D - Stud`Ant STAPS
publicité
INTRODUCTION Niveaux d’organisation structurale 1) Niveau chimique - Le plus simple - Les atomes se combinent pour former des molécules. 1) Niveau cellulaire - Cellules = unités structurales et fonctionnelles de base - Très grande variabilité dans la taille et la forme des cellules => diversité des fonctions des cellules. 1) Niveau tissulaire - Les organismes les plus simples ne sont constitués que d’une seule cellule mais chez d’autres organismes, la structure se complexifie jusqu’au niveau tissulaire. - Les tissus sont des groupes de cellules semblables ayant la même fonction. - Chaque type de tissu joue un rôle particulier dans l’organisme => diversité. 1) Niveau organique Ce niveau organique résulte de la jonction de différents types de tissus. Les organes sont des structures composées d’au moins deux tissus différents et dotés de fonctions définies et de forme reconnaissable stable. 1) Niveau des systèmes - Système ou appareil composé d’un ensemble d’organes travaillant ensemble pour une même fonction. 1) Niveau de l’organisme Le niveau de l’organisme représente l’ensemble de tous les niveaux de complexité travaillant en synergie pour assurer le maintien de la vie. Composition chimique de l’organisme I- Les atomes Ils sont les plus petites unités de matière qui composent toute l’existence chimique. Une substance pure qui ne contient qu’un seul type d’atome est un élément chimique. Chaque élément chimique est représenté par un symbole comportant une ou deux lettres. Parmi la centaine d’éléments chimiques naturels, seulement 24 sont essentiels à la structure et au fonctionnement de notre organisme. L’hydrogène, l’oxygène, le carbone et l’azote sont les principaux éléments puisqu’ils représentent plus de 99 % des atomes du corps humain. Ensuite, nous trouvons 7 éléments minéraux qui sont les substances les plus abondantes dissoutes dans les liquides de l’organisme. Enfin, il y a les oligo-éléments (13) qui se trouvent en infime quantité dans l’organisme (0,01 %) mais qui sont néanmoins essentiels à la croissance et au fonctionnement normal de l’organisme. Les propriétés chimiques de ces atomes dépendent de 3 particules qui les constituent ; Les protons, les neutrons et les électrons. Les protons et les neutrons sont localisés dans les noyaux des atomes et les électrons gravitent autour du noyau. I- Les molécules Deux ou plusieurs atomes liés les uns aux autres forment une molécule. La plupart des molécules de l’organisme contiennent du carbone (ce sont les molécules organiques). Lorsqu’une molécule ne contient pas d’atome de carbone, on l’appelle molécule inorganique. La plupart des molécules organiques de notre organisme se classent en quatre groupes : - Les glucides. - Les lipides. - Les protides. - Les acides nucléiques. A) Les glucides Ils représentent 1 % de la masse corporelle totale. Mais ils jouent un rôle capital dans les réactions chimiques qui fournissent de l’énergie aux cellules. Ils sont composés de carbone, d’hydrogène et d’oxygène. 1) 1) Les monosaccharides : les oses : Les glucides les plus simples sont les monosaccharides. Formule générale d’un monosaccharide : (CH2O) n Ex : le glucose avec 6 atomes de carbones : C6H12O6. Ce n’est qu’une formule brute. Le glucose peut également être présenté sous d’autres formes. Lorsqu’il contient 6 atomes de carbone, on dit que c’est un hexose. 1) 2) Les disaccharides : les osides : La liaison de deux monosaccharides constitue un disaccharide (ex : le saccharose). 1) 3) Les polysaccharides : les polyosides : Lorsqu’un grand nombre de monosaccharides se lient les uns aux autres, il y a formation de polysaccharide. Dans toutes les cellules vivantes, le glucose est stocké sous forme de polysaccharides. Dans les cellules végétales, ce polysaccharide s’appelle l’amidon et dans les cellules animales, le glycogène (hydrolyse qui permet la libération d’unité de glucose). A) Les lipides Ils sont des composés qui représentent 15 % de la masse corporelle totale. Ils sont constitués d’atomes de carbone et d’hydrogène. Les lipides peuvent être subdivisés en quatre sous-classes. 1) Les acides gras : Un acide gras est constitué d’une chaîne d’atomes de carbone portant à l’une de ses extrémités un radical carboxyle (-COOH). Lorsque les atomes de carbone de la chaîne carbonée sont reliés par des liaisons simples, l’acide gras est un acide gras saturé. Formule générale d’un acide gras saturé : CH3-(CH2) n-COOH avec 2<n<22 Certains acides gras contiennent une ou plusieurs double-liaisons dans leur chaîne carbonée. Ce sont donc des acides gras insaturés. Formule générale d’un acide gras insaturé : CH3-(CH2) n1-CH=CH-(CH2) n2-COOH Lorsqu’un acide gras ne contient qu’une seule double-liaison, c’est un acide gras mono insaturé. S’il y en a plusieurs, c’est un acide gras polyinsaturé. 1) Les triglycérides : Ils contiennent la majeure partie des lipides de l’organisme. Ils sont constitués par la liaison de trois acides gras qui se lient à une molécule de glycérol. Ces trois acides gras ne sont pas forcément identiques. Ainsi, une grande variété de triglycérides peut être constituée. 1) Les phospholipides : Ils ont une structure générale semblable à celle des triglycérides mais ils comportent une différence importante. Dans le phospholipide, le glycérol est associé à deux acides gras et un groupement phosphate. 1) Les stéroïdes : Ils ont une structure nettement différente des autres sous-groupes de lipides (ex : le cholestérol). A) Les protides (protéines) Ils représentent 17 % de la masse corporelle totale. Ils sont constitués d’atomes de carbone, d’hydrogène, d’oxygène et d’azote. Les protéines sont constituées par des acides aminés qui se lient entre eux par l’intermédiaire de liaisons peptidiques. ➔ Acides aminés : Formule générale d’un acide aminé : => H2N : groupement aminé. => O=C-OH : groupement acide carboxylique. => R : Radical, chaîne latérale. Il existe 20 acides aminés différents ayant chacun une chaîne latérale différente. Le corps humain peut tous les synthétiser sauf neuf d’entre eux qui sont des acides aminés dit essentiels et qui doivent donc être apportés par l’alimentation. ➔ Les polypeptides : Les acides aminés, constituant les protéines vont s’assembler en polymères c’est-à-dire en chaînes d’acides aminés. Les chaînes d’acides aminés sont formées par la liaison de radical carboxyle d’un acide aminé au radical aminé d’un autre acide aminé. L’union des deux acides aminés donne un dipeptide. L’union de trois acides aminés donne un tripeptide et l’union de dix ou plusieurs acides aminés donnent un polypeptide. Les molécules qui contiennent plus de 50 acides aminés => protéines. On dit donc que les protéines sont des macromolécules. La succession de ces acides aminés constituent une chaîne polypeptidique qui constitue primaire. A) Les acides nucléiques : ADN et ARN Ces molécules sont importantes car elles sont responsables de la transmission de l'information génétique. Il y a deux classes d'acides nucléiques : L'ADN : acide désoxyribonucléique. L'ARN : acide ribonucléique. Ces deux types d'acides nucléiques sont constitués de séquences polymères qui se répètent. Chaque unité est appelé un nucléotide. Un nucléotide comporte trois composants : un groupement phosphate, un glucide et une base azotée. 1) ADN : Les nucléotides de l'ADN contiennent un pentose (= un sucre) qui est le désoxyribose. On trouve dans l'ADN 4 nucléotides différents qui correspondent aux 4 bases azotées qui peuvent se lier au désoxyribose. Ces 4 bases se subdivisent en 2 classes : Les bases puriques : Adénine ou Guanine. Les bases pyrimidiques : Cytosine ou Thymine. Les deux chaînes de nucléotides sont enroulées en double hélice. Ces deux chaînes sont reliées entre elles par des liaisons hydrogène entre les bases. Les bases ne s’unissent pas au hasard : A se lie à T. C se lie à G. On dit que A et T sont des bases complémentaires tout comme C et G. 1) ARN : La structure de l'ARN est différente de celle de l'ADN en quelques points seulement : La molécule d'ARN n'est composée que d'une seule chaîne. Le désoxyribose est remplacé par le ribose. La Thymine est remplacée par l’Uracile. A) L’adénosine triphosphate : ATP. C'est une énergie utilisable par toutes les formes d'organisme. Toutes les cellules doivent fabriquer elles-mêmes leurs molécules d'ATP. La molécule d'ATP est un nucléotide de l'ARN contenant de l'Adénine plus deux groupements phosphate. Les groupements phosphates en excédant sont rattachés par des liaisons chimiques uniques appelées liaisons phosphates. Ces liaisons ont la particularité d'être très riche en énergie. C’est la rupture de ces liaisons par hydrolyse qui va permettre de libérer de l'énergie qui peut être utilisée immédiatement pour accomplir une activité cellulaire. ATP+H2O → ADP+Pi+énergie (hydrolyse). ← ATP : adénosine triphosphate. ADP : adénosine diphosphate. Pi: Phosphate inorganique. Cette réaction est réversible. (resynthèse). La cellule Introduction Tous les organismes vivants animaux ou végétaux sont constitués de cellules. La cellule est l'unité fondamentale des êtres vivants. C'est à dire que chaque cellule a un système de fonctionnement autonome. Leurs tailles et formes sont très variables tout comme leurs fonctions. L'étude des cellules est une science appelée la cytologie. Organisation cellulaire 1. Nucléole 2. Noyau 3. Ribosome 4. Vésicule 5. Réticulum endoplasmique rugueux (granuleux) 6. Appareil de Golgi 7. Microtubule 8. Réticulum endoplasmique lisse 9. Mitochondrie 10. Lysosome 11. Cytoplasme (rempli par le cytosol) 12. Peroxysome 13. Centrosome ➔ La membrane plasmique ou cytoplasme Toutes les cellules possèdent une membrane plasmique qui sépare le milieu intracellulaire du milieu extracellulaire. A l’intérieur de cette membrane plasmique on trouve le cytoplasme constitué de cytosol (liquide) et d'organites. 