CM PHYSIO n°1

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CM PHYSIO n°1
Le 7/10/1998
INTRODUCTION
OBJECTIF : Connaître le fonctionnement des grandes fonctions de l’organisme
dans le but de comprendre les adaptations physiologiques à l’exercice.
Chapitre I
NOTION DE CHIMIE
ET DE BIOCHIMIE
I L’atome :
C’est le plus petit niveau d’organisation des êtres vivants. Son unité de mesure est
l’Angström.
1 A = 10-10m
Rappel : 1 nm (nanomètre) = 10-9m
1 m (micromètre) = 10-6m
Les atomes sont constitués de trois éléments : électrons, protons et neutrons.
Particules
Electron
Proton
Neutron
Particules infra-atomiques
Charge
Négative
Positive
Neutre
Masse relative
1
1836
1838
On considère que proton et neutron ont la même masse relative.
D’après ce tableau, le neutron est 1838 fois plus lourd que l’électron.
Les électrons gravitent car ils sont attirés par les forces positives.
Dans un atome, il y a autant de protons que d’électrons, ce qui signifie que
l’atome est électriquement neutre.
Nombre atomique : C’est le nombre d’électrons qui tournent autour du noyau.
Poids atomique : C’est la somme du nombre de protons et de neutrons.
Comme les atomes sont très petits, on utilise une unité de quantité particulière : la
mole (M ou mole) qui contient 6,02 1023 éléments.
On sait qu’un atome de carbone C pèse 12 fois plus qu’un atome d’hydrogène. Comme
une mole contient toujours le même nombre d’éléments : une mole d’atome de C pèse
12 fois plus qu’une mole d’atome H, soit 12g.
La concentration, c’est la qtité de matière par unité de volume (en g ou mmol/L )
Résumé :
L’atome est constitué de 3 types de particules qui diffèrent par leur charge électrique et
leur masse relative.
Les protons qui portent une charge positive forment avec les neutrons, particules non
chargées, le noyau de l’atome et lui confèrent une charge positive. Des électrons
chargés négativement, attirés par la charge positive du noyau gravitent autour de ce
noyau.
II Les molécules :
La réunion d’atomes par des liaisons chimiques aboutit à la formation de molécules.
Pour qu’il y ait liaison chimique, les atomes doivent avoir en commun au moins un
électron.
ATOME
H
C
N
O
NOMBRE DE LIAISONS POSSIBLES
1
4
3
2
III Ions et molécules polaires
L’électron de la molécule avec le moins de protons est attiré par la molécule avec le
plus de protons.
Ex : H2O
H+
Un atome a tendance à perdre un électron, il est
O
électropositif.
H+
La liaison chimique entre atomes peut être de différents types (neutre ou polaire).
La perte d’un électron par un atome donne naissance à un ion positif (cation) et le gain
d’un électron donne naissance à un ion négatif (anion).
Selon le type de liaisons chimiques à l’intérieur d’une molécule, celle-ci peut être
neutre, polaire ou ionisée.
Les forces électriques assurant la cohérence de la molécule sont source d’énergie
potentielle qui peut être libérée à l’occasion de la rupture de ces liaisons.
IV Les états de la matière
Solide, liquide, gazeux : il existe 3 états de la matière. Dans les états de la matière, les
molécules qui constituent la matière sont en perpétuel mouvement.
A l’état solide, le mouvement des molécules est réduit car l’attraction entre les
molécules est très forte.
A l’état gazeux, l’attraction entre les molécules est moins forte, le mouvement des
molécules est très grand.
A l’état liquide, état intermédiaire entre les 2.
En augmentant la température, on augmente le mouvement des molécules, car elles
libèrent des forces d’attraction.
Un liquide dans lequel se dissout une molécule s’appelle un solvant.
Pour qu’un solvant puisse dissoudre, il faut qu’il y ait interaction entre les
molécules.
V Classification des molécules présentes dans le vivant
Il existe deux grandes familles de molécules :
- l’eau et les sels minéraux, ils constituent les substances inorganiques car
elles ne possèdent pas d’atome de carbone.
- les substances organiques, comprenant 1 ou plusieurs atomes de carbone.
Composition de l’organisme en molécules
Constituant
Fraction de la masse brute, en %
Eau
60
Protéines
17
Lipides
15
Minéraux
5
Corps intermédiaires et acides nucléiques
2
Glucides
1
1° ) Les glucides (les oses) :
Ce sont les molécules les plus simples de l’organisme car leur nombre de carbones
est compris entre 3 et 7.
Ces atomes de carbone ne portent que des atomes d’oxygène ou d’hydrogène.
 les trioses ( 3 atomes de carbone ) : ex : glycéraldéhyde qui constitue un
carrefour essentiel du métabolisme cellulaire (p.4 )
 les pentoses (5 atomes de carbone ) ex : ribose nécessaire à l’élaboration de
plusieurs molécules comme l’ADN (p.4 )
 les hexoses (6 atomes de carbone ) : ex : glucose, fructose ou galactose qui
sont des molécules alimentaires essentielles pour la cellule (p.4 )
C’est l’alimentation qui nous apporte les glucides nécessaires au fonctionnement de
l’organisme, notamment dans le lait qui contient des monosaccharides. La majorité
des sucres proviennent de l’alimentation d’origine animale.
Le rôle des glucides est de constituer une réserve énergétique pour nos cellules.
C’est grâce à la dégradation du glucose que l’on peut fabriquer de l’énergie
indispensable à la contraction musculaire.
Quand le glucose n’est pas utilisé sous forme d’énergie, il est stocké sous forme
de glycogène.
Lorsque l’apport alimentaire en glucose est insuffisant, les cellules hépatiques
synthétisent du glucose. Le glucose excédentaire est stocké sous forme de graisse
dans des cellules spécialisées qui constituent le tissu adipeux.
Les sucres ont un rôle de substrat énergétique de manière à fabriquer de l’énergie.
Dans certaines conditions, le foie peut transformer le glucose en acide aminé, qui
sont les principaux constituants des protéines.
2° ) Les lipides
Ils possèdent très peu de groupements polaires ou ionisés, ils sont donc insolubles
dans l’eau.
Ils existent sous deux états : solide, on les appelle des graisses et liquide, ce sont
alors des huiles. En fonction de leur structure, ils se répartissent en 3 groupes :
Les graisses neutres (p.4)
On y retrouve les acides gras : par exemple, l’acide palmitique.
Triglycéride : Réserve la plus concentrée de l’organisme. Forme sous laquelle les
acides gras sont stockés dans l’organisme. Il est possible de dégrader des
triglycérides pour former de l’énergie.
Les triglycérides sont stockés dans des cellules qui constituent le tissu adipeux :
les adipocytes. Le tissu adipeux forme un coussin protecteur autour des organes.
Les phospholipides (p.6)
Ils sont polarisés en raison du groupement phosphate.
Dans l’eau, les phospholipides s’orientent car ils possèdent une «tête» polaire et une
« queue » non polaire.
Les parties non polaires s’orientent vers les parties lipidiques et les parties polaires
vers les parties aqueuses.
Les phospholipides sont les principaux constituants des membranes cellulaires
et des gaines de myéline.
Les stéroïdes (p.6 )
Ils ont une structure cyclique constitués de carbone et d’hydrogène.
Leur rôle est de rigidifier les membranes plasmiques.
Dans l’alimentation, la plus grande part des lipides provient des triglycérides et une
petite quantité du cholestérol et des phospholipides.
On retrouve du cholestérol dans nos cellules, mais aussi dans le jaune d’œuf.
Nos cellules sont ainsi capables de synthétiser des acides gras comme par
exemple les cellules du foie et du tissu adipeux.
Certains acides gras sont indispensables à notre organisme mais nous ne savons pas
les synthétiser, ils doivent donc être apportés par notre alimentation.
3°) Les protides (protéines) (p.7)
Ils constituent le principal matériau de construction de nos cellules et donc du
corps humain. Nous retrouvons des protéines dans toutes les structures de
charpente comme les os, les tendons, les ligaments.
Toutes les réactions biochimiques de notre organisme sont contrôlées par les
enzymes, qui sont une famille de protéines particulières.
La protéine la plus abondante dans l’organisme est le collagène, il constitue le
tissu conjonctif.
Il existe 20 acides aminés différents, la combinaison de ces 20 acides permet la
constitution de millions de protéines différentes.
L’intéraction des charges des acides aminés modifie la forme de la protéine.
Toutes les protéines sont synthétisées par nos cellules, qui les transforment en
énergie assimilable, utilisable par l’organisme.
Nos cellules ont besoin d’acides aminés qu’elles ne peuvent pas fabriquer.
Les acides aminés essentiels sont apportés par notre alimentation. Les protéines
animales sont cassées en acides aminés au moment de la digestion.
4°) Les acides nucléiques (p.8)
Ils englobent les plus grosses molécules de l’organisme, et les plus spécialisées,
elles sont le support de l’information génétique à partir de laquelle est planifiée la
construction des organismes.
ADN = Acide désoxyribonucléique
ARN = Acide ribonucléique
Les 2 acides sont constitués des mêmes unités de base, à savoir un nucléotide.
Chapitre II
LA CELLULE ET SES FONCTIONS
Un organisme adulte est constitué de 75 millions de millions de cellules.
La cellule est l’unité structurale et fonctionnelle fondamentale du monde
vivant.
La cellule est un ensemble délimité par une membrane.
Toutes les cellules ont la même organisation générale : la cellule se nourrit, produit
des déchets et se reproduit. Elle communique aussi avec l’extérieur, elle produit de
l‘énergie et est capable de la consommer.
Une cellule moyenne à un diamètre de 10 à 20 µm.
La science qui étudie la cellule est la cytologie.
I Structure générale de la cellule et fonctions des différentes
structures :
1°) La membrane plasmique
Il s’agit d’une frontière qui délimite la cellule.
Son principal constituant est le phospholipide. Il est orienté (hydrophile = attire
l’eau ; hydrophobe = n’aime pas l’eau) et forme la bicouche phospholipidique.
La membrane plasmique est polarisée en raison des phospholipides qui la constitue.
Ce sont les phospholipides qui procurent ses propriétés à la membrane plasmique.
La molécule d’eau ne peut traverser la partie hydrophobe. Néanmoins, des protéines
traversent la membrane, elles constituent des canaux pour que les composés
ioniques puissent traverser.
Nous retrouvons des glycoprotéines (sucres) soit à la surface externe de la
membrane, soit au pôle hydrophile des phospholipides (glycolipides).
Résumé
Limitation spatiale de la cellule en faisant frontière avec le milieu extérieur
Barrière réglant l’entrée et la sortie de diverses molécules
La transmission de l’information entre le milieu extra-cellulaire et le milieu
intracellulaire, mais également de cellule à cellule.
2°) Le cytosquelette
Il est constitué d’un réseau de filaments protéiques attachés sous la membrane
plasmique. Son rôle est de rigidifier l’ensemble de la cellule, il constitue
l’armature de la cellule.
Ces éléments sont également responsables du mouvement de certaines cellules
spécialisées comme la cellule musculaire, capable de se déformer grâce à deux
filaments du cytosquelette : la myosine et l’actine.
Résumé
Le cytosquelette est responsable du maintien de la structure cellulaire, de
la forme et des mouvements de la cellule.
3°) Le hyaloplasme ou cytosol :
Dans le cytoplasme, on voit des organites qui sont en suspension dans un liquide.
Ce liquide est le cytosol, encore appelé hyaloplasme, dans lequel flotte les
organites et le noyau.
Il représente 50 à 60% du volume de la cellule.
Il est constitué de 80% d’eau, les 20% restants étant constitués par toutes les
catégories de molécules nécessaires à la survie de la cellule. Cela regroupe des
protéines, des acides aminés, de l’ARN, du glucose et des ions.
Il y a également une grande quantité d’enzymes.
Résumé
Le hyaloplasme est la matrice où ont lieu toutes les réactions chimiques de la
cellule.
4°) Le noyau :
Il est délimité par une double membrane qui n’est pas continue et qui présente
des zones de passage (pores nucléaires).
Les produits du noyau y passent directement, car l’ADN et l’ARN sont des
molécules très volumineuses qui ne pourraient pas passer dans la membrane
plasmique.
Nucléole : Substance diffuse à l’intérieur du noyau.
Le nucléole est le centre de formation des sous-unités qui constituent les ribosomes.
Chromatine : Filament constitué d’une multitude de replis dans lesquels se
situent la molécule d’ADN et des protéines appelées histones.
Ces protéines servent à condenser la molécule d’ADN pour qu’elle puisse être
stockée.
C’est grâce à l’information contenue dans cette molécule sous forme de gènes que
la cellule peut fabriquer tous les matériaux nécessaires à sa survie.
Dans ce noyau, nous retrouvons tout le patrimoine génétique de l’individu.
Résumé
Rôle fondamental du noyau dans la division cellulaire.
Siège de l’information génétique qui correspond à un centre de contrôle
qui dirige les activités de la cellule.
5°) Les ribosomes :
Ce sont de petites structures qui mesurent environ 200 nm. Ils sont sous forme libre
dans le hyaloplasme ou fixé à un organite : le réticulum endoplasmique.
Les ribosomes sont constitués de protéines, d’ARN ribosomial qui est fabriqué
dans le nucléole. Ils se découpent en une petite sous-unité et une grande sous-unité.
Résumé
Les ribosomes sont des machines outils fabriquant les protéines en
traduisant le message porté par l’ARN messager envoyé par le noyau.
6°) Le réticulum endoplasmique :
Il est constitué d’une membrane délimitant un ensemble de cavités plus ou moins
aplaties qui communiquent entre elles en formant un réseau.
Il existe deux types de réticulum :
- ribosomes fixés sur ce réticulum endoplasmique rugueux ou granulaire. Le
R.E.R est fait de sorte de lamelles qui constituent des citernes reliées entre elles.
- reticulum endoplasmique lisse est quant à lui dépourvue de ribosomes. Il est
constitué de tubules.
Résumé
Le réticulum endoplasmique lisse (REL) intervient dans le métabolisme, le
transport des lipides et la détoxication des drogues, il est également appelé
réticulum endoplasmique sarcoplasmique car il stocke des ions calcium.
Le réticulum endoplasmique rugueux ou granulaire (RER ou REG)
intervient dans le transport et la finition des protéines synthétisées par les
ribosomes.
7°) L’appareil de Golgi :
Il est constitué d’un ensemble de saccules. Tous ces saccules sont empilés de façon
ordonnée, ce qui s’appelle un dictyosome.
L’appareil de golgi et le réticulum endoplasmique granuleux communiquent grâce
aux protéines à l’intérieur du REG qui forment des vésicules qui se promènent.
Résumé
L’appareil de Golgi est considéré comme le principal guide de la circulation
des macromolécules dans la cellule. C’est l’atelier d’emballage enveloppant
les produits finis destinés à la sécrétion.
L’appareil de Golgi et le RER ne sont pas reliés en réseau.
Le REG émet des vésicules qui fusionnent avec la membrane de l’appareil de Golgi.
8°) L’appareil vacuolaire :
Résumé
Organite sphérique délimité par une membrane
Appareil digestif intracellulaire
Transport pour exportation ou importation
9°) Les mitochondries :
Elles ont une double membrane et de nombreux replis qu’on appelle crêtes
mitochondriales.
Résumé :
Siège de la synthèse de l’ATP qui est la source d’énergie de la cellule. Les
mitochondries sont capables de se séparer en 2 (scission) pour se multiplier.
II Membrane cellulaire et mouvements des molécules à travers les
membranes
1°)Différents types de jonction cellulaire :
a) Jonctions serrées ou jonctions étanches
Les protéines de 2 membranes plasmiques voisines se réunissent comme les 2
parties d’une fermeture éclair, ce qui forme une jonction imperméable.
On les trouve dans le tissu épithélial, où elles recouvrent la peau comme un système
de protection.
b) Desmosomes
Ce sont des jonctions adhésives entre cellules voisines, liées par des filaments, ce
qui donne une résistance au tissu. Elles ne sont pas imperméables.
c) Jonctions ouvertes
Les cytoplasmes de 2 cellules voisines sont mis en contact grâce à des tubes qui
relient les 2 cellules. Cela permet la création d’un canal. On les trouve dans le
tissu excitable, dans les cellules du muscle cardiaque et le muscle lisse.
2°) Diffusion : principes et différents types
Quand une substance traverse la membrane plasmique, on parle de transport
passif si la cellule ne transporte pas d’énergie ou de transport actif si elle doit
en fournir.
La diffusion est la tendance des molécules ou des ions à se répartir également
dans le milieu.
Influence sur la diffusion des molécules :
- elles diffusent dans le sens du gradient de concentration (du plus concentré au
moins concentré )
- La vitesse de diffusion dépend du volume des molécules : plus elles sont petites,
plus elles bougent rapidement.
- Plus la température augmente, plus la vitesse de diffusion augmente.
a) La diffusion passive
Dans la diffusion passive, il n’y a aucune dépense d’énergie.
Cependant, il existe plusieurs types de diffusion passive :
 La diffusion simple
Sont concernées toutes les substances non polaires et donc liposolubles, comme
l’oxygène, le gaz carbonique et les acides gras, qui peuvent traverser directement la
double couche de phospholipides.
Donc, pour traverser la membrane, ces molécules hydrosolubles sont
obligées de faire appel à un canal protéique constitué de protéines. La plupart
de ces canaux sont ouverts en permanence, et d’autres ne s’ouvrent qu’en réponse à
un signal chimique ou électrique.
La diffusion simple concerne les petites molécules, et si elles sont liposolubles,
elles passent directement à travers la membrane, sinon, elles sont obligées de faire
appel à un canal protéique.
 Osmose
La diffusion d’un solvant à travers une membrane dont la perméabilité est
sélective comme la membrane plasmique est appelée osmose.
Un soluté : C’est une substance, une molécule dissoute dans un liquide (eau), ce
liquide est alors appelé solution.
Il y a osmose chaque fois que la concentration est inégale de part et d’autre de la
membrane.
