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Origine de l’énergie (ATP) nécessaire à la contraction de la cellule musculaire

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La respiration cellulaire

  • 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 et a lieu en milieu aérobie (riche en O2\text{O}_2).
  • Lors de la respiration, il y a :
  • oxydation d’un substrat organique grâce au dioxygène ;
  • réduction du composé R\text{R}^{\prime} en composé RH2\text{R}^{\prime}\text{H}_2.
  • Cet ensemble de réactions dégage du dioxyde de carbone ;
  • et produit de l’ATP.
  • Le substrat organique employé est le pyruvate, issu de la transformation du glucose par une série de réactions chimiques appelée glycolyse.
  • Le pyruvate est 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.
  • C’est la mitochondrie qui est le siège de la respiration :
  • la chaîne respiratoire a lieu au niveau de la membrane interne ;
  • le cycle de Krebs a lieu dans la matrice.

La glycolyse

  • Elle se déroule dans le cytosol de la cellule.
  • Deux molécules d’ATP et deux molécules de pyruvate sont produites à partir d’une molécule de glucose et de deux molécules d’ADP + Pi (phosphate inorganique).
  • Cette réaction est couplée à celle de la réduction des composés R\text{R}^{\prime} en composés RH2\text{R}^{\prime}\text{H}_2 qui seront ensuite réemployés dans la chaîne respiratoire.
  • Deux molécules d’ATP et deux molécules de pyruvate sont produites à partir d’une molécule de glucose et de deux molécules d’ADP + Pi.

Le cycle de Krebs

  • Il a lieu dans la matrice mitochondriale.
  • Deux molécules de pyruvate formées lors de la glycolyse permettent la formation de deux molécules d’ATP.
  • 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 R\text{R}^{\prime} sont réoxydés en composés RH2\text{R}^{\prime}\text{H}_2.
  • Ce cycle permet la formation de 22 molécules d’ATP, 66 molécules de dioxyde de carbone et 1010 composés réduits RH2\text{R}^{\prime}\text{H}_2 à partir de 66 molécules d’eau et 22 molécules de pyruvate.

La chaîne respiratoire

  • La chaîne respiratoire est un ensemble de réactions d’oxydo-réduction qui entraînent le passage de protons H+\text{H}^+ de part et d’autre de la membrane interne de la mitochondrie.
  • Les composés RH2\text{R}^{\prime}\text{H}_2 vont être réoxydés en R\text{R}^{\prime}.
  • Les protons libérés (H+\text{H}^+) vont alimenter une pompe à protons productrice d’ATP et permettre la réduction de l’O2\text{O}2 en H2O\text{H}2\text{O}.
  • Ainsi, la chaîne respiratoire permet la formation de 3232 molécules d’ATP grâce à l’oxydation de 66 molécules de dioxygène pour former 1212 molécules d’eau.
  • En faisant le bilan de la respiration cellulaire pour une molécule de glucose, nous obtenons :
  • C6H12O6+6O2+6H2O+36ADP+36Pi6CO2+12H2O+36ATP\text{C}{6}\text{H}{12}\text{O}{6} + 6\,\text{O}{2} + 6\,\text{H}{2}\text{O} + 36\,\text{ADP} + 36\,\text{Pi}\rightarrow 6\,\text{CO}{2} + 12\,\text{H}_{2}\text{O} + 36\,\text{ATP}

Les fermentations

  • Dans le cas où la quantité de dioxygène n’est pas suffisante (milieu anaérobie), les cellules musculaires utilisent d’autres moyens pour générer de l’ATP.
  • Certains métabolismes peuvent en effet se produire sans O2\text{O}_2  : les fermentations.
  • Elles permettent une oxydation du glucose sans O2\text{O}_2. Pour ce faire, elles commencent, comme la respiration, par une étape de glycolyse mais empreinte ensuite des chemins différents.
  • Le rendement de la fermentation est assez faible, elle produit donc moins d’ATP que la respiration.
  • La fermentation existe sous plusieurs formes, en fonction du patrimoine génétique des cellules qui oriente le type de métabolisme :
  • les cellules musculaires par exemple ne savent faire que la fermentation lactique ;
  • et les levures que la fermentation alcoolique.
  • La fermentation lactique a lieu dans le cytosol de la cellule.
  • Lors de la fermentation lactique, le pyruvate issu de la glycolyse est réduit en acide lactique en cédant deux protons H+\text{H}^+ aux composés R\text{R}^{\prime}.
  • En parallèle, les composés R\text{R}^{\prime} sont réoxydés en composés RH2\text{R}^{\prime}\text{H}_2.
  • Cette réaction ne produit pas d’ATP (qui sera uniquement produit par le glycolyse), elle permet seulement la régénération des composés R\text{R}^{\prime}.
  • On obtient donc le bilan suivant pour la fermentation lactique :
  • C6H12O6+2ADP+2PiC3H6O3+2ATP\text{C}{6}\text{H}{12}\text{O}{6} + 2\,\text{ADP} + 2\,\text{Pi}\rightarrow \text{C}{3}\text{H}{6}\text{O}{3} + 2\,\text{ATP}

Le dopage, un moyen d’améliorer ses performances physiques

  • Pour améliorer leurs performances physiques, au détriment de leur santé, 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.
  • La créatine est une protéine apportée par la consommation d’aliments riches en protéines : sa déphosphorylation libère un phosphate, ce qui permet une synthèse d’ATP rapide à partir d’ADP.
  • ADP+Creˊatine-PATP+Creˊatine\text{ADP} + \text{Créatine-P}\rightarrow\text{ATP} + \text{Créatine}
  • Cette protéine peut également être synthétisée en laboratoire et commercialisée comme complément alimentaire.
  • Une forte consommation de créatine de synthèse peut causer des troubles musculaires, hépatiques, rénaux, cardiovasculaires et est suspectée d’avoir un effet cancérigène.
  • L’EPO est une protéine naturellement produite par l'organisme lors d’un manque de dioxygène : elle améliore l’apport de dioxygène aux organes.
  • L’EPO de synthèse est 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 peut entraîner des complications cardiovasculaires, augmenter les risques d’hypertension artérielle et d’infarctus.