Exercice 1 · Bac Sciences de la Vie et de la Terre La Réunion 2023 (jour 1)

Présenter les mécanismes aboutissant à la synthèse d’ATP en continu par respiration cellulaire dans les cellules musculaires à partir du glycogène stocké dans différents organes.

Réponse : ### Introduction La contraction musculaire repose sur le glissement des filaments d'actine et de myosine. Ce glissement consomme de l'ATP, qui n'est présent qu'en très faible quantité dans la fibre (quelques secondes d'effort) : il doit être régénéré en continu. Lors d'un effort prolongé en aérobie, la respiration cellulaire régénère cet ATP en oxydant du glucose issu des réserves de glycogène du muscle et du foie. ### I. Le glycogène, réserve de glucose dans différents organes 1. Le glycogène musculaire, réserve « privée » - Observation : des biopsies musculaires montrent que le glycogène des fibres diminue au cours d'un effort prolongé. - Observation : la durée d'effort possible est d'autant plus grande que la réserve initiale de glycogène est élevée (régime riche en glucides). - La glycogénolyse (hydrolyse du glycogène) produit du glucose-6-phosphate. - Le muscle ne possède pas de glucose-6-phosphatase : ce glucose-6-phosphate ne peut pas sortir de la cellule et est utilisé sur place, dans la glycolyse. 2. Le glycogène hépatique, réserve « collective » - Expérience du foie lavé (Claude Bernard) : un foie lavé de son sucre libère de nouveau du glucose quelques heures plus tard. Il possède donc une réserve, le glycogène, qu'il hydrolyse en glucose. - Grâce à la glucose-6-phosphatase, le foie libère du glucose dans le sang. - Pendant l'effort, le glucagon et l'adrénaline stimulent la glycogénolyse hépatique, ce qui maintient la glycémie. - Les fibres musculaires prélèvent ce glucose sanguin grâce à des transporteurs membranaires (GLUT4). - Observation : la glycémie reste stable au cours d'un effort modéré, alors que la consommation musculaire de glucose augmente. ### II. La respiration cellulaire dans la fibre musculaire 1. Glycolyse (hyaloplasme) - Glucose + 2 NAD⁺ + 2 ADP + 2 Pi → 2 pyruvate + 2 NADH,H⁺ + 2 ATP. - Cette étape ne nécessite pas de dioxygène. 2. Cycle de Krebs (matrice mitochondriale) - Le pyruvate entre dans la mitochondrie et subit une décarboxylation oxydative. - Le cycle de Krebs oxyde ensuite complètement les composés carbonés : il libère du CO₂, réduit des coenzymes (NADH,H⁺ et FADH₂) et forme 2 ATP par glucose. - Expérience : une suspension de mitochondries placée dans un milieu oxygéné (mesure par sonde à O₂) consomme du dioxygène et rejette du CO₂ lorsqu'on ajoute du pyruvate, mais pas lorsqu'on ajoute du glucose. La glycolyse a donc lieu dans le cytoplasme et la suite de l'oxydation dans la mitochondrie. 3. Chaîne respiratoire et ATP synthase (membrane interne mitochondriale) - Les coenzymes réduits cèdent leurs électrons à la chaîne respiratoire ; l'accepteur final est l'O₂, réduit en H₂O. - Le transfert d'électrons pompe des protons vers l'espace intermembranaire et crée un gradient de protons. - Le retour des protons à travers l'ATP synthase fournit l'énergie de la phosphorylation de l'ADP en ATP. - Les coenzymes sont réoxydés (NAD⁺, FAD) et peuvent de nouveau servir, ce qui permet un fonctionnement continu tant que glucose et O₂ sont fournis. - Observations : la consommation d'O₂ cesse si on ajoute un inhibiteur de la chaîne respiratoire (cyanure) ; la production d'ATP diminue si on rend la membrane interne perméable aux protons (découplant). 4. Bilan - C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O, couplé à la synthèse d'environ 30 à 36 ATP par molécule de glucose. - Observation : à l'effort, la consommation d'O₂ (VO₂) et le rejet de CO₂ augmentent avec l'intensité de l'exercice. ### Conclusion Le glycogène musculaire, utilisé sur place, et le glycogène hépatique, distribué par le sang sous forme de glucose, fournissent aux fibres musculaires le glucose nécessaire. Ce glucose est oxydé par la glycolyse, le cycle de Krebs puis la chaîne respiratoire couplée à l'ATP synthase. Ce couplage entre organes de stockage, sang et mitochondries assure la régénération continue de l'ATP consommé par la contraction.