La concentration totale en soluté dans une solution est ce que nous appelons
l’osmolarité.
Lorsque pour un même volume, nous avons une forte osmolarité, alors la
concentration en eau est faible.
Quand nous sommes en présence d’une faible osmolarité, pour un même volume, la
concentration en eau est forte.
Les substances non diffusibles sont des substances se trouvant à l’intérieur de
la cellule mais que la membrane plasmique ne laisse pas passer.
Solutions isotoniques : Solutions qui contiennent la même concentration de solutés
non diffusibles que la cellule.
Dans des conditions normales, le liquide interstitiel est isotonique.
Solutions hypertoniques : Solutions qui contiennent une plus forte concentration
de solutés non diffusibles que l’intérieur de la cellule.
L’eau va avoir tendance à sortir de la cellule pour diluer le liquide interstitiel, donc
le volume de la cellule va diminuer car la cellule va perdre de l’eau.
Solutions hypotoniques : Solutions qui contiennent une plus petite concentration
de solutés non diffusibles que l’intérieur de la cellule.
Ici au contraire, l’eau va avoir tendance à rentrer à l’intérieur de la cellule pour
diluer l’intérieur de la cellule.
Les mouvements d’eau sont à l’origine des changements de volume des cellules.
 La diffusion facilitée
Le glucose ne peut traverser la double couche phospholipidique car il est polaire, de
plus sa molécule est trop grosse pour passer à travers un canal protéique.
Une diffusion facilitée est permise grâce à des protéines transmembranaires.
Elles prennent en charge les molécules à transporter à l’extérieur et les libèrent à
l’intérieur.
Ce transporteur protéique a une forme telle que seule le glucose peut se fixer
dessus, c’est un mécanisme spécifique.
La molécule qui se lie avec le transporteur protéique est appelée le ligand.
La molécule se fixe, ensuite, la protéine va changer de forme et s’ouvrir à l’intérieur
de la cellule.
Le facteur qui va limiter la diffusion facilitée est le nombre de protéines spécifiques
à la surface de la cellule. Quand ils sont tous occupés, nous parlons alors de
saturation, le glucose est transporté à sa vitesse max. (Cf. polycopié). La vitesse de
diffusion ne peut plus augmenter.
 Filtration
La filtration est un mécanisme de diffusion qui fait passer l’eau et les solutés à
travers une membrane sous l’action de la pression hydrostatique du sang. La
diffusion se fait selon un gradient de pression, il déplace les liquides des régions de
pressions élevées vers des régions où la pression est plus faible.
b) Mécanismes de transport membranaire actif
Ces mécanismes concernent toutes les substances incapables de se déplacer à l’aide
des mécanismes de diffusion passif.
Ce sont des substances hydrosolubles trop grosses pour passer dans les canaux
protéiques, c’est-à-dire des substances obligées de se déplacer dans le sens
inverse de leur gradient de concentration.
 Transport actif
Des transporteurs protéiques se lient spécifiquement et de façon réversible avec les
substances à transporter. Pour ce type de transport, les cellules utilisent de
l’énergie pour éjecter le soluté, c’est pour cette raison qu’on parle de transport actif.
Les molécules concernées sont les acides aminés qui sont transportés activement du
liquide interstitiel à l’intérieur de la cellule contre leur gradient de concentration.
Si nous laissons faire ce système, la concentration en sodium et en potassium va
s’équilibrer (cf. fonctionnement de la pompe à sodium et à potassium).
Une pompe à soluté va fonctionner en permanence.
Cette pompe va rejeter les ions sodium tout en ramenant à l’intérieur de la
cellule des ions potassium. Cette pompe fait voyager les ions à l’inverse de leur
gradient de concentration, elle est également appelée la pompe ATPasique.
 Transport en vrac
Il concerne les grosses particules et les macromolécules. Il a besoin d’énergie.
Il existe 2 mécanismes de transport en vrac : Exocytose
Endocytose
2 grands mécanismes de l’endocytose (cf.polycopié) :
Phagocytose : ce mécanisme concerne les particules solides
Pinocytose : ce mécanisme consiste à capturer le liquide
Résumé
- La diffusion libre s’effectue selon le gradient de concentration et sans
dépense d’énergie.
- La diffusion facilitée se fait selon un gradient de concentration, mais avec
intervention d’un transporteur spécifique.
- Le transport actif s’occupe des molécules contre le gradient de
concentration, avec de l’énergie et un transporteur spécifique.
3°) Propriétés électrochimiques de la cellule : création et entretien du
potentiel de repos membranaire :
On peut dire qu’il y a électroneutralité, c’est-à-dire autant de charges positives que
de charges négatives à l’intérieur de la cellule que dans le liquide interstitiel.
Il existe un voltage à travers la membrane plasmique.
Le potentiel de repos membranaire varie de –20 à –200 millivolts.
Il y a donc un déséquilibre de charge entre l’intérieur et l’extérieur de la cellule.
Ce potentiel de repos membranaire est lié aux ions sodium et potassium. La
membrane plasmique est très peu perméable au sodium, mais beaucoup plus
perméable au potassium.
Donc le sodium rentre plus facilement dans la cellule que le potassium, alors il y a
un déficit de charges positives localement sous la membrane, cela se traduit par une
accumulation de charges négatives.
La diffusion peut être gérée par un gradient électrochimique qui influence la vitesse
de diffusion, en plus du gradient de concentration en ce qui concerne les ions.
LEC = liquide extra cellulaire, LIC = liquide intra cellulaire
K+
LEC +++++++
gradient chimique
LIC -----------gradient
électrique
LEC ++++++++
gradient
LIC ---------------- chimique
gradient électrique
Na+
III Les différentes fonctions de la cellule
 Division cellulaire : essentielle à l’entretien et à la croissance des tissus
 Synthèse protéique : elles fabriquent énormément de protéines (jusqu’à
20000 protéines différentes dans la cellule).
IV Energie et métabolisme
Définition : L’énergie, c’est l’aptitude d’un corps à fournir un travail. C’est une
mesure abstraite qui n’a ni masse, ni volume, elle ne se mesure que par ses effets
sur la matière.
L’énergie est définie comme ce qui rend possible un changement ou plus
précisément l’accomplissement d’un travail.
Le travail est une mesure de l’énergie dont l’unité est le joule (J) :
1 calorie (cal) = 4,18 J
L’énergie totale d’un objet ou d’une molécule se divise en énergie potentielle
(Ep) et en énergie cinétique (Ec).
Et = Ep + Ec
L’énergie potentielle est de l’énergie stockée (inactive) qui donne à la molécule
la possibilité de fournir un travail.
L’énergie cinétique est l’énergie d’un objet en mouvement, c’est de l’énergie
active qui effectue un travail.
Quand l’énergie potentielle d’un système ou d’une molécule est libérée, cette
énergie est transformée en énergie cinétique, qui, ainsi libérée permet d’effectuer un
travail.
Il existe différents types d’énergie : lumineuse, électrique, chimique, mécanique…
Toute forme d’énergie peut se transformer en un autre type d’énergie selon le
principe de conservation de l’énergie (1e loi de la thermodynamique = rien ne se
perd, rien ne se crée, tout se transforme).
Cependant, la transformation est imparfaite, c’est-à-dire que toute l’énergie
potentielle initiale ne se retrouve pas à 100%.
1°) Les réactions chimiques : le métabolisme
Les molécules sont en mouvement et rentrent en collision, cela provoque des
réactions chimiques qui correspondent à des liaisons chimiques, réarrangées ou
formées.
a) Les équations chimiques
4H + C
CH4
réactifs
produits
Le principe de conservation d’énergie s’applique aussi aux équations chimiques, il
n’y a jamais de perte de matière dans une équation.
b) Modes de réactions chimiques
Réaction de synthèse : Anabolisme
Il y a synthèse lorsque des atomes ou des molécules se combinent pour former
des molécules plus grosses et plus complexes.
A+B
AB ou A-B
Par exemple, lors de la synthèse protéique, des acides aminés se lient entre eux pour
former une protéine.
Réaction de dégradation : Catabolisme
Se produit quand une molécule se divise en molécules plus petites ou en chacun
des atomes qui la composait.
AB
A+B
Par exemple, lorsque le glycogène se décompose en unités de glucose.
Ces 2 réactions sont réversibles.
Réaction d’échanges ou de substitution :
Se produit lorsqu’il y a des réactions de synthèse et de dégradation simultanées.
Certaines molécules réactives vont se fixer sur d’autres molécules.
AB + C
AC + B
Par exemple, lorsque le groupe phosphate terminal de l’ATP est transféré au
glucose pour former le glucose-phosphate.
Réaction d’oxydoréduction ou réaction redox
Ces réactions sont à l’origine du catabolisme des glucides et des lipides, donc de
l’énergie nécessaire à la cellule sous forme d’ATP.
Lors d’une telle réaction, il y a échange d’électrons.
Le réactif qui perd des électrons est appelé donneur d’électrons et on dit qu’il est
oxydé. On dit que ce réactif est réducteur.
L’autre réactif du couple qui gagne les électrons transférés est appelé accepteur
d’électrons, on dit qu’il est réduit, ce réactif est oxydant.
Na+ + e-
Cl
Na+ + Cl-
Na
Cl + eNa Cl
Les réactions d’oxydoréduction ont en commun le fait que la molécule réactive perd
certains de ses électrons, soit complètement, soit relativement (liaison polaire).
Ce sont les électrons qui contiennent l’énergie potentielle de la molécule.
c) Variation de l’énergie au cours des réactions chimiques
Toutes les liaisons chimiques représentent un stock d’énergie potentielle.
Lorsqu’on casse une liaison chimique, on libère l’énergie potentielle contenue
dans la liaison chimique. L’énergie potentielle sert à fabriquer de l’ATP qui
permet de stocker et de transporter de l’énergie.
Toutes les réactions cataboliques sont à l’origine de la synthèse de l’ATP dans la
cellule. Toutes les réactions de synthèse qui appartiennent à l’anabolisme absorbent
de l’énergie sous forme d’ATP.
Lors des réactions de dégradation, on libère l’énergie potentielle des molécules, elle
est transférée à la molécule d’ATP et sert aux réactions de synthèse.
L’ATP est la molécule vectrice d’énergie.




d) Facteurs influençant la vitesse de réaction des réactions chimiques
Volume des particules : Plus une particule est petite, plus son énergie sera
grande.
La température : Plus la température augmente, plus l’Ec des particules
augmente.
La concentration en molécules réactives : Plus il y de molécules présentes dans
un mélange, plus elles ont de chances de se rencontrer.
Les catalyseurs : C’est une substance qui augmente la vitesse des réactions
chimiques sans subir de transformation, ni faire partie du produit de la réaction.
2°) Les enzymes : structure et fonction
Elles déterminent la vitesse des réactions chimiques chez les organismes
vivants. Les enzymes sont des protéines globulaires qui sont le principal facteur de
vitesse des réactions chimiques.
En l’absence d’enzymes, les réactions chimiques de nos cellules seraient si lentes
qu’elles ne se finiraient jamais.
Certaines enzymes sont de nature protéique, d’autres sont associées à un cofacteur.
Les enzymes ne peuvent agir que sur une réaction chimique car elles sont très
spécifiques.
Elles se terminent toutes par –ase, chaque enzyme possède une morphologie en 3D.
Le rôle de l’enzyme est de favoriser la rencontre entre les réactifs.
L’enzyme est retrouvée intacte après les réactions chimiques.
3°) ATP (Adénosine triphosphate) : structure et fonction
Lorsque l’ATP perd un phosphate, on parle d’hydrolyse.
H2O
ATP
ADP + P1 + Energie
Groupement de phosphate inorganique car sans carbone
Cette réaction est réversible.
Lorsque l’on hydrolyse l’ATP, il libère 30,5 Kj d’énergie.
La quantité d’énergie contenue dans la liaison phosphate est l’énergie nécessaire à
presque tous les travaux de la cellule. Dans la cellule, nous ne trouvons pas de stock
d’ATP car c’est une molécule très instable.
V Les phosphagènes
C’est une molécule qui s’appelle créatine phosphate ou phosphacréatine (Pcr).
Cette liaison créatine-phosphate est riche en énergie : 43 kJ qui sont nécessaires
pour lier un phosphate inorganique à une molécule d’ADP pour reconstruire de
l’ATP.
Le problème est que ce système est très rapide, nous n’avons pas de stock de
phosphocréatine dans nos cellules.
VI Libération d’énergie des nutriments (glucides, lipides, protides)
1°)Vue d’ensemble des processus métaboliques
Dans les organismes vivants, on récupère l’énergie potentielle par étapes
successives, ce qui nous permet d’effectuer un travail.
a) Anabolisme et catabolisme
Métabolisme
Anabolisme (synthèse)
Catabolisme (dégradation)
Nous dégradons nos nutriments par des dégradations successives qui libèrent à
chaque fois de l’ATP.
Dans les réactions d’anabolisme, nous consommons de l’énergie pour construire des
molécules, alors que dans les réactions de métabolisme, nous libérons de l’énergie.
b) Réactions d’oxydoréduction et rôle des coenzymes
Toutes les réactions chimiques qui produisent de l’ATP dans nos cellules sont
des réactions d’oxydoréduction, elles mettent en œuvre le transfert d’un ou
plusieurs électrons d’une molécule donneuse à une molécule accepteuse d’électrons.
Nous appelons oxydé le réactif qui perd des électrons, et oxydant le réactif qui
gagne des électrons.
Une molécule donneuse et une molécule accepteuse forment un couple
oxydoréducteur.
C6H12O6 + 6O2
6CO2 + 6H2O + 38 ATP + Chaleur
D’un point de vue général, les réactions d’oxydoréduction ont pour but de
dégrader des nutriments pour fournir de l’énergie. Les substances oxydées
(glucose et acides gras), vont perdre de l’énergie alors que les substances réduites
vont en gagner.
Les électrons qui sont transférés de la substance oxydée à la substance réduite sont
riches en énergie.
Les enzymes qui catalysent les réactions d’oxydoréduction en retirant l’hydrogène
s’appellent des déshydrogénases.
Les enzymes ne participant pas à la réaction, elles vont faire appel à des coenzymes
qui vont fixer les atomes d’hydrogène.
L’enzyme arrache des atomes qu’elle ne peut fixer, ces atomes vont alors être
transférés à une molécule qui pourra les accepter.
2 coenzymes : NAD+ et FAD qui sont des molécules qui acceptent les atomes
d’hydrogène provenant du glucose.
NAD : Nicotinamide Adénine Dinucléotide
FAD : Flavine Adénine Dinucléotide
Ces 2 coenzymes nous permettent de dégrader tous les nutriments.
FAD
(oxydé)
COOH
FADH2
(réduite)
COOH
Oxydation (-2H)
H
C
H
C
H
H
C
H
C
H
COOH
Acide succinique
COOH
Acide fumarique
La molécule d’acide succinique a perdu de l’énergie car elle a perdu 2 atomes
d’hydrogène.
c) Mécanismes de synthèse de l’ATP
Lorsque l’on rajoute un groupement de phosphate à n’importe quelle molécule,
nous parlons alors de phosphorylation, et inversement de déphosphorylation.
 Phosphorylation liée au substrat : le groupement phosphate est transféré
d’une molécule organique à l’ADP pour produire de l’ATP.
 Phosphorylation oxydative (ou respiration cellulaire)
2°) Métabolisme des glucides
a) Oxydation du glucose en présence d’O2 (condition aérobie)
Glycolyse : Réaction de dégradation du glucose qui appartient au catabolisme.
Le glucose est dégradé dans nos cellules par une 1e chaîne de réaction : la
glycolyse. La glycolyse est constituée de 10 réactions chimiques.
Il faut pour cela que le glucose diffuse de l’extérieur à l’intérieur de la cellule grâce
au mécanisme de diffusion facilitée.
Grâce à cette phosphorylation, le glucose est retenu à l’intérieur de la cellule.
La 1e réaction de la glycolyse (glucose qui devient glucose-6-phosphate) est
réversible dans la plupart des cellules, sauf dans les cellules de la muqueuse
intestinale, des tubules rénaux et les cellules hépatiques qui possèdent l’enzyme
capable d’enlever le groupement phosphate. Il y a consommation d’une molécule
d’ATP pour la fixer sur le glucose.
La glycolyse se produit dans le cytosol, donc dans le cytoplasme des cellules.
Chacune des étapes est catalysée par une enzyme spécifique.
La glycolyse est un processus anaérobie car il se produit sans oxygène.
L’acide pyruvique a 2 destinées en fonction de la présence ou de l’absence d’O2
dans nos cellules.
b) Cycle de KREBS (cf. p.16)
Il se déroule dans la mitochondrie.
L’acide pyruvique doit traverser 2 membranes pour arriver dans la mitochondrie
pour pouvoir rentrer dans le cycle de KREBS.
Il peut traverser grâce au mécanisme de diffusion facilitée, ensuite il subit plusieurs
transformations :
 Décarboxylation : on lui enlève du CO2.
 Réaction d’oxydoréduction : on enlève 2 atomes d’hydrogène à l’acide pyruvique
qui sont fixés par des coenzymes NAD : il devient donc l’acide acétique.
 Une molécule de coenzyme vient se fixer sur l’acide acétique, qui devient
l’Acétyl Coenzyme A.
Le cycle de Krebs est aussi le cycle de l’acide citrique (réactif de départ).
L’acide citrique est changé dans sa forme et devient l’acide isocitrique.
A partir de succinyl CoA (4 carbones), le but du cycle de Krebs est de
reconstruire l’acide oxaloacétique.
Bilan :
Dans le cycle de KREBS, les réactions de phosphorylation pour la production
d’ATP sont liées au substrat.
Pour une molécule d’acide pyruvique, on obtient :
- 3 molécules de CO2
- 4 molécules NADH+H+
- 1 ATP par phosphorylation liée au substrat
- 1 FADH2
Avec une molécule de glucose, on obtient 2 acides pyruviques.
