Métabolisme énergétique 
des 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 : 2010 | Académie : Antilles, Guyane
 
Unit 1 - | Corpus Sujets - 1 Sujet
 
Métabolisme énergétique
des cellules musculaires
 
 

Énergie et cellule vivante

Corrigé

41

Spécialité

svtT_1009_04_00C

 

Antilles, Guyane • Septembre 2010

pratique du raisonnement scientifique

Exercice 2 • 5 points

La contraction des cellules musculaires consomme de l’ATP. Cette molécule n’est pas stockée dans les cellules et doit être régénérée en permanence.

Les muscles sont constitués de deux grands types de cellules : des fibres de type I et des fibres de type II.

> En exploitant le document 1, et à l’aide de vos connaissances, donnez les caractéristiques de chaque type de fibres musculaires en relation avec son métabolisme énergétique. Montrez, en exploitant l’ensemble des documents 1 à 3, que les athlètes présentent des caractéristiques physiologiques associées aux particularités de leur sport.

Document 1

Tableau de quelques caractéristiques
des fibres musculaires

 

Caractéristiques

Fibres 
de type I

Fibres 
de type II

Vitesse de contraction

faible

élevée

Nombre de capillaires par fibre

4-5

3

Molécules de myoglobine fixatrices d’O2

+ + +

+

Quantité de mitochondries

+ + +

+

ATP synthétase

+ + +

+

Réserves en substrat (glycogène-lipides)

+ + +

+ + +

 

Remarque. Le nombre de signes + est proportionnel à la quantité de produit ou d’organites cellulaires.

Document 2

Pourcentages des deux types de fibres
chez différents athlètes


 

D’après SVT option sciences expérimentales 1re S, Nathan.

Document 3

Puissance énergétique fournie par le muscle
et voie métabolique sollicitée en fonction
de la durée de l’exercice


 

Comprendre le sujet

  • Le sujet vous propose un découpage en deux parties : une première question qu’il faut résoudre à partir des données du document 1, une deuxième question à envisager à l’aide des données des trois documents. Il faut suivre ce découpage. Toutefois, il est bon de lire rapidement l’ensemble des documents avant d’exploiter à fond le document 1. Le document 3 par exemple vous parle de voies aérobie, et anaérobie, ce qui peut vous aider dans l’exploitation du document 1.
  • Pour le document 1, si on veut éviter une paraphrase des données, il est bon de les exploiter de façon comparative et de bien distinguer celles qui sont en rapport avec la livraison de dioxygène aux fibres et celles qui sont en rapport avec l’utilisation du dioxygène par les fibres.
  • Le document 3 est d’exploitation difficile et des précisions manquent d’ailleurs pour une analyse rigoureuse. Bien voir que les 3 voies métaboliques indiquées assurent la régénération de l’ATP et la question à se poser est : assurent-elles la régénération de beaucoup d’ATP et pendant combien de temps ?

Mobiliser ses connaissances

Toute cellule vivante, isolée ou non, animale ou végétale (autotrophe et non autotrophe), régénère son ATP en oxydant des molécules organiques par processus respiratoire et fermentaire. Par contraste avec l’oxydation complète du substrat liée aux mitochondries, une oxydation incomplète est possible par fermentation.

Corrigé

Caractéristiques de chaque type de fibres musculaires

Fibres de type I

La densité des capillaires irrigant les fibres de type I est environ 1,5 fois celle des fibres de type II. Comme le sang approvisionne les fibres musculaires en dioxygène, on peut penser que pendant un temps donné, les fibres de type I peuvent recevoir plus de dioxygène que les fibres de type II. En outre, les fibres de type I sont beaucoup plus riches en myoglobine que les fibres de type II. Or la myoglobine représente pour les fibres musculaires une réserve de dioxygène qui peut être utilisée lorsque la teneur en dioxygène des fibres devient très faible. On peut donc conclure que les fibres de type I peuvent être davantage approvisionnées en dioxygène que les fibres de type II.

La richesse en mitochondries des fibres de type I est beaucoup plus forte que celle de type II. Or les mitochondries sont les organites où a lieu la respiration cellulaire consommatrice de dioxygène qui est couplée avec la production de beaucoup d’ATP. La respiration des fibres de type I peut donc être plus intense que pour les fibres de type II. Cela est confirmé par la richesse en ATP synthétase, enzyme permettant le couplage entre la respiration cellulaire (fonctionnement des chaînes respiratoires mitochondriales) et la synthèse d’ATP, plus grande dans les fibres de type I.