1) 1° Structure Elle est constituée de 3 couches, un feuillet clair et 2 feuillets sombres. Elle comporte sur la face externe des glycocalyx (glucose). Vers l'extérieur : expansions: cils ou microvillosité. Vers l'intérieur : invagination. 1) 2°Constituants chimiques Protéines : 55% (2 types de protéines : si elles traversent complètement la membrane elles sont intrinsèques ou transmembranaires, sinon elles sont extrinsèques ou périphériques). Lipides : 35% : les phospholipides (ils se représentent sous la forme d'une tête hydrophile ou polaire pourvue de deux tiges hydrophobes ou non polaires), les cholestérols qui stabilise la membrane plasmique. Glucides : 10% : les polysaccharides sont situés sur la face externe de la membrane et constituent un revêtement fibreux : le glycocalyx. 1) 3° Principaux rôles Elle a un rôle de séparation des milieux intra et extracellulaire. Elle permet aussi la communication entre la cellule et son environnement. Elle a aussi un rôle d'échange que nous allons développer. 1) A- Transit de l'eau : notion d'osmose. C'est un phénomène passif : il ne consomme pas d'énergie. Il se fait toujours du milieu le moins concentré vers le milieu le plus concentré. Ces échanges d'eau sont régis par la loi d'osmose. Il est réalisé jusqu'à l'isotonie (égalité des concentrations de part et d'autre de la membrane). 1) B- Transit de substances minérales et organiques. Ce transfert peut se faire de deux manières : a) Le transport passif : C’est la diffusion transmembranaire. Les substances vont suivre le gradient de concentration. Les ions et petites molécules se déplacent du milieu le plus concentré vers le moins concentré. a) Le transport actif : C’est des pompes ioniques. Ils nécessitent de l'énergie (ATP). Les substances passent contre un gradient de concentration (du moins vers le plus). C'est le cas de la pompe Na+/K+. 1) C- Transit de grosses molécules ou de particules. Le transport se fait par déformation de la membrane plasmique. a) Endocytose : Elle fait pénétrer les particules à l'intérieur de la cellule. Si les particules sont solides on parle de phagocytose, si elles sont des gouttelettes liquides on parle de pinocytose. a) Exocytose : C’est la réaction inverse. Ces deux réactions consomment de l'énergie fournie par l'ATP. 1) Transfert d’information. Il y a une transmission nerveuse ainsi qu’une transmission hormonale. ➔ Le cytoplasme A) 1°Hyaloplasme Gelée fluide : Molécules de réserve. Organites cellulaires. Cytosquelette : appareil de soutien : Microtubules. Microfilaments. A) 2°Organites cellulaires ➔ A-Ribosomes. a) Structure : les ribosomes sont des petites structures qui peuvent être disposées différemment dans la cellule. Ils peuvent être libres ou associés (polysomes) ou fixés sur la membrane du réticulum endoplasmique. a) Constituant chimiques : ARNr (r=ribosomal). Protéines. a) Rôles : synthèse des protéines. ➔ B-Réticulum endoplasmique. a) Structure : Il est constitué de saccules (cavités communicantes) : Il est en réseau. Il est délimité par une membrane. Il existe 2 types de réticulum endoplasmique : - Lisse ou granuleux (= réticulum seul). - Rugueux ou granuleux (= réticulum + ribosome). a) Rôles : R.E. Granuleux : synthèse protéines. R.E. Lisse : - Synthèse lipides cellulaires. - Synthèse stéroïdes, cholestérol. - Synthèse phospholipides. - Synthèse glycolipides. ➔ C- Appareil de Golgi. a) Structure : Il est constitué de saccules : dictyosome : - Empilement de 4 à 10 saccules. - Il émet des vésicules. - Il est face à l’entrée. - Il est face à la sortie. a) Rôles : chercher schéma rôle appareil Golgi. Il achève la synthèse des molécules : maturation des protéines. Il a un rôle de sécrétion de protéines. ➔ D- Mitochondrie. • Structure : Forme discoïde Membrane externe entourant la mitochondrie Membrane interne présente des replis Espace inter-membranaire Replis : crête mitochondriale Intérieure : matrice mitochondriale • Rôles : Son rôle principale est sa fonction respiratoire. Il y a une oxydation de substrat et une production d’ATP. ➔ Noyau Il existe dans toutes les cellules de l’organisme sauf dans les globules rouges. I- A- Forme et structure Elles varient selon si la cellule est en division cellulaire ou non. 1) Enveloppe ou membrane nucléaire. Elle est discontinue. Les pores nucléaires permettent les échanges entre l’intérieur du noyau et le cytoplasme. Sur la face externe du noyau, on trouve des ribosomes. A l’intérieur du noyau, on trouve le nucléoplasme. 1) Nucléoplasme. - Il est constitué de chromatine qui est constituée de filaments qui sont plus ou moins condensés. Cela dépend de la phase dans laquelle se trouve la cellule. Elle a donc un aspect variable. Elle est constituée d’ADN. - Le nucléole est constitué de granules denses d’ARN qui n’est pas délimitée par une membrane. IB-Constituants chimiques - Protéines : enzymes. - Nucléotides : phosphate, glucide, base azotée - Acides nucléiques : 1) ADN : - Dans la chromatine. - Polymère de nucléotides. - Deux brins complémentaires enroulés en double hélice. - Glucide : désoxyribose. - Bases : adénine, guanine, cytosine, thymine. 1) ARN : - Dans le nucléole. - Polymère de nucléotides. - Un seul brin. - Glucide : ribose. - Bases : adénine, guanine, cytosine, uracile. IC-Principaux rôles - Nucléole : assure le transport d’ARN de la chromatine à la membrane nucléaire. - Chromatine : ADN qui porte gènes héréditaires. - Transmission patrimoine génétique. - Synthèse des protéines (ARN). - Division cellulaire. Métabolisme cellulaire Introduction Métabolisme vient du mot « métabole » qui signifie changement. Il correspond à l’ensemble des réactions chimiques du corps. Il comporte deux phases qui peuvent se dérouler en même temps : - L’anabolisme : réaction chimique qui transforme les molécules simples en molécules complexes. Il comporte des réactions de synthèses. - Le catabolisme : réaction chimique qui dégrade les composés organiques complexes en substances simples (ex : processus de digestion des aliments). ATP et transfert d’énergie cellulaire Le fonctionnement d’une cellule dépend de sa capacité d’extraire et d’utiliser l’énergie chimique des molécules organiques. L’ATP est la molécule qui participe à la plupart des échanges d’énergie dans l’organisme. En effet, les réactions cataboliques fournissent l’énergie nécessaire à la plupart des réactions anaboliques. Le couplage des réactions anaboliques qui sont des réactions énergivores et des réactions cataboliques et qui libèrent de l’énergie est réalisé à l’aide de l’ATP. Seule une partie de l’énergie libérée dans le catabolisme sert aux fonctions cellulaires : l’énergie chimique qui représente seulement 40 % de l’énergie libérée. La majeure partie de l’énergie est perdue sous l’effet de la chaleur, c’est l’énergie thermique qui représente 60 % de l’énergie libérée. Les réserves d’ATP dans l’organisme sont très faibles. 1) Synthèse de l’ATP. 2) Hydrolyse de l’ATP. ➔ I) Glycolyse La glycolyse est un processus constitué de 10 étapes chimiques durant lesquelles une molécule de glucose est convertie en deux molécules d’acide pyruvique. Le processus se déroule au niveau du cytosol de la cellule. 1) A- La glycolyse se déroule en trois phases principales : - Phase 1 : l’activation du glucose. Il y a consommation d’ATP. - Phase 2 : scission du glucide. Le dihydroxyacétone phosphate et le 3-phosphoglycéraldéhyde contient 3 carbones. Le premier se transforme en second. - Phase 3 : oxydation et formation de l’ATP. Deux composés contenant trois atomes de carbone à chaque fois. C’est une phase au cours de laquelle se déroulent différentes étapes (de la réaction 6 à la réaction 10). Deux phénomènes importants sont à retenir : 1) a) Oxydation qui appartient à la réaction numéro 6. Il se produit lorsque le NAD se transforme en NADH2. 