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    2e Bac Sciences de la vie et de la Terre (SVT)

    Rôle du muscle strié squelettique dans la conversion de l'énergie

    Cours de SVT 2e Bac : sarcomère, glissement des filaments, rôle de l'ATP et du Ca2+, chaleur, voies de régénération de l'ATP ; 8 exercices et QCM.

    Prérequis : Chapitre 1 (glycolyse, respiration, fermentations, ATP), structure de la cellule

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    En bref

    Niveau
    2e Bac Sciences de la vie et de la Terre (SVT)
    Matière
    SVT
    Contenu
    cours, méthodes, 8 exercices corrigés, QCM de 8 questions
    Durée
    75 min
    Prérequis
    Chapitre 1 (glycolyse, respiration, fermentations, ATP), structure de la cellule
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    Licence
    contenu original 9raya, gratuit, CC BY-NC-SA 4.0.

    L'essentiel

    Un muscle strié squelettique est un convertisseur d'énergie : il transforme l'énergie chimique des nutriments, stockée temporairement dans l'ATP\text{ATP}, en énergie mécanique (le travail, c'est-à-dire le mouvement) et en chaleur. Pour comprendre ce rôle, il faut connaître sa structure, le mécanisme de la contraction et les voies qui régénèrent l'ATP\text{ATP} consommé.

    1. Du muscle à la myofibrille

    Le muscle strié squelettique, rattaché aux os par les tendons, est un organe à contraction volontaire. Il est formé de niveaux d'organisation emboîtés.

    NiveauDescription
    Muscleensemble de faisceaux de fibres musculaires, enveloppés de tissu conjonctif
    Fibre musculairecellule géante et multinucléée, limitée par le sarcolemme, de quelques dizaines de µm de diamètre
    Myofibrillecylindre d'environ 1 µm de diamètre, occupant presque tout le sarcoplasme ; elle forme une suite de sarcomères
    Sarcomèreunité contractile, comprise entre deux stries Z successives (environ 2,5 µm au repos)
    Myofilamentsfilaments fins d'actine et filaments épais de myosine

    Le sarcoplasme (cytoplasme de la fibre) contient aussi de nombreuses mitochondries, des réserves de glycogène, de la myoglobine (réserve de dioxygène), le réticulum sarcoplasmique (réserve de Ca2+\text{Ca}^{2+}) et les tubules transverses (invaginations du sarcolemme qui conduisent le potentiel d'action au contact du réticulum).

    2. Ultrastructure du sarcomère

    Au microscope, la myofibrille présente une alternance de bandes sombres (bande A) et de bandes claires (bande I), d'où l'aspect strié.

    ZoneDescription
    Strie Zlimite du sarcomère ; point d'ancrage des filaments fins
    Bande Iclaire ; ne contient que des filaments fins ; coupée en deux par la strie Z
    Bande Asombre ; occupée par les filaments épais sur toute sa longueur, avec une partie des filaments fins
    Zone Hcentre de la bande A, où ne se trouvent que des filaments épais
    Strie Mmilieu de la bande A, où les filaments épais sont maintenus alignés
    • Filaments fins : constitués d'actine, associée à la tropomyosine (filament qui recouvre les sites de fixation de la myosine au repos) et à la troponine (qui possède des sites de fixation du Ca2+\text{Ca}^{2+}). Ils sont fixés aux stries Z.
    • Filaments épais : constitués de molécules de myosine, chacune avec une queue et une tête articulée. La tête porte deux sites : un site de fixation sur l'actine et un site d'hydrolyse de l'ATP\text{ATP} (activité ATPasique).

    Dans les exercices, on utilise les dimensions simplifiées suivantes (proches des valeurs réelles) : filament épais 1,5 µm ; filament fin 1,0 µm de chaque côté d'une strie Z ; sarcomère de 2,5 µm au repos.

    3. La contraction : le glissement des filaments

    Quand le muscle se contracte, le sarcomère raccourcit. L'observation montre que la longueur de la bande A reste constante, tandis que la bande I et la zone H diminuent (la zone H peut disparaître). Les filaments ne raccourcissent donc pas : les filaments fins glissent entre les filaments épais, vers le centre du sarcomère.

    ÉtatSarcomèreBande ABande IZone H
    Repos2,5 µm1,5 µm1,0 µm0,5 µm
    Contracté2,0 µm1,5 µm0,5 µm0

    4. Le mécanisme moléculaire

    La contraction repose sur un cycle répété de formation et de rupture de ponts d'union actomyosine.

    1. Excitation : un potentiel d'action parcourt le sarcolemme et les tubules transverses ; le réticulum sarcoplasmique libère du Ca2+\text{Ca}^{2+} dans le sarcoplasme.
    2. Le Ca2+\text{Ca}^{2+} se fixe sur la troponine ; la tropomyosine se déplace et découvre les sites de fixation de la myosine sur l'actine.
    3. La tête de myosine, chargée d'ADP\text{ADP} et de Pi\text{P}_i, se fixe sur l'actine : c'est le pont d'union.
    4. La libération du Pi\text{P}_i et de l'ADP\text{ADP} provoque le pivotement de la tête : le filament fin glisse de quelques nanomètres vers le centre du sarcomère (coup de force).
    5. Une nouvelle molécule d'ATP\text{ATP} se fixe sur la tête de myosine : la liaison à l'actine se rompt, la tête se détache.
    6. L'ATP\text{ATP} est hydrolysé par l'ATPase de la myosine : la tête reprend sa position initiale (« armée »). Si le Ca2+\text{Ca}^{2+} est encore présent, un nouveau cycle commence à l'étape 3.
    ATP+H2O→ ATPase de la myosine ADP+Pi\text{ATP} + \text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\ \text{ATPase de la myosine}\ } \text{ADP} + \text{P}_i

    L'ATP\text{ATP} intervient donc à deux moments : il permet le détachement de la tête, puis fournit l'énergie qui la réarme.