Donc, on obtient 2 tours du cycle de Krebs : 6 CO2 ; 2 ATP ; 8 NADH2 ; 2 FADH2.
c) Chaîne respiratoire de transport d’électrons et phosphorylation oxydative
La chaîne respiratoire est un ensemble de protéines qui se trouvent dans la
membrane interne de la mitochondrie. Ces protéines sont liées à des atomes
métalliques (cytochromes).
Les molécules qui vont faire fonctionner la chaîne respiratoire proviennent de
la glycolyse et du cycle de KREBS.
Ce sont des coenzymes réduites qui peuvent provenir aussi de la dégradation des
acides gras.
L’ensemble des NADH + H+ et des FADH2 constituent le pouvoir réducteur.
Lorsqu’ils arrivent au niveau de la chaîne respiratoire, ces coenzymes sont à
nouveau oxydées (c’est-à-dire qu’ils perdent l’électron et l’atome d’hydrogène
qu’ils portaient), grâce aux protéines de la chaîne respiratoire.
La 1e protéine oxyde le NADH + H+.
Le FADH2 transmet ses 2 atomes à la 2e protéine.
Ces coenzymes, une fois oxydées, peuvent retourner dans les différentes voies
métaboliques afin de dégrader les nutriments.
Les atomes d’hydrogène fixés sur ces protéines sont ionisés : ces protéines
arrachent l’électron de l’atome d’hydrogène, ainsi, l’ion H+ est libéré dans
l’espace entre les 2 membranes de la mitochondrie.
Les ions H+ s’accumulent dans l’espace intermembranaire de la mitochondrie.
Puisqu’il n’y a presque pas d’ions H+ dans la matrice de la mitochondrie, il se crée
un gradient de protons entre l’espace intermembranaire et la matrice de la
mitochondrie.
En raison de ce gradient, les ions vont avoir tendance à diffuser de l’espace
intermembranaire vers la matrice mitochondriale, mais la membrane de la
mitochondrie leur est imperméable.
Ils ne peuvent donc diffuser que grâce à une protéine transmembranaire, qui,
associée à une enzyme, va permettre la synthèse d’ATP à partir d’ADP et de
phosphate inorganique.
Quand les protons traversent la protéine, cela crée un mouvement de protons
(= un stock d’énergie potentielle est libéré et transformé en énergie cinétique)
qui va permettre la synthèse d'’ATP.
Sans ce gradient de protons, il n’y aurait pas de synthèse d’ATP.
Les électrons passent de protéine en protéine, c’est grâce à ce mouvement
d’électrons que les atomes d’hydrogène sont pompés.
Au bout de la chaîne respiratoire, les électrons sont transférés à l’oxygène.
On lui transfère 2 électrons, et grâce à cela, il peut se lier aux 2 électrons
d’hydrogène qui sortent de l’espace intermembranaire pour former de l’eau.
Tout cela se déroule dans la matrice de la mitochondrie.
C6 H12 O6 + 6 O2
6 CO2 + 6 H2O + 38 ATP + Chaleur
Nous parlons de phosphorylation oxydative : phosphorylation car un
groupement phosphate est rajouté à l’ADP, et oxydative car la synthèse d’ATP
est liée aux réactions d’oxydoréduction.
Facteurs qui stimulent la chaîne respiratoire :
 Une augmentation de la concentration en ADP
 Des coenzymes réduites qui viennent se faire oxyder
Résumé du processus de phosphorylation oxydative
L’énergie potentielle des molécules énergétiques (glucose + acides gras et acides
aminés) est transférée lors des réactions d’oxydoréduction à des coenzymes
(NAD+ et FAD)qui sont réduites (NADH + H+ et FADH2).
Dans la chaîne respiratoire qui se situe dans la membrane interne de la
mitochondrie, les coenzymes réduites sont réoxydées grâce au transfert des atomes
d’hydrogène à une série d’accepteurs.
L’hydrogène est ionisé en ion H+ et en électron.
Les ions H+ sont pompés dans l’espace intermembranaire mitochondrial et les
électrons passent d’un accepteur à l’autre dans la chaîne respiratoire.
Ce phénomène crée un gradient d’ions H+ de part et d’autre de la membrane
interne de la mitochondrie, qui représente une énergie potentielle.
Comme la membrane interne de la mitochondrie leur est imperméable, les ions H+
ne peuvent diffuser que par un canal spécifique qui est couplé à une enzyme
(l’ATPsynthétase = l’ATPase).
Lorsque les ions H+ diffusent par ce canal dans la matrice mitochondriale, une
partie de l’énergie potentielle du gradient d’ions H+ est libérée et est utilisée par
l’ATPase pour synthétiser de l’ATP à partir d’ADP et de Pi.
Au bout de la chaîne respiratoire, les électrons sont finalement transférés à
l’oxygène, qui se combine avec les ions H+ pour former une molécule d’eau.
L’oxydation du NADH + H+ au niveau de la chaîne respiratoire permet la
synthèse de 3 ATP et celle du FADH2 de 2 ATP.
L’oxydation aérobie d’une molécule de glucose donne un gain net de 36 ou 38
ATP.
Sur ces 36 ou 38 ATP, seulement 4 ATP sont synthétisés par phosphorylation
liée au substrat et le reste par phosphorylation oxydative (cf. schéma).
Le NADH + H+ de la glycolyse est produit dans le cytoplasme de la cellule. Donc il
doit traverser les 2 membranes de la mitochondrie qui lui sont imperméables.
d) Oxydation du glucose en absence d’oxygène (conditions anaérobies)
Pour que la glycolyse et le cycle de KREBS fonctionnent en permanence, il faut
qu’il y ait des coenzymes oxydées, qui viennent donc de la chaîne respiratoire, à
l’intérieur de la cellule (cf. poly. p.15).
En l’absence d’oxygène, la chaîne respiratoire ne fonctionne pas, donc nous ne
pouvons pas réoxyder les coenzymes réduites au niveau de la chaîne respiratoire, le
cycle de KREBS s’arrête de fonctionner, donc nous ne fabriquons plus d’ATP.
En absence d’oxygène, le glucose se dégrade en 2 molécules d’acide lactique
qui permettent la synthèse de 2 molécules d’ATP.
Il vaut donc mieux dégrader du glucose en condition aérobie car c’est un
mécanisme plus rentable.
Réaction 6
Pi
3 phosphoglycéraldéhyde
1,3 diphosphoglycérate
NADH2
NAD
O
OH
CH3 – C – COOH
Acide pyruvique
CH3 – CH – COOH
Acide lactique
(anaérobie)
Phosphorylation oxydative
Aérobie
½ O2
H2 O
L’acide lactique pose des problèmes car le muscle va devenir de plus en plus
acide. Une trop grande acidité inhibe le fonctionnement des enzymes.
La glycolyse en absence d’oxygène est un moyen temporaire pour fabriquer de
l’ATP.
Lorsque l’oxygène est à nouveau présent, nous pouvons à nouveau
transformer l’acide lactique en acide pyruvique grâce aux enzymes oxydés
dans le cycle de KREBS.
L’acide lactique peut alors quitter nos muscles grâce au système sanguin qui
l’amène à nos cellules hépatiques.
e) Glycogenèse et glycogénolyse
Le glucose est stocké grâce à une réaction d’anabolisme qui permet de construire du
glycogène (= succession de molécules de glucose), c’est la glycogenèse.
Lorsque notre organisme a besoin de glucose, le glycogène est cassé, c’est la
glycogénolyse.
Nous retrouvons le glycogène en grande quantité dans les cellules hépathiques et
musculaires. Les cellules musculaires ne peuvent libérer le glucose. Lorsque l’on
utilise du glycogène pour obtenir du glucose, la 1e réaction de la glycolyse ne se fait
pas, par conséquent, nous économisons 1 ATP que nous rajoutons dans le bilan.
f) Néoglucogenèse
C’est une réaction anabolique de synthèse de molécules de glucose à partir de
molécules qui ne sont pas d’origine glucidique.
A partir du glycérol, il est possible de construire du glucose.
Les acides aminés et le glycérol sont convertis en glucose, principalement dans
les cellules du foie et dans les cellules hépatiques qui utilisent l’acide lactique.
Ce mécanisme se produit lorsqu’il n’y a plus de réserve de glucose.
3°) Métabolisme des lipides
Seuls les triglycérides sont utilisés par nos cellules pour produire de l’énergie,
ils sont stockés dans les cellules du tissu adipeux (ce sont les adipocytes).
Les triglycérides représentent la source la plus concentrée d’énergie pour nos
cellules.
Les acides gras constituent les triglycérides (3acides gras + 1 molécule de
glycérol). Des enzymes se trouvant dans les cellules adipeuses sont capables de
casser les triglycérides en 3 acides gras et 1 glycérol.
a) Oxydation du glycérol et des acides gras
Glycérol
Pi
Acide L - - glycérophosphorique
NAD+
NADH + H+
Dihydroxyacétone phosphate
Le dihydroxyacétone phosphate est un produit intermédiaire de la glycolyse qui sera
dégradé au niveau des réactions 6,7 et 8 et rentre dans la glycolyse à l’étape 5.
Il faut que les acides gras franchissent la double membrane plasmique de la
mitochondrie. A cause de leurs groupements carbonisés, ils ont besoin d’un
transport spécifique.
Pour cela, une molécule de carnitine vient se fixer, et le complexe peut alors
traverser la double membrane de la mitochondrie.
Une fois à l’intérieur de la mitochondrie, une enzyme casse la liaison entre les
acides gras et la carnitine puis retourne se fixer sur d’autres acides gras.
Ensuite, les acides gras rentrent dans la spirale de LYNEN (ou  oxydation) où
ils sont oxydés (cf. poly p.15).
Après 2 réactions d’oxydoréduction et 1 réaction d’hydratation, une enzyme
intervient et coupe la molécule, nous obtenons alors de l’Acétyl CoA.
Ex d’un acide gras :
3 tours
C
-
Reste
1 acétylCoA
C
-
2 tours
C
-
1 acétylCoA
1 FADH2
1 NADH++H+
C
-
C
1 acétylCoA
1 FADH2
1 NADH++H+
1 tour
-
C
-
C
-
C
1 acétylCoA
1 FADH2
1 NADH++H+
Tant qu’il reste plus d’une paire d’atomes de carbone, les tours se succèdent.
Les acides gras n’existent pas avec un nombre impair de carbone.
Si un acide gras a n atomes de carbone (n pair), on obtient :
n/2 acétylCoA
n/2-1 tours
On consomme 1 ATP à chaque fois qu’un acide gras entre dans la spirale de
Lynen pour activer la molécule d’acide gras.
Grâce au pouvoir réducteur, nous synthétisons 1 FADH2 et 1 NADH + H+ , soit 5
ATP + 1 molécule d’Acétyl CoA qui vont rentrer ensuite dans le cycle de
KREBS.
Nous obtenons 12 ATP par molécule d’Acétyl CoA oxydée dans le cycle de
KREBS.
Ex : Oxydation du glucose
ATP
Glycolyse
2 pyruvate
2 acétylCoA
ATP
consommés
2
2acétylCoA
4 CO2
2
2
NADH X 3
= ATP
FADH2
2X3= 6
8
2X3= 6
6
2X3X3 = 18
2X2= 4
24
38
b) Lipogenèse et lipolyse
La lipogenèse est une réaction d’anabolisme qui conduit à la synthèse de
triglycérides à partir d’acides gras et de glycérol.
La lipolyse est la dégradation des triglycérides du tissu adipeux. Cela se déroule
les cellules du tissu adipeux où sont situées nos plus importantes réserves
énergétiques.
Quand il y a trop de glucose, il est alors stocké sous forme de glycogène.
Soit le glycérol est détruit, soit nous en faisons du glucose.
4°) Métabolisme des protéines
En général, les protéines ne sont pas dégradées dans le but de fournir de l’énergie
sauf cas extrême (grève de la faim).
a) Oxydation des acides aminés
Ils doivent perdre leur groupement amine (NH2) pour pouvoir être oxydés.
A la fin, nous obtenons de l’urée et de l’acide cétonique (= toutes les molécules
intermédiaires que nous retrouvons dans le cycle de KREBS).
L’urée est le principal produit de déchet du catabolisme des protéines.
Nous pouvons construire du glucose à partir de certains acides aminés qui peuvent
être transformés en acide pyruvique.
b) Synthèse des protéines (cf. TD)
c) Le rendement chimique
C’est le rapport entre l’énergie récupérée sous forme d’ATP lors du
catabolisme d’une molécule et l’énergie potentielle initiale de cette molécule.
C6 H12 O6 + 6 O2
6 CO2 + 6 H2O + 38 ATP + Chaleur
1159 Kj = 38 * 30,5
Calcul du rendement chimique de la dégradation du glucose
R = Energie ATP / Energie potentielle
R = 1159 / 2900 = 0,40 = 40 %
Le rendement est assez important, il est de 40 %.
Les 60 % restants sont dégagés dans nos cellules sous forme de chaleur.
Cette réaction de dégradation du glucose est ce qui se déroule in vivo, c’est-à-dire
dans nos cellules.
L’énergie potentielle totale de la molécule de glucose est de 2900 Kj, dans des
conditions in vitro :
C6 H12 O6 + 6 O2
Substrats
Energétiques
6 CO2 + 6 H2O + 2900 Kj
catabolisme
CO2 + H2O + NH3
Energie thermique
60 %
Energie chimique
40%
ADP+Pi
ATP
-
Fonctions cellulaires nécessitant de l’énergie :
force et mouvement
transport actif à travers les membranes
synthèse moléculaire
AIR
AMBIANT
CO2
APPAREIL
VENTILATOIRE
O2
CO2
O2
CO2
O2
APPAREIL
CARDIO-VASCULAIRE
CELLULE
5°) Le quotient respiratoire (QR)
C’est le rapport entre la quantité de CO2 produite et la quantité d’O2
consommée.
a) Calcul du QR :
Oxydation du glucose :
C6 H12 O6 + 6 O2
6 CO2 + 6 H2O + Energie
6 CO2 / 6 O2 = 1 = QR
Oxydation de l’acide stéarique
C18 H36 + 26 O2
18 CO2 + 18 H2O + Energie
18 CO2 / 26 O2 = 0,7
Pour oxyder les lipides, nous consommons plus d’O2 que pour le glucose même si
nous produisons plus d’ATP.
Ce QR nous renseigne sur le type de substrat dégradé par nos cellules.
Si QR = 0,7 nos cellules ne consomment que des acides gras (lipides)
Si QR = 1 nos cellules ne consomment que des glucides
Si QR est compris entre 0,7 et 1 alors nos cellules consomment un mélange de
glucides et de lipides.
b) Mesure de la dépense énergétique
Nous mesurons l’ATP produit car nous n’avons pas de stock d’ATP dans notre
organisme, tout ce qui est produit est forcément consommé, au-dessus de la valeur
de repos.
En condition aérobie
Il existe deux techniques.
 La calorimétrie directe : Elle fait appel au rendement chimique de la
dégradation des nutriments. La chaleur dégagée par les organismes vivants est
mesurée grâce à un calorimètre.
 La thermochimie respiratoire (ou calorimétrie indirecte) : Toutes les variations
d’O2 et de CO2 au-dessus de la valeur de repos sont le reflet de ce que nous
dégradons au niveau cellulaire.
Débit de consommation (différence entre ce qu’on inspire et ce qu’on expire):
V O2 = ( VI X FI O2) – ( VE X F E O2)
V CO2 = VE X FE CO2
V = débit d’air
F = fraction d’O2 dans l’air (schéma p.17)
En condition anaérobie
On peut mesurer la quantité d’acide lactique dans le sang mais il y a un problème
entre le moment du prélèvement et celui de l’analyse.
En conclusion, on ne sait pas mesurer la quantité d’ATP produite en condition
anaérobie.
Chapitre III
LES SYSTEMES
DE CONTROLE BIOLOGIQUE
I Milieu intérieur et homéostasie
1°) Introduction - Définition
L'amibe est un animal unicellulaire. Elle puise l'oxygène et les aliments directement
dans le milieu extérieur et y rejette les déchets de son métabolisme.
Quand on complexifie l'organisme, toutes les cellules ne peuvent pas être en contact
avec le milieu extérieur.
Il existe donc des surfaces d'échanges spécifiques à l'être humain : les poumons,
les reins et l'intestin. Les échanges entre l'extérieur et nos cellules se font grâce
au milieu intérieur.
2°) Les compartiments des liquides de l'organisme
Ces différents compartiments liquides sont séparés par une interface spécifique. La
membrane cellulaire régit les échanges en fonction des compartiments et gère
les contraintes des échanges en fonction des propriétés des cellules.
Le plasma constitue le milieu intérieur.
La lymphe endiguée est contenue dans un système de vaisseaux lymphatiques.
La lymphe non endiguée n'est pas contenue dans un système de vaisseaux.
a) Le sang
C'est un tissu liquide dans un système clos (l’appareil cardio-vasculaire).
2 phases dans le sang :
- phase liquide : le plasma
- phase solide : éléments figurés (différents types de cellule)
 Eléments figurés
 Les globules rouges (ou érythrocytes ou hématies)
25 millions de millions de GR (= 5 millions par mm3 de sang)
Leur particularité est qu'il s'agit d'une cellule sans noyau incapable de se reproduire
et de faire la synthèse protéique.
Au bout de 120 jours, les GR sont éliminés et remplacés par de nouveaux fabriqués
par des cellules souches présentes dans la moelle des os.
L'hémoglobine, composée d'équipements enzymatiques qui permettent de
transporter l'oxygène et le CO2, représente 70% de la masse des globules rouges.
Les globules rouges ont une forme biconcave pour augmenter la surface d'échanges,
ils représentent 99% des éléments figurés.
 Les globules blancs ou leucocytes : 7000/mm3 de sang
- lymphocytes : ils fabriquent des anticorps (armes contre les bactéries)
- granulocytes pour la phagocytose
- monocytes pour la phagocytose
 Les plaquettes : fragments de cellules (300000 / mm3 de sang) : Interviennent
lors des mécanismes de coagulation, avec un contrôle dans la fluidité du sang.