Bien approvisionnées en dioxygène, riches en mitochondries permettant l’utilisation de ce dioxygène, les fibres de type I doivent donc avoir un métabolisme aérobie assurant la régénération de l’ATP au fur et à mesure de son utilisation au cours de la contraction.

Le métabolisme aérobie des fibres de type II est relativement modeste et la capacité de régénération de l’ATP par ce type de métabolisme est réduite.

La teneur en glycogène, qui joue le rôle de réserve en glucose, est la même pour les deux types de fibres. On peut seulement conclure que les deux types possèdent des réserves énergétiques. Le document ne fournit aucun renseignement précis sur le métabolisme énergétique des fibres de type II qui leur permet d’avoir une vitesse de contraction élevée. On peut penser qu’il s’agit d’un métabolisme anaérobie comme la fermentation lactique.

 

Les fibres de type II sont en réalité plus riches en glycogène que les fibres de type I mais, même si vous avez cette connaissance, vous devez vous soumettre aux informations fournies par le document.

Enfin, on peut corréler les différences entre les deux types de fibres avec la différence dans la vitesse de contraction, le métabolisme aérobie étant associé avec une vitesse de contraction lente, le métabolisme anaérobie à une vitesse de contraction élevée.

Caractéristiques des fibres et type de sport

Exploitation du document 2

 

Cette comparaison n’a de sens que si l’on considère les mêmes muscles chez tous les athlètes et des muscles impliqués dans l’exercice.

Les athlètes effectuant des efforts de longue durée (coureurs de fond, skieurs de fond) ont des muscles riches en fibres de type I (70 % et 60 % respectivement). En revanche les athlètes effectuant des efforts de plus courte durée (skieurs de descente et encore plus sprinters et gymnastes) ont des muscles riches en fibres de type II (55 et 65 % respectivement).

Il semble donc exister une corrélation entre le type de fibres musculaires et la durée de l’effort. Les fibres de type I au métabolisme aérobie faciliteraient les efforts de longue durée, les fibres de type II au métabolisme surtout anaérobie les efforts de courte durée nécessitant une vitesse de contraction élevée.

Exploitation du document 3

Les trois voies indiquées sont des voies qui permettent la régénération de l’ATP indispensable à la contraction des muscles.

Au cours d’un effort très bref (de 10 à 20 secondes) mais très puissant, c’est le système de la créatine phosphate qui permet l’essentiel de la régénération de l’ATP nécessaire à la contraction des muscles, le métabolisme ­anaérobie de la fermentation lactique y contribuant pour une faible partie. Mais le système de la créatine phosphate est épuisé au bout de 20 à 30 secondes. À vrai dire, il n’est efficace que pendant les premières secondes. Le système anaérobie de la fermentation lactique atteint son maximum d’efficacité vers 30 à 40 secondes. Au-delà il ne permet que des efforts moins intenses et ne peut se prolonger plus de 2 minutes.

Le métabolisme aérobie est lent à atteindre son efficacité maximale (2 minutes environ) mais ensuite il peut assurer la régénération de l’ATP pendant un temps prolongé à forte intensité de l’effort. Toutefois, la puissance maximale permise par le mécanisme aérobie de la respiration cellulaire est inférieure à la puissance maximale permise par les mécanismes anaérobies de régénération de l’ATP : quand il faut produire beaucoup d’ATP pendant un temps court ce sont les mécanismes anaérobies qui sont les plus efficaces.

Bilan

Les athlètes effectuant des efforts prolongés ont des muscles riches en fibres de type I au métabolisme aérobie. Or ce type de métabolisme ne permet pas de régénérer suffisamment d’ATP pour effectuer des efforts très intenses en peu de temps mais assure la régénération de l’ATP pendant longtemps. Ce type de muscles est donc bien adapté à des efforts prolongés.

Les athlètes d’activités intenses mais de courte durée ont des muscles riches en fibres de type II au métabolisme surtout anaérobie qui permet de régénérer beaucoup d’ATP pendant un temps court mais devient inefficace dès que la durée de l’effort dépasse deux minutes. Là aussi les caractéristiques des muscles sont adaptées à la nature de l’effort réalisé par l’athlète.