    Relâchement. À l'arrêt de la stimulation, des pompes à Ca2+\text{Ca}^{2+} (qui consomment de l'ATP\text{ATP}) ramènent le Ca2+\text{Ca}^{2+} dans le réticulum sarcoplasmique ; la tropomyosine recouvre à nouveau les sites et les ponts se défont. Le relâchement consomme donc aussi de l'énergie.

    Remarque

    Après la mort, plus d'ATP\text{ATP} n'est formé : les têtes de myosine ne peuvent plus se détacher de l'actine et les muscles se raidissent. C'est la rigidité cadavérique.

    Preuve expérimentale. Une fibre musculaire « glycérinée » (perméabilisée, non vivante, mais qui garde ses protéines contractiles) se raccourcit lorsqu'on lui ajoute de l'ATP\text{ATP}, du Mg2+\text{Mg}^{2+} et du Ca2+\text{Ca}^{2+}. Sans ATP\text{ATP} ou sans Ca2+\text{Ca}^{2+}, elle ne se raccourcit pas : l'ATP\text{ATP} est l'énergie directe de la contraction et le Ca2+\text{Ca}^{2+} la déclenche.

    5. Conversion d'énergie, rendement et chaleur

    eˊnergie chimique des nutriments→ATP→travail meˊcanique+chaleur\text{énergie chimique des nutriments} \rightarrow \text{ATP} \rightarrow \text{travail mécanique} + \text{chaleur}

    Définition(Rendement musculaire)

    C'est le rapport entre le travail mécanique fourni par le muscle et l'énergie chimique consommée : ρ=WmeˊcaEchimique\rho = \frac{W_{\text{méca}}}{E_{\text{chimique}}}. Il est de l'ordre de 25 % : environ les trois quarts de l'énergie consommée sont libérés sous forme de chaleur.

    La chaleur est utile (elle maintient la température du corps, d'où les frissons par grand froid) mais elle représente une perte pour le travail. Un muscle isolé, placé dans un dispositif sensible, dégage de la chaleur en deux temps :

    ChaleurQuandOrigineDioxygène nécessaire
    Chaleur initialependant la contraction et le relâchementhydrolyse de l'ATP\text{ATP} et réactions qui le régénèrent sans O2\text{O}_2non
    Chaleur retardéeaprès la contraction, pendant la récupérationoxydations (respiration) qui reconstituent les réservesoui

    6. La régénération de l'ATP

    Le stock d'ATP\text{ATP} du muscle est très faible : il ne suffit que pour quelques contractions. Pourtant, la concentration en ATP\text{ATP} reste presque constante pendant l'effort : il est donc régénéré à la vitesse où il est consommé, par trois voies complémentaires.

    Voie 1 : la phosphocréatine (anaérobie, sans lactate). La phosphocréatine (PCr\text{PCr}) est une réserve de phosphate riche en énergie. L'enzyme créatine kinase transfère le phosphate sur l'ADP\text{ADP} (réaction de Lohmann) :

    PCr+ADP⇌Cr+ATP\text{PCr} + \text{ADP} \rightleftharpoons \text{Cr} + \text{ATP}

    C'est la voie la plus rapide, mobilisée dès le début de l'effort. Son stock est limité (quelques fois celui de l'ATP\text{ATP}) : elle ne tient que quelques secondes à intensité maximale. Elle est reconstituée au repos, avec de l'ATP\text{ATP} fourni par la respiration.

    Voie 2 : la fermentation lactique (anaérobie). La glycolyse du glucose (issu du glycogène musculaire) suivie de la réduction du pyruvate en lactate forme 2 ATP\text{ATP} par glucose, sans dioxygène :

    C6H12O6→2 C3H6O3+2 ATPC_6H_{12}O_6 \rightarrow 2\,C_3H_6O_3 + 2\,\text{ATP}

    Elle est rapide mais peu rentable. Le lactate et les ions H+\text{H}^+ qui s'accumulent acidifient le muscle : c'est l'une des causes de la fatigue musculaire.

    Voie 3 : la respiration (aérobie). Les nutriments (glucose, glycogène, acides gras) sont oxydés dans les mitochondries, avec du dioxygène apporté par le sang et stocké par la myoglobine :

    C6H12O6+6 O2→6 CO2+6 H2O+36 aˋ 38 ATPC_6H_{12}O_6 + 6\,\text{O}_2 \rightarrow 6\,\text{CO}_2 + 6\,\text{H}_2\text{O} + 36 \text{ à } 38\,\text{ATP}

    Elle démarre plus lentement mais est très rentable et peut durer longtemps.

    VoieDioxygèneRapiditéDurée utilisableATP\text{ATP} par glucoseProduits
    Phosphocréatinenontrès rapidequelques secondessans objet (1 ATP\text{ATP} par PCr\text{PCr})créatine
    Fermentation lactiquenonrapidelimitée (fatigue)2lactate, H+\text{H}^+
    Respirationouiplus lente à démarrerlongue36 à 38CO2\text{CO}_2, H2O\text{H}_2\text{O}

    Les trois voies fonctionnent ensemble ; leur part dépend de l'intensité et de la durée de l'effort. Un sprint repose d'abord sur la phosphocréatine puis sur la fermentation lactique ; un effort long et modéré repose surtout sur la respiration.

    Après l'effort, la consommation de dioxygène reste élevée un certain temps : elle sert à reconstituer le stock de PCr\text{PCr} et d'ATP\text{ATP} et à éliminer le lactate. C'est ce qu'on appelle la dette en dioxygène. Au début de l'effort, c'est l'inverse : la respiration n'est pas encore à son plein régime et un déficit en dioxygène se forme.

