Exercice 1 : Énergie et contraction musculaire · Bac Sciences de la Vie et de la Terre Métropole Candidat libre 2021 (sujet 2)

Expliquer comment l'utilisation du dioxygène et du glucose par la cellule musculaire permet son raccourcissement.

Réponse : Introduction La fibre musculaire striée squelettique est une cellule spécialisée capable de se raccourcir, ce qui produit le mouvement. Ce raccourcissement consomme beaucoup d'énergie sous forme d'ATP. Or l'ATP est présent en très faible quantité dans la cellule (quelques secondes d'effort) et doit être régénéré en permanence. En aérobie, cette régénération est assurée par la respiration cellulaire, qui consomme du glucose et du dioxygène. Comment l'utilisation de ces deux molécules permet-elle le raccourcissement de la cellule ? I. Glucose et dioxygène permettent de régénérer l'ATP : la respiration cellulaire *Observations :* lors d'un effort, la consommation de dioxygène, le rejet de CO2 et le débit sanguin musculaire augmentent. Les fibres musculaires sont riches en mitochondries et en réserves de glycogène. En suspension de mitochondries, on mesure une consommation d'O2 seulement après ajout de pyruvate, et non de glucose. 1. Glycolyse (hyaloplasme) : le glucose, issu du sang ou du glycogène, est oxydé en 2 pyruvates sans dioxygène : Glucose + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+ → 2 pyruvates + 2 ATP + 2 NADH,H+. 2. Cycle de Krebs (matrice mitochondriale) : le pyruvate entre dans la mitochondrie. Il y est entièrement oxydé par une série de décarboxylations oxydatives. Celles-ci libèrent du CO2 et produisent des coenzymes réduits (NADH,H+, FADH2) ainsi qu'un peu d'ATP. 3. Chaîne respiratoire et phosphorylation oxydative (membrane interne mitochondriale) : - Les coenzymes réduits sont réoxydés. Leurs électrons transitent le long de la chaîne respiratoire jusqu'au dioxygène, accepteur final, qui est réduit en eau : O2 + 4 H+ + 4 e- → 2 H2O. - Ce transfert d'électrons pompe des protons vers l'espace intermembranaire. - Le retour des protons dans la matrice par l'ATP synthase permet la synthèse d'ATP (ADP + Pi → ATP). - Le bilan est d'environ 30 à 36 ATP par glucose : C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O. - Sans O2, les coenzymes ne sont pas réoxydés, et le cycle de Krebs comme la chaîne respiratoire s'arrêtent. II. L'ATP permet le raccourcissement de la cellule musculaire 1. Observations : la fibre contient des myofibrilles formées de sarcomères, délimités par des stries Z. Ils renferment des filaments fins d'actine et des filaments épais de myosine à têtes mobiles. Au microscope électronique, lors de la contraction, les sarcomères raccourcissent : les bandes claires I et la zone H diminuent, alors que la bande sombre A garde sa longueur. Les filaments ne raccourcissent donc pas : ils glissent les uns sur les autres. 2. Cycle actine-myosine : - Le potentiel d'action musculaire provoque la libération de Ca2+ par le réticulum sarcoplasmique. Ce calcium démasque les sites de fixation de la myosine sur l'actine. - La tête de myosine, chargée d'ADP + Pi, se fixe à l'actine et forme un pont. - La libération de Pi puis d'ADP provoque le pivotement de la tête. Ce pivotement tire le filament d'actine vers le centre du sarcomère. - La fixation d'une nouvelle molécule d'ATP détache la tête de myosine de l'actine. - L'hydrolyse de cet ATP (activité ATPasique de la myosine) redresse la tête, qui est prête pour un nouveau cycle. - La répétition de ces cycles fait glisser les filaments, ce qui raccourcit les sarcomères et donc la cellule. 3. Preuves expérimentales : - Des fibres démembranées placées en présence d'ATP et de Ca2+ se contractent. - Sans ATP, les têtes restent fixées à l'actine : c'est la rigidité cadavérique. - Le retour du Ca2+ dans le réticulum, lui aussi consommateur d'ATP, permet le relâchement. Conclusion Le glucose et le dioxygène, consommés par la respiration cellulaire dans le hyaloplasme et surtout dans la mitochondrie, permettent de régénérer en continu l'ATP. Cet ATP, hydrolysé par les têtes de myosine, convertit l'énergie chimique en énergie mécanique : il entraîne le glissement des filaments d'actine sur la myosine et donc le raccourcissement de la cellule musculaire.