[0:00]Bonjour à tous, les activités cellulaires nécessitent de l'énergie. Dans la vidéo précédente sur les cellules musculaires, nous avons vu que le mécanisme de raccourcissement musculaire, permettant la réalisation d'un mouvement, nécessitait de l'énergie sous forme d'une petite molécule appelée ATP. C'est l'acronyme d'adénosine triphosphate et dans cette vidéo, j'aimerais que l'on voit ensemble l'origine de cette petite molécule nécessaire à la contraction de la cellule musculaire. Allez go, c'est parti. One, two, three, listen!
[0:45]Commençons par quelques constats. L'utilisation de l'ATP au niveau des cellules musculaires permet le coulissage des filaments d'actine et de myosine à l'origine de la contraction musculaire. Regardez sur votre gauche, vous avez en bleu les filaments fins d'actine et au centre en beige les filaments épais de myosine. Les molécules d'ATP libèrent l'énergie permettant ce travail cellulaire. Voici une molécule d'ATP sur votre écran. Elle est constituée d'une base azotée appelée adénine, liée à un sucre appelé ribose. Cet ensemble adénine plus ribose forme l'adénosine. Cette adénosine est liée à des groupements phosphate que je vous entoure qui sont eux-mêmes liés en série. Vous avez trois groupements phosphate. Lorsque vous avez l'hydrolyse d'une molécule d'ATP, c'est-à-dire pour vous ici une coupure du dernier groupement phosphate, libérant alors un groupement phosphate, ici appelé PI pour phosphate inorganique, et bien, vous avez une libération d'énergie d'environ 30 kJ par mole dans les conditions standards. Il se forme une molécule appelée ADP. C'est la même molécule que l'ATP sur la gauche sauf que vous n'avez plus que deux groupements phosphate, OK pour vous? Alors, concernant l'énergie libérée par la réaction chimique dans la cellule, et bien cela permet ce que l'on appelle le travail cellulaire. C'est l'énergie qu'utilise la cellule. De plus, une partie de cette énergie est perdue sous forme de chaleur comme dans tout travail, le rendement n'est jamais de 100%. Or, dans les cellules, la quantité d'ATP immédiatement disponible est très faible et ne permet pas d'assurer une contraction au-delà de quelques secondes. L'ATP doit alors être fabriqué ou plus précisément doit être régénéré pour que ses quantités ne soient pas épuisées. Pour vous expliquer cela, nous allons partir du graphique suivant, il vous présente la dépense énergétique relative, c'est en pourcentage, en fonction du temps. Ici, l'échelle n'est pas linéaire, ça commence avec des secondes puis des minutes. Au début d'une activité musculaire, l'ATP présent dans la cellule alimente directement la contraction. Sa contraction est très rapidement proche de zéro. C'est la courbe de couleur rouge sur votre écran. Il doit être régénéré de façon continue afin que la contraction puisse se poursuivre. Heureusement, une fois que l'ATP est hydrolysé en ADP et en phosphate inorganique, sa régénération se fait en une fraction de seconde suivant trois voies. Soit par interaction de l'ADP avec de la créatine phosphate, c'est la voie la plus rapide qui intervient sans délai permettant une libération d'énergie très importante durant quelques secondes. C'est la courbe de couleur verte sur votre écran. La seconde, appelée voie anaérobie lactique ou encore fermentation lactique, intervient majoritairement après 20 ou 30 secondes d'efforts musculaires. Elle permet une synthèse d'ATP lors de la réalisation d'efforts musculaires plus long mais ne dépassant pas quelques minutes. Enfin, troisième voie, appelée voie aérobie, on l'appelle aussi communément la respiration, et bien elle utilise diverses molécules organiques mises en réserve et son délai d'intervention est plus tardif que les précédentes. Elle est de l'ordre de de 2 à 4 minutes, c'est la courbe de couleur orange. Elle peut se maintenir jusqu'à plusieurs heures ce qui en fait la voie de régénération de l'ATP majoritaire pour les sports d'endurance. Je vous propose maintenant d'approfondir chacune de ces trois voies. Première voie, celle de l'hydrolyse de la phosphocréatine. La phosphocréatine est une molécule que voici sur votre écran. Elle est synthétisée par le foie, le pancréas et les reins à partir de certains acides aminés. Mais elle peut être aussi apportée par l'alimentation comme la viande ou les poissons. On retrouve cette molécule essentiellement dans les cellules musculaires. Pourquoi l'appelle-t-on créatine phosphate? Et bien c'est parce que vous avez ici un groupement phosphate, je vous l'entoure, lié à la molécule appelée créatine. Et cette créatine phosphate peut, après hydrolyse, céder son groupement phosphate par couplage à