    Méthodes

    Méthode 1 : Exploiter des mesures de sarcomère

    1. Repère la longueur de la bande A : si elle est constante, les filaments ne raccourcissent pas.
    2. Calcule la bande I : L−AL - A (longueur cumulée des deux demi-bandes I d'un sarcomère). Calcule la zone H : L−2×1,0L - 2 \times 1{,}0 (si le résultat est positif, sinon 0).
    3. Conclus : le sarcomère raccourcit par glissement des filaments fins.

    Exemple. Pour L=2,2L = 2{,}2 µm avec A=1,5A = 1{,}5 µm : bande I =2,2−1,5=0,7= 2{,}2 - 1{,}5 = 0{,}7 µm ; zone H =2,2−2,0=0,2= 2{,}2 - 2{,}0 = 0{,}2 µm. Le raccourcissement par rapport au repos (2,5 µm) est 2,5−2,22,5=12 %\frac{2{,}5 - 2{,}2}{2{,}5} = 12\ \%.

    Méthode 2 : Expliquer le cycle de la contraction dans l'ordre

    1. Commence par le signal : potentiel d'action, libération de Ca2+\text{Ca}^{2+}.
    2. Enchaîne : fixation du Ca2+\text{Ca}^{2+} sur la troponine, découverte des sites, fixation de la tête de myosine.
    3. Décris le glissement, le détachement (qui exige de l'ATP\text{ATP}) puis le réarmement (hydrolyse de l'ATP\text{ATP}).
    4. Termine par le relâchement (retour du Ca2+\text{Ca}^{2+} dans le réticulum, avec consommation d'ATP\text{ATP}).

    Méthode 3 : Identifier une voie de régénération de l'ATP avec un inhibiteur

    1. Repère ce que bloque l'inhibiteur (une enzyme, donc une voie).
    2. Compare le muscle traité au témoin : si le muscle se contracte moins longtemps, la voie bloquée contribuait à la régénération de l'ATP\text{ATP}.
    3. Appuie-toi sur les concentrations : une substance qui diminue (par exemple la PCr\text{PCr}) est consommée ; une substance qui augmente (le lactate) est produite.

    Exemple. Avec un inhibiteur de la glycolyse, la PCr\text{PCr} diminue fortement et le lactate n'augmente pas : l'ATP\text{ATP} a été fourni par la PCr\text{PCr}.

    Méthode 4 : Calculer un rendement et un bilan énergétique

    1. Écris ρ=WEchimique\rho = \frac{W}{E_{\text{chimique}}} et isole l'inconnue.
    2. La chaleur est Echimique−WE_{\text{chimique}} - W.
    3. Pour passer à l'ATP\text{ATP} ou au glucose : nglucose=E2840n_{\text{glucose}} = \frac{E}{2840} (en mol, avec EE en kJ ; 2840 kJ/mol est l'énergie libérée par l'oxydation complète d'une mole de glucose, donnée dans l'énoncé), puis nATP=36×nglucosen_{\text{ATP}} = 36 \times n_{\text{glucose}} (respiration).

    Exemple. W=50W = 50 kJ et ρ=20 %\rho = 20\ \% : E=500,20=250E = \frac{50}{0{,}20} = 250 kJ ; chaleur =250−50=200= 250 - 50 = 200 kJ.

    Méthode 5 : Reconnaître la voie dominante selon l'effort

    1. Durée très courte, intensité maximale, pas de lactate : phosphocréatine.
    2. Effort intense de quelques dizaines de secondes à quelques minutes, lactate en forte hausse : fermentation lactique.
    3. Effort long à intensité modérée, consommation de dioxygène stable, lactate stable : respiration.
    4. Dans la réalité, plusieurs voies coopèrent : indique la voie principale et celles qui complètent.

    Exercices corrigés

    Exercice 1 : Dimensions d'un sarcomère

    Facile

    Un sarcomère contient des filaments épais de 1,5 µm et des filaments fins de 1,0 µm fixés de chaque côté sur les stries Z. La bande A a la longueur d'un filament épais. Au repos, le sarcomère mesure 2,5 µm ; contracté, 2,0 µm.

    1. Calcule, dans chaque état, la longueur cumulée des deux demi-bandes I et celle de la zone H.
    2. Que déduis-tu sur le mécanisme du raccourcissement ?
    3. Un muscle de 20 cm au repos est formé de sarcomères en série. Calcule le nombre de sarcomères sur une ligne, puis la longueur du muscle quand tous sont contractés. De quel pourcentage le muscle raccourcit-il ?
    Voir le corrigé

    1. Bande A =1,5= 1{,}5 µm dans les deux états. Bande I =L−A= L - A ; zone H =L−2×1,0= L - 2 \times 1{,}0.

    ÉtatSarcomèreBande ABande IZone H
    Repos2,5 µm1,5 µm1,0 µm0,5 µm
    Contracté2,0 µm1,5 µm0,5 µm0

    2. La bande A, donc les filaments épais, ne change pas de longueur. La bande I et la zone H diminuent : les filaments fins s'enfoncent entre les filaments épais. Le raccourcissement se fait par glissement des filaments fins sur les filaments épais, sans raccourcissement des filaments.

    3. Nombre de sarcomères : 20×104 μm2,5 μm=80 000\frac{20 \times 10^4\ \mu\text{m}}{2{,}5\ \mu\text{m}} = 80\,000. Longueur contractée : 80 000×2,0=160 00080\,000 \times 2{,}0 = 160\,000 µm =16= 16 cm. Raccourcissement : 20−1620=0,20\frac{20 - 16}{20} = 0{,}20, soit 20 % (identique à 2,5−2,02,5\frac{2{,}5 - 2{,}0}{2{,}5} puisque tous les sarcomères raccourcissent de la même façon).