2) b) Production d’ATP au niveau de la réaction numéro 7 à 10. Enzyme importante dans la R1 = hexkine. Enzyme importante dans la R3 = phosphofructokinase. 1) B- Bilan glycolyse : Phase 1 : 1 ATP utilisé dans la R1 et 1 ATP utilisé dans la R3 = consommation de 2 molécules d’ATP. Il y a donc 2 ATP utilisés et 4 produits : bilan net = 2 ATP à partir d’une molécule de glucose. Glucose + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD ! 2 acides pyruviques + 2 ATP + 2 NADH + H+ + 2 H2O. 1) C- Devenir de l’acide pyruvique : Classiquement, la destinée de l’acide pyruvique dépend de la disponibilité en oxygène : I- I- Condition anaérobie (absence d’oxygène) : l’acide pyruvique se transforme en acide lactique. 2 acides pyruviques + 2 NADH + H+ ! 2 acides lactiques + 2 NAD+. Acide lactique ! Lactate + H+. Réaction nette : Glucose + 2 ADP + 2 Pi ! 2 lactates + 2 H+ + 2 ATP + 2 H2O. I- II- Condition aérobie (presence d’oxygène). Acide Pyruvique ! Cycle de KREBS En réalité, la destinée de l’acide pyruvique ne dépend pas de la quantité d’oxygène mais résulte d’un équilibre entre la glycolyse et l’activité mitochondriale et non de la disponibilité en oxygène. ➔ II) Cycle de KREBS Acide pyruvique ! acétyl CoA. Acétyl CoA = Acétyl coenzyme A. Il y a trois étapes : - La décarboxylation. - L’oxydation. - La formation de l’acétyle CoA. Le radical en C2 peut provenir de différents composés (acide pyruvique, produit par la glycolyse, acides gras qui résulte de la dégradation des lipides, certains AA issus de la dégradation des protéines). Ce cycle est constitué de 8 étapes successives. Il se déroule dans la matrice de la mitochondrie (contrairement à la glycolyse qui se déroule dans le cytosol de la cellule). Ce cycle de Krebs compte : - 2 réactions de décarboxylation qui produisent chacune une molécule de CO2. - 4 réactions d'oxydation qui vont produire chacune une molécule de coenzymes réduites (3 NADH2; FADH2). Reaction nette: Acétyl CoA + 3 NAD + FAD + ADP + Pi + 2 H2O ! CoA + 2 CO2 + 3 NADH2 + FADH2 + ATP Lorsqu'une molécule de glucose est dégradée, il y a production de 2 acides pyruviques qui vont donner 2 acétyles CoA. Bilan net : Il y a donc production de 6 molécules de CO2, 10 molécules de coenzymes réduites (2 FADH2 et 8 NADH) et 2 molécules d’ATP. ➔ III- Chaine de transport des électrons et phosphorylations oxydatives (chaine respiratoire) Au cours de la glycolyse et du cycle de Krebs, il n'y a pas d'utilisation de l'oxygène. Une grande partie de l'énergie produite dans les deux processus précédents se retrouvent contenus dans le NADH2 et dans le FADH2 et sera converti en ATP dans la mitochondrie. H2 se séparent en électrons et en protons. Ces atomes d'hydrogène proviennent des coenzymes réduites NADH2 et FADH2 qui sont produites par la glycolyse et le cycle de Krebs. Le devenir de ces protons est différent : A) La chaine de transport des électrons est composée d'une série de transporteurs d'électrons qui sont des protéines enchâssées dans la membrane mitochondriale interne. Ces transporteurs sont regroupés en 3 complexes. Au fur et à mesure que les électrons se déplacent le long de ces complexes, de petites quantités d'énergie sont libérées permettant ainsi leur activation. Le premier de ces complexes accepte les atomes d'hydrogène provenant du NADH2, le second accepte les atomes d'hydrogène provenant du FADH2. B) Lors du transfert d'électrons d'un complexe à l'autre, le long de la chaine de transport des électrons, l'énergie libérée est utilisée pour déplacer les protons de la matrice mitochondriale vers l'espace inter membranaire où les protons s'accumulent. Il se crée un radian électrochimique de protons de part et d'autre de la membrane interne mitochondriale. Les protons vont avoir tendance à retraverser la membrane interne mitochondriale pour rejoindre la matrice. Ce retour s'effectue par l'ATP synthétase qui utilise le flux de protons pour produire de l'ATP à partir de l'ADP et du phosphate inorganique. Bilan de la dégradation d'une molécule de glucose : 2 molécules de coenzymes réduites (2 NADH2) donc 6 ATP. 2 ATP. Bilan du cycle de Krebs et des phosphorylations oxydatives : 6 CO2 et 6 H2O. 2 ATP. 10 molécules de coenzymes réduites (8 NADH2 et 2 FADH2) donc 28 ATP. Lorsqu'une molécule de glucose est oxydée, il y a production de 38 ATP. A) Métabolismes des glucides, lipides, protéines 1) Métabolisme des glucides Lorsque l'apport de glucose excède les besoins cellulaires pour la synthèse d'ATP, l'organisme peut stocker de petites quantités de glucose pour constituer une réserve qui sera utilisée lorsque le glucose n'est plus absorbé au niveau de l'intestin pour gagner le compartiment sanguin. Le glucose est alors stocké sous forme d'un polysaccharide de réserve. Le glycogène est mis en réserve essentiellement au niveau du foie et du muscle strié squelettique. La première étape de la synthèse du glycogène consiste en la transformation du glucose en glucose 6-phosphate. Cette première étape est la même que la première étape de la glycolyse. Ce glucose 6-phosphate a ensuite deux devenirs différents : - Lorsque la cellule hépatique (= cellule du foie) ou la cellule musculaire disposent d'une grande quantité de glucose, les enzymes de la voie de synthèse du glycogène sont activées et l'enzyme qui dégrade le glycogène est inhibée. Le glucose peut être stocké sous forme de glycogène. - Lorsque la quantité de glucose est disponible, les enzymes de synthèse sont inhibées et l'enzyme de dégradation est activée. Le glycogène se transforme donc en glucose 6phosphate qui peut, soit rentré dans la voie de la glycolyse (puis produire de l'ATP), soit donner du glucose au niveau du foie. 1) Catabolisme des glucides a) Catabolisme du glucose : Lorsque le glucose se transforme en acide pyruvique puis en acide lactique, il y a production de 2 ATP. Ce processus se déroule au niveau du cytosol de la cellule. Lorsque le glucose se transforme en acide pyruvique puis en acétyl CoA, il y a production de 38 ATP. b) Catabolisme du glycogène : Lorsqu'une molécule de glycogène se transforme en glucose 6phosphate puis en acide pyruvique et en acide lactique, il y a production de 3 ATP. Lorsqu'une molécule de glycogène se transforme en glucose 6-phosphate puis acide pyruvique et en acétyl CoA, il y a production de 39 ATP. 2) Mise en réserve du glucose : glycogenèse Lorsque le glucose est mis en réserve sous forme de glycogène, on parle de glycogenèse. 3) Synthèse du glucose On peut synthétiser du glucose par deux processus : I- la glycogénolyse. Le glycogène se trouve essentiellement en réserve dans le foie et dans le muscle strié squelettique. Dans le foie, le glycogène peut être dégradé en glucose 6-phosphate puis en glucose. Ce glucose rejoint la circulation sanguine et permet le maintien de la glycémie. Dans le muscle, le glycogène ne peut pas être dégradé en glucose car dans le muscle, il n'existe pas de phosphatase (enzyme qui transforme du glucose 6-phosphate en glucose). Le glycogène se transforme en glucose 6-phosphate puis emprunte la voie de la glycolyse pour produire de l'ATP. I- La néoglucogenèse. Ce processus ne se produit que dans le foie et dans les reins. C'est un processus qui permet la synthèse de glucose à partir d'autres substrats que des substrats glucidiques. On dit que ces substrats sont des substrats gluco-formateurs. 2) Métabolisme des lipides Les triglycérides constituent la famille des lipides la plus abondante. Les triglycérides sont constitués de 3 acides gras et d'une molécule de glycérol. La plupart des cellules de l'organisme stockent de petites réserves de lipides mais il existe des cellules spécialisées = les adipocytes qui accumulent la majeure partie des lipides dans l'organisme sous forme de triglycéride. Les amas d'adipocytes forment le tissu adipeux. Au cours de l'apport alimentaire, la fonction des adipocytes est de synthétiser les triglycérides et de les stocker : la lipogenèse. Pendant le jeûne, c'est-à-dire quand le tube digestif n'absorbe pas d'aliments, la fonction des adipocytes est d'hydrolyser les triglycérides en 3 acides gras et en glycérol : cette fonction s'appelle la lipolyse. Les acides gras et le glycérol sont ensuite pris en charge par d'autres cellules pour fournir de l'ATP. 1) Catabolisme des lipides a) Le catabolisme du glycérol : La plupart des cellules de l'organisme convertissent le glycérol en glycéraldéide 3-phosphate qui est un des composés également formé par le catabolisme du glucose. Si la réserve en ATP de la cellule est importante, le glycéraldéide 3-phosphate est transformé en glucose. Ce processus constitue un exemple de la néoglucogenèse et se déroule au niveau du foie et du rein. Si la cellule a besoin de produire de l'ATP, le glycéraldéide 3-phosphate entre dans la voie de la glycolyse et produit de l'acide pyruvique. b) Le catabolisme des acides gras : oxydation : - Activer l’acide gras qui est transformé en un composé qu’on appelle acyl-CoA. Au cours de cette étape, il y a consommation de deux ATP. - Des enzymes retirent deux atomes de carbone à la fois à la longue chaîne de carbone qui compose un acide gras. Ces deux atomes de carbone vont se fixer à la Coenzyme A + C2 ! acétyl CoA. Ensuite chaque acétyl CoA entre dans le cycle de Krebs et les phospho pour produire de l’ATP et du CO2. Oxydation d’un acide gras à n atomes de carbone peut fournir (8,5 X n – 7) moles d’ATP. Ex : - Acide palmitique : C16 ! 