de l'ADP et régénérer ainsi de l'ATP. Ensemble, ATP et créatine phosphate présents dans le muscle permettent de maintenir une puissance musculaire maximale de quelques secondes à quelques dizaines de secondes. Souvenez-vous notre graphique. Ici, c'est en lien avec la courbe de couleur verte. Cette puissance est suffisante pour courir un sprint de 100 m. Pour un effort de plus longue durée, d'autres voies métaboliques consommant des molécules organiques interviennent selon le type d'effort, c'est-à-dire selon la durée de l'effort et selon l'intensité de l'effort. Par exemple, pour un effort de plus longue durée allant d'une minute à quelques minutes, c'est la dégradation du glucose qui va fournir l'énergie. Regardons tout cela maintenant. Nous voici au cœur d'une cellule musculaire. C'est très schématique, c'est uniquement pour que l'on puisse se concentrer sur les aspects biochimiques de régénération de l'ATP. Ça marche pour vous? Alors comme je vous le disais tout à l'heure, ce qui va constituer le carburant énergétique pour la cellule ici, ce sont des molécules organiques et plus précisément, c'est la dégradation du glucose. Le voici sur votre écran. Ce glucose peut provenir soit de la circulation sanguine. Je vous rappelle que vous avez un taux de glucose sanguin relativement constant autour de 1 g par litre, on parle de glycémie d'ailleurs, mais il peut aussi provenir directement de réserves du muscle. Je ne rentre pas plus dans le détail à ce niveau-là. Ce que vous devez garder en tête, c'est que du glucose va être utilisé, du glucose va être consommé. En fait, ce glucose va subir tout un ensemble de réactions biochimiques assez complexes que je vous matérialise ici par une flèche jaune. Il s'agit de la glycolyse. Pour faire simple, vous avez une oxydation partielle à partir de deux composés appelés NAD. Il s'agit de transporteurs oxydés qui réagissent dans la glycolyse et qui se réduisent en NADH. Cette glycolyse permet de produire à partir de deux ADP et deux phosphate inorganique deux molécules d'ATP. Les produits formés en fin de glycolyse sont deux molécules de pyruvate. Donc, pour récapituler ici, vous récupérez de l'énergie sous forme de molécules d'ATP. Au niveau de la glycolyse, il se forme deux molécules d'ATP par molécule de glucose et ça ne s'arrête pas là. Les deux molécules de pyruvate continuent leur chemin. Elles vont interagir avec nos molécules réduites NADH par couplage. Ici à garder en tête, tout d'abord, c'est que vous recyclez le pouvoir réducteur, c'est-à-dire que vous formez du NAD qui pourra être à nouveau utilisé dans la glycolyse. Vous voyez sur l'écran, vous avez une sorte de cycle avec une réduction de ce composé par la glycolyse puis oxydation lorsque vous avez couplage avec le pyruvate. Et la conséquence de cette réaction, c'est que les pyruvates sont alors réduits en lactate dans le cytosol de la cellule musculaire. Ok pour vous, vous formez ici du lactate. Ainsi, de manière globale, vous voyez que vous formez à partir d'une molécule de glucose, deux molécules d'ATP et deux molécules de lactate. La quantité d'ATP régénéré est faible pour une molécule de glucose, mais les avantages de cette réaction sont sa rapidité et le fait qu'elle ne nécessite pas d'augmentation du débit sanguin apportant du dioxygène supplémentaire puisque elle se réalise en l'absence de ce dioxygène. Ça marche pour vous? Certains efforts physiques sont de plus longue durée et lorsqu'il se prolonge au-delà de deux minutes, et bien, il existe un système plus rentable permettant de régénérer beaucoup plus d'ATP dans la cellule musculaire. Il s'agit de la voie métabolique aérobie qui correspond à l'utilisation de molécules organiques comme le glucose par exemple, qui est le principal substrat respiratoire des cellules. Regardons tout cela en détail. Voici notre cellule musculaire très schématique et la respiration cellulaire débute par une étape commune à la fermentation lactique. Il s'agit de la glycolyse. Vous formez de l'ATP, du pouvoir réducteur sous forme de NADH et du pyruvate. Tout cela se réalise dans le cytosol. C'est alors qu'intervient un mécanisme aérobie. Les réactions qui suivent maintenant se déroulent dans un organite très important pour la cellule. Il s'agit de la mitochondrie. En voici une sur votre écran. Elle mesure en moyenne 1 à 2 micromètres de longueur pour 0,5 à 1 micromètre de largeur. Alors, c'est une moyenne et certaines peuvent atteindre des longueurs allant jusqu'à 10 micromètres. Bref, une particularité pour cet organite, c'est qu'il est constitué par deux membranes. Une membrane externe et une membrane interne formant ce que l'on appelle