Origine de l’ATP nécessaire à la contraction

L’énergie est apportée sous forme de molécules d’ATP à toutes les cellules. Il n’y a pas de stockage de l’ATP, cette molécule est produite par les cellules à partir de matière organique, notamment le glucose.

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 NADH, H+. La chaîne respiratoire mitochondriale permet la réoxydation des composés réduits, par la réduction de dioxygène en eau. Ces réactions conduisent à la production d’ATP qui permet les activités cellulaires.

Il existe une autre voie métabolique dans les cellules musculaires, qui ne nécessite pas d’oxygène et produit beaucoup moins d’ATP.

Les métabolismes anaérobie ou aérobie dépendent du type d’effort à fournir.

Des substances exogènes peuvent intervenir sur la masse ou le métabolisme musculaire, avec des effets parfois graves sur la santé.

Activité : les voies métaboliques

Activité : l’acadésine, une nouvelle molécule dopante

TP : la respiration cellulaire

Chapitre : origine de l’ATP nécessaire à la contraction

I – Disponibilité et régénération de l’ATP dans les cellules musculaires

A – Quantité d’ATP disponible

Les quantités d’ATP disponibles dans les cellules musculaires peuvent être déterminées par bioluminescence : les valeurs obtenues sont extrêmement faibles, l’ATP n’est pas stocké dans les cellules et pourtant, il y est consommé en permanence pour leur contraction.

B – Voies métaboliques de régénération de l’ATP

Diverses voies métaboliques permettent de régénérer l’ATP avec des délais différents et assurent alors le maintien d’une certaine quantité disponible dans les cellules :

1 - Hydrolyse de la phosphocréatine

Voie la plus rapide, sans délai.

Libération d’énergie très importante sur quelques secondes à quelques dizaines de secondes.

Permet la synthèse d’ATP à partir d’ADP par couplage.

2 - Voie anaérobie ou fermentation lactique

Utilise le glucose mis en réserve dans les cellules musculaires.

Intervient majoritairement après 20 à 30 secondes d’effort.

Permet une synthèse d’ATP lors d’efforts plus longs mais limités à quelques minutes.

3 - Voie aérobie ou respiration

Utilise diverses molécules organiques mises en réserve (glucose musculaire, acides gras du tissu adipeux).

Délai d’intervention : 2 à 4 minutes.

Peut se maintenir plusieurs heures : voie majoritaire dans les sports d’endurance.

II – La fermentation lactique

A – Définition et mécanisme

À l’échelle cellulaire, la fermentation se traduit par la consommation de molécules organiques (ex. glucose) sans consommation de dioxygène, ce qui génère un résidu organique dont la nature dépend du type de fermentation.

Dans la cellule musculaire, la fermentation lactique produit du lactate à partir du glucose que consomme la cellule.

B – La glycolyse

Le glucose subit en premier lieu une oxydation dans le hyaloplasme lors d’une série de réactions constituant la glycolyse.

Pas de consommation de dioxygène.

Régénération d’ATP par couplage.

Production de transporteurs réduits (NADH).

Produit final : le pyruvate, transformé en lactate dans le cytoplasme.

C – Rendement

La fermentation lactique régénère 2 molécules d’ATP pour chaque molécule de glucose utilisée.

Son rendement est d’environ 2 %.

III – La respiration cellulaire

A – Caractéristiques générales

Des mesures ExAO montrent que la respiration cellulaire se caractérise par une consommation de dioxygène et un rejet de dioxyde de carbone en présence de molécules organiques.

Le glucose est le principal substrat respiratoire des cellules ; il sera complètement oxydé à l’issue de la respiration.

Le rendement énergétique de la respiration est d’environ 40 %, bien plus élevé que celui de la fermentation lactique.

B – Lieu de la respiration

L’étude de mutants incapables de respirer permet d’envisager que la respiration se déroule dans un organite particulier : la mitochondrie.

L’étude de la consommation en dioxygène et du rejet de dioxyde de carbone par une suspension de mitochondries en présence de glucose montre que celui-ci n’est pas le substrat oxydé, contrairement au pyruvate.

Cela démontre que la mitochondrie est le compartiment de la respiration et qu’elle intervient après la glycolyse, étape commune à la fermentation et à la respiration.

C – Organisation de la mitochondrie

Les mitochondries mesurent 1-2 µm de long et 0,1-1 µm de large.

Elles possèdent :

• une enveloppe à double membrane,

• une membrane interne formant de nombreux replis,

• une matrice interne où se déroulent les réactions enzymatiques.

D – Le cycle de Krebs

Le pyruvate issu de la glycolyse traverse l’enveloppe mitochondriale puis subit dans la matrice une série d’oxydations et de décarboxylations (production de CO₂) couplées à la fabrication de transporteurs réduits (NADH, FADH₂) et d’ATP.

L’ensemble des réactions constitue le cycle de Krebs.

Pour 1 mole de glucose (soit 2 moles de pyruvate), le cycle produit :

6 moles de CO₂,

2 moles d’ATP,

10 moles de transporteurs réduits.

E – La chaîne respiratoire et l’ATP synthase

La membrane interne de la mitochondrie est recouverte de nombreuses ATP synthases, protéines responsables de la synthèse d’ATP couplée à l’oxydation des transporteurs réduits.

Des protéines organisées en chaîne respiratoire oxydent les transporteurs réduits (NADH, FADH₂).

Les électrons et protons sont transférés au dioxygène, réduit en eau → explication de la consommation d’O₂ et de la production d’H₂O.

L’oxydation des transporteurs réduits (12 moles) permet de fabriquer environ 32 moles d’ATP.

