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unit1 : consommation de la matière organique et flux d'énergie
chapitre 1 : Libération de l’énergie emmagasinée dans la matière organique
Les molécules d'ATP sont produites à partir de la dégradation des molécules organiques comme le glucose, cette dégradation est réalisée grâce aux réactions de la respiration et de la fermentation.
1) La glycolyse est une étape commune entre la respiration et la fermentation.
La glycolyse est un ensemble de réactions qui se déroulent dans le hyaloplasme, elles consistent en une oxydation du glucose accompagnée de la formationde l'acide pyruvique, de l'ATP et de composés réduits (il s'agit de transporteurs d'électrons et de protons qui sont oxydés à l'origine (NAD+) et deviennent réduits par 2H+ et 2e- arrachés du glucose). On peut résumer les réaction de la glycolyse comme suit:
2) Les réactions de la fermentation.
- Dans un milieu anaérobie (absence d'O₂), les cellules utilisent la fermentation pour produire de l'énergie. Dans ces conditions, il y a dégradation incomplète de l'acide pyruvique, et il en reste un résidu organique qui emmagasine encore de l'énergie.
- Dans le cas de la fermentation alcoolique, les cellules transforment l'acide pyruvique en éthanol et CO₂.
- Dans le cas de la fermentation lactique, les cellules transforment l'acide pyruvique en acide lactique.
Au cours des réactions de fermentation il y a oxydation des molécules NADH+H⁺ qui ont été produites au cours de la glycolyse. Ainsi, le bilan énergétique de la fermentation est de 2 ATP à partir de 1 glucose.
3) Dégradation de l'acide pyruvique dans la matrice.
- Dans un milieu aérobie (présence d'O₂), il y a dégradation complète de l'acide pyruvique au niveau de la mitochondrie, accompagnée de la libération de composés qui n'emmagasinent plus d'énergie (CO₂ et H₂O). Ces réactions se déroulent dans la matrice de la mitochondrie comme suit :
- L'acide pyruvique perd 1CO₂, le NAD⁺ est réduit en NADH+H⁺, et il y a formation d'un radical acétyl qui se lie à un coenzyme-A ce qui donne naissance à un complexe Acétyl-coenzyme-A (ou Acétyl-CoA).
- L'Acétyl Co-A se lie à l'acide oxaloacétique (comporte 4 carbones (C4)), ce qui donne lieu à l'acide citrique (C6), qui passe par un ensemble de réactions appelé Cycle de Krebs. Au cours de ce cycle, il y a libération de 2CO₂ (les carbones de l'acétyl), réduction de 3NAD⁺ en 3 NADH+H⁺, réduction de 1FAD⁺ en 1FADH₂, et production de 1ATP.
4) La phosphorylation oxydative et la production d'ATP.
Au niveau de la membrane interne mitochondriale il y a une réoxydation des transporteurs NADH+H⁺ et FADH₂, qui cèdent leurs protons H⁺ et leurs électrons e⁻ à des protéines intégrées dans la membrane interne (la chaîne respiratoire).
Au cours du transfert d'électrons par la chaîne respiratoire, il y a un pompage de protons H⁺ de la matrice vers l'espace inter membranaire. Il en résulte un gradient de protons H⁺ de part et d'autre de la membrane interne. ce gradient constitu une réserve d'énergie.
Les sphères pédonculées permettent le retour des protons H⁺ de l'espace intermembranaire vers la matrice et utilisent l'énergie de ce flux de protons pour catalyser la réaction de phosphorylation : ADP + Pi → ATP. En même temps, O₂ est réduit en recevant des protons H⁺ et des électrons e⁻, selon la réaction :
½ O₂ + 2H⁺ + 2e⁻ → H₂O
5) Le bilan énergétique de la respiration et de la fermentation.
À partir d'une mole de glucose, la cellule produit, au cours des réactions de fermentation, 2ATP en plus des molécules organiques qui contiennent encore de l'énergie (l'acide lactique ou l'éthanol). Alors qu'elle produit 38 ATP au cours des réactions de respiration cellulaire, en plus de déchets sans valeur énergétique (CO₂ et H₂O).
chapitre2 : Rôle du muscle strié squelettique dans la conversion de l’énergie
1) Le travail mécanique du muscle squelettique strié
Le muscle squelettique strié est caractérisé par les propriétés de contractilité et excitabilité. Si on l'excite expérimentalement, il ne répond que si on dépasse un seuil d'excitation. On appelle rhéobase, l'intensité minimale du courant électrique pour provoquer l'excitation du muscle.