une enveloppe mitochondriale. Et regardez, la membrane interne forme à l'intérieur de la mitochondrie, dans la matrice, de nombreux replis. On parle aussi de crêtes mitochondriales et vous allez voir qu'elles sont très importantes dans le processus de la respiration. Regardez, agrandissons notre cellule. Notre pyruvate formé par la glycolyse traverse l'enveloppe de la mitochondrie. Il se retrouve dans la matrice mitochondriale ici de couleur jaune. Puis, il va subir une série de réactions d'oxydation et de décarboxylation. Alors, n'ayez pas peur des termes, voyons ensemble plus en détail. Ici, la flèche en forme de cercle vous indique que vous avez un ensemble des réactions chimiques qui sont tout simplement schématisées sans les détails. Vous avez tout un ensemble de réactions accélérées, catalysées par des enzymes localisées uniquement dans la matrice. Toutes les réactions se déroulent dans la matrice de couleur jaune. Cela constitue ce que l'on appelle le cycle de Krebs du nom de son découvreur, Hans Krebs. Par contre, vous avez quelques éléments à comprendre ici. Le premier, et bien, c'est que vous avez une production de CO2, c'est notre fameuse décarboxylation. Vous avez un carbone qui par l'intermédiaire de la molécule de CO2 sort du cycle. Ce CO2 sort ensuite de la cellule. Il passe dans la circulation sanguine et rejoindra les poumons pour être expulsé lors de l'expiration. Un lien important ici à faire, c'est celui de la respiration. Nous sommes dans la mitochondrie à l'échelle cellulaire, il se produit donc du CO2 que nous expirons ensuite lors de la respiration à l'échelle de l'organisme. Revenons à notre cellule musculaire et notre mitochondrie. Au niveau du cycle de Krebs, vous avez d'autres réactions que je vous rajoute sur le schéma. Tout d'abord, la régénération d'ATP à partir d'ADP et PI, et oui, vous avez donc au niveau de ce cycle de Krebs, une source d'ATP pour la cellule. Puis dernier point à retenir pour ce cycle de Krebs, vous avez la formation de pouvoir réducteur sous forme de NADH qui se réalise à partir de NAD provenant de la matrice mitochondriale. Concernant maintenant ce fameux NADH formé, son histoire ne s'arrête pas là. Je vous rappelle qu'il s'agit d'un transporteur réduit et ce transporteur va se faire oxyder un autre endroit de la mitochondrie. Regardez, ça se passe au niveau de la membrane interne mitochondriale où l'on observe la présence de protéines. Ce sont tous les petits ronds de couleur violette. Ces protéines présentes en très grand nombre dans la membrane interne sont assemblées en complexe qui sont proches les uns des autres et qui forment ce que l'on appelle la chaîne respiratoire. Et ces complexes vont alors intervenir dans l'oxydation de notre NADH. C'est bon pour vous? On regarde plus en détail tout cela. Allez go, on zoome une nouvelle fois. Bien, voici un fragment de notre mitochondrie. Je vous agrandis une crête mitochondriale, c'est la membrane interne repliée que vous avez sur votre écran. Voici maintenant les complexes protéiques, ce sont les ronds violets et ces complexes forment la chaîne respiratoire. Je vous la schématise ici de manière simplifiée par ce rectangle encadrant les complexes protéiques. Alors, rappelez-vous, au niveau du cycle de Krebs, il se produit du pouvoir réducteur sous forme de NADH. Le voici et c'est au niveau de la chaîne respiratoire que notre NADH va transférer ses électrons et protons au dioxygène que voici. Ici, le dioxygène est réduit en une molécule que vous connaissez bien. C'est maintenant H2O, c'est-à-dire de l'eau tout simplement. Et du NAD est à nouveau disponible pour votre cycle de Krebs. Ok pour vous? Alors, je préfère vous le dire maintenant. Ici, c'est une représentation simplifiée. Je n'ai pas réalisé l'équilibre des charges. Ici, c'est volontairement simplifié pour que vous compreniez le principe général. D'ailleurs, ce dioxygène, avez-vous deviné d'où il venait? Et bien, c'est tout simplement le dioxygène que vous inhalez lors de l'inspiration à l'échelle de l'organisme. Ce dioxygène atmosphérique se retrouve ensuite au sein de votre corps et ici, dans vos cellules. Et vous voyez qu'il permet, de par sa présence, d'oxyder notre pouvoir réducteur NADH au niveau de la chaîne respiratoire. Bien. Alors, vous allez me dire et donc quel est le rapport avec notre respiration cellulaire et la formation d'énergie sous forme d'ATP? C'est quand même une partie du titre de cette vidéo, l'origine de l'ATP. Alors, si nous zoomons au niveau de notre chaîne respiratoire, vous avez un complexe protéique particulier appelé ATP synthase. Je vous le rajoute maintenant et c'est au niveau de ce complexe