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Origine de l’énergie (ATP) nécessaire à la contraction de la cellule musculaire
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Introduction :
Le fonctionnement des cellules nécessite des réactions chimiques productrices d’énergie. Les cellules musculaires, par exemple, ont besoin d’énergie pour se contracter. Cette énergie indispensable leur est procurée par l’ATP (Adénosine triphosphate), un nucléotide. Cependant, cette molécule a une durée de vie courte et doit être renouvelée en continu.
D’où provient l’ATP utilisée par les cellules comme source principale d’énergie ?
Dans un premier temps, nous étudierons la respiration cellulaire, puis les fermentations, qui sont différents métabolismes permettant la synthèse d’ATP. Nous verrons ensuite différents moyens d’améliorer la production d’ATP, mais aussi les risques qu’ils recouvrent.
La respiration cellulaire
La respiration, un moyen de former de l’ATP
Il est possible, pour certaines cellules, d’utiliser des molécules organiques ainsi que du dioxygène () pour former de l’ATP. Ce métabolisme s’appelle la respiration.
La plupart des cellules eucaryotes respirent lorsqu’elles se trouvent en présence de dioxygène. On parle de milieu aérobie (milieu riche en ).
Lors de la respiration, il y a oxydation d’un substrat organique grâce au dioxygène, couplé à la réduction du composé en composé . Cet ensemble de réactions :
Le substrat organique employé est le pyruvate, issu de la transformation du glucose par une série de réactions chimiques appelée glycolyse.
Pyruvate :
Le pyruvate est une molécule impliquée dans les métabolismes cellulaires. Il est le produit final de la glycolyse.
Le pyruvate est ensuite utilisable pour former de l’ATP lors de processus complexes regroupés sous le nom de cycle de Krebs.
Dans un même temps, en parallèle et en lien avec ce cycle, le dioxygène est utilisé dans une chaîne respiratoire qui va également permettre une importante synthèse d’ATP grâce à des réactions d’oxydo-réduction (réoxydation des composés et en et ).
La mitochondrie, siège de la respiration
Parmi les différents organites présents dans une cellule, c’est la mitochondrie qui est le siège de la respiration.
La mitochondrie est un organite présentant deux membranes (membrane interne et membrane externe) entre lesquelles se trouve l’espace intermembranaire. La membrane interne est formée de nombreuses crêtes et contient la matrice. Les invaginations de la membrane interne permettent d’augmenter la surface d’échange.
La glycolyse et le cycle de Krebs
Nous allons à présent présenter la transformation du glucose en pyruvate, la glycolyse ; puis le cycle de Krebs. Il s’agit des deux premières étapes de la respiration, produisant toutes deux de l’énergie sous forme d’ATP.
Le substrat organique utilisé pour le cycle de Krebs n’est pas le glucose mais le pyruvate. Dans un premier temps, le glucose va donc être oxydé en pyruvate dans le cytosol (ou hyaloplasme) de la cellule.
Cette réaction est couplée à celle de la réduction des composés en composés qui seront ensuite réemployés dans la chaîne respiratoire.
Deux molécules d’ATP et deux molécules de pyruvate sont alors produites à partir d’une molécule de glucose et de deux molécules d’ADP + Pi (phosphate inorganique).
Différentes réactions exothermiques vont ensuite avoir lieu dans la matrice mitochondriale pour convertir du pyruvate et du dioxygène en dioxyde de carbone et ATP.
L’oxydation du carbone s’achève par la transformation du pyruvate en dioxyde de carbone. En parallèle, les composés sont réduits en composés .
On appelle aussi le cycle de Krebs : le « cycle de l’acide citrique ».
On obtient donc molécules d’ATP, molécules de dioxyde de carbone, composés réduits de et de à partir de molécules d’eau et molécules de pyruvate.
La chaîne respiratoire
Les nombreux composés et doivent maintenant être réoxydés en et .
Chaîne respiratoire :
La chaîne respiratoire est un ensemble de réactions d’oxydo-réduction. Celles-ci entraînent le passage de protons de part et d’autre de la membrane interne de la mitochondrie.
Les composés et vont être réoxydés en et grâce à la chaîne respiratoire, et les protons libérés () vont alimenter une pompe à protons productrice d’ATP et permettre la réduction de l’ en .
Ainsi, la chaîne respiratoire permet la formation de molécules d’ATP grâce à l’oxydation de molécules de dioxygène pour former molécules d’eau.
En faisant le bilan de la respiration cellulaire pour une molécule de glucose, nous obtenons :
Bilan de la respiration :
Les fermentations
Des efforts en anaérobie
La respiration cellulaire est un métabolisme capable de produire de grandes quantités d’énergie. Elle nécessite cependant un milieu en aérobie. Par exemple, lors d’un effort faible ou si la ventilation est bonne, l’apport de dioxygène est suffisant pour permettre la respiration.
Mais dans le cas d’un effort (au début du moins) ou d’une mauvaise ventilation, la quantité de dioxygène n’est pas suffisante et les cellules musculaires utilisent d’autres moyens pour générer de l’ATP.
La glycolyse a lieu en milieu aérobie, mais également dans les milieux anaérobies.
Certains métabolismes peuvent se produire sans (en milieu anaérobie) : les fermentations. Elles permettent une oxydation du glucose sans . Elles commencent, comme la respiration, par une étape de glycolyse mais empreinte ensuite des chemins différents.