 La phase liquide : le plasma
91 % d'oxygène dans laquelle sont dissoutes des substances organiques et
minérales. Beaucoup de protéines qui participent à la coagulation du sang sont
dissoutes dans le plasma ou servent au transport de molécules.
Dans un hématocrite, on centrifuge du sang et on obtient les éléments figurés au
fond du tube.
b) La lymphe
Sa composition est proche de celle du sang, c'est du sang sans hématies et avec
une plus faible concentration en protéines.
Sous la pression du sang, une partie du plasma et des cellules blanches fuient le
système sanguin au niveau des capillaires : c'est la lymphe non endiguée (= liquide
interstitiel). Dans ce système, la lymphe est réinjectée au niveau du cœur.
Capillaire sanguin
Sang
tissu
Capillaire lymphatique
liquide interstitiel
lymphe canalisée
milieu intérieur
3°) Rôle du milieu intérieur
Il permet les échanges entre les cellules et le milieu extérieur :
- en transportant l'oxygène et les nutriments cellulaires
- en éliminant les déchets (CO2 et urée)
Il assure la communication entre les différents organes du corps humain en
véhiculant des molécules messagères qui vont déclencher les réactions nécessaires
au maintien de l'homéostasie et à l'unité de l'organisme.
L'équilibre entre les entrées et sorties entre milieu intérieur et milieu
environnant est un équilibre dynamique. Il faut donc contrôler les entrées ou les
sorties pour pouvoir les modifier.
Des systèmes biologiques sont capables de maintenir l'homéostasie, c'est-à-dire la
constance du milieu intérieur.
4°) Notion de système régulé
La glycémie est la concentration du glucose dans le sang. C’est une variable
régulée de l'organisme, car l'organisme détecte les variations et les compense.
La variable à réguler est fixée à une certaine valeur : c'est le point de consigne.
Toute modification de la variable régulée est détectée par un capteur. Le signal
provenant du capteur est envoyé à un "comparateur", dont le rôle est de comparer
la valeur mesurée à la valeur du point de consigne : c'est le point de sommation.
Si les 2 valeurs ne concordent pas, un signal erreur est émis vers un effecteur qui
modifie la valeur de la variable dans le sens opposé de la variation d'origine. Cette
inversion de sens entre la variation d'origine et la compensation est schématisée
dans la boucle par un point d'inversion.
5°) Les constituants des systèmes de commande biologique
3 systèmes :
- Le système nerveux (principal système de commande)
- Système endocrine
- Muscle
Résumé
 On obtient une variable du milieu intérieur en équilibrant entrées et sorties. Ce
n’est pas la valeur absolue des entrées et sorties qui compte mais leur équilibre.
 Dans les systèmes de rétroaction négative, une modification de la variable régulée
amène des réponses qui tendent à déplacer la variable dans le sens opposé à la
modification originelle, c’est-à-dire vers la valeur d’origine.
 Les systèmes de régulation homéostatique ne peuvent tout maintenir relativement
constant. Une hiérarchie est établie selon l’importance accordée à chaque
variable.
II Mécanismes de contrôle par le système nerveux (SN)
Des capteurs sensoriels véhiculent les informations grâce au système nerveux. Le
neurone est une cellule très différenciée qui a une particularité : elle est capable de
conduire des informations sous forme d’impulsions électriques.
Le système nerveux est constitué de deux grands types de tissus :

Tissu nerveux constitué de neurones

Tissu de soutien composé de cellules gliales
1°) Le neurone : structure et propriétés
a) Structures
Le neurone est l’unité structurelle fondamentale du système nerveux, il
possède la capacité de produire des impulsions électriques qui constituent le
langage du système nerveux.
Nous pouvons distinguer 4 parties :
 Le corps cellulaire ou soma
On retrouve une grande quantité de tous les éléments du cytosquelette et toutes les
organistes possibles. Le neurone, comme toute cellule nerveuse est pratiquement
incapable de se reproduire.
Du corps cellulaire partent toutes sortes de ramifications.
 Les dendrites (l’ordre somato-dendritique = ensemble de toutes les dendrites)
Elles permettent au neurone d’établir des communications avec d’autres neurones
ou d’autres cellules. C’est le pôle récepteur du neurone, c’est grâce aux dendrites
que le neurone peut recevoir des informations.
 Axone
C’est un prolongement cellulaire unique qui part du cône d’émergence (1 seul par
cellule nerveuse). La première partie de l’axone est appelée segment initial de
l’axone. L’axone peut se diviser en branches (collatérales de l’axone).
Dans l’axone, nous retrouvons beaucoup d’éléments du cytosquelette, de vésicules
de transport et un certain nombre de mitochondries. Ces vésicules proviennent du
corps cellulaire et sont transportées par le cytosquelette grâce à l’énergie des
mitochondries, vers la ramification terminale de l’axone.
 Arborisation terminale
L’axone se ramifie en un nombre important de petites branches qui permettent au
neurone d’entrer en contact avec d’autres neurones ou d’autres cellules.
Axone + Collatérale + Ramification = Pôle émetteur du neurone
Les cellules gliales sont 2 fois plus nombreuses que les neurones dans le système
nerveux, elles ont un rôle de protection et de soutien, elles occupent tout l’espace
libre entre les neurones.
Les cellules du système nerveux périphérique s’appellent les cellules de
SCHWANN. Grâce à elles, les neurones sont entourés d’une gaine de myéline
constituée de cellules gliales (schéma 5p.20).
Les échanges entre le neurone et l’extérieur de la cellule sont alors impossibles
sauf au niveau du nœud de RANVIER (entre 2 cellules de SCHWANN).
Mais tous les neurones ne possèdent pas cette gaine de myéline, cela dépend de leur
localisation et de leur fonction.
b) Propriété des neurones :
Lorsqu’il reçoit un stimulus particulier et adéquat, le neurone est capable de
produire un influx et de le conduire tout au long de sa membrane.
Ce phénomène électrique est le langage du système nerveux, c’est ce que nous
appelons le potentiel d’action.
2°) Le potentiel d’action
a) Le potentiel de repos membranaire
Dans le milieu intérieur, il y a électroneutralité.
En condition de repos, nous avons une accumulation de charges positives à
l’extérieur de la membrane et de charges négatives à l’intérieur de la
membrane.
Cette différence de répartition des charges ne bouleverse pas l’électroneutralité.
Toutes les cellules des organismes vivants ont un potentiel de repos
membranaire. On le mesure avec un Voltmètre.
Quand nous libérons cette énergie, il s’agit d’une énergie potentielle qui est libérée.
Définition :
La mesure de l’énergie potentielle de charges opposées est appelée Voltage.
Le Voltage est toujours mesuré entre 2 points de charges opposées (en V ou mV).
Ce Voltage est aussi appelé différence de potentiel.
Il varie de –40 à –90 mV pour les cellules nerveuses.
Les cellules nerveuses sont capables de modifier leur potentiel de repos
membranaire, c’est-à-dire qu’elles sont excitables.
b) Production d’un potentiel d’action
Il existe 2 grandes sortes de canaux protéiques :
 Les canaux protéiques à fonction passive ouverts en permanence (K et Na)
 Les canaux protéiques à fonction active, ils sont fermés en condition normale,
ils ne s’ouvrent que dans des conditions particulières, ils sont spécifiques.
Il existe néanmoins 2 types de canaux ioniques à fonction active qui permettent de
modifier le voltage de repos de la cellule :
 Les canaux qui ne s’ouvrent que lorsque l’on modifie le voltage de la
membrane (canaux ioniques Voltage-dépendants). En condition de repos, ils
sont fermés, mais si l’on modifie le voltage, ils peuvent s’ouvrir.
 Les canaux qui s’ouvrent que lorsqu’une molécule messagère (le neurotransmetteur) se fixe sur eux (canaux ligand-dépendants). Ces canaux sont
spécifiques.
Grâce à ces modifications de la perméabilité de la cellule et du potentiel de repos,
nous pouvons créer un potentiel d’action.
Le neurone se sert des modifications de son potentiel de repos comme d’un
signal pour recevoir, intégrer et envoyer une information. Nous parlons de
dépolarisation de la membrane plasmique lorsque l’on passe de –70 à –40 ou à 0.
A l’inverse, on parle de repolarisation lorsque le potentiel de repos revient à une
valeur négative, d’hyperpolarisation lorsque l’on passe de –70 à –90 et
d’inversion de la polarité lorsque l’on passe de – à + ou de + à -.
Potentiel gradué ou électrotonique :
Ce sont des modifications locales de courte durée du potentiel de repos.
L’amplitude du potentiel gradué diminue avec la distance parcourue le long de
l’axone.
Plus le stimulus est fort, plus l’amplitude est importante. Pour qu’il y ait un
potentiel gradué, il faut modifier la perméabilité de la membrane plasmique
aux ions K+ et Na+ pour modifier le potentiel de repos membranaire.
En ouvrant des canaux spécifiques du Na (ligand dépendants) dès que le neurotransmetteur se fixe, le passage pour le sodium est ouvert : il peut rentrer dans la cellule.
Conclusion sur le potentiel gradué :
Ce sont des modifications du potentiel de repos au niveau de l’arbre somatodendritique dues à l’ouverture des canaux ligand-dépendant du sodium. Ils ne
s’ouvrent que si le neurotransmetteur se fixe.
A partir d’un certain seuil de stimulation, nous obtenons un potentiel d’action
et non plus un potentiel gradué. Il y a donc inversion de la polarité membranaire.
Au bout d’un certain temps, les canaux voltage-dépendants se ferment. 3 Na+
sortent pour 2 K+ qui rentrent.
Après le PA, on est à nouveau à –70mV mais de part et d’autre de la membrane, la
concentration en ions est différente. Pour rétablir cette égale répartition, les
pompes à Na+ et K+ sont utilisées.
Schéma 3 p.20 :
Avant d’obtenir un PA, il faut un potentiel gradué assez important pour qu’au
niveau de l’axone, les canaux voltage-dépendants s’ouvrent et permettent de
laisser rentrer une grande quantité de Na (rétroaction positive). Ce phénomène
s’arrête lorsque les charges positives sont trop importantes et se repoussent. Les
canaux voltage-dépendants à Na+ se ferment et ceux à K+ s’ouvrent. Ainsi, les
charges positives dues au K+ s’évacuent et repolarisent : c’est l’hyperpolarisation.
Na+
EXT.
INT.
Na+
K+
Phase de dépolarisation
EXT.
Na+
K+
Phase de repolarisation
Na+
K+
INT.
Potentiel de repos
K+
Hyperpolarisation
c) Propagation d’un potentiel d’action
Ce mouvement des charges positives vers les charges négatives, crée un courant
assez puissant pour ouvrir les canaux voltage-dépendants. Il se propage de proche
en proche tout le long de l’axone.
Si on stimule l’axone en son milieu, le PA se propage de chaque coté du point de
stimulation. Un PA ne revient jamais en arrière à cause de la zone réfractaire.
Le PA in vivo part du corps cellulaire et des dendrites.
Stimulation
Potentiel d’action
Zone réfractaire
In vivo, il n’y a jamais de stimulation au milieu de l’axone, il ne peut que
descendre le long de l’axone pour arriver à l’arborisation terminale.
Contrairement au potentiel gradué, il n’y a pas de perte d’information dans la
propagation du potentiel d’action.
d) Seuil d’excitation et loi du tout ou rien
En-dessous du seuil de stimulation, on parle de stimulus infraliminaire par
rapport au seuil d’obtention du PA. Il permet d’obtenir le potentiel gradué.
Un stimulus liminaire permet d’obtenir le PA, à partir d’une certaine intensité
de stimulation (seuil de stimulation). Cela correspond pour la plupart des
neurones à une dépolarisation de 20 mV d’amplitude (de –70 à –50 mV).
Au-dessus du seuil de stimulation, quelle que soit l’intensité de la stimulation, on
obtient toujours un PA avec la même amplitude.
Loi du tout ou rien : Il faut une certaine intensité pour obtenir un PA. Une fois que
cette intensité est atteinte, le PA sera toujours de même amplitude. En-dessous
de ce seuil, on obtient une dépolarisation qui donnera un potentiel gradué.
e) Codage de l’intensité du stimulus
On ne peut pas coder l’intensité d’une stimulation en amplitude de PA puisqu’il
répond à la loi du tout ou rien. L’intensité d’une stimulation est codée en
fréquence de PA (Hz).
Pour un temps donné, plus la stimulation est intense, plus on observera un grand
nombre de PA.
f) Période réfractaire
Après avoir donné naissance à un PA, la membrane reste réfractaire à un second
stimulus liminaire pendant plusieurs millisecondes.
C’est la période pendant laquelle le même stimulus ne peut plus déclencher de
PA. Il ne permet d’obtenir que des potentiels gradués.
2 phases dans la période réfractaire :
- Période réfractaire absolue : quelle que soit l’intensité de la stimulation, on
n’obtiendra jamais de PA.
- Période réfractaire relative : on peut obtenir un PA si on applique un stimulus
très nettement supérieur au stimulus que l’on avait utilisé pour obtenir le PA.
Les canaux voltage-dépendants spécifiques du sodium sont des protéines qui
changent de forme quand elles sont stimulées et il leur faut un certain temps pour
retrouver leur forme originelle. C’est la cause de la période réfractaire.
Elle limite le nombre et la fréquence d’émission des PA.
Grâce à cette période réfractaire, le PA ne revient pas en arrière.
g) Vitesse de propagation
2 facteurs influencent la vitesse de propagation de l’influx nerveux : le diamètre de
l’axone et la présence ou l’absence de la gaine de Myéline.
Les neurones les plus rapides se retrouvent dans les réflexes de la posture. La
vitesse maximale de propagation est de 100 m/s.
Plus on est capable de réagir rapidement, plus le diamètre de l’axone est
important, plus la vitesse de propagation est importante.
La vitesse de propagation de l’influx nerveux dans un axone myélinisé est très
nettement supérieur à un axone sans myéline.
Dans la conduction saltatoire, le PA passe de nœud de Ranvier en Nœud de
Ranvier, car la gaine de Myéline empêche les échanges avec l’extérieur.
3°) La synapse
Dans la synapse, il y a passage de l’information d’un neurone à un autre neurone ou
à une cellule effectrice.
a) Synapse électrique :
Elles sont constituées de jonctions ouvertes entre les cellules des membranes
des différents neurones. Les cytoplasmes de 2 cellules voisines communiquent.
Nous retrouvons ce type de jonction dans des tissus non nerveux, ainsi que dans les
cellules excitables (muscle cardiaque et certaines cellules des muscles lisses).
b) Synapse chimique :
Ici, il n’y a pas de contact entre les cytoplasmes de cellules voisines, un
intermédiaire transmet l’information : le neurotransmetteur.
Dans une synapse, nous avons 2 éléments :
 L’extrémité d’une terminaison axonale d’un neurone présynaptique
qui transmet l’information. Il porte un renflement qu’on appelle bouton
synaptique ( en contact avec l’élément postsynaptique ) où il y a des
vésicules synaptiques contenant des molécules de neurotransmetteurs.
C’est grâce à un processus chimique que l’information est transmise de
neurone à neurone.
 La cellule postsynaptique : soit une autre cellule, soit une cellule
effectrice.
Succession des événements dans une synapse chimique
Un PA arrive et déclenche les 4 mécanismes de la transmission synaptique :
1) Lorsque l’influx nerveux atteint la terminaison axonale, les canaux du Calcium
voltage-dépendants de la membrane axonale s’ouvrent pour laisser passer les ions
Ca+ du liquide interstitiel vers le cytoplasme de la terminaison axonale du
neurone.
2) L’accroissement de la concentration intracellulaire en calcium favorise la fusion
des vésicules synaptiques avec la membrane axonale et les molécules de
neurotransmetteurs sont libérées dans la fente synaptique par exocytose.
3) Après avoir diffusé dans la fente synaptique, le neurotransmetteur se lie à des
récepteurs protéiques spécifiques portés par des canaux ioniques (canaux liganddépendants) qui sont regroupés par la membrane postsynaptique.
4) Lorsque les neurotransmetteurs se lient aux récepteurs des canaux liganddépendants, la forme des canaux change et ils s’ouvrent. L’entrée ou la sortie des
ions par ces canaux provoque un changement du potentiel de membrane
postsynaptique et nous observons un potentiel gradué soit dépolarisant, soit
hyperpolarisant en fonction du type de synapse.
Il est nécessaire de retirer rapidement le Calcium entré en masse dans le neurone,
soit à l’aide de la pompe à Calcium, soit grâce aux mitochondries, afin de maintenir
le gradient de concentration.
Plus le nombre de neurotransmetteurs libérés est important, plus il y aura de canaux
ligand-dépendants ouverts, plus on pourra modifier le potentiel de repos du neurone
postsynaptique, plus les ions Sodium vont entrer dans le neurone post synaptique.
L’amplitude du potentiel gradué est proportionnelle au nombre de molécules
de neurotransmetteurs libérées dans la fente synaptique.
Il existe 3 mécanismes afin d’enlever les molécules de neurotransmetteurs des
canaux ligand-dépendants pour qu’ils puissent recevoir de nouvelles molécules :
 Dans la fente synaptique, des enzymes spécifiques sont capables de détruire
les molécules de neurotransmetteurs.
 Par un mécanisme d’endocytose, les neurotransmetteurs sont recaptés dans
la terminaison présynaptique du neurone. Elles seront soit stockées pour être
libérées à nouveau, soit détruites à l’aide d’enzymes spécifiques.
 Selon le gradient de concentration, les molécules de neurotransmetteurs
s’échappent par un mécanisme de diffusion passive dans la fente
synaptique.
Délai d’action synaptique : c’est l’étape la plus lente de la transmission du message
nerveux. Plus il y a de synapses, plus le message va perdre du temps.
c) Les neurotransmetteurs
Plus de 100 substances pourront jouer le rôle de neurotransmetteurs si elles :
 sont présentes dans les vésicules de la terminaison axonale présynaptique.
