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Consommation et régénération de l'ATP dans la cellule musculaire

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Introduction :

Les muscles peuvent se contracter grâce à des cellules très spécialisées : les cellules musculaires. Dans ce cours nous allons voir comment est organisée la cellule musculaire afin de comprendre comment s’effectue la contraction musculaire.

Dans un premier temps nous aborderons le fonctionnement de la contraction musculaire, puis quelles sont les voies de régénération de l’ATP au cours d’un effort physique.

Organisation d’une cellule musculaire

Le muscle strié est composé de cellules géantes appelées fibres musculaires. Ces cellules, qui peuvent faire plus de 30 cm de long, sont regroupées entre elles. Ce regroupement est un faisceau de fibres musculaires.

Fragment d’une cellule musculaire Fragment d’une cellule musculaire

Chaque cellule musculaire, que l’on peut appeler myocyte, contient plusieurs noyaux. Le cytoplasme des ces cellules est rempli de myofibrilles.

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Définition

Myofibrilles :

Structures qui donnent l’aspect strié de la cellule. Une myofibrille est de nature protéique, et est formée d’une alternance entre une bande claire et une bande sombre.

Les bandes claires correspondent à des myofilaments fins formés par des protéines d’actine alors que les bandes sombres correspondent à des myofilaments épais formés de protéines de myosine.

Les myofilaments d’actine sont situés de part et d’autre d’une structure appelée strie Z. Les myofilaments de myosine se trouvent, eux, coincés entre deux myofilaments d’actine.

L’espace compris entre deux stries Z, qui correspond dans l’ordre à des myofilaments d’actine-myosine-actine, s’appelle le sarcomère.

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Définition

Sarcomère :

Unité structurale contractile des cellules musculaires. Il est constitué de myofilaments d’actine et de myofilaments de myosine.

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À retenir

Le myofilament fin est constitué de molécules d’actine globulaire qui sont des protéines. Ces molécules d’actine sont assemblées en hélices et sont associées à deux autres protéines que l’on appelle troponine et tropomyosine.

Les myofilaments épais sont formés de plusieurs molécules de myosine qui sont des polypeptides. Les molécules de myosine s’enroulent pour former des myofilaments épais.

Composition d’un myofilament fin Composition d’un myofilament fin

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À retenir

On distingue deux structures composant un myofilament épais :

  • la tête, qui est la partie globulaire du myofilament ;
  • la queue, ou bâtonnet, qui est la partie fibreuse du myofilament.

Les molécules de myosine s’associent par cette partie fibreuse et les têtes se retrouvent aux extrémités des myofilaments et sont tournées dans des directions opposées.

Têtes de myosine Têtes de myosine

Les myofilaments de myosine comprennent plusieurs têtes :

Myofilament épais Myofilament épais

La contraction musculaire

Voyons maintenant comment fonctionne la contraction du muscle.

Cette représentation au microscope électronique montre qu’il y a une variation de la taille des sarcomères entre un muscle relâché et un muscle contracté.

Vues microscopiques des sarcomères d’un muscle relâché et contracté Vues microscopiques des sarcomères d’un muscle relâché et contracté

Ce sont en fait les myofilaments qui se déplacent. La longueur des myofilaments d’actine reste inchangée mais ce sont les myofilaments de myosine qui se déplacent pour presque totalement chevaucher les myofilaments d’actine.

Mécanisme de mouvement des myofilaments Mécanisme de mouvement des myofilaments

C’est le cycle de contraction qui permet le mouvement des myofilaments. Pendant ce cycle, l’énergie chimique de l’ATP est transformée en énergie mécanique qui permet le mouvement des têtes de myosine. Le sarcomère va alors se raccourcir par la formation d’un complexe actine-myosine. Ce complexe se forme grâce aux têtes de myosine.

Étapes du cycle de contraction

Le cycle de contraction comporte donc plusieurs étapes.

  • L’activation de la tête de myosine : la tête de myosine est associée à une molécule d’ATP qui va être hydrolysée. L’hydrolyse d’une molécule d’ATP donne une molécule d’ADP et un phosphate inorganique. Cette hydrolyse dégage de l’énergie et permet d’activer la tête de myosine qui va alors changer d’orientation.
  • La fixation : la présence de calcium est nécessaire à cette étape. Le calcium permet de découvrir le site de fixation entre l’actine et la myosine. Sans calcium, le muscle est au repos car l’actine et la myosine ne peuvent pas interagir.

Lorsqu’il y a du calcium, le phosphate inorganique est libéré et la liaison myosine-actine se forme par la tête de la myosine.

Lorsque l’ADP est libéré, la tête de myosine retourne à sa position non activée. Ce déplacement de la tête de myosine, qui est fixée à l’actine, entraine un glissement du myofilament d’actine vers le centre du sarcomère. Le muscle est alors contracté et on observe un raccourcissement du sarcomère.