129 ATP. - Acide stéarique : C18 ! 146 ATP. 2) Synthèse des acides gras La synthèse des acides gras se fait par des réactions qui sont pratiquement l’inverse de celle qui les dégrade. Il y a toutefois une différence ; les enzymes de la voie synthétique ne sont pas dans la matrice mitochondriale mais dans le cytosol de la cellule. Le point de départ de la synthèse des acides gras est l’association de deux molécules d’acétyl CoA pour former une chaîne contenant quatre atomes de carbone. Acétyl CoA + acétyl CoA ! chaîne de quatre carbones. Ainsi la répétition de ce processus permet d’aboutir à la constitution de longues chaînes d’acides gras au rythme de deux atomes de carbone à chaque fois ce qui explique pourquoi tous les acides gras qui sont synthétisés par l’organisme contiennent un nombre pair d’atome de carbone. Cette synthèse nécessite de l’énergie. Formation des triglycérides : les acides gras sont synthétisés à partir d’acétyl coenzyme A or l’acétyl coenzyme A est un intermédiaire du catabolisme des glucides puisqu’il provient de la dégradation de l’acide pyruvique. Le glycérol peut être également formé à partir d’un intermédiaire du catabolisme des glucides : le glycéraldéide 3 phosphate. C’est pourquoi même avec un régime pauvre en lipide, la consommation de glucide peut fournir des triglycérides. En effet, lorsque la glycémie est élevée, la lipogenèse devient l’activité principale du tissu adipeux et constitue également une fonction importante du foie. Relation entre le métabolisme des lipides et le métabolisme des glucides : le glucose peut facilement être converti en triglycéride et donc en lipide. En revanche, les acides gras ne peuvent pas être convertis en glucose car l’acétyl coenzyme A provenant du catabolisme des acides gras ne peut pas servir à la synthèse de nouvelles molécules de glucose puisque la réaction enter l’acide pyruvique et l’acétyl coenzyme A est une réaction irréversible. 3) Métabolisme des protéines et des acides aminés 1) Catabolisme des protéines et des acides aminés Le catabolisme des protéines est beaucoup moins compliqué que la synthèse des protéines. Le catabolisme des protéines fait appel à des enzymes qu’on appelle des protéases. Certaines de ces protéases détachent un acide aminé de l’extrémité de la chaîne protéique. Les acides aminés ainsi produits vont pouvoir servir à produire de l’ATP. A la différence des glucides et des lipides, les protéines et plus particulièrement des acides aminés contiennent des atomes d’azote dans leur radical aminé. Pour obtenir de l’énergie par oxydation des acides aminés, ces acides aminés doivent subir une désamination c’est-à-dire la perte du groupement amine (NH2). La molécule ainsi formée est ensuite transformée soit en acide pyruvique soit en un composé du cycle de Krebs. Dans l’organisme, il existe deux types de réaction qui permettent d’enlever le groupement amine : III- a) La désamination oxydative qui se déroule dans le foie. Au cours de cette dernière, le groupement amine de l’acide aminé est enlevé sous la forme d’une molécule d’ammoniac (NH3) et est remplacé par un atome d’oxygène provenant de l’eau pour former un acide cétonique. Une partie de l’ammoniac est utilisée pour former des nouveaux acides aminés. Le reste de l’ammoniac doit être éliminé car son accumulation dans l’organisme est toxique. Il est éliminé sous forme d’urée dans les urines. III- b) La transamination : le radical aminé est transféré à un acide cétonique qui devient luimême un acide aminé. L’acide aminé qui perd son groupement amine devient un acide cétonique. Cette réaction permet l’inter convection entre acides aminés. Le processus ne permet de synthétiser que 12 des 20 acides aminés. Les 8 autres acides aminés sont des acides aminés « essentiels » qui doivent être apportés par l’alimentation. IV2) Synthèse des protéines C’est un processus complexe qui s’effectue à partir d’acides aminés que les cellules enchainent de façon à constituer leur protéine spécifique. Cette synthèse nécessite la transcription de l’ADN en ARNm puis la traduction de l’ARNm en protéine au niveau des ribosomes dans le cytosol de la cellule. 3) Voies du métabolisme des acides aminés IV) Résumé du métabolisme des substrats énergétiques Schéma bilan. Les trois familles (glucide, lipide, protide) peuvent fabriquer de l’ATP. Dépense énergétique Introduction Bioénergétique : partie de la physiologie qui s’intéresse à un système vivant comme système de transfert d’énergie. En effet, l’Homme va échanger de l’énergie avec le milieu externe et va la transformer. La bioénergétique va étudier les échanges d’énergie avec les milieux externes. Il y a trois différents types d’énergie. I- a) L’énergie chimique : énergie apportée par les glucides, les lipides et les protides par notre alimentation. C’est l’énergie la plus importante quantitativement. II- b) L’énergie mécanique : énergie échangée pour maintenir la posture, la réalisation des gestes, les déplacements de l’individu. Son rôle principal est la contraction musculaire. III- c) L’énergie thermique : énergie qui est perdue soit par radiation soit par conversion soit par conduction ou évaporation. Ces deux dernière énergies correspondent à des sorties d’énergie. La première est une entrée. Il y a transformation de l’énergie à l’intérieur de l’organisme provenant des aliments. • I- Métabolisme énergétique humain Premier principe de la thermodynamique : les organismes vivants ne créent ni ne détruisent de matière. « Rien ne se perd, rien ne se créé, tout se transforme ». Il y a donc conservation quantitative de l’énergie. A) Bilan de matière Il y a une conservation de la matière ou de la masse. Be = Ee – Se. Be = bilan de matière. Ee = entrée de matière. Se = sortie de matière. Si Ee = Se " BM = 0 " masse corporelle stable " état stationnaire. Si Ee > Se " BM > 0 " masse corporelle augmente. Si Ee < Se " BM < 0 " masse corporelle diminue. A) Bilan d’énergie Be = Ee – Se. Be = bilan d’énergie. Ee = entrée d’énergie. Se = sortie d’énergie. Le bilan d’énergie peut être nul, positif ou négatif. A) Equivalence des différentes formes d’énergie Ces transformations d’énergie s’effectuent au niveau du noyau et portent le nom de métabolisme cellulaire. Unité d’énergie = Joule. • II- Méthodes de mesure de la dépense énergétique Il existe plusieurs méthodes directes et indirectes pour estimer la quantité d’énergie dépensée par l’organisme au repos et à l’exercice. Les méthodes de mesure du métabolisme énergétique d’un être vivant ont pour but d’estimer les termes de l’équation du bilan énergétique. Méthode calorimétrique : Lorsque que l'on s'alimente, notre alimentation nous amène des substrats énergétique. : Glucides, lipides, protides. Ces substrats en présence d'oxygène vont être oxydés pour produire de l'ATP. (Cycle de Krebs, phosphorylation oxydative, ...) Substrat + O2 Entrées (= Ee) → → CO2 + H2O + énergie Sorties (= Se) Be = Ee – Se En présence d’oxygène, ces substrats sont oxydés et produisent de l’énergie. Lorsque Be = 0 " état stationnaire. Dans ce cas, il suffit de connaître un seul terme du bilan pour connaître le second. - Quantification des Se " calorimétrie directe. - Quantification des Ee " calorimétrie indirecte. Calorimétrie Direct a) Principe : mesure de la chaleur émise par un sujet placé dans une enceinte close. b) Technique : chambre calorimétrique. On mesure la température de l’eau à l’entrée de la chambre et on la mesure à la sortie de la chambre. En faisant la différence des deux, on va pouvoir avoir une idée de la chaleur produite par le sujet. On peut réaliser cette technique avec un sujet au repos ou en situation d’exercice. On peut aussi mesurer la circulation du gaz : renouvellement de l’atmosphère, mesure de la consommation d’O2 et du rejet de CO2 (calorimétrie indirecte). c) Intérêts : déterminer les dépenses énergétiques car ce sont des méthodes très précises. Il y a une mesure directe sur 24 heures à plusieurs