Exercice 2 - Vitesse de raccourcissement des cell… · Bac Sciences de la Vie et de la Terre Métropole Candidat libre 2021 (sujet 1)
Thème : Contraction musculaire et production d'ATP · Tiré du sujet Métropole Candidat libre 1 (2021)
Énoncé
EXERCICE 2: vitesse de raccourcissement des cellules musculaires (8 POINTS)
Selon l'activité motrice effectuée, les mouvements mis en jeu s'appuient sur la réalisation de contractions plus ou moins rapides. On cherche à comprendre ce qui détermine la vitesse de raccourcissement des cellules musculaires.
QUESTION
À partir de l'exploitation de l'ensemble des documents et de l'apport des connaissances nécessaires, proposer une hypothèse expliquant les vitesses de raccourcissement différentes des cellules musculaires.
Vous organiserez votre réponse selon une démarche de votre choix intégrant des données des documents et les connaissances utiles.
Document 1: électrophorèse des chaînes lourdes de la myosine de différentes cellules musculaires
Diverses cellules musculaires sont isolées à partir de muscles de rats; les chaînes lourdes de myosine (MHC pour « Myosin Heavy Chain ») en sont extraites et subissent une électrophorèse suivie d'une coloration les faisant apparaître en noir. Chacune des pistes a, b, d, e et f correspond aux MHC extraites d'une seule cellule venant d'un muscle donné. La piste c révèle les MHC extraites d'un mélange de cellules issues de divers muscles de rats.
Électrophorèse: technique permettant de faire migrer dans un champ électrique des molécules chargées électriquement. Plus les molécules sont légères et plus loin elles migrent en partant de la zone de dépôt en haut de l'image.
Document 2: intervention de la myosine dans le raccourcissement de la cellule musculaire
Lors du raccourcissement d'une cellule musculaire, il y a plusieurs cycles tels que celui décrit ci-dessous qui se succèdent. Plus ces cycles sont nombreux sur une période donnée, et plus le raccourcissement est important.
Document 3: vitesses de raccourcissement des cellules musculaires
On a établi à quelle vitesse maximale (en unité de longueur par seconde) se raccourcissent les cellules musculaires en fonction de la chaîne lourde de myosine présente (résultats obtenus chez le chien, l'analyse montre que toutes les différences de vitesse entre les fibres sont statistiquement significatives, à l'exception de la différence entre MHC-IIX et MHC-IIB).
Document 4: hydrolyse de l'ATP et vitesse de raccourcissement
On a évalué la vitesse du raccourcissement () de cellules musculaires en fonction de la vitesse d'hydrolyse de l'ATP () de la myosine qu'elles contiennent. Les résultats ont été obtenus à partir de muscles appartenant à plusieurs espèces de mammifères et contenant différentes sortes de myosine pour la chaîne lourde MHC.
Document 5: structure de la chaîne lourde de la myosine
Document 5a: représentation tridimensionnelle d'une partie de la « tête » de la chaîne lourde de la myosine: grâce à la combinaison de divers résultats d'analyses, des ordinateurs permettent d'élaborer des modèles de la structure spatiale des molécules; sur la visualisation ci-dessous la chaîne de myosine est affichée en « rubans » sauf deux zones correspondant aux acides aminés de la « boucle 1 », située au niveau du site de fixation de l'ATP et aux acides aminés de la « boucle 2 », située au niveau du site de fixation sur l'actine.
Document 5b: rôle des boucles: les acides aminés de la boucle 1 interviennent directement dans la fixation de l'ATP et son hydrolyse; les études ont montré peu de différences de fonctionnement entre les boucles 1 des différentes chaînes lourdes de myosine. Par contre des techniques de biologie moléculaire ont permis de remplacer la boucle 2 d'une chaîne lourde de myosine donnée par une boucle 2 d'une autre forme de myosine: on a alors observé que la vitesse d'hydrolyse de l'ATP est modifiée. Les chercheurs ont proposé que la boucle 2 interviendrait sur la durée pendant laquelle l'actine est attachée à la myosine et donc, indirectement, sur la durée totale d'un épisode de raccourcissement. Le document ci-dessous présente des extraits de séquences peptidiques alignées des différentes formes de chaînes lourdes de la myosine porcine (chaque lettre correspond à un acide aminé différent; les tirets correspondent à des acides aminés non présents); des acides aminés de chaque forme de chaîne lourde se retrouvent à l'identique dans les mêmes formes de chaînes lourdes d'autres espèces de mammifères.