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    Exercice 2 : Le cycle de la contraction

    Facile

    Les phrases suivantes décrivent des étapes de la contraction, dans le désordre.

    • a. L'ATP\text{ATP} se fixe sur la tête de myosine : la tête se détache de l'actine.
    • b. Un potentiel d'action provoque la libération de Ca2+\text{Ca}^{2+} par le réticulum sarcoplasmique ; le Ca2+\text{Ca}^{2+} se fixe sur la troponine.
    • c. La tête de myosine pivote : le filament fin glisse vers le centre du sarcomère ; l'ADP\text{ADP} et le Pi\text{P}_i sont libérés.
    • d. L'ATP\text{ATP} est hydrolysé en ADP\text{ADP} et Pi\text{P}_i par l'ATPase de la myosine : la tête reprend sa position de départ.
    • e. La tête de myosine (portant ADP\text{ADP} et Pi\text{P}_i) se fixe sur le site découvert de l'actine : un pont d'union se forme.
    • f. La tropomyosine se déplace et découvre les sites de fixation de la myosine sur l'actine.
    1. Remets les étapes dans l'ordre.
    2. Pourquoi un muscle devient-il rigide après la mort ?
    3. Que se passerait-il si le Ca2+\text{Ca}^{2+} n'était pas ramené dans le réticulum sarcoplasmique après la stimulation ?
    Voir le corrigé

    1. Ordre : b, f, e, c, a, d. La libération de Ca2+\text{Ca}^{2+} et sa fixation sur la troponine (b) déplacent la tropomyosine (f), ce qui découvre les sites d'actine ; la tête de myosine s'y fixe (e), pivote (c) ; l'ATP\text{ATP} provoque le détachement (a) puis son hydrolyse réarme la tête (d), prête pour un nouveau cycle (retour à e).

    2. Après la mort, la respiration s'arrête et plus aucun ATP\text{ATP} n'est formé. Sans ATP\text{ATP}, les têtes de myosine restent attachées à l'actine (l'étape a ne peut plus avoir lieu) : le muscle reste figé, c'est la rigidité cadavérique.

    3. Le Ca2+\text{Ca}^{2+} resterait fixé sur la troponine, les sites d'actine resteraient découverts et, tant qu'il y aurait de l'ATP\text{ATP}, les cycles se poursuivraient : le muscle resterait contracté et ne se relâcherait pas.

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    Exercice 3 : Fibres glycérinées

    Moyen

    On prépare des fibres musculaires glycérinées (perméabilisées, non vivantes) et on les plonge dans différents milieux contenant du Mg2+\text{Mg}^{2+} et du K+\text{K}^+. On mesure leur raccourcissement (en pourcentage de la longueur initiale) et la quantité de phosphate inorganique (Pi\text{P}_i) libérée en 10 minutes.

    MilieuRaccourcissement (%)Pi\text{P}_i libéré (mmol/L)
    a. sans ATP\text{ATP}, avec Ca2+\text{Ca}^{2+}00
    b. ATP\text{ATP}, sans Ca2+\text{Ca}^{2+} (une substance qui fixe le Ca2+\text{Ca}^{2+} est ajoutée)00,05
    c. ATP\text{ATP} et Ca2+\text{Ca}^{2+}300,80
    1. Compare les milieux a, b et c.
    2. Déduis le rôle de l'ATP\text{ATP} et celui du Ca2+\text{Ca}^{2+}.
    3. Quelle relation observes-tu entre le raccourcissement et la libération de Pi\text{P}_i ? Explique-la.
    Voir le corrigé

    1. Sans ATP\text{ATP} (a), même en présence de Ca2+\text{Ca}^{2+}, la fibre ne se raccourcit pas et aucun Pi\text{P}_i n'est libéré. Avec ATP\text{ATP} mais sans Ca2+\text{Ca}^{2+} (b), la fibre ne se raccourcit pas et très peu de Pi\text{P}_i est libéré (0,05 mmol/L). Avec ATP\text{ATP} et Ca2+\text{Ca}^{2+} (c), la fibre se raccourcit de 30 % et 0,80 mmol/L de Pi\text{P}_i sont libérés.

    2. Le raccourcissement exige à la fois l'ATP\text{ATP} et le Ca2+\text{Ca}^{2+} : l'ATP\text{ATP} est la source d'énergie directe de la contraction (milieu a : pas d'ATP\text{ATP}, pas de contraction), et le Ca2+\text{Ca}^{2+} est le signal qui déclenche la contraction (milieu b : l'ATP\text{ATP} seul ne suffit pas, le Ca2+\text{Ca}^{2+} permet aux têtes de myosine de se fixer sur l'actine en découvrant les sites).

    3. Le Pi\text{P}_i n'est libéré en quantité importante que quand la fibre se raccourcit (milieu c). Il provient de l'hydrolyse de l'ATP\text{ATP} par l'ATPase des têtes de myosine, qui a lieu à chaque cycle de la contraction. La contraction s'accompagne donc de l'hydrolyse de l'ATP\text{ATP} : le raccourcissement et la consommation d'ATP\text{ATP} vont de pair.

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    Exercice 4 : Rendement d'un muscle de cycliste

    Moyen

    Pendant 10 minutes de pédalage, les muscles d'un cycliste fournissent un travail mécanique de 120 kJ, avec un rendement global de 24 %. On suppose que l'énergie est fournie par la respiration du glucose (2 840 kJ/mol ; 36 ATP\text{ATP} par glucose). L'hydrolyse d'une mole d'ATP\text{ATP} libère 30,5 kJ. Masse molaire du glucose : 180 g/mol.