jours. d) Limites : méthode complexe et coûteuse (réservée à la recherche). Le sujet vit dans un milieu clôt, artificiel. Calorimétrie Indirect ➔ Thermochimie alimentaire On s’intéresse alors à l’énergie des nutriments assimilés. C’est l’énergie intégrée – l’énergie déchet. En principe : bombe calorimétrique (calorimétrie directe). Elle permet de mesurer la quantité de chaleur libérée à partir d’une substance ou d’un nutriment. C’est une mesure par calorimétrie directe. En pratique : on utilise le coefficient énergétique moyen corrigé (calorimétrie indirecte). C’est la quantité de Kcal que produit la combustion dans l’organisme de 1g de lipide, glucide ou protide ingéré. Energie d’un aliment = (4 X P) + (9 X L) + (4 X G). Sucre : 5g de glucose " 5 X 4 = 20 Kcal. 1) Evaluation de quantité d’aliments intégrés par enquêtes alimentaires. ➔ Thermochimie respiratoire Méthode de l’O2 consommé : Substrat + O2 " CO2 + H2O + énergie. Relation directe entre l’énergie produite par les aliments et la consommation d’O2 du sujet. Principe : mesure de la consommation d’O2 du sujet et calcul de la dépense énergétique connaissant la valeur calorique d’un litre d’O2. Age : DER diminue avec l’âge : environ 2% tous les 10 ans. Pour cela, on utilise le coefficient thermique de l’O2 : quantité de Kcal que fournit l’organisme en utilisant 1 L d’O2 pour brûler les glucides, lipides et protides. - Glucides : 5,01 Kcal/L d’O2. - Lipides : 4,65 Kcal/L d’O2. - Protides : 4,16 Kcal/L d’O2. Alimentation mixte (mélange de glucides, lipides et protides). Il faut donc utiliser un coefficient thermique moyen de l’O2 = 4,825 Kcal/L d’O2. Calcul de la dépense énergétique (DE) (Kcal/min) : DE = coefficient thermique de l’O2 (Kcal/L) X VO2 (=consommation d’O2 du sujet) (L/ min). Techniques : 1) Méthodes de mesure des gaz. - Chambre calorimétrique. - Cloche. - Embout buccal. - Masque. 1) Analyseurs de gaz (O2 et CO2). 2) • III- Différents facteurs de la dépense énergétique - Dépenses basales = métabolisme du repos. - Dépenses énergétiques liées à une situation physiologique. A) Métabolisme de repos ou dépense énergétique de repos (DER) A) Définition Dépenses incompréhensibles, liées à la vie même des cellules. A) Mode d’expression Quantité d’énergie dépensée/heure/m² de surface corporelle. Valeurs moyennes : - Homme adulte jeune = 37 Kcal/h/m². - Femme adulte jeune = 35 Kcal/h/m². A) Conditions de mesure - Le matin (avant 10 heures). - Au repos allongé : sans mouvement depuis au moins une heure : éveillé. - Légèrement vêtu. - A température de neutralité thermique. - A jeun (depuis minimum 12 à 14 heures). - Pas d’exercice musculaire (depuis au moins 24 heures). A) Facteurs de variation a) Age : DER diminue avec l’âge : environ 2% tous les 10 ans. b) Sexe : DER femme < DER homme. c) Etat de nutrition : jeun prolongé = DER diminue / surcharge énergétique : DER augmente. d) A) Activité physique Composante la plus variable de la dépense énergétique totale : de 20 à 25 % de la dépense énergétique totale jusqu’à 60 à 70 %. A) Thermorégulation A neutralité thermique : pas de DE pour la lutte contre le chaud et le froid. En dehors de la neutralité thermique : la DE augmente : - Si la température centrale augmente " thermolyse. - Si la température centrale diminue " thermogenèse. A) Thermogenèse post prandiale (TPP) Ou activité dynamique spécifique (ADS) des aliments. C’est la dépense énergétique liée à l’acte alimentaire. Elle correspond au coût : - De la digestion. - Du transport et du stockage des nutriments. Elle représente environ 10 % de la dépense énergétique totale. Energétique de la contraction musculaire Introduction A) I- Contraction musculaire : transformation d’énergie chimique en énergie mécanique. B) II- Rendement : 20 à 25 % (faible). Le reste est perdu sous forme de chaleur. C) III- Hydrolyse de l’ATP : Les seules sources d’énergie qui sont utilisables par les protéines contractiles viennent de l’hydrolyse de l’ATP. [ATP] intramusculaire environ égal à 5 mmol/kg/muscle. Les réserves en ATP sont très faibles donc il doit être resynthétisé après chaque utilisation. Sources d’ATP a) I- Voie anaérobie alactique La fibre musculaire possède une réserve d’ATP qui constitue le mécanisme anaérobie alactique. La phosphocréatine contient des groupements phosphates comme l’ATP. Phosphocréatine + ADP " ATP + créatine. ATP + Créatine => Phosphocréatine + ADP A) A- Avantages • Immédiatement disponible. • Phosphogène : ATP – phosphocréatine. • Puissance considérable : libération d’une grande quantité d’énergie par unité de temps. • Voie anaérobie : ne nécessite pas la présence d’O2 pour fonctionner. • Voie alactique : pas de production d’acide lactique. A) B- Inconvénient • Faible capacité : les réserves en ATP et en phosphocréatine sont faibles donc ne permettent pas d’action de longue durée. a) II- Voie anaérobie lactique Voie qui va utiliser 2 substrats énergétiques : ➔ a) Glycogène musculaire qui se transformera : En Glucose 6-P par Glycogènolyse → Production 2 ATP ➔ b) Glucose provenant de l'alimentation qui se transformera : En Glucose 6-P par Glycolyse → Production de 3 ATP Rappel : Glucose 6-P → Acide pyruvique → Acide lactique (Processus se déroulant dans le Cytosol de la cellule) 1) 1) Avantages ➔ Inertie faible. ➔ Voie anaérobie. ➔ Puissance élevée. ➔ Capacité importante. 1) 2) Inconvénient ➔ Production d’acide lactique : ➔ Lactate → Substrat énergétique → Production 17 ATP ➔ H+ provoque une acidose musculaire : Responsable du Blocage de certaines activités enzymatiques ➔ a) III- Voie aérobie ➔ Oxydation complète des substrats. ➔ On utilise : - Glucose # alimentation - Réserves énergétiques : - De la fibre musculaire : Glycogène " glucose. Triglycérides " acides gras. - Du foie. - Du tissu adipeux : triglycérides " acides gras. a) A- Avantage ➔ Capacité considérable. ➔ Voie alactique : ne produit pas d’acide lactique. a) B- Inconvénients ➔ Inertie importante. ➔ Puissance faible. ➔ Limité par l’apport d’O2. ➢ VO2 max. Utilisation des différentes sources d’ATP au cours de l’exercice Généralités : notion PMA et VO2 max 1) 2) Au cours d’un exercice, il y a utilisation des trois voies énergétiques. Part respective de chaque voie dans la production d’énergie en fonction : - Du sujet : - Qualité enzymatique des fibres musculaires. - Degré d’entraînement. - Du type d’exercice : - Intensité. - Durée. PMA = Puissance Maximale Aérobie. Définition de la PMA : Plus petite puissance d’exercice qui amène le sujet à la consommation maximale d’O2. Détermination de ma PMA : Exercice de puissance croissante : VO2 max : consommation maximale d’O2 (débit d’O2). Exercice égal à la PMA : exercice maximal. Exercice inférieur à la PMA : exercice sous-maximal. Exercice supérieur à la PMA : exercice supra-maximal. « Normes » de VO2 max : 1) -Chez l’homme : - Sédentaire : si VO2 max < 40 mL/min/kg. - entraîné : si VO2 max comprise entre 50 et 70 mL/min/kg. - très entraîné : si VO2 max > 80 mL/min/kg. 1) -Chez la femme (par rapport à l’homme) : - VO2 max absolue < de 30 %. - VO2 max relative < de 10 à 12 %. 1) -Diminuent avec l’âge. 2) -Peut être augmentées de 15 à 20 % par l’entraînement. Phases énergétiques ou utilisation des différentes voies énergétiques en fonction de la PMA Zone I : - Puissance entre 0 et 50 % de la PMA. - La demande d’énergie est faible : aérobie +++. - Du point de vue énergétique : pas de facteur limitant. Zone II : - Puissance entre 50 et 100 % de la PMA. - La demande d’énergie augmente : aérobie ++++ et aérobie lactique. - Facteur limitant : réserves de glycogène musculaire. Zone III : - Puissance entre 100 et 150 % de la PMA. - La demande d’énergie augmente : aérobie (au maximum) et anaérobie alactique ++++. - Facteur limitant : acidose intramusculaire. Zone IV : - Puissance > 150 % de la PMA. - La demande d’énergie augmente : anaérobie alactique +++. - Facteur limitant : stocks phosphogène très faibles. Notion d’endurance et de resistance I- Endurance : aptitude à prolonger un exercice sous-maximal. II- Résistance : aptitude à prolonger un exercice supra-maximal. Physiologie des cellules équitables Introduction : Toutes les cellules vivantes présentent un potentiel de membrane qui est créé par une répartition de charges opposées qui sont portées par les ions de part et d’autre de la membrane. DDP membranaire : différence de potentiel membranaire. Toutes les cellules excitables, que ce soit nerveuses ou musculaires, ont la propriété de produire les variations rapides et transitoires de leur potentiel de membrane en réponse à une stimulation appropriée : potentiel d’action (PA). En absence d’excitation, le potentiel de membrane des cellules nerveuses et musculaires est stable : c’est ce qu’on appelle le potentiel de repos (PR). ➔ Le