Elles sont synthétisées dans le neurone, au niveau du corps cellulaire et
descendent le long de l’axone grâce aux éléments du cytosquelette.
 Sont capables de modifier la perméabilité de la membrane postsynaptique
et le potentiel de repos membranaire.
 Peuvent être retirées par des mécanismes naturels de la membrane
postsynaptique.
La réaction de synthèse se déroule dans la terminaison présynaptique :
Acétyl CoA + Choline
Ach + CoA
Choline
Acétyltransférase
L’acétylcholine est le neurotransmetteur de la commande musculaire, c’est le
neurotransmetteur le plus abondant chez les êtres vivants.
Elle se lie à 2 types de récepteurs avec des effets opposés.
L’acétylcholine peut-être excitatrice, en se fixant sur les muscles squelettiques, ou
inhibitrice si elle se fixe sur les synapses du muscle cardiaque.
Les amines biogènes sont une autre famille de neurotransmetteurs, avec la
sérotonine et les catécholamines (noradrénaline, adrénaline, dopamine).
Certains acides aminés peuvent être des neurotransmetteurs ; certains peptides
sont des neurotransmetteurs.
d) Potentiel post synaptique et intégration synaptique
PPSE : Potentiel Post Synaptique Inhibiteur (dépolarisation de synapse)
PPSI : Potentiel Post Synaptique Excitateur (hyper polarisation de synapse)
INTERPRETATION IONIQUE :
Dans le cas des synapses excitatrices, le neurotransmetteur se lie au récepteur
d’un canal ligand-dépendant du Na+.
L’entrée du Na+ dans le neurone va entraîner une dépolarisation. Nous observons un
PPSE.
Dans les synapses inhibitrices, le neurotransmetteur se lie à des canaux liganddépendants spécifiques du Cl- ou à des canaux ligand-dépendants spécifiques
du K+. Cela va entraîner une hyper polarisation. Nous observons un PPSI.
Pour obtenir un PA, il faut qu’il y ait une sommation. Un seul neurone reçoit de
1000 à 10 000 informations en même temps.
SOMMATION TEMPORELLE :
On augmente la fréquence des PA par neurone présynaptique.
Plus ces PA sont rapprochés, plus il y aura de neurotransmetteurs libérés.
2 stimulations présynaptiques suffisamment rapprochées dans le temps
produisent des effets qui peuvent se combiner et produire une perturbation
plus ample.
SOMMATION SPATIALE :
On augmente le nombre de boutons synaptiques stimulés et appartenant au même
neurone ou à des neurones différents : Le PA sera alors plus important.
Effets de la sommation :
C’est l’intégration des PPS qui détermine la valeur du potentiel dans le segment
initial. Si ce potentiel est supérieur au seuil d’ouverture des canaux Na+, un PA est
produit.
Effets des synapses sur la fréquence de décharge :
Le fonctionnement d’une synapse excitatrice entraîne une augmentation de
fréquence des PA postsynaptiques. Inversement, le fonctionnement d’une synapse
inhibitrice mène à une baisse de fréquence.
Ainsi, les synapses traduisent une information pré synaptique codée en
fréquence, en une information codée en amplitude.
L’excitabilité des membranes permet la genèse et la propagation d’informations
sous forme de PA : l’information est codée en fréquence.
Le neurone joue à la fois le rôle d’intégrateur, de conducteur et d’émetteur de
l’information.
Le fonctionnement des synapses permet l’analyse et la traduction de l’information
sous la forme d’une perturbation du potentiel de membrane codée en amplitude
(potentiel gradué). Le segment initial du neurone est alors le lieu d’une nouvelle
intégration par sommations des PPS.
e) Organisation générale du SN (cf. cours de Collet)
III Les régulations hormonales
1°) Système endocrinien et hormones :
Le système endocrinien est le 2ème système de régulation en importance, après le
système nerveux. Ces 2 systèmes travaillent en synergie et leur but est de maintenir
l’homéostasie.
Le SN gère l’information provenant des organes des sens, mais aussi l’activité des
muscles ou de certaines glandes. La réponse est de l’ordre de qq millisecondes.
Le système endocrinien intervient plus spécialement sur l’activité métabolique des
cellules, grâce à des messagers chimiques déversés dans le sang et transportés
lentement dans tout l’organisme.
Chaque type de cellule est différencié, pour reconnaître 1 ou plusieurs types
d’hormones. Entre la libération de l’hormone et la réponse, il peut s’écouler
quelques secondes (temps de latence).
L’originalité du système endocrinien est que ce système peut, par la sécrétion d’une
molécule messagère, stimuler plusieurs organes très distants les uns des autres
et permettre la coordination de fonctions complexes.
Il existe 2 types de glandes :
 Exocrines : Elles sont dotées de conduits grâce auxquels elles déversent
leurs sécrétions non hormonales dans une structure tubulaire ou une cavité
(ex. des larmes).
 Endocrines : Sécrétion interne, elles déversent des hormones dans le sang
ou la lymphe. Elles sont fortement vascularisées (p.22).
a) Les glandes endocrines (1 p.22)
Elles sont de petites dimensions et disséminées dans tout l’organisme. La plupart
des tissus vivants renferment des incrustations de tissus endocrines.
b) Les hormones
Il existe 3 grandes familles d’hormones, identifiées par leur nature chimique. Une
glande endocrine peut sécréter plusieurs types d’hormones.
Les hormones régissent la reproduction, la croissance, le développement et la
mobilisation des défenses de l’organisme et de façon plus générale le métabolisme
cellulaire et l’équilibre énergétique.
Dans la sécrétion endocrine, les hormones sont trop grosses pour diffuser par le
mécanisme de diffusion passive, donc elles vont circuler par exocytose (= transport
actif en vrac).
Au niveau des organes, les capillaires sanguins qui entourent les glandes
endocrines ne sont constitués que d’une seule couche de cellules. L’hormone doit
traverser plusieurs compartiments délimités par des membranes plasmiques pour
arriver dans le sang.
L’hormone est donc distribuée par le système cardio-vasculaire. Cette diffusion se
fait selon le gradient de concentration.
c) Spécificité de l’hormone et de leurs cellules cibles
Pour réagir à une hormone, la cellule cible doit posséder sur sa membrane
plasmique ou dans son cytoplasme un récepteur constitué de molécules protéiques
auquel pourra se lier l’hormone de façon complémentaire. Ces récepteurs sont
capables de se lier à l’hormone, uniquement si l’hormone et le récepteur ont une
forme tridimensionnelle qui leur est spécifique.
Messager chimique
Cellule A
Cellule C
Cellule B
Réponse
Le nombre de récepteurs se situant à la surface ou dans le cytoplasme peut varier de
500 à 100 000.
Quand tous les récepteurs sont utilisés, nous observons un phénomène de saturation.



d) Les différents types d’hormones (schéma 3)
Stéroïdes (lipides) : Tous les stéroïdes sont des dérivés du cholestérol (ex :
testostérone). Un stéroïde est un lipide, ces molécules sont liposolubles.
Hormones peptidiques : Protéines qui peuvent parfois présenter une structure
tridimensionnelle complexe. Elles sont hydrosolubles et ne peuvent traverser la
membrane (transport en vrac). Elles sont synthétisées lors de la synthèse protéique.
Elles représentent la plus grande quantité des hormones.
Hormones dérivées d’un acide aminé : Sérotonine, catécholamine…
Les hormones hydrosolubles sont transportées dans le plasma du sang.
Les hormones liposolubles sont liées à une protéine plasmatique spécifique.
Il y a toujours une certaine quantité d’hormones liposolubles dissoutes dans le
plasma. Seule cette partie peut diffuser vers le sang et les cellules cibles.
2°) Mécanismes de l’action hormonale
Les hormones agissent en ralentissant ou en accélérant les processus normaux.
a) Hormones stéroïdes (schéma p. 545 MARIEB)
1er temps : Elles diffusent facilement à travers la membrane plasmique. Il existe
dans le cytoplasme ou dans le noyau un récepteur spécifique de cette hormone.
2e temps : L’hormone se fixe sur le récepteur, nous parlons alors de la
formation d’un complexe hormone-récepteur.
Ce complexe va dans le noyau et se fixe sur un accepteur de la molécule d’ADN. Il
active alors la transcription d’un ARN messager.
Nous aboutissons à la synthèse d’une protéine particulière (enzyme) qui sont soit
libérées à l’extérieur de la cellule, soit elles restent dans la cellule.
La testostérone stimule la synthèse d’actine et de myosine.
b) Hormones peptidiques
Elles ne traversent pas la membrane plasmique de leurs cellules cibles, mais elles
peuvent agir à l’intérieur grâce à un 2nd messager qui est l’AMP cyclique
(AMPc).(Adénosine Monophosphate).
Lorsque le complexe hormone-récepteur apparaît, il change de forme et cela
provoque la libération d’énergie pour activer une enzyme qui permet la synthèse de
l’AMP cyclique.
L’AMP cyclique active des enzymes de la famille des protéines kinase qui ellesmêmes activent des enzymes en leur ajoutent un groupement phosphate.
Dans certaines cellules cibles, le 2nd messager des hormones peptidiques n’est pas
de l’AMPc.
c) Métabolisme et excrétion des hormones
La concentration d’une hormone dans le plasma dépend de :
 Sa vitesse de sécrétion par les glandes endocrines,
 Sa vitesse d’élimination du sang, par excrétion ou par transformation
métabolique.
Le foie et les reins sont les organes les plus importants dans le métabolisme des
hormones. La plupart des hormones sont éliminées par voie urinaire.
Les hormones sont parfois détruites au sein des cellules cibles sur lesquelles elles
agissent. Les hormones dissoutes dans le plasma sont très rapidement dégradées
par des enzymes.
Les enzymes ont plus de difficultés à détruire les hormones stéroïdes car il faut
qu’elles ne soient plus sur leur récepteur pour qu’elles soient éliminées.
Les hormones sont très efficaces même à très faible concentration, car elles sont
capables de déclencher toute une cascade de réactions enzymatiques par l’AMPc.
Nbre de molécules
1
Messager-récepteur
1
Adénylate cyclase active
100
AMPc
100
Protéine kinase active
20000
Enzyme phosphorylé
1000000
Produits
3°) Contrôle de la stimulation hormonale : (schéma 2 p.22) :
Un neurone peut stimuler la sécrétion d’une ou plusieurs hormones. On peut
entraîner la stimulation d’une glande endocrine par un ion, un métabolite (glucose
ou acide pyruvique) ou une autre hormone.
La stimulation hormonale fonctionne selon le principe de la rétroaction négative.
(p.19).
4°) Exemple de régulation hormonale : la glycémie
La glycémie est variable concernant la concentration du glucose dans le sang. Sa
valeur moyenne est de 5 mmol / L.
Le glucose est stocké sous forme de glycogène dans 3 grands organes : les muscles,
le foie et les reins.
Rappel sur le métabolisme du glucose
Le glucose est capable de diffuser selon le gradient de concentration et par diffusion
facilitée, à l’aide de transporteurs spécifiques.
Lorsque le glucose entre dans la cellule, il est phosphorylé et ne peut plus ressortir
de la cellule. Grâce à cette transformation, le gradient de concentration du glucose
est maintenu grâce au stockage du glycogène principalement dans les muscles et le
foie.
a) Les hormones pancréatiques (p. 22)
Le pancréas est une glande mixte, car il a une fonction :
 Exocrine : il secrète de façon exocrine le suc pancréatique déversé dans
l’intestin.
 Endocrine : il produit des îlots de Langerhans (ou cellules insulaires ou
cellules pancréatiques) qui sont fortement vascularisés et directement
informées des variations de la glycémie. Il existe dans ces îlots 2 types de
cellules :
 Les cellules alpha produisent le glucagon, quand la glycémie diminue
(hypoglycémie).
 Les cellules bêta produisent l’insuline, quand il y a hyperglycémie.
 L’insuline (hyperglycémie)
L’insuline est une hormone peptidique. Les tissus cibles sont les tissus
hépathiques, musculaires et adipeux.
L’insuline stimule l’entrée dans la cellule du glucose et de différents substrats et fait
sortir le glucose du sang.
Les cellules cibles sont capables d’augmenter le nombre de transporteurs
spécifiques du glucose sous l’action de l’insuline, alors le glucose entre dans les
cellules-cibles et il y a de moins en moins de glucose dans le sang.
Le but est de stocker du glucose sous forme de glycogène, donc l’insuline inhibe
les enzymes de la glycogénolyse et stimule les enzymes de la glycogénèse,
seulement au niveau des cellules hépatiques et musculaires.
Au niveau des tissus adipeux, l’insuline favorise les enzymes de la glycolyse
pour aboutir à la formation d’Acétyl Co A et ensuite à la synthèse d’acides gras.
L’insuline est capable d’inhiber la neoglucogénèse (= synthèse de glucose à
partir de glycérol et d’acides aminés).
L’insuline favorise l’utilisation du glycérol dans la synthèse des triglycérides et
stimule la synthèse des protéines. Elle s’oppose à toute activité métabolique qui
élèverait la concentration plasmatique en glucose (glycémie).
Le glucagon (hypoglycémie)
Il a des effets opposés à ceux de l’insuline, il est libéré en cas d’hypoglycémie, le
glucagon est une hormone hyperglycémiante.
Il agit presque seulement sur les cellules hépatiques en inhibant les enzymes de la
glycogénolyse. Il va stimuler les enzymes de la néoglucogénèse.

Il agit aussi sur le métabolisme des lipides en stimulant la lipolyse (catabolisme
des triglycérides en glycérol et 3 acides gras).
Les acides gras vont entrer dans la spirale de Lynen pour servir à la production
d’ATP : ce système permet d’épargner ainsi du glucose.
Les cellules hépatiques possèdent l’enzyme permettant de libérer du glucose en
transformant le glucose-6-phosphate en glucose, de même que les cellules rénales.
Point de consigne
Cellule insulaire
Capteur


 insulaire
Cellule

Point de

sommation
Signal d’erreur
Insuline
Glucagon
Foie
Muscles
Tissu adipeux
Foie
EFFECTEURS
Hausse du glucose
Sanguin
Glycémie
Variable régulée
Baisse du glucose
sanguin
b) Les principales autres hormones (utilisées en conditions d’urgence)
 L’adrénaline
Hormone synthétisée par la médullo-surrénale, sa sécrétion est contrôlée par le
SN sympathique.
En cas d’hypoglycémie, de stress ou de colère (émotions), les neurones de
l’hypothalamus sont stimulés par voie afférente nerveuse. Ces neurones stimulent
alors la médullo-surrénale pour sécréter de l’adrénaline qui va circuler par voie
afférente sanguine et se diriger vers les cellules cibles spécifiques.
L’adrénaline stimule alors la glycogénolyse. Grâce à cette hormone, du glucose
sera libéré. L’adrénaline fonctionne comme un système d’urgence, cette sécrétion
se fait en état de stress pour parer à une éventuelle urgence.
 L’hormone de croissance
Hormone sécrétée par l’hypophyse, uniquement à la suite d’une période de jeûne
prolongée ou à la suite d’une baisse rapide de la glycémie. Son action est
similaire au glucagon, car elle stimule la lipolyse, ce qui permet donc d’épargner la
consommation de glucose.
Conclusion
Les hormones agissent principalement sur le métabolisme cellulaire et leur action
est plus lente, mais plus durable que celle du SN. Ces 2 systèmes (nerveux et
endocrine) sont indissociables et travaillent en synergie.
Cf. tableau de synthèse de l’action des hormones.
RESUME
Les hormones sont des messagers chimiques émis dans le sang par des glandes
endocrines et induisant une action sur des cellules cibles grâce à des récepteurs
spécifiques.
L’activité des cellules endocrines n’est pas continue mais résulte de
stimulation provenant de l’organisme lui-même (par des ions ou des métabolites,
par voies nerveuse et hormonale).
Les hormones hydrophobes circulent dans le plasma liées à des protéines.
Après la liaison avec un récepteur intracellulaire spécifique, leur action des
cellules cibles se fait par activation du génome, ce qui induit une synthèse
protéique.
Les hormones hydrophyles circulent dissoutes dans le plasma et se fixent
sur des récepteurs spécifiques liés à la membrane des cellules cibles. Le
message est alors pris en charge par un 2nd messager intracellulaire qui induit une
réponse cellulaire en activant des enzymes cytoplasmiques initialement inactives.
Le système endocrinien est contrôlé par des boucles de rétrocontrôle négatif.
Neurone
présynaptique
Entrée du calcium
Molécules de
neurotransmetteurs
Vésicule de
stockage
élimination
inactivation
récepteur
Neurone post-synaptique
Schéma de la synthèse de la transmission
d’un message nerveux
SYSTEME
HYPERGLYCEMIANT
SYSTEME
HYPOGLYCEMIANT
Information
Cellules alpha des îlots
De Langerhans
Cellules bêta des îlots
de Langerhans
Glucagon
insuline
AMP cyclique
ATP
Cellule
Hépathique
+
-
Enzyme de la
glycogénolyse
+
Enzyme de la
glycogénogénèse
glucose
glucose
glycogène
Tendance à
L’hyperglycémie
+
Cellule
Musculaire
enzymes de
glycogénogénèse
glycogène
Cellule
Adipeuse
+
complexe
enzymatique
acides gras
+
inhibition
activation
glucose
Tendance à
l’hypoglycémie
IV
Le muscle
Les muscles représentent environ 50% de notre masse corporelle. Leur principale
caractéristique est leur aptitude à transformer une énergie chimique, stockée dans
la cellule sous forme d’ATP, en énergie mécanique, c.-à-d. en mouvement.
1°) Les différents types de muscles (p. 23)
2 points communs dans toutes les cellules musculaires (ou myocytes) :
- les cellules musculaires en général ont une forme allongée et leur contraction
est due à 2 éléments du cytosquelette : les myofilaments d’actine et de myosine
- une fibre musculaire = une cellule musculaire.
Il existe 3 grands types de tissus musculaires.
La membrane plasmique des cellules musculaires est le sarcolemme.
