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

Expliquer en quoi le maintien de l'approvisionnement en glucose des cellules nerveuses contribue à la synthèse d'ATP.

Réponse : Plan attendu et éléments de réponse : Introduction : - Définition du glucose (nutriment énergétique fondamental) et de l'ATP (adénosine triphosphate, vecteur universel d'énergie chimique cellulaire). - Problématique : Les neurones sont des cellules hautement consommatrices d'énergie mais dépourvues de réserves glucidiques (pas de glycogène) ; ils dépendent donc strictement d'un apport continu en glucose plasmatique. I. Le maintien de l'apport en glucose : une régulation hormonale continue - La glycémie est maintenue autour d'une valeur consigne (environ $1\ \mathrm{g/L}$ soit $5{,}5\ \mathrm{mmol/L}$) grâce à une boucle de régulation. - En situation de jeûne ou d'activité, la baisse de la glycémie est détectée par les cellules $\alpha$ des îlots de Langerhans du pancréas qui sécrètent du glucagon. - Le glucagon stimule la glycogénolyse hépatique (et la néoglucogenèse), libérant du glucose dans le sang via les transporteurs GLUT2. - Ce glucose circulant traverse la barrière hémato-encéphalique via des transporteurs membranaires spécifiques (GLUT1 sur les cellules endothéliales et astrocytes, GLUT3 à haute affinité sur les neurones), assurant une entrée continue de glucose indépendante de l'insuline. II. L'utilisation du glucose cellulaire pour la synthèse d'ATP 1. La glycolyse cytosolique : - Oxydation incomplète du glucose en 2 molécules de pyruvate dans le cytosol : $$C_6H_{12}O_6 + 2\ \text{ADP} + 2\ P_i + 2\ \text{NAD}^+ \rightarrow 2\ \text{pyruvate} + 2\ \text{ATP} + 2\ \text{NADH,H}^+$$ - Bilan direct de $2\ \text{ATP}$ par mole de glucose. 2. La respiration mitochondriale (cycle de Krebs et phosphorylation oxydative) : - En milieu aérobie (les neurones dépendent d'un métabolisme strictement oxydatif), le pyruvate pénètre dans la matrice mitochondriale. - Décarboxylation oxydative puis cycle de Krebs : oxydation complète du pyruvate en $CO_2$, avec production de composés réduits ($\text{NADH,H}^+$, $\text{FADH}_2$) et d'ATP/GTP. - Chaîne respiratoire dans la membrane interne mitochondriale : réoxydation des coenzymes réduits par l'oxygène ($O_2$ accepteur final d'électrons) créant un gradient de protons ($H^+$). - L'ATP synthase utilise le reflux de protons pour phosphoryler l'ADP en ATP : bilan global d'environ $30$ à $32\ \text{ATP}$ par molécule de glucose oxydée. III. Les besoins permanents en ATP des cellules nerveuses - Maintien et rétablissement des gradients électrochimiques de part et d'autre de la membrane plasmique via la pompe $Na^+/K^+$ ATPase (consomme plus de 50 % de l'énergie cérébrale). - Synthèse, transport axonal et libération par exocytose des neurotransmetteurs au niveau des synapses. Conclusion : - L'absence de réserves neuronales impose un flux ininterrompu de glucose sanguin assuré par l'homéostasie glucidique. Ce glucose sert de substrat à la respiration cellulaire, assurant un renouvellement permanent de l'ATP nécessaire à l'excitabilité et à la transmission synaptique. Une rupture d'approvisionnement (hypoglycémie sévère) entraîne l'arrêt de la synthèse d'ATP et la défaillance neuronale rapide.