potentiel de repos membranaire Dans toutes les cellules, excitables ou non, il existe une différence de potentiel membranaire (DDPm). Ces charges vont s’attirer mais ne peuvent se rapprocher en raison de la membrane. Cela créé une énergie de potentiel que l’on va mesurer en Mv. Plus la différence est forte et plus la DDPm est élevée. Ailleurs, le milieu est électriquement neutre. Facteurs principaux du potentiel de repos : Répartition inégale d’ions de part et d’autre de la membrane. (Schéma 1) Au repos, les ions K+ vont avoir tendance à diffuser de manière plus importante que les ions Na+ à travers la membrane. Il y a 35 fois plus de K+ intracellulaire par rapport aux K+ extracellulaire et il y a seulement 10 fois plus de Na+ dans le milieu intracellulaire qu’extracellulaire. On a donc une différence importante de répartition des ions autour de cette membrane. Cela s’explique par : - La présence de protéines intracellulaires : il existe à l’intérieur de la cellule des grosses molécules chargées que l’on appelle des anions qui vont s’accumuler à l’intérieur de la cellule et donner une électronégativité. - Canaux de fuite en K+ et en Na+. Il existe des canaux de fuite de K+ et de Na +. Ils sont toujours ouverts et sont présents sur la membrane plasmique. Ce sont des portes qui vont permettre de laisser passer les ions. Ces canaux de fuite sont beaucoup plus perméables aux ions K+ qu’aux ions Na+ et donc le flux sortant d’ions K+ est beaucoup plus important que le flux entrant de Na+. S’il y a donc plus de charges positives qui sortent que de charges négatives qui entrent, cale contribue à cette électronégativité. - La pompe Na+/K+ qui est un système de transport actif qui consomme de l’énergie. C’est une pompe qui transporte en continu des ions Na+ et des ions K+ à travers la membrane plasmique. Les ions Na+ vont sortir de la cellule et les ions K+ vont entrer dans celle-ci. On va donc se trouver dans une concentration qui va contre le gradient de concentration. ➔ Le potentiel d’action ➔ Généralités Définitions a) Polarisation de la membrane : C’est une DDP de part et d’autre de la membrane dont l’amplitude est proportionnelle au nombre de charges séparées par la membrane. b) La dépolarisation : C’est une variation du potentiel de membrane telle que la membrane est moins polarisée. En d’autres termes, la différence de charges est moins grande de part et d’autre de la membrane plasmique. Il en résulte que cette DDPm est plus faible, on observe donc une diminution du potentiel de membrane qui tend vers 0 et qui peut même dans certaines situations devenir positive. Ce processus s’explique par une augmentation d’ions positifs dans la cellule par rapport au repos. c) Hyper polarisé : C’est une variation du potentiel de membrane telle que la membrane devient plus polarisée. En d’autres termes, on a une différence de charges de part et d’autre de la membrane plus importante ce qui signifie que le potentiel membranaire est plus important. Le potentiel de membrane tend vers des valeurs qui sont plus négatives. Hyperpolarisation : entré d’ions – et sortie d’ions +. Perméabilité membranaire et canaux ioniques a) Les stimuli déclenchant : Une cellule excitable est une cellule qui a l’aptitude de produire un signal électrique que l’on appelle un potentiel d’action en réponse à des stimuli appropriés. Ces stimuli peuvent être d’origine électrique, chimique ou spécifique à des organes sensoriels. Les variations du potentiel de membrane sont liées à des variations du passage des ions à travers la membrane plasmique qui résulte d’une modification de la perméabilité membranaire aux ions. b) Les canaux ioniques : Les ions ne passent pas à travers la membrane plasmique en raison du caractère hydrophobe de la membrane plasmique liée à sa structure. Canaux ioniques " Canaux de fuite = « pores ». " Canaux « à porte » : lorsqu’ils sont ouverts, ils permettent le passage des ions et inversement. Ces canaux sont des canaux qui sont constitués de protéines et ces protéines vont changer de conformation en réponse à une cause. Canaux voltage dépendants dont l’ouverture et la fermeture se font en réponse à une variation du potentiel de membrane. Canaux ligands dépendants en réponse à la fixation d’une molécule sur une structure proche du canal. ➔ Le potentiel d’action 1) 1) Mise en évidence de la réponse des cellules excitables à une variation de potentiel On va utiliser deux systèmes : un d’enregistrement et l’autre de stimulation. L’électrode de stimulation va envoyer un courant électrique qui va faire varier le potentiel de membrane. L’électrode réceptrice (d’enregistrement) va mesurer la différence de potentiel entre l’extérieur et l’intérieur de la cellule. Quand on stimule la cellule avec des intensités croissantes, on obtient des réponses qui sont au départ proportionnelles à la stimulation (ce sont des potentiels gradués) puis si l’on augmente l’intensité de la stimulation, on observe des réponses qui sont rapides, brèves et qui ont toujours la même amplitude et la même forme : ce sont des potentiels d’action. 1) 2) Potentiel gradué (ou potentiel graduel) Pour des valeurs faibles du courant de stimulation, on observe de faibles variations du potentiel de membrane et un retour rapide au potentiel de repos. Quand on éloigne l’électrode réceptrice du point de stimulation, on n’observe plus cette variation du potentiel de membrane. C’est donc un phénomène local qui ne se propage pas. On l’appelle potentiel graduel. 1) 3) Potentiel d’action Pour des stimulations d’intensité qui augmente, on observe une forte variation du potentiel de membrane qui est toujours de même amplitude et avec un retour au potentiel de repos au bout de la même durée. Si on éloigne l’électrode d’enregistrement de l’électrode stimulatrice, dans ce cas-là, on observe toujours le même phénomène avec la même amplitude. On dit que le phénomène est un phénomène propagé sans décrément (le phénomène est constant). C’est un potentiel d’action. a) Aspect et caractéristiques du potentiel d’action : Ce potentiel d’action présente plusieurs phases : une phase de dépolarisation qui fait passer le potentiel de membrane de -70 Mv à des valeurs positives, une deuxième phase de repolarisation au cours de laquelle on passe d’une valeur positive au potentiel de repos puis une troisième phase (hyperpolarisation) au cours de laquelle la valeur du potentiel de membrane qui est inférieur au potentiel de repos puis on retrouve la valeur du potentiel de repos. Pour qu’une stimulation donne un potentiel d’action, il faut que l’amplitude atteigne une « valeur seuil » d’excitation. Ces potentiels d’action répondent à la loi du « tout ou rien ». L’amplitude du potentiel d’action ne dépend pas de l’intensité de la stimulation. S’il y a un potentiel d’action, ce dernier présente toujours la même amplitude. Il existe une période pendant laquelle un nouveau potentiel d’action ne peut pas être déclenché par une nouvelle stimulation efficace : c’est la période réfractaire. b) Origine du potentiel d’action, variation de la perméabilité membranaire : Au repos, les canaux Na+ et K+ voltage dépendants sont fermés. Il n’y a donc pas de passage de K+ et Na+ par ces canaux ioniques voltage dépendants. Lorsqu’au début du potentiel d’action, les canaux voltage dépendants au sodium vont s’ouvrir, les canaux voltage dépendants au sodium sont des canaux qui comportent deux portes : une porte d’activation et une porte d’inactivation. Au début du potentiel d’action, la porte d’activation va s’ouvrir et donc laisser entrer le sodium à l’intérieur de la cellule. Cette entrée de sodium dans la cellule explique donc pourquoi il y a comme une augmentation du potentiel de membrane vers des valeurs positives. La porte d’inactivation va ensuite se fermer, c’est le début de la repolarisation qui s’explique également par l’ouverture du canal ionique voltage dépendant au potassium qui va donc permettre la sortie des ions K+ de la cellule. Cette diminution de l’entrée de sodium dans la cellule et cette sortie de K+ de la cellule explique ce processus de repolarisation. Le canal ionique voltage dépendant au potassium se referme lentement et donc laisse sortir encore du K+ alors que le potentiel de membrane à la fin de la repolarisation a retrouvé ses valeurs de repos. Cet excès de fuite de K+ à la fin de la repolarisation contribue à expliquer l’hyperpolarisation. ➔ Les synapses Une synapse est une zone de contact entre deux cellules dont une au moins est une cellule nerveuse c’est-à-dire un neurone. I- A- Structure d’une synapse chimique Il y a trois éléments dans une synapse : 1 – L’élément présynaptique. 2 – L’élément postsynaptique. 3 – La fente synaptique (entre les deux) ou espace intersynaptique. 