    1. Calcule l'énergie chimique consommée et la chaleur dégagée.
    2. Calcule la quantité et la masse de glucose oxydé.
    3. Calcule la quantité d'ATP\text{ATP} formé, l'énergie stockée dans cet ATP\text{ATP} et le rendement de la formation de l'ATP\text{ATP}.
    4. Quelle fraction de l'énergie de l'ATP\text{ATP} est transformée en travail ? Où se situent les pertes ?
    Voir le corrigé

    1. Echimique=Wρ=1200,24=500E_{\text{chimique}} = \frac{W}{\rho} = \frac{120}{0{,}24} = 500 kJ. Chaleur =500−120=380= 500 - 120 = 380 kJ (soit 76 % de l'énergie consommée).

    2. nglucose=5002840=0,176n_{\text{glucose}} = \frac{500}{2840} = 0{,}176 mol ; m=0,176×180≈31,7m = 0{,}176 \times 180 \approx 31{,}7 g.

    3. nATP=36×0,176=6,34n_{\text{ATP}} = 36 \times 0{,}176 = 6{,}34 mol. Énergie stockée : 6,34×30,5≈193,36{,}34 \times 30{,}5 \approx 193{,}3 kJ (calcul fait avec nglucosen_{\text{glucose}} non arrondi). Rendement de la formation de l'ATP\text{ATP} : 193,3500=0,387\frac{193{,}3}{500} = 0{,}387, soit 38,7 %.

    4. Fraction de l'énergie de l'ATP\text{ATP} transformée en travail : 120193,3=0,62\frac{120}{193{,}3} = 0{,}62, soit environ 62 %. Les pertes ont donc deux origines : 500−193,3=306,7500 - 193{,}3 = 306{,}7 kJ perdus lors de la formation de l'ATP\text{ATP} (oxydation du glucose) et 193,3−120=73,3193{,}3 - 120 = 73{,}3 kJ perdus lors de l'utilisation de l'ATP\text{ATP} par les muscles. Au total, 306,7+73,3=380306{,}7 + 73{,}3 = 380 kJ de chaleur, valeur trouvée à la question 1.

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    Exercice 5 : Chaleur initiale et chaleur retardée

    Moyen

    On stimule un muscle isolé de grenouille par une courte série de secousses et on mesure la chaleur dégagée grâce à un thermocouple. Dans chaque expérience, la teneur en PCr\text{PCr} avant la stimulation est de 20 mmol/kg et elle tombe à 8 mmol/kg juste après la contraction. Les chaleurs sont données en unités arbitraires (u.a.).

    ConditionChaleur initiale (u.a.)Chaleur retardée (u.a.)PCr\text{PCr} en fin de récupération (mmol/kg)
    1. Muscle dans l'air1009620
    2. Muscle dans l'azote (sans O2\text{O}_2)10008
    3. Muscle de la condition 2, remis ensuite dans l'airnon mesurée9419
    1. Compare les chaleurs dégagées dans les conditions 1 et 2.
    2. Définis la chaleur initiale et la chaleur retardée et indique leur origine.
    3. Établis la relation entre dioxygène, chaleur retardée et teneur en PCr\text{PCr}.
    Voir le corrigé

    1. La chaleur initiale est la même dans l'air et dans l'azote (100 u.a.). La chaleur retardée vaut 96 u.a. dans l'air, soit environ 96 % de la chaleur initiale, mais elle est nulle dans l'azote.

    2. La chaleur initiale est dégagée pendant la contraction et le relâchement : elle provient de l'hydrolyse de l'ATP\text{ATP} et des réactions anaérobies qui le régénèrent (dont la dégradation de la PCr\text{PCr}) ; elle ne nécessite pas de dioxygène. La chaleur retardée apparaît dans les minutes qui suivent la contraction : elle provient des oxydations (respiration) qui reconstituent les réserves du muscle ; elle nécessite du dioxygène.

    3. Dans l'air, la PCr\text{PCr} est reconstituée (de 8 à 20 mmol/kg) et de la chaleur retardée est dégagée. Dans l'azote, la PCr\text{PCr} reste basse (8 mmol/kg) et il n'y a pas de chaleur retardée. Quand le dioxygène est rendu au muscle (condition 3), la chaleur retardée apparaît (94 u.a.) et la PCr\text{PCr} remonte à 19 mmol/kg. La reconstitution de la PCr\text{PCr} se fait donc grâce à de l'ATP\text{ATP} produit par la respiration, qui exige du dioxygène et dégage de la chaleur.

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    Exercice 6 : Quelles voies régénèrent l'ATP ?

    Difficile

    On stimule des muscles isolés de grenouille, placés sans dioxygène, jusqu'à ce qu'ils ne se contractent plus (épuisement). On compte les secousses effectuées et on dose les substances dans le muscle avant et après (en mmol/kg de muscle). Les muscles sont traités par l'iodoacétate (qui bloque la glycolyse) et/ou par une substance qui bloque l'enzyme créatine kinase (transfert du phosphate de la PCr\text{PCr} à l'ADP\text{ADP}).

    ConditionSecousses avant épuisementATP\text{ATP} (avant puis après)PCr\text{PCr} (avant puis après)Lactate (avant puis après)
    A. Muscle témoin1395,0 puis 0,2520 puis 11 puis 12
    B. Iodoacétate955,0 puis 0,2520 puis 11 puis 1
    C. Iodoacétate et blocage de la créatine kinase195,0 puis 0,2520 puis 201 puis 1

    Les dosages sont faits avant la stimulation et au moment de l'épuisement. On admet que chaque secousse consomme la même quantité d'ATP\text{ATP}, et que la formation d'une mole de lactate correspond à la formation d'une mole d'ATP\text{ATP}.