  • La séparation : La présence d’ATP est nécessaire à cette étape. L’ATP, en se fixant sur la tête de myosine va entrainer la rupture du pont entre l’actine et la myosine.
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Astuce

C’est pour cela que quand une personne ou un animal décède, on observe ce que l’on appelle la « rigidité cadavérique ». En l’absence d’ATP, le pont actine-myosine reste actif et le muscle reste contracté, et donc rigide.

La régénération de l’ATP dans la cellule musculaire

L’ATP est indispensable à la contraction musculaire et doit se régénérer. Il existe trois voies de régénération de l’ATP.

La voie de la phosphocréatine qui intervient rapidement dans les premiers instants de l’effort

Evolution des paramètres sanguins au cours d’un sprint Évolution des paramètres sanguins au cours d’un sprint

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À retenir

La quantité d’ATP est relativement stable dans le temps. On peut en déduire qu’il est produit de manière constante au cours de l’effort.

Lors de l’effort, la concentration en acide lactique va augmenter. Cette augmentation est faible pendant l’échauffement puis elle s’intensifie.

Parallèlement, la concentration en phosphocréatine diminue fortement pendant l’échauffement et de manière moins intense pendant la course.

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Définition

Phosphocréatine :

Molécule que l’on retrouve dans les cellules musculaires. Cette molécule a la particularité de produire du phosphore inorganique lors de son hydrolyse. L’hydrolyse est couplée à une libération d’énergie.

Or, la phosphorylation de l’ADP qui donne de l’ATP nécessite des molécules de phosphate inorganique et de l’énergie. Les deux réactions sont donc couplées dans la cellule musculaire pour créer de l’ATP.

Réaction de phosphocréatine et phosphorylation Réaction de phosphocréatine et phosphorylation

  • La concentration en phosphocréatine diminue fortement dès le début de l’effort et s’épuise assez rapidement.
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À retenir

La voie de la phosphocréatine permet une production très rapide d’ATP mais pour un effort très court.

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Astuce

Une fois épuisées, les réserves en phosphocréatine vont se reconstituer au repos avec consommation d’ATP.
C’est pour cela que certains sportifs prennent des compléments alimentaires à base de phosphocréatine.

La seconde voie empruntée par nos muscles est la voie de la fermentation lactique lorsque la cellule ne dispose pas assez de dioxygène pour réaliser la respiration cellulaire.

La voie de la fermentation lactique lorsque la cellule ne dispose pas d’assez d’oxygène pour réaliser la respiration cellulaire

La concentration en acide lactique augmente au cours de l’effort. Or, de l’acide lactique est produit dans nos cellules lorsqu’il y a fermentation lactique.

Rappelons-nous que la réaction de fermentation est précédée par la réaction de glycolyse qui produit deux molécules d’ATP pour transformer une molécule de glucose en une molécule de pyruvate. Cette molécule de pyruvate est ensuite transformée en deux molécules d’acide lactique.

Fermentation lactique Fermentation lactique

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À retenir

​La fermentation lactique est donc la voie de régénération de l’ATP dans la cellule musculaire qui prend le relais de la voie de la phosphocréatine.

Il existe deux types de fibres musculaires. Les fibres musculaires de type 2 se contractent très rapidement. Leur voie préférentielle de régénération de l’ATP est donc la fermentation lactique.

Ces deux voies sont les premières utilisées par nos cellules musculaires pour répondre aux besoins rapides en ATP car il n’y a pas assez de dioxygène présent dans les cellules pour augmenter le taux de respiration cellulaire.

Lorsque les systèmes cardiovasculaires et pulmonaires se sont adaptés aux besoins, les cellules musculaires sont davantage approvisionnées en dioxygène et l’ATP va alors être produit par respiration cellulaire.

La voie de la respiration cellulaire qui fournit 36 molécules d’ATP pour une molécule de glucose oxydée

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À retenir

​Les fibres musculaires de type 1 sont des fibres à contraction lente qui sont très riches en mitochondries. Leur voie préférentielle de régénération de l’ATP est la respiration cellulaire.

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Attention

Lors de la respiration cellulaire, 36 molécules d’ATP sont produites pour la dégradation d’une molécule de glucose. Il est donc beaucoup plus intéressant pour la cellule d’utiliser la voie de la respiration cellulaire.

Conclusion :

La cellule musculaire est une cellule très spécialisée constituée de myofibrilles dans leur cytoplasme. L’unité fonctionnelle qui permet la contraction du muscle est le sarcomère qui est délimité par deux stries Z et constitué de l’alternance de myofilaments d’actines et de myosines. Pendant la contraction, les sarcomères se raccourcissent et les myofilaments se chevauchent. Le cycle de contraction nécessite de l’ATP produit dans la cellule.

L’ATP peut être produit par trois voies distinctes :

  • la voie de la phosphocréatine qui intervient rapidement dans les premiers instants de l’effort ;
  • la voie de la fermentation lactique lorsque la cellule ne dispose pas assez de dioxygène pour réaliser la respiration cellulaire ;
  • la troisième voie qui est la respiration cellulaire qui fournit 36 molécules d’ATP pour une molécule de glucose oxydée.