1 : Cet élément est un élargissement de la terminaison axonale. On l’appelle également bouton synaptique ou encore bouton terminal. C’est une structure qui contient beaucoup de vésicules dans lesquels il y a un neuromédiateur que l’on appelle également un neurotransmetteur. Il y a également de nombreuses mitochondries qui vont fournir l’énergie nécessaire à la synthèse du neurotransmetteur. 2 : La membrane de l’élément postsynaptique contient de nombreux récepteurs spécifiques de neurotransmetteurs. I- B- Schéma général de fonctionnement 1) A- Un potentiel d’action arrive au niveau de l’élément présynaptique. Ce potentiel d’action va dépolariser me bouton terminal et cette dépolarisation va ouvrir des canaux voltage dépendants au calcium. Le calcium va donc entrer dans le bouton terminal. 2) B- Cette entrée de calcium dans le bouton terminal va provoquer la migration des vésicules de neurotransmetteur vers l’extrémité du bouton terminal. 3) C- Une sortie du neurotransmetteur dans la fente synaptique par exocytose. Ce neurotransmetteur diffuse dans la fente synaptique pour se lier aux récepteurs postsynaptiques. Un récepteur postsynaptique est composé de deux composantes. Une composante qui permet la liaison du neurotransmetteur associé à une autre composante qui est un canal ionique qui va laisser passer certains ions. La présence d’une synapse oriente la conduction de l’influx nerveux. On dit que la transmission synaptique est unidirectionnelle. La synapse va ralentir la transmission du message nerveux puisqu’il y a un délai synaptique qui est lié à la libération du neurotransmetteur dans la fente synaptique, à sa diffusion dans la fente synaptique et à sa liaison sur le récepteur postsynaptique. La durée d’action du neurotransmetteur est brève. En effet, dès sa libération dans la fente synaptique, le neurotransmetteur va diffuser vers des milieux extracellulaires. a) Les synapses excitatrices : Si le neurotransmetteur, lorsqu’il se fixe sur le récepteur postsynaptique, provoque une dépolarisation de la membrane postsynaptique, la synapse est une synapse excitatrice. Dans ce cas-là, la réponse de la liaison du neurotransmetteur aux récepteurs postsynaptique provoque une entrée d’ions sodium dans l’élément postsynaptique. Il y a création d’un potentiel postsynaptique excitateur (PPSE). L’excitation d’un seul récepteur postsynaptique ne permet pas d’obtenir un potentiel d’action. Le potentiel de membrane se rapproche de la valeur seuil d’excitation mais ne dépasse pas cette valeur. b) Les synapses inhibitrices : Si le neurotransmetteur, en se fixant sur le récepteur postsynaptique, provoque une hyperpolarisation, la synapse est une synapse inhibitrice. Dans ce cas-là, la réponse de la liaison du neurotransmetteur aux récepteurs postsynaptiques va provoquer une sortie d’ions potassium et une entrée d’ions chlore (Cl-) dans l’élément postsynaptique. On va donc avoir un potentiel de membrane qui s’éloigne de la valeur seuil d’excitation. C’est ce qu’on appelle un potentiel postsynaptique inhibiteur (PPSI). Une synapse donnée est soit inhibitrice soit excitatrice. La cellule nerveuse ➔ I- Structure et caractéristiques du neurone Le neurone constitue l’unité fonctionnelle du système nerveux. A) A- Caractéristiques Le neurone présente une longévité extrême : il fonctionne pendant toute la vie. On dit que le neurone est amitotique : il n peut plus se diviser " pas de mitose. A) B- La structure du neurone Le neurone est une cellule qui possède un corps cellulaire duquel sont issus deux types de prolongement : - Courts et ramifiés : ce sont les dendrites. - Long et unique : l’axone. Les dendrites vont conduire le potentiel d’action vers le corps cellulaire. Par contre, l’axone va conduire le potentiel d’action du corps cellulaire vers l’extrémité de l’axone qu’on appelle la terminaison axonale. A la base du corps cellulaire prends naissance l’axone. Cette zone s’appelle le cône d’implantation. La longueur de l’axone est variable. Elle peut mesurer jusqu’à un mètre pour des neurones qui innervent les muscles des pieds. Certains axones sont myélinisés c’est-à-dire qu’ils possèdent une gaine de myéline. Cette dernière est constituée de cellules de Schwann qui se succèdent. Entre chaque cellule de Schwann, on a un espace qu’on appelle le nœud de Ranvier. D’autres axones sont amyélinisés. Le diamètre de l’axone amyélinisé est inférieur au diamètre des axones myélinisés. Cela a une influence sur la vitesse de conduction de l’influx nerveux car il est d’autant plus rapide que le diamètre est important. A) II- Classification des neurones B) ➔ Classification structurale : Cette classification structurale repose sur le nombre de prolongements issus du corps cellulaire. On va distinguer trois types de neurone : - Les neurones multipolaires : du corps cellulaire sont issus de nombreuses dendrites et un axone. - Les neurones bipolaires : du corps cellulaire ne sont issus que deux prolongements : un axone et une dendrite. - Les neurones unipolaires : du corps cellulaire n’est issu qu’un seul prolongement. ➔ Classification fonctionnelle : Cette classification fonctionnelle repose sur le sens de propagation de l’influx nerveux par rapport au système nerveux central. ➔ II- Particularités fonctionnelles I- A-Conduction du potentiel d’action le long de l’axone L’orientation de l’influx nerveux dans une chaîne de neurones se fait au niveau de la synapse. Le potentiel d’action se propage ensuite le long des prolongements neuronaux sans décrément. 1) a) Rôle des courants locaux : Le potentiel d’action naît suite à une stimulation. Cette dernière crée un courant local entre régions dépolarisées de la membrane et ses régions voisines au repos. Lorsque la dépolarisation permet d’atteindre le seuil d’excitation, on a un potentiel d’action qui va se propager de proche en proche. 1) b) Influence de la gaine de myéline : Sur un axone non myélinisé, la propagation du potentiel d’action se fait de proche en proche. La vitesse de conduction est lente. En revanche, ai niveau d’un axone myélinisé, la conduction du potentiel d’action se fait d’un nœud de Ranvier à un autre nœud de Ranvier. On dit que c’est une conduction saltatoire. Cela a un effet sur la vitesse de conduction : présence de gaine de myéline = 50 fois plus rapide. I- les deux types de synapses chimiques a) Synapse excitatrice : La réponse à la fixation du neurotransmetteur aux récepteurs postsynaptiques va provoquer un PPSE qui est en fait dû à une entrée de sodium dans l’élément postsynaptique. a) Synapse inhibitrice : La fixation du neurotransmetteur sur les récepteurs postsynaptiques va provoquer un PPSI qui est dû à une sortie de K+ et une entrée de Cl- dans l’élément postsynaptique. I- Phénomène de sommation Dans une synapse, un seul PPSE ne permet pas d’atteindre la valeur seuil d’excitation et donc ne permet pas de produire un potentiel d’action. Sommation temporelle : En supposant qu’une stimulation dépolarise la membrane postsynaptique et provoque un PPSE, si une deuxième stimulation est appliquée pendant que la membrane postsynaptique est encore dépolarisée alors, ce deuxième PPSE s’additionne au premier et permet d’atteindre le seuil d’excitation. On a alors un potentiel d’action : c’est une sommation temporelle.. Sommation spatiale : Si deux synapses excitatrices sont stimulées en même temps, l’arrivée simultanée des deux PPSE va permettre d’additionner ces deux PPSE et d’atteindre la valeur seuil d’excitation provoquant ainsi un potentiel d’action. On a exactement la même chose qui peut se passer avec les synapses inhibitrices. I- Les circuits neuronaux Dans le système nerveux central, les neurones sont disposés en réseau et forment des circuits. Il y a deux types de circuits : A) Les circuits divergents : dans ce dernier, le neurone présynaptique fait synapse avec beaucoup de neurones postsynaptiques. Ainsi l’influx nerveux provenant d’un neurone va stimuler un plus grand nombre de cellule au fur et à mesure qu’il se propage. A) Les circuits convergents : dans ce cas-là, plusieurs neurones présynaptiques font synapse avec un seul neurone postsynaptique. I- Les neurotransmetteurs Une substance chimique est considérée comme neurotransmetteur si : 1) – Elle est contenue dans les terminaisons axonales présynaptiques. 2) – Ses précurseurs (substances qui vont servir à sa synthèse) se trouvent dans le neurone. 3) – Elle est libérée par l’arrivée d’un potentiel d’un potentiel d’action. 4) – Sa durée d’action est courte. 