Chap. 2 L’ATP, molécule indispensable à la vie cellulaire Le métabolisme cellulaire nécessite de l’énergie. Sous quelle forme les cellules la trouvent-elles ? Comment cette énergie est-elle produite ? TD nº 7 – La respiration est indispensable au métabolisme 1. L’ATP : une molécule renouvelée en permanence TD nº 7 – ATP et vie cellulaire L’ATP (adénosine triphosphate) lorsqu’elle est hydrolysée produit de l’ADP, un ion phosphate inorganique Pi et de l’énergie libre (30,5 KJ/Mole). L’ATP transfère cette énergie dans les cellules qui l’utilisent pour leurs différents besoins (synthèses, fonctions vitales…). Pour fonctionner, une cellule a besoin de millions de molécules d’ATP par seconde. Or l’ATP est présente en faible quantité : il est donc renouvelé en permanence. 1.1. Intervention de l’ATP dans la contraction des cellules musculaires 1.1.1. Les cellules musculaires ou fibres musculaires Un muscle est composé de cellules polynucléaires résultat de la fusion de cellules souches pour donner les fibres musculaires. Elles contiennent des myofibrilles, composées de deux protéines principales : l’actine et la myosine organisées en sarcomères. (unité de contraction musculaire). 1.1.2. La contraction des fibres musculaires TD nº 8 - Le rôle de l’ATP dans la contraction musculaire Les sarcomères sont composés de filaments fins d’actine et de filaments épais de myosine qui coulissent entre eux lors de la contraction musculaire. Ce coulissage est dû au mouvement des têtes de myosine (filament épais) qui est possible grâce à l’énergie libérée par l’hydrolyse de l’ATP. 1.2 Bilan L’ATP est molécule indispensable car elle apporte l’énergie nécessaire à toutes les réactions du métabolisme. Comment cette molécule est-elle renouvelée ? 2. Régénération des molécules d’ATP TD nº 9 – Métabolisme cellulaire des levures 2.1. Une réaction aérobie : la respiration cellulaire En aérobiose et en présence de glucose, les levures consomment du dioxygène et rejettent du dioxyde de carbone : c’est la respiration qui s’accompagne d’un dégagement de chaleur et d’une production d’énergie. La respiration consiste en l’oxydation complète de la matière organique. C6H12O6 + 6O2 6 CO2 + 6 H2O La respiration cellulaire comporte plusieurs réactions chimiques successives catalysées par des enzymes. 2.1.1 Une première étape dans le cytoplasme Le glucose contenu dans le milieu extracellulaire pénètre dans le cytoplasme de la cellule. Il y subit une première étape d’oxydation partielle : la glycolyse qui aboutit à la formation de pyruvate. Parallèlement une réduction se produit. Un composé T est réduit avec 2 H + et 2 e- provenant du glucose en TH2. Cette réaction d’oxydoréduction libère de l’énergie, utilisée pour la formation d’ATP à partir d’ADP et de Pi. Le bilan de la glycolyse est : C6H12O6 + 2 T 2 ADP + 2Pi 2.1.2 2 CH3COCOOH + 2 TH2 2 ATP Une deuxième étape dans la mitochondrie 2.1.2.1 La mitochondrie Les mitochondries sont des organites compartimentés localisés dans le cytoplasme des cellules. Elles utilisent le pyruvate produit lors de la glycolyse, pour régénérer, après dégradation complète du pyruvate une quantité importante d’ATP. Cette dégradation se déroule en deux étapes successives et complémentaires : - l’une dans la matrice aboutit à la formation de nombreux composés réduits. - l’autre sur les crêtes internes permet la synthèse d’ATP. 2.1.2.2 Dans la matrice Dans la matrice des mitochondries a lieu la dégradation du pyruvate et la synthèse de composés réduits. Il se produit une oxydation du pyruvate, sans intervention de dioxygène, qui permet la formation de 10 TH 2. Le pyruvate subit aussi, lors d’un cycle, une décarboxylation complète qui aboutit à la libération de CO 2, déchet de la respiration. Cette série de décarboxylations oxydatives permet la formation de 2 ATP. 2 CH3COCOOH + 10 T + 6 H2O 6 CO2 + 10 TH2 2 ADP + Pi 2 ATP 2.1.2.3 Au niveau des crêtes mitochondriales Au cours de la troisième étape, les composés réduits TH2 produits dans la matrice, sont utilisés pour la synthèse d’ATP. Ils cèdent leurs électrons aux chaînes de transport (ou chaînes respiratoires) de la membrane interne des mitochondries jusqu’à l’accepteur final O2 : il y a réduction du dioxygène en eau, autre déchet de la respiration. L’énergie produite lors de ce transport d’électrons permet par couplage le mouvement de protons de la matrice vers l’espace intermembranaire. Ces protons sont eux aussi fournis par les composés réduits. Il se forme donc un gradient transmembranaire qui se dissipe au travers des ATP synthases de