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

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 $\text{O}_2$).
• Lors de la respiration, il y a :
• oxydation d’un substrat organique grâce au dioxygène ;
• réduction du composé $\text{NAD}^+$ en composé $\text{NADH}$.
• 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 $\text{NAD}^+$ en composés $\text{NADH}$ qui seront ensuite réemployés dans la chaîne respiratoire.

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 $\text{NAD}^+$ sont réduits en composés $\text{NADH}$.
• Ce cycle permet la formation de $2$ molécules d’ATP, $6$ molécules de dioxyde de carbone, $8$ composés réduits de $\text{NADH},\ \text{H}^+$ et $2$ de $\text{FADH}_2$ à partir de $6$ molécules d’eau et $2$ molécules de pyruvate.

La chaîne respiratoire

• La chaîne respiratoire est un ensemble de réactions d’oxydo-réduction qui entraînent le passage de protons $\text{H}^+$ de part et d’autre de la membrane interne de la mitochondrie.
• Les composés $\text{NADH}$ et $\text{FADH}_2$ vont être réoxydés en $\text{NAD}^+$ et $\text{FAD}$.
• Les protons libérés ($\text{H}^+$) vont alimenter une pompe à protons productrice d’ATP et permettre la réduction de l’$\text{O}_2$ en $\text{H}_2\text{O}$.
• Ainsi, la chaîne respiratoire permet la formation de $32$ molécules d’ATP grâce à l’oxydation de $6$ molécules de dioxygène pour former $12$ molécules d’eau.
• En faisant le bilan de la respiration cellulaire pour une molécule de glucose, nous obtenons :
• $\text{C}_{6}\text{H}_{12}\text{O}_{6} + 6\,\text{O}_{2} + 6\,\text{H}_{2}\text{O} + 36\,\text{ADP} + 36\,\text{Pi}\rightarrow 6\,\text{CO}_{2} + 12\,\text{H}_{2}\text{O} + 36\,\text{ATP}$

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 $\text{O}_2$  : les fermentations.
• Elles permettent une oxydation du glucose sans $\text{O}_2$. 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 $\text{H}^+$ aux composés $\text{NAD}^+$.
• Par la suite, les composés $\text{NADH},\, \text{H}^+$ sont réoxydés en composés $\text{NAD}^+$. En parallèle, les composés $\text{NAD}^+$ sont donc réduits en composés $\text{NADH}$
• Cette réaction produit peu pas d’ATP (qui sera uniquement produit par le glycolyse), elle permet seulement la régénération des composés $\text{NAD}^+$.
• On obtient donc le bilan suivant pour la fermentation lactique :
• $\text{C}_{6}\text{H}_{12}\text{O}_{6} + 2\,\text{ADP} + 2\,\text{Pi}\rightarrow 2\,\text{C}_{3}\text{H}_{6}\text{O}_{3} + 2\,\text{ATP}$

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.
• $\text{ADP} + \text{Créatine-P}\rightarrow\text{ATP} + \text{Créatine}$
• 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.