5) – Sa fixation sur le récepteur postsynaptique induit une variation de la perméabilité ionique. Principaux neurotransmetteurs : - Acétylcholine " excitatrice à la jonction des neurones moteurs / inhibitrice. - Noradrénaline, adrénaline et dopamine " famille des catécholamines : ils sont excitateurs ou inhibiteurs. La cellule musculaire squelettique Introduction : Il existe trois types de muscles dans l’organisme : - Les muscles striés squelettiques. - Les muscles striés cardiaques. - Les muscles lisses. Les muscles striés squelettiques ont un aspect caractéristique. On peut observer la présence de bandes qui lui confèrent son aspect strié. Les muscles lisses ne présentent pas de bande. Ce sont les muscles qui constituent la paroi des viscères et des vaisseaux sanguins. Les muscles striés squelettiques sont responsables des mouvements dans l’organisme et sa commande est volontaire. Les muscles striés cardiaques sont les muscles qui constituent les parois du cœur mais il n’obéit pas à une commande volontaire. La contraction est rythmique, automatique. 1) Structure de la cellule squelettique Structure cellulaire La cellule musculaire, on l’appelle aussi la fibre musculaire. Elle a la particularité d’être polynucléée. La membrane plasmique qui entoure cette fibre s’appelle le sarcolemme. Ce dernier s’enfonce dans la fibre musculaire. Le cytoplasme de la fibre s’appelle le dernier s’enfonce dans la fibre musculaire. Le cytoplasme de la fibre s’appelle le sarcoplasme et il possède des milliers de structures contractiles que l’on appelle myofibrilles qui présentent une alternance de bandes claires (bande I) et de bandes sombres (bandes A). C’est cette alternance qui confère au muscle son aspect strié. La bande I est coupée en deux par un strie Z. Le sarcomère C’est l’unité fonctionnelle du muscle. C’est une zone qui est délimitée par deux stries Z. On peut dire que le sarcomère équivaut à une bande A, une demi-bande I et une autre demi-bande I. Les myofibrilles sont constituées de filaments fins et de filaments épais. Dans un sarcomère, il y a un chevauchement partiel des filaments fins et épais. Dans la zone de chevauchement, il y a six filaments fins pour un filament épais. Bande A = les deux bandes I = que des filaments fins. Lorsque le muscle est au repos ou étiré, on voit au centre de la bande A une zone qu’on appelle la zone H. Il n’y a que des filaments épais. Lors de la contraction musculaire, la longueur du sarcomère va diminuer mais sans variation de longueur des filaments. Structure des myofilaments I- Structure du filament épais : Il est constitué par l’assemblage de 300 molécules de myosine. Une molécule de myosine a la forme d’un club de golf avec deux partie : la tige (ou la queue) de la myosine et une partie globulaire que l’on appelle la tête de myosine. Chaque molécule de myosine est constituée de deux chaînes lourdes et de quatre chaînes légères (deux au niveau de chaque tête de myosine). La tête de myosine possède deux sites importants : un site de liaison à l’actine et un site enzymatique contenant une enzyme que l’on appelle ATPase qui est nécessaire à l’hydrolyse de l’ATP. Chaque molécule de myosine s’associent de manière anti parallèle, les têtes de myosines étant orientées vers l’extérieur, alors qu’au centre du sarcomère, il n’y a que des queues de myosine. I- Structure du filament fin : Il est constitué de trois protéines : la protéine d’actine, le tropomyosine et la troponine. L’actine est le squelette du filament fin. Les molécules d’actine sont des molécules globulaires. On les appelle donc les actines G. Elles vont s’associer les unes aux autres dans le filament pour former une double hélice. On dit qu’on a une actine F. Il existe un site de liaison pour la tête de myosine. La tropomyosine est une protéine fibrillaire formée d’une double hélice. Cette dernière est localisée dans les gorges formées par les deux chaînes d’actine. Au repos, la tropomyosine va masquer le site de liaison de l’actine pour la myosine. La troponine est localisée toutes les sept actines G. C’est un complexe qui est composé de trois sous-unités : la troponine I, C et T. La troponine T est toujours en contact avec la tropomyosine et la troponine I est en contact avec l’actine G car ils ont une grande affinité mutuelle. La troponine C a de l’affinité avec le calcium. Le réticulum sarcoplasmique et le système sarcotubulaire Le réticulum sarcoplasmique est un réseau particulièrement dense disposé de manière parallèle autour des myofibrilles. Il comprend des sarcotubules et à son extrémité, les citernes terminales. Ces dernières contiennent beaucoup de calcium et elles se trouvent très proches des systèmes T. 1) La plaque motrice a) Description C’est une zone de contact entre un motoneurone (=neurone moteur) et une fibre striée squelettique. C’est donc une synapse dans laquelle l’élément présynaptique est le motoneurone et l’élément postsynaptique le neurotransmetteur contenu dans la synapse est l’acétylcholine appelée enzyme-acétylcholinestérase. a) Le fonctionnement 1) Libération d’acétylcholine par le motoneurone : Dans cet élément présynaptique, il y a des vésicules qui contiennent de l’acétylcholine. Au niveau de la terminaison axonale, il y a ouverture des canaux au calcium voltage dépendants qui vont laisser entrer du calcium à l’intérieur de la terminaison axonale. Cette augmentation de calcium va provoquer la migration des vésicules d’acétylcholine vers l’extrémité de la membrane de la terminaison axonale permettant la libération de l’acétylcholine dans la fente synaptique par un processus d’exocytose. 1) Potentiel de plaque motrice (PPM) : L’acétylcholine va diffuser dans la fente synaptique et va aller se fixer au niveau des récepteurs postsynaptiques. Ils sont couplés à des canaux ioniques. Lorsque l’acétylcholine se fixe au récepteur, cela déclenche l’ouverture du canal ionique qui y est associé permettant ainsi l’entrée du sodium dans la fibre musculaire. Cette entrée du sodium va provoquer une dépolarisation qui est la dépolarisation de la plaque motrice qu’on appelle le PPM. C’est un PPSE. 1) Potentiel d’action musculaire : Le potentiel de plaque motrice va se propager le long du sarcolemme. Si la dépolarisation dépasse la valeur seuil d’excitation, il y aura apparition d’un potentiel d’action. Très souvent, l’apparition d’un seul potentiel de plaque motrice est suffisante pour créer un potentiel d’action musculaire. 1) Fin de l’action de l’acétylcholine : L’activité électrique de la fibre musculaire est interrompue par l’action de l’acétylcholinestérase qui va détruire spécifiquement l’acétylcholine dans la fente synaptique. Il va donc y avoir disparition rapide mais c’est à la fin du PPM avec un retour au potentiel de repos qui va donc amener le muscle à se relâcher. Pour poursuivre la contraction, il faut donc qu’il y ait à nouveau libération d’acétylcholine ce qui est possible uniquement si un nouveau potentiel d’action arrive au niveau de la terminaison axonale du motoneurone. 1) Activation et mécanisme de la contraction musculaire ➔ Couplage excitation-contraction A) Le couplage électrocalcique Le potentiel d’action se propage de proche en proche de manière bidirectionnelle vers les deux extrémités de la fibre musculaire. Lorsque ce potentiel d’action dépolarise un système T, sa proximité anatomique avec la citerne terminale du réticulum cytoplasmique va également provoquer la dépolarisation de la citerne terminale. Cette dernière contient beaucoup de calcium donc sous l’effet de la dépolarisation de la citerne terminale, le calcium est libéré dans le sarcoplasme. Il y a donc une forte augmentation de calcium à l’intérieur du sarcoplasme. A) Le couplage calcium-contraction Au repos : Au repos, le complexe tropomyosine-troponine masque le site de liaison de l’actine G pour la myosine Au début de la contraction : Lorsque les concentrations de calcium augmentent dans le sarcoplasme, les ions calcium vont venir se fixer sur la troponine C. Cette fixation des ions calcium à la troponine C provoque une bascule du complexe troponine-tropomyosine. Cela permet de démasquer le site de liaison de la myosine sur l’actine G. La tête de myosine vient donc se lier à l’actine G. ➔ Contraction et création de force Au repos : Ces têtes de myosine se trouvent à distance de l’actine G au repos. Dans ces têtes se trouvent l’ATPase qui permet d’hydrolyser l’ATP. Cet ADP et ce Pi restent fixés à la tête de myosine, l’énergie étant emmagasinée dans la tête de myosine. Au début de la contraction : Arrivée de calcium donc la tête de myosine peut se fixer sur l’actine G car le complexe tropomyosine-troponine aura basculé. Puis : Cette bascule de la tête de myosine va permettre aux filaments fins de glisser le long des filaments épais. Ensuite : Pour que la tête de myosine se détache, une molécule d’ATP doit se fixer puis hydrolyser et ainsi de suite. Le cycle se poursuit jusqu’à ce que les deux stries Z, dans le sarcomère, viennent toucher les extrémités du filament épais.