    1. Calcule la quantité d'ATP\text{ATP} consommée par secousse dans la condition C. Que montre cette condition sur le stock d'ATP\text{ATP} ?
    2. Dans la condition B, d'où vient l'ATP\text{ATP} utilisé ? Vérifie par le calcul.
    3. Dans la condition A, détermine, parmi l'ATP\text{ATP} régénéré, la part fournie par la PCr\text{PCr} et celle fournie par la fermentation lactique.
    4. Pourquoi ces expériences sont-elles réalisées sans dioxygène ? Quelle voie manque pour une activité prolongée ?
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    1. Dans C, aucune voie de régénération n'est disponible (glycolyse et créatine kinase bloquées, pas de dioxygène) : le muscle n'utilise que son stock d'ATP\text{ATP}, qui passe de 5,0 à 0,25, soit 5,0−0,25=4,755{,}0 - 0{,}25 = 4{,}75 mmol/kg consommés en 19 secousses. Chaque secousse consomme 4,7519=0,25\frac{4{,}75}{19} = 0{,}25 mmol/kg d'ATP\text{ATP}. Le stock d'ATP\text{ATP} ne permet que 19 secousses : il est très faible et doit être régénéré.

    2. En B, la glycolyse est bloquée (le lactate n'augmente pas) et la PCr\text{PCr} passe de 20 à 1, soit 19 mmol/kg consommés. La réaction PCr+ADP→Cr+ATP\text{PCr} + \text{ADP} \rightarrow \text{Cr} + \text{ATP} donne 1 ATP\text{ATP} par PCr\text{PCr} : 19 mmol/kg d'ATP\text{ATP} sont régénérés. Les 95 secousses consomment 95×0,25=23,7595 \times 0{,}25 = 23{,}75 mmol/kg d'ATP\text{ATP}. Or 23,75=19+4,7523{,}75 = 19 + 4{,}75 : l'ATP\text{ATP} utilisé vient de la PCr\text{PCr} (19 mmol/kg) et du stock d'ATP\text{ATP}, qui passe de 5,0 à 0,25 (4,75 mmol/kg, comme en C). La PCr\text{PCr} permet donc 190,25=76\frac{19}{0{,}25} = 76 secousses de plus qu'en C (95−19=7695 - 19 = 76).

    3. En A, 139 secousses consomment 139×0,25=34,75139 \times 0{,}25 = 34{,}75 mmol/kg d'ATP\text{ATP}. Le stock d'ATP\text{ATP} en fournit 4,75 (de 5,0 à 0,25) ; le reste, 34,75−4,75=3034{,}75 - 4{,}75 = 30 mmol/kg, est régénéré. La PCr\text{PCr} en fournit 19 (de 20 à 1). Le lactate augmente de 12−1=1112 - 1 = 11 mmol/kg, ce qui correspond à 11 mmol/kg d'ATP\text{ATP}. Vérification : 19+11=3019 + 11 = 30. Part de la PCr\text{PCr} dans l'ATP\text{ATP} régénéré : 1930=63 %\frac{19}{30} = 63\ \% ; part de la fermentation lactique : 1130=37 %\frac{11}{30} = 37\ \%. Le muscle témoin se contracte plus longtemps (139 secousses contre 95) grâce à la fermentation lactique : 110,25=44\frac{11}{0{,}25} = 44 secousses de plus, soit bien 139−95=44139 - 95 = 44.

    4. Les expériences sans dioxygène permettent d'isoler les voies anaérobies (phosphocréatine et fermentation lactique) en excluant la respiration. Les stocks de PCr\text{PCr} et de glycogène étant limités et le lactate s'accumulant, ces voies ne permettent qu'un effort de durée limitée (épuisement après 139 secousses). C'est la respiration, qui exige du dioxygène, qui permet une activité prolongée, par une oxydation complète des nutriments.

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    Exercice 7 : Effort et consommation de dioxygène

    Type Bac

    Un sportif pédale à puissance constante de la minute 0 à la minute 10, puis se repose. On mesure sa consommation de dioxygène et sa concentration sanguine en lactate.

    Temps (min)012346810
    O2\text{O}_2 consommé (L/min)0,31,52,42,83,03,03,03,0
    Lactate (mmol/L)1,02,23,54,04,23,83,43,0
    Temps (min)1112131415161820
    O2\text{O}_2 consommé (L/min)1,81,20,90,70,550,450,350,30
    Lactate (mmol/L)2,92,62,32,01,81,61,21,0
    1. Décris l'évolution de la consommation de dioxygène pendant l'effort, puis après l'effort.
    2. Explique pourquoi la consommation de dioxygène n'atteint son plateau qu'à la 4e minute alors que l'effort est constant. Quelles voies assurent la régénération de l'ATP\text{ATP} au début ? Appuie-toi sur le lactate.
    3. Calcule, par la méthode des trapèzes, le volume de dioxygène manquant pendant les 4 premières minutes (par rapport au plateau de 3,0 L/min) et le volume de dioxygène consommé en excès de la minute 10 à la minute 20 (par rapport à la valeur de repos de 0,3 L/min).
    4. Explique l'origine de la consommation de dioxygène après l'effort et la lente diminution du lactate.
    Voir le corrigé

    1. Pendant l'effort, la consommation de dioxygène passe de 0,3 L/min au repos à un plateau de 3,0 L/min atteint à la 4e minute (1,5 L/min à 1 min, 2,4 à 2 min, 2,8 à 3 min) puis stable jusqu'à la 10e minute. Après l'arrêt de l'effort, elle diminue rapidement (1,8 L/min à 11 min) puis plus lentement et ne retrouve la valeur de repos (0,3 L/min) qu'à la 20e minute.

    2. À puissance constante, les besoins en ATP\text{ATP} sont constants dès le début, mais la respiration met quelques minutes à augmenter (le cœur, la respiration et la circulation doivent s'adapter, et la fourniture de dioxygène aux mitochondries est progressive). Pendant ce délai, l'ATP\text{ATP} est fourni par les voies anaérobies : la PCr\text{PCr} (immédiate) et la fermentation lactique. Cela se voit à la montée du lactate (de 1,0 à 4,2 mmol/L entre 0 et 4 min). Ensuite, la respiration assure l'essentiel de l'ATP\text{ATP} et le lactate cesse d'augmenter puis diminue (de 4,2 à 3,0 mmol/L entre 4 et 10 min), car il n'est plus formé en excès.

