de l'ATP, ce qui indique que la pompe est une protéine membranaire.
Le tableau du document 1 indique que l'inhibition de l'hydrolyse de l'ATP par la digitaline a pour conséquence une augmentation considérable de la concentration en ions Na+ du milieu intracellulaire ainsi qu'une diminution nette de celle en ions K+. Cela signifie que la pompe ne fonctionne pas normalement, et donc que l'hydrolyse de l'ATP par la pompe est absolument indispensable à son activité.
Le document 4 indique que le cyanure a pour effet de diminuer considérablement la vitesse de sortie des ions Na+ de la cellule, ce qui signifie une réduction presque totale de l'activité de la pompe. Cependant, même en présence de cyanure, l'ajout d'ATP suffit pour augmenter la vitesse de sortie des ions Na+, et ce d'autant plus que l'ajout d'ATP dans la cellule nerveuse est fort. Cela indique que le cyanure n'agit pas directement sur la pompe, et surtout que l'ATP suffit à son fonctionnement. Mais pour cela, il faut que l'ATP soit dans le milieu intracellulaire, là où se trouve le site catalytique de la protéine-pompe.
Notez bien
L'ATP ajouté à l'eau de mer ne pénètre pas dans la cellule.
En conclusion, on voit que le couplage entre l'hydrolyse de l'ATP et les transferts ioniques réalisés par la protéine-pompe est nécessaire et suffisant pour entretenir les différences de concentrations ioniques entre la cellule et son milieu de vie.
L'hydrolyse de l'ATP fournit l'énergie nécessaire à la pompe pour assurer les transferts ioniques. S'agissant d'une activité enzymatique, on peut supposer que l'énergie fournie par l'ATP participe à un changement de conformation de la pompe, permettant ainsi le passage des ions.
II. La régénération de l'ATP nécessaire au fonctionnement de la pompe
Il faut expliquer comment le cyanure diminue indirectement l'activité de la pompe. Comme seul l'ATP est nécessaire à l'activité de cette dernière, le cyanure doit agir sur l'apport d'ATP. Le fonctionnement de la pompe « consomme de l'ATP », dont la concentration tend donc à diminuer. Les réserves d'ATP de la cellule sont extrêmement faibles, et l'ATP doit être constamment régénéré à partir de l'ADP et du phosphate pour que la pompe continue à fonctionner. C'est ce mécanisme de régénération de l'ATP qui est affecté par le cyanure. En présence de cyanure, la pompe cesse de fonctionner faute de régénération de l'ATP.
Info
Notez que la chute rapide et très importante de la vitesse de sortie des ions Na+ suite à l'ajout de cyanure à l'eau de mer traduit les très faibles réserves d'ATP intracellulaire.
Le document 3 montre que l'ajout de cyanure au milieu où sont placés des neurones a pour effet de maintenir stable la concentration en dioxygène du milieu, alors qu'elle diminuait auparavant. Autrement dit, l'ajout de cyanure a pour effet de faire cesser le prélèvement de dioxygène par les neurones leur respiration est interrompue par le cyanure. En réunissant les deux conclusions précédentes, on peut conclure que le cyanure bloque le fonctionnement de la pompe en stoppant la respiration cellulaire qui assure la régénération de l'ATP.
Le document 2 permet de préciser dans une certaine mesure les mécanismes énergétiques qui assurent la régénération de l'ATP.
Notez bien
Il faut comparer les valeurs numériques du document 2 avec celles du tableau du document 1 pour apprécier si les concentrations ioniques sont proches ou éloignées des valeurs normales physiologiques. Il ne faut pas essayer d'interpréter de faibles différences.
La comparaison des résultats des expériences 1 (sans glucose) et 2 (apport de glucose) indique que le glucose suffit pour maintenir les concentrations intracellulaires de Na+ et de K+ à leur valeur normale, donc assurer le fonctionnement de la pompe.
En d'autres termes, l'utilisation de glucose par le neurone suffit pour régénérer l'ATP nécessaire à l'activité de la pompe.
La comparaison des expériences 2 (glucose) et 3 (glucose + inhibiteur de la glycolyse) indique que la dégradation du glucose en pyruvate par la glycolyse est nécessaire pour régénérer suffisamment d'ATP pour le fonctionnement de la pompe.
La comparaison des expériences 3 (glucose, inhibiteur de la glycolyse) et 5 (pyruvate, inhibiteur de la glycolyse) indique que ce ne sont pas les réactions de la glycolyse qui assurent en elles-mêmes assez la régénération d'ATP. La glycolyse est indispensable, car elle produit du pyruvate qui suffit à régénérer suffisamment d'ATP pour le fonctionnement de la pompe, comme le montre l'expérience 4 (apport de pyruvate au neurone).
Bilan
Le maintien des différences de concentrations ioniques entre les milieux extra- et intracellulaires du neurone est assuré par des pompes Na+- K+ membranaires qui assurent un transfert simultané du Na+ du milieu intracellulaire vers le milieu extracellulaire et du K+ en sens inverse. Ce transfert nécessite de l'énergie qui est fournie par l'hydrolyse de l'ATP réalisée par l'activité enzymatique de la pompe. Il y a un couplage entre l'hydrolyse de l'ATP et les transferts ioniques vraisemblablement autorisés par un changement de configuration de la pompe. L'activité de la pompe est permanente et cela est rendu possible par la régénération de l'ATP résultant de la dégradation d'un métabolite comme le glucose. Le glucose puisé par la cellule nerveuse dans le milieu extracellulaire est dégradé en pyruvate dans le cytoplasme suite aux réactions de la glycolyse. Le pyruvate est dégradé dans les mitochondries au cours de réactions qui nécessitent du dioxygène. C'est cette dégradation qui est couplée à la synthèse d'ATP à partir d'ADP et de phosphate, laquelle permet la poursuite de l'activité de la pompe et donc le maintien des différences de concentrations ioniques à l'origine du potentiel de repos du neurone.
Remarque : dans le bilan, on s'est limité à prendre en compte les éléments mentionnés dans les documents. On n'a pas apporté de données supplémentaires sur les mécanismes de dégradation du pyruvate dans les mitochondries (cycle de Krebs, production de transporteurs réduits, oxydation de ces transporteurs associée à la réduction du dioxygène au cours du fonctionnement des chaînes d'oxydo-réduction des crêtes mitochondriales avec couplage à la synthèse d'ATP). Ce n'est pas une question de restitution de connaissances seules importent les connaissances indispensables à l'interprétation des documents.