la membrane interne et permet la régénération d’une grande quantité d’ATP. Le dioxygène, accepteur final des électrons et des protons est indispensable à la respiration. Sans lui, les composés réduits ne peuvent céder leurs électrons car il ne peut y avoir accumulation d’électrons dans la membrane interne des mitochondries. L’oxydation par le dioxygène des composés réduits est couplée à la synthèse d’une quantité importante d’ATP : 12 TH2 + 6 O2 32 ADP + 32 Pi 12 T + 12 H2O ATPSynthase 32 ATP 2.1.2.4 Réaction bilan L’équation finale de la respiration est donc : 36 ADP + 36 Pi 36 ATP 2.1.2.5 Schéma bilan 2.2. La fermentation, une dégradation incomplète de la matière organique, source d’ATP 2.2.1 Les fermentations lactique et alcoolique En anaérobiose et en présence de glucose, les cellules qui possèdent l’équipement enzymatique nécessaire fermentent. Dans ces conditions, le pyruvate issu de la glycolyse ne peut être oxydé : les deux molécules de TH2 s’accumulent dans le cytoplasme. La fermentation permet une réoxydation des composés réduits TH2 en T. Dans le cas de la fermentation alcoolique, cela aboutit à la formation d’alcool, dans le cas de la fermentation lactique à l’acide lactique, mais on peut aussi obtenir de l’acide acétique (vinaigre). 2.2.2 Bilan Fermentation alcoolique 3. Une autre voie de régénération de l’ATP : la voie de la phosphocréatine TD nº 10 – Les trois voies du métabolisme énergétique La filière anaérobie alactique Cette filière est ainsi qualifiée car elle ne nécessite pas d’oxygène et n’entraîne pas la production d’acide lactique. Elle utilise l’ADP formée par la dégradation de l’ATP pour re-synthétiser de l’ATP en utilisant la phosphocréatine (PC) : PC + ADP <–> ATP + C Dès le début d’un effort intense (un sprint par exemple), la phosphocréatine cède un phosphate à l’ADP pour former de l’ATP et permet, dans un premier temps, de maintenir la concentration en ATP constante. Malheureusement, les stocks de phosphocréatine sont très limités et ne permettent de fournir l’énergie à un effort de 20-30 secondes à 70% de VO2max, pas plus. La concentration d’ATP baisse alors et cette chute s’accompagne d’une fatigue ressentie par le coureur. La capacité de cette filière est donc très faible, par contre sa puissance est élevée car la libération d’énergie est rapide : c’est la filière des efforts courts et intenses (sauts, lancers, sprints, etc.). Après l’effort, les stocks de phosphocréatine sont reconstitués par la réaction inverse, en utilisant la créatine formée lors de l’effort. D’où l’idée de certains d’ingérer de la créatine pour augmenter cette réserve d’énergie. Cette pratique est d’ailleurs répandue dans beaucoup de sport (mais interdite en France), mais certaines études ont montré la dangerosité d’une telle méthode (la dose proposée aux sportif est de 20g par jour, ce qui correspond à la teneur en créatine de 4kg de viande rouge !). La filière anaérobie lactique Cette filière correspond à la dégradation du glucose sans utiliser d’oxygène : c’est la glycolyse anaérobie. L’avantage principal de cette filière est sa rapidité pour libérer l’énergie. En effet, la dégradation du glucose est rapide (une dizaine de réactions) et elle ne dépend pas d’un apport en oxygène de l’air que nous respirons. La puissance disponible est toutefois moins élevée que la filière anaérobie alactique à cause de la chaîne de réactions nécessaire à la libération de l’énergie. En revanche, sa capacité est plus grande en raison d’un stock en glycogène (le substrat) plus important. La filière aérobie Cette filière permet la synthèse d’ATP grâce à la dégradation du glucose (grâce à la glycolyse aérobie) ou des acides gras (via la bêta-oxydation puis la glycolyse). Pour le glucose, la première partie de dégradation est identique à la glycolyse anaérobie, c’est-à-dire qu’il y a formation de pyruvate à partir de glucose dans la cellule. Nous avons vu que cette partie libère seulement 2 molécules d’ATP par molécule de glucose. La suite est différente, le pyruvate entre dans les mitochondries où il suit le cycle de Krebs. La partie aérobie de la dégradation du glucose permet de libérer 36 molécules d’ATP. On est loin des 2 ATP pour la glycolyse anaérobie ! La filière aérobie a donc une capacité bien plus grande que les deux filières anaérobie. Ces chaînes de réactions étant plus longues que celles des filières précédentes, leur délai pour fournir l’énergie est plus long d’où une puissance plus faible. Grande capacité et faible puissance : la filière aérobie est la filière de l’endurance !