F – Bilan énergétique global

La respiration cellulaire régénère 36 moles d’ATP pour chaque mole de glucose complètement oxydée.

IV – Dopage

A – Substances exogènes et masse musculaire

La testostérone, ainsi que ses dérivés de synthèse appelés stéroïdes anabolisants, agissent comme des hormones de croissance musculaire. Elles stimulent la synthèse des protéines contractiles, ce qui entraîne une augmentation de la masse musculaire et donc une consommation accrue d’ATP. Cependant, leur utilisation en dehors d’un cadre médical s’accompagne de risques importants pour la santé, tels que des désordres hormonaux, des atteintes cardiovasculaires et des atteintes hépatiques.

B - Substances exogènes et métabolisme énergétique

L’AICAR est une molécule initialement étudiée dans un but médical, mais qui a été détournée comme produit dopant. Elle agit en activant l’AMPK, une enzyme clé de la régulation énergétique. Cette activation stimule l’oxydation des acides gras, favorise l’entrée du glucose dans les cellules et augmente la biogenèse mitochondriale. L’AICAR améliore ainsi artificiellement l’endurance en rendant la production d’ATP plus efficace. Toutefois, son utilisation est dangereuse car ses effets secondaires, notamment métaboliques et cardiovasculaires, sont encore mal connus.

C – Conclusion

Ces exemples montrent que certaines substances exogènes peuvent agir soit sur la masse musculaire, comme la testostérone, soit sur le métabolisme énergétique, comme l’AICAR. Néanmoins, ces pratiques représentent un danger grave pour la santé et expliquent pourquoi elles sont interdites dans le cadre sportif.

Chapitre : origine de l’ATP nécessaire à la contraction

I. Disponibilité & régénération de l’ATP

Voies métaboliques :

• ATP : stock très faible, immédiatement épuisé.

• Phosphocréatine : immédiat, production très rapide d’ATP mais courte durée.

• Voie anaérobie : fermentation lactique, utilisation du glucose, efficace assez vite mais assez courte durée.

• Voie aérobie : respiration cellulaire, utilisation du glucose et des acides gras, permet d’obtenir de l’ATP pendant longtemps (endurance).

II. Fermentation lactique

• Sans O₂ (anaérobie).

• Lieu : hyaloplasme.

• Faible rendement (oxydation de 1 glucose produit 2 ATP) : permet des efforts de courte durée.

• Très rapide (car peu d'étapes) : permet des efforts intenses et puissants.

Étapes :

• Glycolyse : glucose → pyruvate (produit de l'ATP et des composés réduits : NADH).

• Régénération du composé oxydé : pyruvate → lactate.

III. Respiration cellulaire

• Avec O₂ (aérobie).

• Lieu : hyaloplasme puis mitochondrie.

• Fort rendement (oxydation de 1 glucose produit 36 ATP) : permet des efforts de longue durée.

• Lent (car beaucoup d'étapes) : permet des efforts peu intenses avec une faible puissance.

Étapes :

1. Glycolyse (hyaloplasme) : glucose → pyruvate (produit de l'ATP et des composés réduits : NADH).

2. Cycle de Krebs (matrice de la mitochondrie) : utilise le pyruvate pour produire de l'ATP, des composés réduits et dégager du CO₂.

3. Chaîne respiratoire (membrane interne) : utilise les composés réduits et du O₂ pour produire une très grande quantité d'ATP et dégager de l'H₂O.

IV – Dopage

A – Substances exogènes et masse musculaire

• Testostérone et stéroïdes anabolisants : hormones de croissance musculaire.

• Stimulent la synthèse des protéines contractiles → ↑ masse musculaire → ↑ consommation d’ATP.

• Risques : désordres hormonaux, atteintes cardiovasculaires, atteintes hépatiques.

B – Substances exogènes et métabolisme énergétique

• AICAR : molécule détournée comme produit dopant.

• ↑ entrée et l'oxydation du glucose, ↑ oxydation acides gras, ↑ biogenèse mitochondriale.

• Améliore artificiellement l’endurance et la production d’ATP.

• Risques : effets secondaires métaboliques et cardiovasculaires encore mal connus.

• Physiologiste du sport (Bac+8 minimum) : il étudie le fonctionnement du corps humain lors de l’effort. Ses recherches portent sur la production d’énergie, la fatigue et la récupération. Il intervient dans la préparation des athlètes ou la rééducation.

• Préparateur·rice physique (Bac+3 minimum) : il conçoit des programmes d’entraînement adaptés aux capacités énergétiques des sportifs. Il optimise l’endurance, la force et la puissance musculaire tout en limitant les risques de blessure.

• Technicien·ne de laboratoire en bioénergétique (Bac+2/3 minimum) : il réalise des analyses sur la consommation d’oxygène, la production de lactate ou d’ATP dans les cellules musculaires. Ses résultats servent à la recherche en physiologie ou au suivi médical.

Quiz de révision

• Pourquoi l’ATP est-elle qualifiée de « monnaie énergétique » universelle du vivant ?

• Quels sont les avantages et les limites de la fermentation lactique par rapport à la respiration cellulaire ?

• Comment le métabolisme énergétique du muscle s’adapte-t-il à différents types d’efforts (sprint vs marathon) ?

• Pourquoi l’entraînement en endurance augmente-t-il la capacité respiratoire et la production d’ATP ?

• Quelles stratégies nutritionnelles peuvent optimiser la disponibilité d’ATP lors d’un effort intense ?

• Pourquoi certaines maladies mitochondriales entraînent-elles une grande fatigue musculaire ?