Le cytoplasme des cellules musculaires est le sarcoplasme.
a) Le tissu musculaire squelettique
Il rassemble tous les muscles qui recouvrent le squelette et il est fixé aux os. Il est
constitué de cellules très longues. Ses fibres portent des stries. Bien qu’ils soient
parfois activés par des réflexes, ce sont quand même des muscles volontaires.
3 mots-clés : squelettique, strié, volontaire.
b) Le tissu musculaire lisse
Exclusivement dans le muscle cardiaque (myocarde), ses cellules musculaires sont
plus courtes mais également striées.
La commande nerveuse est contrôlée par des boucles réflexes de façon involontaire.
3 mots-clés : cardiaque, strié, involontaire.
c) Le tissu musculaire lisse
Dans toutes les parois des organes viscéraux creux impliqués dans le transport de
substances (estomac, intestin…)
Ses cellules n’ont pas de strie et la commande nerveuse est contrôlée par des
boucles réflexes de façon involontaire (SN autonome).
3 mots-clés : viscéraux, non striés, involontaire.
2°) Fonctions
 Production du mouvement : Les tissus musculaires sont responsables du
mouvement dans les organismes vivants.
 Maintien de la posture : grâce aux tissus des muscles squelettiques
 Stabilité des articulations par le muscle squelettique
 Dégagement de chaleur : maintien de la température centrale à sa valeur
homéostasique
3°) Caractéristiques fonctionnelles des muscles
a) L’excitabilité
Faculté de percevoir un stimulus et d’y répondre (par un PA).
b) La contractilité
Capacité de se contracter avec force en réponse à une stimulation appropriée.
c) L’extensibilité
Faculté d’étirement par rapport à leur longueur de repos (étirement au-delà de
cette longueur).
d) L’élasticité
Possibilité de se raccourcir ou de s’allonger et de reprendre leur longueur de
repos lorsqu’on les relâche.
4°) Le muscle squelettique (1 p.23)
a) Anatomie macroscopique
Il y a des centaines à des milliers de cellules dans un muscle squelettique.
C’est un organe constitué de différents tissus spécialisés :
 Tissu conjonctif : rôle de soutien et de protection
 Tissu nerveux qui commande l’activité
 Un très grand nombre de vaisseaux sanguins qui apportent les nutriments et
l’oxygène et permet d’évacuer tous les déchets métaboliques.
Chaque cellule musculaire qui constitue un muscle squelettique est en contact avec
une terminaison nerveuse.
Les muscles squelettiques sont rattachés au squelette par des tendons.
Les fibres musculaires sont organisées en faisceaux, qui déterminent une amplitude
et une puissance différente selon leur agencement :
 Muscles avec une organisation de faisceaux parallèles : incapables de
développer des niveaux de force élevés mais responsables de mouvement de
grande amplitude.
 Muscles pennés : mouvements de faible amplitude mais avec une force
élevée.
La force est proportionnelle au nombre de faisceaux contractiles contenus dans le
muscle.
b) Anatomie microscopique d’une fibre musculaire squelettique
Ce sont des cellules cylindriques polynuclées dont la longueur peut varier de 1 à 40
mm (jusqu’à 30 cm parfois).
On retrouve dans les cellules musculaires squelettiques :
 Une importante réserve de glycogène
 De la myoglobine (molécule protéique qui s’apparente à l’hémoglobine) qui
fixe l’oxygène
 Tous les organites présents habituellement dans les cellules. Certains sont très
différenciés : réticulum sarcoplasmique ( forme différenciée du REL) et
myofibrilles.
 Les myofibrilles (4 p.24)
Elles occupent 80 % du volume à l’intérieur de la cellule musculaire squelettique,
de façon parallèle.
3 p.23 : stries, sarcomères et filaments
Une strie est une succession de bandes claires (i) et foncées (A).
Une myofibrille est un ensemble de sarcomères. Un sarcomère est la plus petite
unité contractile de la fibre musculaire : c’est l’unité fonctionnelle de la cellule
musculaire.
Dans chaque sarcomère, on retrouve 2 types de myofilaments :
- filaments épais (bande A) de myosine
- filaments fins (bande i et une partie de la bande A) d’actine
 Ultrastructure et composition des myofilaments (1 p.24)
 Filaments épais : diamètre de 12 à 16 nm
C’est une fibre de myosine.
Forme tridimensionnelle et possibilité de changer de forme. La tête de la myosine
est capable de fixer de l’ATP et va pouvoir se fixer sur le filament fin.
 Filaments fins : diamètre de 5 à 7 nm
Constitué d’un ensemble de 3 protéines :
 Principalement d’actine
 D’une molécule de tropomyosine qui rigidifie l’actine
 D’un complexe de troponine
On parle malgré tout de fibre d’actine.
Une des 3 protéines se lie à la molécule d’actine. Celle qui est la plus extérieure
se lie à la tropomyosine. La 3ème peut fixer le calcium.
 Réticulum sarcoplasmique et tubule T
Le réticulum sarcoplasmique entoure chacune des myofibrilles contenues dans la
cellule musculaire squelettique.
Les tubules T (= transverse) entourent toutes les myofibrilles au niveau des
sarcomères. Dans les tubules T circule le liquide interstitiel qui apporte les
nutriments et l’oxygène. Il régule la concentration intra-cellulaire en calcium.
Une triade est formée de 2 citernes et d’un tubule.
c) Contraction d’une fibre musculaire
 Mécanismes de la contraction (2 p.24)
Lors d’une contraction, les 2 stries Z délimitant le sarcomère se rapprochent, donc
le sarcomère, puis la myofibrille et enfin la cellule musculaire se raccourcissent.
En contraction maximale, il y a disparition de la bande claire (i). Lors de la
contraction, la bande H tend à diminuer et la bande A ne varie pas en longueur.
Les myofilaments d’actine et de myosine gardent leur constante. Les filaments fins
glissent le long des filaments épais.
Pour qu’il y ait contraction musculaire, il faut que les têtes de myosine puissent se
fixer sur la molécule d’actine. En absence de calcium, la tropomyosine masque les
sites de fixation des têtes de myosine sur l’actine : il n’y a pas de contraction
musculaire. Lorsque le calcium est libéré par le réticulum sarcoplasmique, il se fixe
sur la troponine qui change de conformation, ainsi, la position de la tropomyosine
est modifiée et cela libère des sites de fixation de myosine sur l’actine.
 Jonction neuro-musculaire
Grâce à la jonction neuromusculaire, la cellule nerveuse entre en contact avec le
neurone moteur.
On appelle unités motrices toutes les fibres musculaires innervées par le même
motoneurone (2 p.25)
Chaque fibre musculaire ne possède qu’une jonction neuromusculaire située en son
milieu. Le neurotransmetteur concernant le muscle squelettique est l’acétylcholine
contenue dans des vésicules.
La partie de la membrane plasmique (sarcolemme) en contact avec le neurone au
niveau de la jonction neuromusculaire s’appelle la plaque motrice.
Cette plaque motrice présente de nombreux replis qui augmentent la surface
d’échange entre le neurone et la cellule musculaire.
Schéma 1 p.26 :
Un PA arrive dans l’arborisation terminale du neurone moteur et provoque la
libération de l’acétylcholine dans la fente synaptique. L’acétylcholine se fixe sur la
membrane du sarcolemme au niveau de la plaque motrice. Les canaux liganddépendants sodiques s’ouvrent quand l’acétylcholine se fixe pour laisser entrer une
grande quantité de sodium et entraîner une dépolarisation.
Ceci va entraîner un PPM (potentiel de plaque motrice).
Ce PPM correspond à un PPSE dans le SN mais il atteint tout de suite le seuil
d’excitation : il n’y a donc pas besoin de sommation pour déclencher un PA.
Le PPM va toujours dans le sens d’une dépolarisation : il n’y a donc jamais de
PPSI. Le PA part dans les 2 sens car la jonction neuromusculaire est au milieu de
la fibre musculaire. Immédiatement après l’arrivée du PA, nous observons un
raccourcissement de la fibre musculaire.
Il existe une enzyme capable de détruire l’acétylcholine libérée dans la fente
synaptique (acétylcholinestérase).
Sans calcium, il n’y a pas de contraction musculaire.
 Couplage excitation-contraction
Schéma 1 p.26 :
Quand le PA arrive au tubule T, il y a dépolarisation et changement de forme de 2
protéines ce qui permet l’ouverture d’un passage pour que le calcium sorte du
réticulum sarcoplasmique (accélération par rétroaction positive) où il est stocké.
Dans la cellule, la concentration en calcium est de 10-7 mmol.L–1..
Quand il y a PA, la concentration augmente et permet la libération des sites de
fixation de la myosine sur l’actine. Les phénomènes électriques à la surface de la
membrane de la cellule musculaire régissent la concentration en calcium.
d) Les différents types de fibres musculaires
Il existe 2 critères pour classer les différentes fibres musculaires :
 Critère mécanique : fibres lentes ou rapides, selon leur vitesse maximale de
contraction
 Critère métabolique : fibres oxydatives ou glycolytiques, selon la principale
voie métabolique de synthèse de l’ATP
 Les fibres lentes et rapides :
La fréquence du cycle de contraction (lent ou rapide) est liée à l’activité de
l’enzyme ATPase fixée sur la tête de myosine. Si l’activité de l’ATPase est
intense, le cycle de contraction s’effectuera à grande vitesse.
Dans chaque unité motrice, toutes les fibres sont de même type. Les muscles
humains sont constitués d’un mélange d’unités motrices lentes et rapides.
La proportion de fibres I et II varie d’un muscle à l’autre pour un individu.
Il existe plusieurs facteurs influençant la répartition des fibres :
- facteur génétique (le plus important)
- niveau d’activité physique de l’individu, c’est-à-dire l’entraînement.
Un individu sédentaire à sa naissance en moyenne :
- 60 % de fibres rapides (ou fibres II)
- 40 % de fibres lentes ( fibres I )
Il faut continuer à s’entraîner pour maintenir ces proportions. Mais on ne peut
transformer des fibres II en fibres I sauf pour les sprinters de très haut niveau qui
peuvent avoir jusqu’à 85% de fibres rapides, mais il faut déjà qu’ils aient une forte
proportion de ces fibres à la naissance.
Chez des marathoniens : 85 % de fibres lentes
15 % de fibres rapides
 Les fibres oxydatives et glycolytiques
Les fibres oxydatives contiennent un très grand nombre de mitochondries : elles
ont un grand pouvoir de phosphorylation oxydative. Elles fournissent de l’ATP pour
la contraction grâce au processus aérobie car elles stockent l’oxygène et les
nutriments, elles sont donc fortement vascularisées.
Elles contiennent beaucoup de myoglobine, qui accélère la vitesse de diffusion de
l’oxygène du sang vers le muscle. Ces fibres sont aussi appelées fibres rouges.
Les fibres glycolytiques possèdent très peu de mitochondries et de myoglobine,
mais beaucoup d’enzymes de la glycolyse et une réserve importante en glycogène.
Elles nécessitent peu d’oxygène, sont faiblement vascularisées.
Les fibres glycolytiques sont des fibres blanches.
Les fibres glycolytiques ont un diamètre supérieur à celui des fibres oxydatives,
elles contiennent plus de myofibrilles et déploient donc plus de force.
Résumé :
Il existe 3 types de fibres différentes :
1) Les fibres oxydatives lentes contenant une myosine à activité ATPasique très
faible et une capacité oxydative élevée (fibres de type I ou fibres lentes)
2) Les fibres oxydatives rapides contenant une myosine à activité ATPasique
élevée et avec une capacité oxydative élevée (fibres de type IIA ou fibres
intermédiaires)
3) Les fibres glycolytiques rapides contenant une myosine à activité ATPasique
élevée et une capacité glycolytique élevée (fibres IIB ou fibres rapides)
Les cellules d’une fibre glycolytique développent des niveaux de force élevés,
mais se fatiguent plus rapidement.
Les fibres I ne sont pas capables de soutenir des niveaux de force élevés mais
pendant un temps très long.
Les petites unités motrices sont constituées de fibres I et sont impliquées dans les
mouvements de précision (doigt).
Les fibres II constituent de grosses unités motrices impliquées dans la production
de puissance.
Les fibres I sont innervées par des motoneurones de faible diamètre.
Les fibres II sont innervées par des motoneurones de fort diamètre.
e) Métabolisme de la contraction musculaire
Chaque fibre, quel que soit son type, possède l’équipement enzymatique nécessaire
pour faire fonctionner les 3 vois métaboliques existantes, à partir de dégradation de
nutriments.
 Réserves musculaires d’ATP
Repos : 6 mmol / Kg de muscle frais
Epuisement : 4 mmol / Kg de muscle frais
Les 2 mmol que nous pouvons utiliser pour la contraction musculaire permettent de
produire de l’ATP pendant 3s sur un exercice menant à l’épuisement en une heure
(intensité très faible).
 Utilisation des réserves de phosphocréatine (voie anaérobie)
C’est cette voie métabolique qui intervient en 1er pour resynthétiser de l’ATP.
Repos : 22 mmol / Kg de muscle frais
Epuisement : 6 mmol / Kg de muscle frais
Le muscle peut utiliser 16 mmol / Kg pour resynthétiser de l’ATP : cela représente
1/3 de l’énergie dépensée pour courir 60 m en 7 s.
 Glycolyse anaérobie lactique
1 mole d’unité glycosyl (glucose provenant de la glycogénolyse)
2 moles d’acide lactique + 3 moles d’ATP + Chaleur
Cette voie métabolique n’est pas économe en substrat, elle met en jeu plus
d’enzymes et de composés chimiques intermédiaires.
 Métabolisme aérobie (phosphorylation oxydative)
1 mole d’unité glycosyl + 6 moles d’O2
39 moles d’ATP + 6 moles d’H2O + 6 moles de CO2 + Chaleur
et / ou
1 mole d’acide stéarique (C18) + 26 moles d’O2
147 moles d’ATP + 18 moles de CO2 + 18 moles d’H2O + Chaleur
Au début d’un exercice, les 3 voies métaboliques sont sollicitées en même temps.
Mais la complexité de ces voies va en augmentant. Donc la dégradation de la
phosphocréatine est efficace immédiatement (voie avec le moins d’inertie).
Ensuite, c’est la glycolyse anaérobie lactique (avec une plus grande inertie) : c’est
un système d’urgence qui permet de pallier l’inertie du système aérobie.
Enfin, la voie aérobie est la plus longue à se mettre en marche (2 à 3 mn), car elle
est dépendante des adaptations respiratoires et cardio-vasculaires.
Les fibres oxydatives synthétisent une grande quantité d’ATP en condition aérobie.
Les fibres glycolytiques possèdent un équipement enzymatique très proche de la
glycolyse anaérobie lactique.
f) Mécanique de la contraction de la fibre musculaire
La fibre musculaire est capable d’utiliser de l’énergie chimique pour fournir un
travail mécanique.
La force exercée sur un objet par la contraction d’un muscle porte le nom de
tension musculaire.
On donne le nom de charge à la force exercée sur le muscle par la masse de
l’objet.
La tension musculaire et la charge sont donc des forces qui s’opposent.
Quand le muscle engendre une tension sans changer de longueur, nous parlons de
contraction isométrique.
Quand le muscle engendre une tension et que sa longueur est modifiée, nous parlons
alors de contraction anisométrique. Il en existe 2 types :
 Contraction musculaire concentrique ou isotonique = raccourcissement du
muscle (quand la contraction musculaire est supérieure à la charge).
 Contraction musculaire excentrique = allongement du muscle (quand la charge
est supérieure à la tension).
 Secousses musculaires simples
C’est la réponse mécanique du muscle à un potentiel d’action. Le temps de réaction
varie en fonction du type de fibre. Les fibres rapides ont en temps de contraction de
10 ms et les fibres lentes de 100 ms.
Ce type de secousses n’arrive que très rarement.
 Secousses musculaires répétées (p.26)
Si les stimulations sont rapprochées, il est possible d’augmenter la force de
contraction. Pour obtenir une secousse musculaire répétée, il faut réaliser une
sommation temporelle.
L’intérêt de la secousse musculaire est que nous pouvons obtenir des niveaux de
force bien plus élevés (tétanos) que ce que l’on obtiendrait avec une secousse
musculaire simple.
On parle de tétanos complet lorsqu’il y a fusion de secousses.
 Relation tension longueur (p. 27)
Au niveau de la fibre musculaire isolée, la tension développée en réponse à une
stimulation est fonction de la longueur initiale des sarcomères.
Si les muscles sont trop étirés, ils ne pourront pas développer leur tension
maximale.
In vivo, le muscle possède une certaine élasticité en raison des tendons.
Si nous raccourcissons le muscle, nous diminuons la tension passive, la force de
contraction.
C’est pour la longueur de repos du muscle que nous pouvons développer des
niveaux de force élevés.
In vivo, l’étirement d’un muscle dépasse rarement 30% de sa longueur de repos.
 Relation entre la charge et la vitesse
In vivo, le temps de latence de la contraction est proportionnel à la charge
appliquée. Ce temps de latence correspond au temps nécessaire pour mettre en
tension les éléments élastiques du muscle.
La vitesse de contraction maximale correspond à une charge nulle (p. 27).
Plus on augmente la charge, plus la vitesse de contraction sera faible. A partir
d’une certaine charge, le muscle ne pourra plus se raccourcir (= tension isométrique
maximale où la vitesse est nulle), nous obtenons alors une contraction isométrique.
Si on applique une force supérieure à la tension isométrique maximale, on passera
alors à un étirement passif = contraction excentrique.
Si nous voulons travailler la vitesse d’exécution d’un mouvement, il est alors
nécessaire de travailler à faible charge. Au contraire, si nous voulons travailler en
puissance, il faut travailler à forte charge (Vitesse X Force = Puissance).
Chapitre IV
LA RESPIRATION
1. La ventilation pulmonaire est le mouvement des gaz dans et hors des poumons
(respiration pulmonaire).