que vous allez avoir par couplage avec de l'ADP et du PI la régénération d'une très grande quantité d'ATP. Ici, vous formez beaucoup beaucoup d'ATP. C'est ce que vous devez garder en tête. La voie aérobie qui finalement fait intervenir les mitochondries et le dioxygène, et bien, ça, c'est la voie permettant de produire le plus d'ATP. Je ne rentre pas plus dans le détail ici, vous avez déjà beaucoup de choses. Le métabolisme des cellules musculaires est contrôlé par tout un ensemble de molécules et notamment par des hormones produites par l'organisme comme la testostérone pour les hommes. La testostérone que voici sur votre écran est une hormone produite essentiellement par les testicules. Elle est sécrétée dans le sang puis circule dans tout l'organisme et agit au niveau des différentes cellules cibles, dont les cellules musculaires. Comment? Et bien par l'intermédiaire de récepteurs spécifiques à cette hormone. Voici schématisé un récepteur à testostérone et voici l'hormone schématisée en orange avec la lettre T. Et regardez, il existe une complémentarité de structure entre la testostérone et son récepteur. Cette liaison que vous avez entre l'hormone et son récepteur, se trouvant au sein des cellules, permet l'augmentation de la masse musculaire et de la force musculaire et ça surtout chez les personnes suivant un entraînement physique. Or, il existe des médicaments à base de molécules de synthèse qui dérivent de cette testostérone et ces molécules possédant une structure très similaire à la testostérone. Vous le voyez sur votre écran, c'est la molécule schématisée de couleur bleue avec le M. Du coup, ces molécules peuvent se fixer aussi sur les récepteurs de la testostérone. Et ce qui se passe, c'est que cela reproduit et amplifie les effets de cette testostérone. Et oui, ce type de substance peut alors augmenter artificiellement les performances physiques d'un sportif. C'est ce que l'on appelle alors du dopage. Prenez par exemple le stanozolol que voici sur votre écran. C'est un stéroïde de synthèse et c'est un produit interdit par l'Agence Mondiale anti-dopage en compétition sportive. Vous voyez ici sa structure étant très proche de celle de la testostérone juste au-dessus et ses effets en sont similaires. Enfin, concernant ces produits, et bien, ces stéroïdes représentent des risques pour la santé de ceux qui en abusent pouvant même aller jusqu'au péril de la vie des individus. Merci à tous pour votre attention. Je vous rappelle que vous pouvez retrouver toutes ces informations dans le manuel de cours chez Nathan dans le chapitre 17. Vous y retrouverez tout ce que l'on a vu dans la vidéo et bien plus encore. Chers étudiants de terminale, voici en quelques mots ce que vous devez connaître dans ce chapitre. Les quantités d'ATP immédiatement disponible dans la cellule musculaire sont faibles. Il n'y a pas de stockage de cette molécule. Lorsqu'un effort physique débute, l'ATP consommé est immédiatement régénéré grâce à la phosphocréatine présente dans la cellule musculaire. Puis selon le type d'effort, sa durée et son intensité, il existe d'autres voies métaboliques consommant des molécules organiques qui peuvent ensuite intervenir. Vous avez par exemple la fermentation lactique se déroulant dans le cytosol qui se caractérise par l'absence de consommation de dioxygène. C'est une oxydation incomplète qui génère un résidu organique appelé lactate. La quantité ATP formé est assez faible. Si l'effort se poursuit au-delà d'une certaine durée, la respiration cellulaire prend le relais. Le métabolisme est de type aérobie. Dans la cellule, vous avez un relais s'effectuant dans les mitochondries avec le cycle de Krebs. L'ensemble des réactions produisent du CO2 et des composés réduits comme le NADH. La chaîne respiratoire mitochondriale permet la réoxydation des composés réduits par la réduction de dioxygène en eau, H2O. Ces réactions conduisent à la production d'ATP en grande quantité permettant les activités cellulaires. Enfin, des substances exogènes, donc non fabriquées par notre organisme comme des stéroïdes, peuvent modifier le métabolisme musculaire et accroître la masse des muscles, ce qui constitue un moyen d'améliorer artificiellement les performances. Et ces substances peuvent toutefois avoir des effets graves sur la santé. Voilà, je vous place en bas à droite de votre écran la vidéo suivante sur ce même thème. Si vous voulez avoir plus d'informations sur l'épisode, cliquez juste en dessous, n'oubliez pas de vous abonner, de partager et liker cette vidéo. Si ça vous a plu, ça m'encourage à vous en créer de nouvelles pour votre réussite.Je vous dis à la prochaine.Ciao!
