Exercice 1 · Bac Sciences de la Vie et de la Terre Polynésie 2025 (jour 2)

Expliquer comment une insuffisance de la production d’insuline ou l’inefficacité de l’insuline au niveau des cellules cibles peut diminuer la production d’ATP par les cellules musculaires.

Réponse : Proposition de synthèse rédigée et structurée : ### Introduction La contraction musculaire consomme directement de l'ATP. Les réserves cellulaires d'ATP sont infimes : le myocyte doit donc le régénérer en continu, notamment en dégradant le glucose issu de son glycogène. L'insuline, hormone hypoglycémiante sécrétée par le pancréas, permet l'entrée du glucose dans les cellules musculaires et sa mise en réserve. Comment un défaut de sécrétion ou d'action de l'insuline peut-il diminuer la production d'ATP musculaire ? ### 1. L'insuline permet l'entrée du glucose et la constitution du glycogène musculaire * Expériences historiques : l'ablation du pancréas chez le chien (von Mering et Minkowski, 1889) provoque une hyperglycémie et une glycosurie. L'injection d'extraits d'îlots de Langerhans (Banting et Best, 1921) rétablit une glycémie normale : le pancréas endocrine sécrète une hormone hypoglycémiante, l'insuline. * Sécrétion : après un repas, l'élévation de la glycémie est détectée par les cellules β des îlots de Langerhans, qui libèrent de l'insuline dans le sang. * Action sur le myocyte : l'insuline se fixe sur un récepteur membranaire spécifique. Cette fixation déclenche une cascade intracellulaire qui provoque la translocation, vers la membrane plasmique, des transporteurs GLUT4 stockés dans des vésicules. * Observation : des fibres musculaires mises en culture avec de l'insuline absorbent beaucoup plus de glucose marqué que des fibres témoins sans insuline. * Mise en réserve : le glucose entré par diffusion facilitée est polymérisé en glycogène (glycogénogenèse). Ce stock est utilisable seulement par le muscle lui-même. ### 2. Le glycogène musculaire alimente la production d'ATP pendant l'effort * Glycogénolyse : pendant l'effort, le glycogène est dégradé en glucose-6-phosphate. * Glycolyse : dans le cytoplasme, elle transforme le glucose en pyruvate, avec un gain net de 2 ATP par glucose. * Respiration cellulaire (aérobie) : dans la mitochondrie, le cycle de Krebs puis la chaîne respiratoire fournissent environ 30 à 32 ATP par glucose. * Fermentation lactique (anaérobie) : lors d'efforts intenses, le pyruvate est réduit en lactate, ce qui régénère le NAD+ et entretient la glycolyse. * Observation : des biopsies musculaires réalisées pendant un effort prolongé montrent une chute du glycogène, qui coïncide avec l'apparition de la fatigue. Les athlètes au régime riche en glucides ont plus de glycogène et un temps d'endurance allongé. La production d'ATP dépend donc directement de la quantité de glucose disponible dans le muscle. ### 3. Conséquences des dysfonctionnements de l'insuline Cas 1 : insuffisance de production d'insuline (exemple du diabète de type 1) * Une réaction auto-immune détruit les cellules β ; l'insulinémie s'effondre. * Les GLUT4 restent séquestrés dans les vésicules intracellulaires : l'entrée du glucose dans les myocytes est fortement réduite, malgré l'hyperglycémie. * Le stock de glycogène musculaire se reconstitue mal. * Observations : chez le patient non traité, on constate une hyperglycémie, une glycosurie, une fatigue et une faible endurance. Les injections d'insuline corrigent ces troubles. Cas 2 : inefficacité de l'insuline sur les cellules cibles (insulinorésistance, exemple du diabète de type 2) * L'insuline est sécrétée, parfois même en excès, mais les myocytes y répondent mal : récepteurs moins nombreux ou signalisation défectueuse, souvent liés à l'obésité et à la sédentarité, sur un terrain génétique favorable. * La translocation de GLUT4 est insuffisante ; le captage du glucose et la glycogénogenèse diminuent. * Observations : lors d'un clamp euglycémique hyperinsulinémique, la quantité de glucose captée par l'organisme, surtout par les muscles, est nettement plus faible chez le diabétique de type 2 que chez le sujet sain. On observe aussi une hyperglycémie associée à une insulinémie normale ou élevée. * Modèle expérimental : les souris dont le gène GLUT4 est invalidé spécifiquement dans le muscle présentent un captage musculaire du glucose effondré et une intolérance au glucose. Bilan commun aux deux cas * Moins de glucose entre dans le myocyte et moins de glycogène est stocké. * Pendant l'effort, le flux de substrat vers la glycolyse, la respiration et la fermentation diminue. * La régénération d'ATP baisse, ce qui entraîne une fatigue précoce et une capacité d'effort réduite. * Les acides gras peuvent fournir de l'ATP en compensation, mais seulement par voie aérobie et plus lentement : ils ne suffisent pas pour les efforts intenses. ### Conclusion L'insuline conditionne l'entrée du glucose sanguin dans le muscle via GLUT4 et sa mise en réserve sous forme de glycogène. Qu'elle manque (diabète de type 1) ou qu'elle soit inefficace (insulinorésistance, diabète de type 2), le glucose reste dans le sang au lieu d'entrer dans les myocytes. Les réserves de glycogène s'amenuisent et les voies métaboliques productrices d'ATP sont moins alimentées. La production d'ATP ne peut alors plus suivre l'intensité de l'effort.