2. La diffusion alvéo-capillaire est l’échange des gaz entre les poumons et le sang.
3. Le transport de l’O2 et du CO2 assuré par le sang grâce au système cardiovasculaire.
4. Le passage des gaz du compartiment sanguin vers le compartiment cellulaire
(respiration cellulaire).
I Organisation générale de l’appareil respiratoire
Il est constitué de 2 portions :
 Une portion conductrice qui a pour rôle de réchauffer, hydrater et
dépoussiérer l’air inspiré.
 Une portion respiratoire constituée par le très grand nombre
d’alvéoles que l’on retrouve à l’extrémité de chaque bronchioles.
Les échanges entre l’air inspiré et le milieu intérieur ne s’effectuent qu’au niveau
des alvéoles. Chacun des poumons est enveloppé dans un sac constitué d’une
membrane (la plèvre).
Entre le poumon et la plèvre, un espace est rempli d’un liquide, il s’agit du liquide
pleural, son rôle est de minimiser les frottements entre les poumons et la cage
thoracique.
II Ventilation et mécanique pulmonaire
1°) Pressions respiratoires
L’air est un mélange gazeux, l’air ambiant exerce une pression que nous appelons la
pression atmosphérique (= pression exercée par l’air sur un objet).
Au niveau de la mer, elle est de 7600 mmHg (mm de Mercure).
L’unité de pression est le Pascal (Pa).
1 KPa = 10 5 bars = 7,5 mmhg = 7,5 torr.
La pression est fonction du volume du mélange gazeux. Une variation de volume
engendre donc une variation de pression, qui provoque l’écoulement des gaz selon
leur gradient de manière à égaliser la pression.
Le cycle respiratoire comprend 2 phases : l’inspiration et l’expiration.
Lors de la phase d’inspiration, il y a contraction des muscles intercostaux et du
diaphragme, ce qui augmente le volume d’air dans les poumons et provoque une
diminution de pression, et donc une dépression. L’air extérieur s’engouffre (selon
un gradient de concentration) afin d’équilibrer les pressions.
Lors de l’expiration, il y a relâchement des muscles intercostaux et du
diaphragme, la cage thoracique diminue en volume et comprime les poumons et
l’air qui s’y trouve. La pression est supérieure à l’air inspiré, donc l’air qui se trouve
dans les poumons sera rejeté.
2°) Volumes respiratoires (2 p.29)
En condition de repos, il y a 0,5 L d’air ventilé lors d’un cycle respiratoire : on
l’appelle le volume courant. Il peut être multiplié par 6 lors d’un exercice intense.
La fréquence de ces cycles respiratoires est de 12 cycles / mn au repos, et peut
passer à 45 cycles / mn chez l’adulte. Le débit ventilatoire est de l’ordre de 6 L / mn
au repos.
III Echanges gazeux
1°) Propriétés physiques des gaz et comportement dans les liquides
La pression exercée par un mélange gazeux est égale à la somme des pressions
exercées par chacun des constituants du mélange.
Les pressions de chaque constituant du mélange sont appelées pressions partielles.
La pression partielle d’un gaz est proportionnelle au pourcentage de ce gaz dans le
mélange.
Gaz
N2
O2
CO2
H2 O
Atmosphère (au niveau de la
mer)
Pourcentage
Pression
approximatif
partielle (mm
Hg)
78,6
597
20,9
159
0,04
0,3
0,46
3,7
Alvéoles
Pourcentage
approximatif
74,9
13,7
5,2
6,2
Pression
partielle (mm
Hg)
569
104
40
47
Comparaison des pressions partielles et des pourcentages approximatifs des
gaz dans l’atmosphère et dans les alvéoles
Dans l’air alvéolaire, on retrouve un mélange d’air inspiré et d’air expiré, c’est pour
cette raison qu’il y a une différence de composition avec l’atmosphère.
L’air alvéolaire va être en contact avec le sang.
Quand un mélange gazeux est en contact avec un liquide, les gaz se dissolvent dans
le liquide proportionnellement à leur pression partielle : plus ce gaz est concentré
dans le mélange, plus il se dissout en grande quantité et à grande vitesse dans le
liquide.
A l’équilibre, les pressions partielles de chacun des gaz sont identiques, dans les
phases gazeuses et liquides.
La quantité de gaz qui va diffuser dans liquide dépend :
- de la pression partielle
- de la solubilité de ce gaz dans les liquides
- de la température du liquide
2°) Les échanges gazeux alvéolo-capillaires (p.28)
On retrouve les alvéoles à l’extrémité de chaque bronchiole, il y en a 300.000 dans
chaque poumon, elles représentent une surface d’échange très importante (70 m2 au
total pour toutes les alvéoles). Chaque alvéole est entourée d’un réseau capillaire
très dense.
Le sac qui représente l’alvéole est représenté par une seule couche de cellules : les
pneumocytes.
L’oxygène et le CO2 devront traverser la membrane constituée d’une couche unique
de cellules qui délimitent l’alvéole : c’est la barrière alvéolo-capillaire.
L’oxygène va diffuser de l’alvéole vers le compartiment sanguin. Le CO2 va
diffuser du compartiment vers l’alvéole. Cette diffusion se fait selon le gradient de
pression partielle. La vitesse de diffusion est très grande car le CO2 et l’oxygène
sont liposolubles, et la barrière alvéolo-capillaire est très fine (p.30).
IV Transport de l’oxygène dans le sang
L’oxygène est peu soluble dans les liquides, donc seulement 1,5 % d’oxygène est
transporté sous forme dissoute dans le plasma, et 98,5 % est transporté grâce à une
protéine : l’hémoglobine, qui se trouve dans les globules rouges.
L’hémoglobine est capable de fixer de l’oxygène de façon réversible.
H – Hb + 4 O2
HbO2 + 4 H+
Chaque fois qu’une molécule d’oxygène se fixe, un proton est libéré.
1°) La pression partielle (cf. p.29)
Quand le pourcentage de saturation de l’hémoglobine diminue, c’est que l’oxygène
s’est détaché de l’hémoglobine.
Pour une pression partielle donnée, il existe différents paramètres qui peuvent
modifier l’affinité de l’hémoglobine pour l’oxygène :
La température (p.31)
L’augmentation de la température décale la courbe de dissociation de l’oxygène
vers la droite : l’affinité de l’hémoglobine pour l’oxygène augmente.
Le pH (p.31)
Plus la concentration en ions H+ est forte, plus le milieu est acide. Quand le pH
diminue, la courbe de dissociation se décale vers la droite.
A l’exercice, nos cellules consomment l’O2 et produisent du CO2. Le pH baisse, ce
qui favorise la libération de l’oxygène par l’hémoglobine.
Le 2-3 DPG (diphosphoglycérate) p. 31
Les globules rouges utilisent la voie glycolytique anaérobie lactique pour produire
de l’ATP. Sans 2-3 DPG (un dérivé de la glycolyse), l’hémoglobine ne pourrait pas
libérer l’oxygène, donc il favorise la libération de l’oxygène par l’hémoglobine.
V Transport du CO2 dans le sang
Il est transporté dans le sang sous 3 formes :
Sous forme dissoute dans le plasma
7 à 10 % du CO2 total
Lié à l’hémoglobine
Le CO2 est capable de se lier à l’hémoglobine en se fixant sur les acides aminés des
sous-unités du globine.
Le carbaminohémoglobine est l’hémoglobine qui a fixé du CO2.
Le sang non hématosé sort des tissus, a une faible pression partielle et son
hémoglobine est saturé à 100% en oxygène.
Le sang hématosé sort des poumons.
Sous forme d’ions bicarbonate dans le plasma
Tissus
CO2
Sang
CO2 + H2O
Anhydrase carbonique
H2CO3
Globules rouges
Le transport de CO2 sous cette forme entraîne une diminution du pH dans les
hématies et la production d’ions H+. Ce système des bicarbonates constitue le
principal système tampon du sang. Grâce à eux, on peut faire diminuer la
concentration en ions H+.
VI Régulation de la ventilation pulmonaire
Quand ces neurones émettent des PA, les muscles du diaphragme et intercostaux se
contractent : c’est l’inspiration.
Quand ils n’émettent plus, c’est l’expiration.
a) Influence de stimuli chimiques
Il s’agit des variations du sang en pH, en pression partielle en CO2 ou O2, qui
alerteront des récepteurs sensibles à la variation de ces 3 paramètres chimiques.
b) Influence de stimuli mécaniques
Il existe des mécano-récepteurs sensibles à la distanciation de la paroi des
poumons. La ventilation est soumise à la volonté, contrairement à l’activité
cardiaque.
Chapitre V
La circulation
L’appareil cardio-vasculaire
I Organisation générale de l’appareil cardio-vasculaire (p. 32)
Le sang est un tissu liquide qui permet le contact entre le milieu intérieur et
extérieur. Son volume total représente environ 6 à 8 % de la masse corporelle
d’un individu (  5 litres pour un sujet de 70 Kg).
Le muscle cardiaque est une pompe qui permet la circulation du sang ;
L’hématocrite est constitué de 55 % de plasma, et de 45 % d’éléments figurés.
Le sang circule dans un système clos constitué de canalisations appelées vaisseaux
sanguins, ils sont constitués de 3 types de tissus :
 Epithélial (interne).
 Musculaire lisse.
 Conjonctif (externe).
Les vaisseaux sanguins par lesquels le sang quitte le muscle cardiaque sont les
artères.
Les vaisseaux sanguins par lesquels le sang arrive au muscle cardiaque sont les
veines.
Entre les artères et les veines se trouvent les capillaires.
Dans ce circuit, il existe 2 types de circulation :
 Circulation pulmonaire ou petite circulation (du ventricule droit à
l’oreillette gauche), elle ne concerne que les poumons ;
 Circulation systémique ou grande circulation,(du ventricule G à l’oreillette
D), elle permet d’amener le sang dans tous les organes (sauf les poumons).
Le sang «veineux » est bleu, alors que le sang artériel (qui sort des poumons) est
rouge. Ceci est dû à la pression de l’O2 dans le sang.
Le système lymphatique fait partie intégrante du système cardio-vasculaire, il
permet de récupérer le plasma et des cellules blanches qui fuient du compartiment
sanguin sous l’effet de la pression. Ils seront réinjectés dans l’oreillette droite.
II Le cœur (myocarde, muscle cardiaque)
1°) Anatomie (p. 33)
De 250 à 350 g, cet organe est enveloppé de tissu conjonctif appelé péricarde.
L’endocarde est un tissu épithélial qui recouvre les 4 cavités à l’intérieur de cet
organe.
Cœur = Péricarde (ext.) + Endocarde (int.) + Cellules musculaires
Ce muscle cardiaque a pour rôle de réinjecter du sang dans les différentes
circulations, il a besoin de sang pour fonctionner, grâce à la circulation
coronarienne (lorsque celle-ci est déficiente = infarctus du myocarde).
Le mécanisme de contraction des fibres musculaires cardiaques est identique à celui
des fibres musculaires squelettiques, mais la commande de contraction est
différente.
Les cellules musculaires cardiaques sont reliées par 2 types de jonction :
 Desmosomes : lors de la contraction, ils assurent la cohésion du tissu
 Jonctions ouvertes : les cytoplasmes de 2 cellules voisines sont directement
en contact (la dépolarisation pourra passer d’une cellule à l’autre)
Le cœur est constitué de :
- 4 cavités (2 oreillettes, 2 ventricules)
- 2 cœurs séparés par le muscle cardiaque
Des valvules auriculo-ventriculaires anti-retour séparent oreillettes et ventricules.
D’autres valvules (sigmoïdes) se situent à l’entrée des artères
2°) Phénomènes électriques (p.33)
Le myocarde est constitué de 2 types de cellules excitables :
- tissu nodal : 1 % du myocarde. Ces cellules forment des nœuds, au niveau
de l’oreillette (sino-auriculaire) et entre l’oreillette et le ventricule (auriculoventriculaire). Ces cellules sont excitables mais ne se contractent pas.
- cellules musculaires cardiaques : 99 % du myocarde
a) PA des cellules du tissu nodal (1 p.34)
Ces cellules ont un potentiel de repos instable. Elles se dépolarisent spontanément
sans stimulus extérieur. La dépolarisation se transmet de cellule nodale à cellule
musculaire.
100 PA / mn = fréquence de dépolarisation imposée par le tissu nodal.
b) PA des cellules musculaires cardiaques (2 p.34)
Une dépolarisation dure environ 250 ms pour la cellule cardiaque, contre 1 à 2 ms
pour le muscle squelettique. Donc le PA d’une cellule cardiaque dure aussi
longtemps que la secousse musculaire (3 p.34).
La période réfractaire absolue est beaucoup plus longue, elle dure pendant tout le
temps de la dépolarisation (200 ms). (4 p.34)
L’intérêt est que si le muscle était contracté tout le temps, il ne pourrait plus
envoyer du sang, c’est un muscle intétanisable.
c) Déroulement de l’excitation (5 p.34)
Contraction du tissu nodal au niveau du nœud sinusal.
3°) Phénomènes mécaniques
Un cycle cardiaque est constitué de la contraction et du relâchement des oreillettes
puis des ventricules.
Ce cycle cardiaque est divisé en 2 grandes parties :
 La diastole (p.35) : remplissage du ventricule lorsqu’il est relâché.
 La systole : phase de contraction du ventricule qui permet d’éjecter le sang
dans les artères.
C’est le nombre de systoles / mn qui détermine la FC (1 p.35).
Le volume de sang éjecté de chaque ventricule pendant la systole est le volume
d’éjection systolique.
Le souffle au cœur est un dysfonctionnement des valvules.
Exemple de tension de
12 ( 120 mm de mercure en fin de systole)
7 ( pression du sang au début de la diastole)
Le sang est mis sous tension afin d’être éjecté dans les artères (= pression
artérielle) pour qu’il puisse circuler dans les vaisseaux sanguins.
Les facteurs qui modifient la pression artérielle sont :
- le volume total de distribution du sang
- le débit cardiaque
4°) Le débit cardiaque (Qs)
C’est la quantité de sang éjectée du cœur par minute.
Qc = VES X FC
exprimé en L / mn
Volume d’éjection
Systolique
Fréquence cardiaque
Au repos : Le VES est de 70 mL
La FC est de 70-80 battements / mn
Donc Qc = 5 L / mn
Le retour veineux est la quantité de sang qui peut revenir jusqu’au muscle
cardiaque. Il influence le débit cardiaque.
Le ventricule gauche permet d’envoyer le sang dans presque tout l’organisme. Le
volume d’éjection systolique dépend de la force de contraction des ventricules.
Pour augmenter le volume d’éjection, il faut augmenter la force de contraction. En
s’entraînant, on augmente l’épaisseur des parois et la force de contraction.
5°) Contrôle extrinsèque de l’activité cardiaque
(Le contrôle intrinsèque se fait par le tissu nodal).
Le contrôle extrinsèque est la régulation par le SN principalement, et le système
endocrine de façon moins importante.
Les systèmes sympathique et parasympathique modifient la FC :
 Quand le nerf parasympathique (ou nerf X) est stimulé, il diminue la
fréquence d’émission des PA : c’est un nerf cardio-modérateur.
Cela ralentit l’acte spontané du muscle cardiaque imposé par le tissu nodal. Le
système parasympathique diminue la force de contraction du ventricule.
 A l’inverse, le système sympathique augmente la force de contraction des
ventricules, donc la fréquence d’émission des PA
Le système endocrine stimule la médullo-surrénale qui libère des catécholamines
(adrénaline, noradrénaline) qui agissent comme le système sympathique.
III Le système vasculaire
1°) Structure et fonction des vaisseaux sanguins
a) Artères et artérioles
Ce sont les vaisseaux les plus larges qui maintiennent le sang sous pression, grâce à
leurs propriétés contractiles et élastiques. Plus on s’éloigne du muscle cardiaque,
plus les artères se divisent en artérioles, qui se divisent elles-mêmes en capillaires.
b) Capillaires
Composés d’une seule couche de cellules épithéliales, ils sont incapables de se
contracter. Ils permettent les échanges entre le milieu intérieur et le compartiment
cellulaire. Plus il y a de capillaires, plus la surface d’échange est grande.
Leur diamètre de 8 à 10 µm permet de laisser passer les GR à la file. Donc la
vitesse d’écoulement du sang est très faible. Plus il y a de capillaires, plus la surface
d’échange est grande. (1 p.36 – 3 p.35)
c) Veines et veinules
Les veines ferment le circuit au niveau des oreillettes ; elles ont un grand diamètre
et des parois minces, ce qui leur permet de contenir une grande quantité de sang (65
% de la masse sanguine).
Le système veineux est un système à basse pression, contrairement au système
artériel (haute pression).
Des mécanismes permettent un retour veineux dans l’oreillette quand le sujet est
debout :
 Les veines sont équipées de valvules anti-retour, ce qui favorise la
progression du sang vers le muscle cardiaque (2 p.36)
 Les muscles se contractent et compriment les veines, ce qui améliore le
retour veineux.
 Lors d’un cycle respiratoire, les pressions de l’abdomen se modifient
(inspiration – expiration) et cela favorise le retour veineux.
Si le retour est insuffisant, il peut y avoir syncope : le muscle cardiaque s’arrête.
2°) Circulation pulmonaire (3 p.36)
Dans la circulation pulmonaire, le sang n’est pas mis sous pression. Le muscle
cardiaque est proche des poumons : la pression est très faible car le sang effectue un
court trajet entre le cœur et les alvéoles.
Conséquence : Le ventricule D n’a pas besoin de se contracter avec force : il
possède donc des parois beaucoup plus minces que le ventricule G, c’est pour cela
que l’on parle d’hypertrophie du ventricule gauche.
Le couplage ventilation – perfusion :
Pour que le sang puisse s’oxygéner, il doit y avoir synchronisation entre le débit
sanguin pulmonaire et la ventilation pulmonaire.
Quand les besoins augmentent, on augmente le débit sanguin et la ventilation
simultanément.