La fermentation existe sous plusieurs formes, en fonction du patrimoine génétique des cellules qui oriente le type de métabolisme.
Ainsi, les cellules musculaires ne savent faire que la fermentation lactique, et les levures que la fermentation alcoolique.
La fermentation alcoolique
Chez certains organismes, comme les levures Saccharomyces cerevisiae, le pyruvate issu de la glycolyse est réduit en éthanol.
À la suite de la glycolyse, le pyruvate est décarboxylé (perte d’une molécule de dioxyde de carbone) et ainsi transformé en éthanol. En parallèle, les composés sont d’abord réduits en , puis ces derniers sont ensuite réoxydés en . Cette réaction produit très peu d’ATP, elle permet seulement la régénération des composés .
Lors de la fermentation alcoolique, l’ATP est produite par la glycolyse, et non par la fermentation.
Cette fermentation est exploitée dans l’agroalimentaire : elle permet une forte production de dioxyde de carbone, ce qui permet de faire lever les pâtes (exemple : le pain), l’alcool s’évaporant à la cuisson.
Elle permet également la fabrication d’alcool (exemple : la bière) en transformant les glucides (fructose ou amidon) en éthanol.
La fermentation lactique
Chez certains organismes, comme les cellules musculaires, le pyruvate issu de la glycolyse est réduit en acide lactique.
À la suite de la glycolyse, le pyruvate est réduit et transformé en acide lactique en cédant deux protons aux composés . Par la suite, comme pour la fermentation alcoolique, les composés sont réoxydés en composés . En parallèle, les composés sont donc réduits en composés . Cette réaction produit très peu d’ATP, elle permet seulement la régénération des composés .
Lors de la fermentation lactique, l’ATP est produite par la glycolyse, et non par la fermentation.
La production d’ATP est moindre que lors de la respiration car les étapes de la réoxydation des par l’ n’existent pas ; seule l’étape de glycolyse permet de produire l’ATP.
En cas d’apport insuffisant de dioxygène, cette fermentation est exploitée, au début de l’exercice d’effort physique, par les cellules musculaires.
L’accumulation anormale d’acide lactique (normalement repris par la circulation sanguine et métabolisé par le foie) dans les muscles peut être à l’origine de crampes musculaires.
Le dopage, un moyen d’améliorer ses performances physiques
Pour améliorer leurs performances physiques, certain·e·s sportif·ve·s ont recours au dopage. Certains produits dopants agissent sur des mécanismes liés au fonctionnement musculaire pour le rendre plus performant.
Non seulement le dopage va à l’encontre de l’éthique et de l’équité sportive, mais il se fait aussi au détriment de la santé de l’utilisateur·rice.
La créatine
La créatine est une protéine apportée par la consommation d’aliments riches en protéines (viandes, œufs, produits laitiers etc.). Si l’apport exogène alimentaire n’est pas suffisant, le foie est capable d’en fabriquer à partir d’acides aminés. La créatine peut également être synthétisée en laboratoire et est commercialisée comme complément alimentaire.
On retrouve la créatine au niveau des muscles où elle est phosphorylée (ajout d’un phosphate) pour former la phospho-créatine. Sa déphosphorylation libère un phosphate, ce qui permet une synthèse d’ATP rapide à partir d’ADP :
Elle est aussi associée à une rétention d’eau au niveau des muscles.
Ainsi, une forte consommation de créatine de synthèse peut causer des troubles musculaires, hépatiques, rénaux, cardiovasculaires et est suspectée d’avoir un effet cancérigène.
La créatine permet de générer de l’ATP rapidement lors d’un effort intense. Pour autant, la surconsommation de cette protéine peut entraîner des troubles de l’organisme.
L’érythropoïétine
L’EPO, ou l’érythropoïétine, est une protéine naturellement produite par l'organisme lors d’un manque de dioxygène (exemple : en séjour prolongé en haute altitude) ou en cas d’hypoxie. Elle stimule la production de globules rouges et améliore l’apport de dioxygène aux organes.
Il est possible de la synthétiser en laboratoire à l’aide de cultures de cellules modifiées. Son utilisation dans un but thérapeutique entre dans le traitement de nombreuses pathologies liées à des anémies chroniques, une destruction des cellules souches de la moelle osseuse ou lors de certaines opérations.
L’EPO de synthèse est également utilisée en tant que substance dopante, car une meilleure oxygénation permet une pratique sportive plus longue, dans les sports d’endurance notamment.
L’administration d’EPO sur une période prolongée entraîne une augmentation des besoins en fer, de la viscosité du sang ainsi que de son volume. Le sang circule donc moins bien dans l’organisme. Ainsi, cette utilisation peut entraîner des complications cardiovasculaires, augmenter les risques d’hypertension artérielle et d’infarctus.
De plus, l’effet de l’EPO perdure plusieurs jours après l’injection, rendant ses effets négatifs difficiles à contrôler.
L’EPO, ou l’érythropoïétine, permet de stimuler la respiration cellulaire en augmentant l’apport de dioxygène aux organes. En tant que produit dopant, l’EPO n’est cependant pas sans danger.
Conclusion :
Pour fonctionner, les cellules musculaires ont besoin d’énergie sous forme d’ATP. Cette molécule peut être générée de différentes façons.