La réponse du muscle aux excitations efficaces est différente selon le nombre et le moment d'application de ces excitations.
Une seule excitation → secousse musculaire isolée.
Deux excitations successives → fusion complète ou incomplète selon le moment d'application de la deuxième excitation.
Une série d'excitations → tétanos imparfait ou tétanos parfait selon le moment d'application de l'excitation suivante.
2) Les phénomènes biologiques accompagnant la contraction musculaire et origine de l'énergie musculaire
La contraction musculaire s'accompagne de phénomènes thermiques et chimiques :
Les phénomènes thermiques : la contraction musculaire s'accompagne d'un dégagement de chaleur en deux étapes essentielles : une chaleur initiale au cours de la contraction et une chaleur retardée après la fin de la contraction.
Les phénomènes chimiques : le muscle consomme du glucose, du dioxygène, et rejette du dioxyde de carbone. Il s'agit d'une réaction d'oxydation du glucose (respiration cellulaire) accompagnée d'une libération d'énergie nécessaire à la contraction, dont une partie est perdue sous forme de chaleur.
3) Structure et ultra structure du muscle squelettique strié
Structure : la fibre musculaire est l'unité structurale du muscle. Chaque fibre est sous forme d'une cellule allongée qui contient plusieurs noyaux et un sarcoplasme (cytoplasme) comportant des myofibrilles parallèles entre elles et avec l'axe d'allongement de la cellule. Chaque myofibrille présente une alternance de bandes claires et sombres.
Ultrastructure : les myofibrilles sont formées de deux types de myofilaments : des filaments fins d'actine et des filaments épais de myosine caractérisés par des têtes globulaires. Les stries transversales des myofibrilles sont dues à la présence de bandes claires, formées uniquement de filaments d'actine, et de bandes sombres formées de filaments d'actine et de filaments de myosine. Les myofibrilles contiennent également des stries transversales appelées stries Z. La zone située entre deux stries Z consécutives est appelée sarcomère, qui constitue l'unité structurale de la fibre musculaire.
Les myofibrilles sont entourées par de nombreuses mitochondries (production d'ATP), et d'une quantité importante de glycogène (réserve de glucose), ainsi qu'un réticulum sarcoplasmique développé (réserve de calcium).
4) Mécanisme de la contraction musculaire
La contraction musculaire a lieu grâce au glissement entre les filaments d'actine et les filaments de myosine, en présence d'ATP et d'ions calcium. on peut résumer La succession d'événements au cours de la contraction musculaire comme suit : excitation de la fibre musculaire (issue des centres nerveux) → libération des ions calcium à partir du réticulum sarcoplasmique → formation des ponts actomyosine → hydrolyse de l'ATP en ADP et Pi avec libération d'énergie → rotation des têtes de myosine vers le centre du sarcomère → glissement des filaments d'actine vers le centre du sarcomère → contraction de la fibre musculaire.
dés la fin de l'excitation, le calcium retourne dans le réticulum sarcoplasmique. Les molécules d'ATP se lient aux têtes de myosine, ce qui conduit à la séparation de ces têtes des filaments d'actine et par conséquent au relâchement du muscle.
5) Voies de renouvellement de l'énergie nécessaire à la contraction musculaire
Voie anaérobie alactique : après quelques secondes du début l'effort, deux réactions de régénération d'ATP commencent :
Réaction 1 : ADP + ADP → ATP + AMP
Réaction 2 : ADP + CP → ATP + C
Ces réactions sont accompagnées de la libération de la chaleur initiale.
Voie anaérobie lactique : il s'agit des réactions de la fermentation lactique, non consommatrices d'oxygène et productrices d'une faible quantité d'énergie. Sa réaction globale est :
C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 2CH₃-CHOH-COOH + 2ATP
Voie aérobie : il s'agit de la respiration cellulaire qui a lieu lorsque le dioxygène est disponible. Cette voie produit une grande quantité d'énergie et s'accompagne de la libération de la chaleur retardée. Sa réaction globale est :
C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + 38ATP
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