Corrigé
Corrigé proposé par AprenAI (non officiel)
A partir de l'exploitation de l'ensemble des documents et de l'apport des connaissances nécessaires, proposer une hypothèse expliquant les vitesses de raccourcissement différentes des cellules musculaires.
Réponse : Introduction : La contraction musculaire résulte du raccourcissement des sarcomères par glissement des filaments d'actine le long des filaments de myosine. Ce glissement repose sur des cycles de fixation, de pivotement et de détachement des têtes de myosine, et il consomme de l'ATP. On cherche ce qui détermine les vitesses de raccourcissement différentes des cellules musculaires. 1. Docs 1 et 3 : des isoformes de myosine différentes associées à des vitesses différentes - Doc 1 : l'électrophorèse sépare quatre formes de chaînes lourdes de myosine, de masses légèrement différentes : MHC-IIA, MHC-IIX, MHC-IIB et MHC-I (cette dernière est la plus légère, elle migre le plus loin). Chaque cellule isolée ne possède qu'une seule forme : a = IIA, b = IIX, d et e = IIB, f = I. Le mélange de la piste c les contient toutes. - Doc 3 : la vitesse maximale de raccourcissement dépend de la forme de MHC présente. Elle vaut environ 0,8 unité/s pour MHC-I, environ 1,9 pour MHC-IIA, environ 2,4 pour MHC-IIX et environ 2,7 pour MHC-IIB. La différence entre IIX et IIB n'est pas significative. - Déduction : la vitesse de raccourcissement d'une cellule est liée à la forme de chaîne lourde de myosine qu'elle exprime. 2. Docs 2 et 4 : le rôle du cycle actine-myosine et de l'ATP - Doc 2 et connaissances : à chaque cycle, la tête de myosine se fixe sur l'actine, pivote et tire le filament d'actine. La fixation d'un nouvel ATP permet ensuite son détachement, et l'hydrolyse de cet ATP permet le « réarmement » de la tête. Plus les cycles sont nombreux par unité de temps, plus le raccourcissement est rapide. - Doc 4 : V0 augmente proportionnellement à la vitesse d'hydrolyse de l'ATP par la myosine. Par exemple, V0 vaut environ 3,4 µm/s pour v = 1 UA et environ 24 µm/s pour v = 7 UA. - Déduction : une myosine qui hydrolyse l'ATP plus vite réalise plus de cycles par seconde, donc raccourcit la cellule plus vite. 3. Doc 5 : l'origine moléculaire, la boucle 2 - Doc 5a : la tête de myosine porte un site de fixation de l'ATP (boucle 1) et un site de fixation à l'actine (boucle 2). - Doc 5b : la boucle 1 fonctionne de façon semblable dans toutes les formes, elle n'explique donc pas les différences. En revanche, remplacer la boucle 2 modifie la vitesse d'hydrolyse de l'ATP. La boucle 2 agirait sur la durée d'attachement de l'actine à la myosine, donc sur la durée d'un cycle. - L'alignement montre que la boucle 2 diffère entre les formes, par sa longueur et sa séquence, surtout dans sa partie initiale. MHC-I possède une séquence très différente (ANY-AGADTP-VEKGKGKAKKGSSF). Les formes II sont plus proches entre elles, et IIX et IIB, très semblables, ont des vitesses non significativement différentes. Ces séquences sont conservées d'une espèce à l'autre pour une même forme, ce qui suggère une importance fonctionnelle. Conclusion et hypothèse : Les cellules musculaires expriment des formes différentes de chaîne lourde de myosine, codées par des gènes différents. Ces formes diffèrent notamment par la séquence en acides aminés de la boucle 2, au site de fixation de l'actine. On propose l'hypothèse suivante : cette séquence détermine la durée pendant laquelle la tête de myosine reste attachée à l'actine. Une boucle 2 « rapide » (formes IIX, IIB) raccourcit la phase attachée, ce qui accélère le détachement, le renouvellement de l'ATP et son hydrolyse. Les cycles actine-myosine sont alors plus fréquents, d'où une vitesse de raccourcissement plus élevée. À l'inverse, la boucle 2 de MHC-I allongerait la phase attachée : les cycles sont moins fréquents et les fibres de type I se contractent lentement.
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