Ce système est régulé par des boucles de rétroaction négatives dont les récepteurs
sont impliqués dans les adaptations respiratoires et circulatoires à l’exercice (p.749)
3°) La distribution du sang
La distribution du sang doit s’adapter aux besoins de l’organisme. Au repos, les
organes à forte activité métabolique reçoivent l’essentiel de la masse sanguine :
50% de la masse sanguine totale pour le foie et les reins, 15 % pour la masse
musculaire, le reste étant réparti entre le cerveau et les viscères.
2 mécanismes permettent la distribution du sang par boucle de rétroaction négative :
 Les artérioles peuvent modifier leur diamètre, en fonction duquel elles
contiennent une plus ou moins grande quantité de sang.
 Quand les sphincters (cellules musculaires lisses entourant les capillaires)
sont fermés, le sang est dirigé vers d’autres territoires métaboliquement plus
actifs.
a) Mécanisme d’auto-régulation
L’auto-régulation permet de vaso-dilater les artérioles par des modifications
chimiques locales (les sphincters restent ouverts). Le principal composé chimique
responsable de l’auto-régulation semble être l’oxygène.
La diminution du pH ou l’augmentation de la concentration en K+ dans le liquide
intracellulaire entraîne la vaso-dilatation des artérioles.
Quand un muscle travaille, sa concentration en oxygène diminue et cela stimule la
vaso-dilatation des artérioles, donc plus d’oxygène sera amené au muscle.
Tous les produits chimiques issus de la contraction musculaire (co2, K+) peuvent
modifier le diamètre des artérioles.
L’auto-régulation modifie de façon locale le débit sanguin mais n’explique pas
la redistribution du sang vers le territoire musculaire pendant l’exercice.
b) Mécanisme de contrôle par le SN extrinsèque
Le système nerveux sympathique agit pour redistribuer la masse sanguine, il
innerve toutes les cellules musculaires lisses de la paroi des vaisseaux.
Quand on stimule le SN sympathique, il y a une vaso-constriction des vaisseaux (le
diamètre des artérioles et le débit sanguin local diminuent), sauf dans les vaisseaux
des muscles squelettique et cardiaque où cela entraîne une vaso-dilatation.
Lors d’un stress aigu comme l’exercice, on stimule le SN sympathique : la plus
grande partie de la masse sanguine va se retrouver vers les muscles.
IV Intégration de la fonction cardio-vasculaire : La régulation
Cette régulation est essentiellement nerveuse.
Les chémorécepteurs régulent la fonction cardio-vasculaire et sont sensibles aux
variations chimiques de la composition du sang (p. 31), aux variations de pression
partielle en O2 et CO2, ainsi qu’aux variations de pH du sang.
Quand ces chémorécepteurs sont stimulés, ils envoient simultanément différentes
informations au SNC, afin de modifier la respiration, par voie efférente nerveuse.
Les voies sympathique et parasympathique peuvent modifier la FC et le volume
d’éjection systolique. La pression artérielle du sang est modifiée par la variation du
débit cardiaque (p. 37) et le volume de distribution du sang dans l’organisme.
En augmentant la FC et le volume d’éjection systolique, on augmente le débit
cardiaque.
Chapitre VI
LES ADAPTATIONS PHYSIOLOGIQUES
A L’EXERCICE
I Relation puissance-durée de l’exercice (p.38)
Plus on développe de la puissance, moins on peut durer longtemps, sinon il faut
adopter des vitesses de course inférieures : cela est dû aux propriétés métaboliques
des muscles.
II Recrutement des différents types de fibres en fonction de
l’intensité de l’exercice
1°) La force
Quels sont les paramètres déterminant la force au niveau moléculaire, cellulaire,
musculaire et de l’organisme ? (question type CT)
a) Au niveau moléculaire
La force développée par un sarcomère est proportionnelle au nombre de têtes
de myosine fixées sur l’actine. La myosine ne peut se fixer qu’en présence de
Ca2+.
Plus il y a de Ca 2+, plus on libère de sites de fixation sur l’actine pour la myosine :
la concentration en Ca 2+ est un facteur déterminant de la tension développée par un
sarcomère. La concentration en Ca 2+ est elle-même proportionnelle à la fréquence
des PA arrivant dans les tubules transverses.
b) Au niveau de la cellule musculaire
Pour un niveau d’activation donné, la force développée est proportionnelle au
nombre de myofibrilles dans la cellule. Plus une cellule musculaire contient de
myofibrilles, plus son diamètre est important et plus elle développe des niveaux de
tension élevés.
c) Au niveau du muscle
La force d’un muscle dépend de la quantité et de la qualité des fibres
musculaires le composant, de leur configuration de départ (relation tensionlongueur) et de la qualité du recrutement nerveux de ces fibres.
d) Au niveau de l’organisme
La force développée par un segment dépend de l’activité contrôlée de
différents muscles (cf. cours de psychophysiologie) qui fait appel à la
synchronisation et à la coordination des muscles intervenant dans le mouvement.
2°) Les facteurs influençant la force du muscle
Une unité motrice contient environ 150 fibres musculaires (4 mini., 1000 maxi.).
Les muscles constitués de petites unités motrices sont impliqués dans les
mouvements de précision, alors que les gros muscles porteurs (quadriceps) sont
constitués de très grosses unités motrices.
Les principales caractéristiques des unités motrices (3 p.38)
Les petites unités motrices sont constituées de fibres lentes (I) et de
motoneurones de petite taille avec un faible diamètre : elles produisent des niveaux
de force faible, pour un temps long et une fatigabilité inexistante.
Les grosses unités motrices sont constituées de fibres musculaires rapides
glycolytiques (IIB), elles sont innervées par des motoneurones de grande taille avec
un grand diamètre : elles ont les caractéristiques des fibres rapides.
Les petites unités motrices sont innervées par des motoneurones dont le seuil
d’excitation est bas, contrairement aux grosses unités motrices.
Entre ces 2 unités motrices se trouvent des fibres musculaires intermédiaires
( II A ).
Cf. schéma de l’intégration
On atteint le seuil d’excitation uniquement dans les motoneurones des petites unités
motrices : seules les fibres lentes se contractent.
Pour augmenter la force de contraction d’un muscle, il y a 2 stratégies :
 sommation temporelle en augmentant la fréquence d’émission des PA par
le motoneurone (on obtient une contraction tétanique).
 Recrutement d’un nombre d’unités motrices de plus en plus important
2 p.38
Les fibres lentes (I) sont recrutées principalement lors d’exercices musculaires
d’intensité faible ou modérée.
Quand l’intensité de l’exercice augmente, les fibres rapides (II) sont recrutées : les
IIA tout d’abord et enfin pour des intensités encore supérieures, les fibres IIB.
I
IIA
IIB
Intensité d’exercice croissante
INTEGRATION
Neurone du
centre d'intégration
Axone
Synapses
II
I
Nerf moteur
Voie efférente
Légende:
Motoneurone des fibres II
Intensité de 80 Hz
PA de faible intensité ( 10 Hz )
III Les voies métaboliques fournissent l’ATP durant l’exercice
1°) Energie, puissance et capacité
L’énergie métabolique est l’énergie chimique disponible au niveau du muscle,
sous forme d’ATP (Joule ou kJ).
L’énergie mécanique est le travail fourni par le muscle dans l’environnement.
La puissance est une quantité d’énergie par unité de temps, l’unité est le
Joule/seconde et 1 J/s = 1 Watt. La capacité est une quantité d’énergie disponible.
2°) Les différents types d’exercice musculaire
Sur le terrain, on ne sait pas quantifier l’intensité d’un exercice. Ces adaptations
sont établies en laboratoire, lors d’exercices standardisés, qui sont de 2 types :
 Exercices à puissance constante (rectangulaire)
150 W
Puissance
 Exercices d’intensité progressivement croissante (triangulaire)
A chaque palier, on augmente l’intensité de l’exercice.
Puissance (W)
50 100 150 200250 300
5
10
15
20
25
30
tps (mn)
3°) Voies métaboliques et intensité d’exercice
p.39 (graphe 1)
L’ATP synthétisé provient des 3 voies métaboliques sollicitées en fonction de
l’intensité de l’exercice. Dès le début de l’exercice, les 3 voies métaboliques sont
sollicitées quelle que soit l’intensité de l’exercice. Elles ont des pics de production
d’ATP différents dans le temps.
En terme de production d’ATP, la voie des phosphagènes est la plus puissante,
mais en terme de capacité (quantité totale de substrat servant à synthétiser de
l’ATP), elle est limitée dans le temps (=peu de stock de phosphocréatine).
Cette voie sera sollicitée pour des efforts intenses inférieurs à 5 secondes.
Glycolyse aérobie : au bout de 30s, cette voie peut produire de façon maximale de
l’ATP, pendant encore 30 secondes. Cette voie produit de l’acide lactique, cela
diminue donc le pH, ce qui va bloque toutes les enzymes.
Substrat : glucose sanguin et glycogène musculaire.
La glycolyse aérobie produit de l’ATP de façon maximale au bout de 2 mn. La voie
aérobie a une capacité presque illimitée.
P.39 (graphe 2):
Pour des exercices courts et explosifs, c’est le métabolisme anaérobie qui fournit
l’ATP. Dès que l’on augmente la durée d’exercice, la voie aérobie intervient.
La voie anaérobie permet de pallier à l’inertie de la voie aérobie.
a) Cas d’un exercice très intense et court : sprint sur 100m
Dans les 40 premiers mètres, on utilise la créatine phosphate, pour développer des
niveaux de force élevés, il faut donc beaucoup d’ATP par unité de temps.
De 40 à 100m, c’est presque uniquement la glycolyse anaérobie qui fournit l’ATP.
b) Cas d’un exercice d’une faible intensité d’une durée de 10 minutes
Lors d’un exercice de faible intensité, on recrute les fibres lentes (I) dont l’ATP
provient de la voie aérobie.
Débit d’O2 = poumons = VO2 ( l /mn) = VI X VIO2 – VE X FCO2
Cellules = dérivée VO2 – QC X différence artério-veineuse (Ca O2 – C V O2)
Boucle de rétroaction négative lors de l’exercice de 10 mn
1°) En début d’exercice, on décide de courir à vitesse lente, le centre d’intégration
émet des PA à faible fréquence. On ne recrute que les motoneurones au seuil
d’excitation bas, c’est-à-dire ceux innervant que les petites unités motrices
(fibres lentes).
2°) Les fibres musculaires lentes se contractent, grâce à l’ATP provenant de la
phosphocréatine (voie des phosphagènes), pendant les 30 premières secondes.
3°) Puis la glycolyse anaérobie lactique prend le relais. L’oxygène fixé à la
myoglobine est utilisé en tout début d’exercice, mais ses stocks sont très faibles.
On prélève donc de plus en plus d’oxygène dans le compartiment sanguin et on
produit de plus en plus de CO2 dans les cellules musculaires.
4°) On observe :
- une diminution de la pression partielle en O2
- une augmentation de la pression partielle en CO2
- une diminution du pH
Cela entraîne une vaso-dilatation des artérioles et une modification de
l’affinité de l’hémoglobine pour l’O2.
5°) Le sang veineux perd plus d’O2 qu’en condition de repos. L’hémoglobine
réinjectée dans l’organisme n’est pas correctement saturée. Tout le CO2 produit
ne peut être évacué au niveau des alvéoles.
6°) Les chémorécepteurs sont alertés.
7°) L’info est apportée au centre d’intégration et la réponse est proportionnelle à
l’intensité de l’exercice. Pour modifier la composition chimique du sang, il faut
agir sur les appareils respiratoires et cardio-vasculaires.
Au niveau de la respiration, le centre d’intégration ordonne aux neurones
d’augmenter leur fréquence d’émission, pour augmenter la fréquence
respiratoire et le débit d’air ventilé (p.39)
Simultanément, le centre d’intégration cardio-vasculaire stimule le système
sympathique : il augmente la FC, le volume d’éjection systolique et le débit
cardiaque ; et agit aussi dans la redistribution de la masse sanguine (vasoconstriction des artérioles).
Le système sympathique permet la libération des catécholamines au niveau des
médullo-surrénales, qui agissent sur le muscle cardiaque.
c) Consommation d’oxygène (VO2) lors d’un exercice à puissance constante
(rectangulaire) p.39
Pendant que l’oxygène est absent, la créatine phosphate et la glycolyse anaérobie
lactique fournissent l’ATP, mais il y a apparition d’une dette d’oxygène.
A l’arrêt de l’exercice, la consommation d’oxygène ne revient pas immédiatement
aux conditions de repos, car on consomme plus pour payer la dette d’oxygène,
afin de resynthétiser les stocks de phosphocréatine et oxyder l’acide lactique en
acide pyruvique.
Lors d’un exercice, la température augmente, une partie de l’oxygène sera
consommée afin d’évacuer la chaleur produite (thermo-régulation).
d) Consommation d’oxygène (VO2) lors d’un exercice progressivement
croissant (triangulaire) p.40
La consommation d’oxygène augmente linéairement avec l’intensité de l’exercice,
mais à partir d’une certaine intensité d’exercice, la consommation d’oxygène par
nos cellules musculaires n’augmente plus.
Cet exercice permet de déterminer la consommation maximale d’oxygène de
l’individu ( = VO2 max en L / mn) : il faut un exercice qui implique la plus grande
masse musculaire (avec des ergomètres : tapis roulant, vélo…)
A la VO2 max correspond une intensité d’exercice que l’on appelle PMA ou VMA.
Plus la VO2 max est élevée, plus la VMA est élevée, plus on est capable de courir
rapidement.
La VO2 max est influencée par la qualité des adaptations cardio-respiratoires et par
un entraînement adapté. Elle est proportionnelle à la quantité de fibres oxydatives
de l’individu (fibres I surtout, et IIA).
Lorsque l’on atteint la VO2 max et que l’on soutient une intensité d’exercice
supplémentaire, l’ATP provient du métabolisme anaérobie lactique. Le seuil
anaérobie lactique est l’intensité d’exercice à partir de laquelle il y a une
accumulation exponentielle d’acide lactique dans le sang (4 mmol).
A partir d’une intensité d’exercice à 70 % de VO2 max, les fibres IIB interviennent
en produisant beaucoup de lactate dans le muscle et le sang.
e) Les paramètres de l’endurance (p.41)
Pour être endurant, il faut posséder une valeur élevée de VO2 max et être capable
de soutenir une fraction élevée de VO2 max pendant la performance : c’est-à-dire
qu’il faut retarder l’apparition de lactate, que le seuil anaérobie lactique soit de
plus en plus proche de la VO2 max, grâce à un entraînement adapté.
Le seuil anaérobie lactique reflète l’aptitude à éliminer l’acide lactique.
I
IIA
Muscle
Muscle
cardiaque
Lactate
Foie
IIB
Lactate
lactate
Lactate
Une partie du lactate est captée par le foie et le muscle cardiaque. Il diffuse
selon un gradient de concentration dans le muscle puis dans le sang.
Le lactate intervient mais il s’agit toujours de la voie aérobie.
IV Les adaptations respiratoires (p.41)
Pour augmenter la consommation d’oxygène, il faut augmenter le débit d’air
ventilé, donc le volume courant et la fréquence respiratoire, qui augmentent avec
l’intensité de l’exercice.
V Les adaptations circulatoires
1°) La différence artério-veineuse
C’est la différence du contenu en oxygène du sang artériel et du sang veineux.
Plus on augmente l’intensité de l’exercice, plus nos cellules sont capables de
prélever de l’oxygène dans le sang.
Plusieurs paramètres influencent la différence artério-veineuse : pH, température,
pression partielle d’oxygène et de CO2.
2°) Le débit cardiaque
Le débit cardiaque augmente parallèlement à la VO2 max et permet principalement
d’augmenter la consommation de nos cellules en oxygène.
Il détermine à partir de 50% de VO2 max les variations de la consommation en O2.
Le débit cardiaque maximal correspond à la VO2 max.
Pour augmenter le débit cardiaque, il faut augmenter la FC et/ou le volume
d’éjection systolique. Celui-ci augmente jusqu’à 50% de VO2 max, puis il stagne.
FC max d’un individu = 220 – âge (à +/- 10%).
On diminue sa FC max en s’entraînant. Il existe une relation linéaire entre FC et
puissance d’exercice. Quand on atteint la FC max, on atteint la VO2 max.
3°) Le débit sanguin (p.42)
Le débit sanguin est fortement augmenté lors de l’exercice, car les muscles ont
besoin d’oxygène pour synthétiser l’ATP.
VI Les adaptations métaboliques
1°) Exercice de longue durée à puissance constante
Au repos, on consomme des glucides et des acides gras, pour un QR de 0,85. Au
début d’un exercice de longue durée, l’ATP provient du glycogène musculaire,
mais ces stocks s’épuisent. Le foie fabrique donc du glucose pour maintenir la
glycémie (= néoglucogénèse).
Le QR va passer de 1 à environ 0,75. On consomme de plus en plus d’acides gras,
mais pour diminuer vraiment la masse adipeuse, il faut courir au moins une heure.
p.40 : L’adrénaline stimule la sécrétion du glucagon et inhibe celle de
l’insuline. Cela favorise la libération des AG du tissu adipeux dans la voie aérobie.
2°) Test progressif
Le QR augmente linéairement avec l’intensité de l’exercice.
QR = V CO2 / VO2
Donc si QR >1 alors V CO2 > VO2
Il y a donc une autre source de CO2 : l’acide lactique transporté par
l’hémoglobine. Dans le plasma et le liquide interstitiel, des stocks de bicarbonate
fixent les protons qui proviennent de l’acide lactique.
Acide lactique
H+
Proton
ion lactate
HCO3-
H2CO3
CO2
H2 O
VII Thermorégulation
Les muscles peuvent augmenter notre température corporelle, mais il existe des
sources de chaleur extérieures.
Il y a donc 4 mécanismes pour diminuer notre température centrale :
 La conduction : on transmet de la chaleur en contact avec un autre objet
 La convection : grâce à l’échange avec un liquide ou un gaz
 La radiation ou rayonnement : on perd de la chaleur comme si on était mal
isolé
 L’évaporation : mécanisme le plus utilisé pendant l’exercice (glandes
sudoripares).
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