Chap 2 - L’ATP, molécule indispensable à la vie cellulaire

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 !