    3. Déficit : le dioxygène manquant par rapport au plateau vaut 3,0−V3{,}0 - V : 2,7 ; 1,5 ; 0,6 ; 0,2 ; 0 L/min aux minutes 0 à 4. Par la méthode des trapèzes : 2,7+1,52+1,5+0,62+0,6+0,22+0,2+02=2,1+1,05+0,4+0,1=3,65\frac{2{,}7 + 1{,}5}{2} + \frac{1{,}5 + 0{,}6}{2} + \frac{0{,}6 + 0{,}2}{2} + \frac{0{,}2 + 0}{2} = 2{,}1 + 1{,}05 + 0{,}4 + 0{,}1 = 3{,}65 L, soit environ 3,7 L. Excès après l'effort : V−0,3V - 0{,}3 vaut 2,7 ; 1,5 ; 0,9 ; 0,6 ; 0,4 ; 0,25 ; 0,15 ; 0,05 ; 0 L/min aux minutes 10 ; 11 ; 12 ; 13 ; 14 ; 15 ; 16 ; 18 ; 20. Trapèzes : 2,1+1,2+0,75+0,5+0,325+0,2+0,2+0,05=5,3252{,}1 + 1{,}2 + 0{,}75 + 0{,}5 + 0{,}325 + 0{,}2 + 0{,}2 + 0{,}05 = 5{,}325 L, soit environ 5,3 L.

    4. Après l'effort, la respiration continue de produire de l'ATP\text{ATP} en excès pour reconstituer les réserves du muscle : PCr\text{PCr} (comme dans l'exercice 5) et ATP\text{ATP}, et pour éliminer une partie du lactate. C'est la dette en dioxygène. Elle est ici plus grande (5,3 L) que le déficit initial (3,7 L) car la récupération mobilise plus que la seule reconstitution des réserves (le cœur, la respiration et la température restent élevés un certain temps). Le lactate diminue lentement car son élimination (oxydation, transformation) est un processus lent qui dépend de la respiration.

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    Exercice 8 : Le glissement des filaments et ses preuves

    Type Bac

    Document 1. Mesures au microscope électronique d'un même muscle dans trois états.

    ÉtatSarcomère (µm)Bande A (µm)Bande I (µm)Zone H (µm)
    Étiré3,01,51,51,0
    Repos2,51,51,00,5
    Contracté2,01,50,50

    Document 2. On mesure la tension maximale développée (en % de la tension maximale) par un muscle maintenu à différentes longueurs de sarcomère. On admet que, pour des longueurs comprises entre 2,0 et 3,5 µm, la longueur de recouvrement entre filaments fins et épais est égale à 3,5−L3{,}5 - L (en µm), où LL est la longueur du sarcomère.

    Longueur du sarcomère (µm)3,53,02,52,0
    Tension développée (% du maximum)03367100

    Document 3. On mesure l'activité ATPasique (en unités arbitraires) de mélanges de protéines musculaires purifiées, en présence d'ATP\text{ATP} et de Mg2+\text{Mg}^{2+}.

    MélangeCa2+\text{Ca}^{2+}Activité ATPasique (u.a.)
    Myosine seuleabsent5
    Myosine et actineabsent60
    Myosine, actine, tropomyosine et troponinetrès faible6
    Myosine, actine, tropomyosine et troponineélevé58
    1. Exploite le document 1 : qu'est-ce qui varie, qu'est-ce qui reste constant ? Quel modèle en déduis-tu ?
    2. Exploite le document 2 : calcule le recouvrement et mets-le en relation avec la tension. Propose une explication.
    3. Exploite le document 3 : quelles protéines et quel ion contrôlent l'activité ATPasique de la myosine ?
    4. À l'aide des trois documents et de tes connaissances, explique le mécanisme de la contraction musculaire.
    Voir le corrigé

    1. La longueur du sarcomère varie de 3,0 µm (étiré) à 2,0 µm (contracté). La bande A reste constante (1,5 µm), tandis que la bande I (de 1,5 à 0,5 µm) et la zone H (de 1,0 à 0) diminuent au fur et à mesure que le sarcomère raccourcit. Les filaments épais (bande A) gardent donc la même longueur et les filaments fins ne raccourcissent pas : le raccourcissement résulte du glissement des filaments fins entre les filaments épais.

    2. Recouvrement =3,5−L= 3{,}5 - L : 0 µm à 3,5 µm ; 0,5 µm à 3,0 µm ; 1,0 µm à 2,5 µm ; 1,5 µm à 2,0 µm. La tension augmente avec le recouvrement : 0 %, 33 %, 67 %, 100 % pour 0 ; 0,5 ; 1,0 ; 1,5 µm. Le rapport tension sur recouvrement est constant (330,5≈671,0≈1001,5≈67\frac{33}{0{,}5} \approx \frac{67}{1{,}0} \approx \frac{100}{1{,}5} \approx 67 % par µm) : la tension est proportionnelle au recouvrement. Explication : la force est produite par les ponts d'union entre les têtes de myosine (filaments épais) et l'actine (filaments fins). Plus la zone de recouvrement est grande, plus le nombre de têtes de myosine pouvant se fixer sur l'actine est élevé, donc plus la tension est grande. Sans recouvrement (3,5 µm), aucun pont ne peut se former et la tension est nulle.

    3. La myosine seule a une faible activité ATPasique (5 u.a.), fortement augmentée par l'actine (60 u.a.) : l'actine active l'ATPase de la myosine (les têtes de myosine, qui hydrolysent l'ATP\text{ATP}, interagissent avec l'actine). En présence de tropomyosine et de troponine, l'activité est faible (6 u.a.) quand le Ca2+\text{Ca}^{2+} est très faible et revient à 58 u.a. quand le Ca2+\text{Ca}^{2+} est élevé. La tropomyosine et la troponine bloquent donc l'interaction actine-myosine en l'absence de Ca2+\text{Ca}^{2+}, et le Ca2+\text{Ca}^{2+} lève ce blocage.

    4. Au repos, la tropomyosine bloque les sites de fixation de la myosine sur l'actine. Un potentiel d'action libère du Ca2+\text{Ca}^{2+} du réticulum sarcoplasmique ; le Ca2+\text{Ca}^{2+} se fixe sur la troponine, ce qui déplace la tropomyosine et découvre les sites (document 3). Les têtes de myosine, chargées d'ADP\text{ADP} et de Pi\text{P}_i, se fixent sur l'actine (ponts d'union, plus nombreux quand le recouvrement est grand, document 2), puis pivotent : les filaments fins glissent vers le centre du sarcomère, qui raccourcit (document 1). La fixation d'une nouvelle molécule d'ATP\text{ATP} détache la tête, l'ATP\text{ATP} est hydrolysé par l'ATPase de la myosine et la tête est réarmée : un nouveau cycle commence tant que le Ca2+\text{Ca}^{2+} est présent. À l'arrêt de la stimulation, le Ca2+\text{Ca}^{2+} est ramené dans le réticulum, les sites sont à nouveau masqués et le muscle se relâche.

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    QCM

    Question 1.Quelle structure délimite un sarcomère ?
    Question 2.Lors de la contraction d'un sarcomère, quelle longueur reste constante ?
    Question 3.Quel est le rôle du Ca2+\text{Ca}^{2+} dans la contraction ?
    Question 4.Quel événement provoque le détachement de la tête de myosine de l'actine ?
    Question 5.Pourquoi un muscle devient-il rigide après la mort (rigidité cadavérique) ?
    Question 6.Un muscle consomme 500 kJ d'énergie chimique avec un rendement de 25 %. Quelle quantité de chaleur dégage-t-il ?
    Question 7.Quelle voie régénère l'ATP\text{ATP} le plus rapidement au début d'un effort bref et intense ?
    Question 8.Que caractérise la chaleur retardée du muscle ?

    Erreurs fréquentes

    • Dire que les filaments raccourcissent. Les filaments gardent leur longueur ; ce sont les filaments fins qui glissent entre les filaments épais, d'où la bande A constante et la bande I qui diminue.
    • Attribuer au Ca2+\text{Ca}^{2+} l'énergie de la contraction. Le Ca2+\text{Ca}^{2+} déclenche la contraction (il découvre les sites d'actine) ; l'énergie vient de l'hydrolyse de l'ATP\text{ATP}.
    • Oublier le second rôle de l'ATP\text{ATP}. L'ATP\text{ATP} ne sert pas qu'à fournir l'énergie : sa fixation détache la tête de myosine de l'actine.
    • Expliquer la rigidité cadavérique par un excès d'ATP\text{ATP}. C'est l'absence d'ATP\text{ATP} qui laisse les têtes de myosine accrochées à l'actine.
    • Confondre chaleur initiale et chaleur retardée. La chaleur initiale accompagne la contraction et ne demande pas de dioxygène ; la chaleur retardée suit la contraction et exige du dioxygène.
    • Dire que la phosphocréatine fournit l'énergie directement aux myofilaments. Elle régénère l'ATP\text{ATP} en lui transférant un phosphate ; seul l'ATP\text{ATP} est utilisé par la myosine.
    • Croire que la fermentation lactique produit beaucoup d'ATP\text{ATP}. Elle n'en forme que 2 par glucose : elle est rapide mais peu rentable, et le lactate acidifie le muscle.
    • Inverser le calcul du rendement. Le rendement est le travail divisé par l'énergie consommée ; la chaleur est la différence entre l'énergie consommée et le travail.

    À retenir

    • Le muscle strié squelettique convertit l'énergie chimique (ATP\text{ATP}) en travail mécanique et en chaleur ; son rendement est de l'ordre de 25 %.
    • Le sarcomère, entre deux stries Z, est l'unité contractile ; il contient des filaments fins (actine, tropomyosine, troponine) et des filaments épais (myosine).
    • À la contraction, la bande A reste constante, la bande I et la zone H diminuent : les filaments fins glissent entre les filaments épais.
    • Le Ca2+\text{Ca}^{2+}, libéré par le réticulum sarcoplasmique, se fixe sur la troponine et découvre les sites de fixation de la myosine ; les têtes de myosine forment des ponts d'union avec l'actine.
    • L'ATP\text{ATP} est nécessaire pour détacher les têtes de myosine, puis son hydrolyse par l'ATPase de la myosine réarme la tête ; sans ATP\text{ATP}, c'est la rigidité cadavérique.
    • Le relâchement exige de l'ATP\text{ATP} : les pompes à Ca2+\text{Ca}^{2+} ramènent le Ca2+\text{Ca}^{2+} dans le réticulum sarcoplasmique.
    • Chaleur initiale : pendant la contraction, sans dioxygène. Chaleur retardée : après la contraction, avec dioxygène (oxydations de récupération).
    • Le stock d'ATP\text{ATP} est faible ; il est régénéré par la phosphocréatine (immédiate), la fermentation lactique (rapide, 2 ATP\text{ATP} par glucose) et la respiration (lente, 36 à 38 ATP\text{ATP} par glucose).
    • Après un effort, la consommation de dioxygène reste élevée (dette en dioxygène) pour reconstituer les réserves et éliminer le lactate.

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