TP26 ATP contraction musculaire MP2022

Origine de l'ATP nécessaire à la contraction musculaire

TP26

INDEX

L'objectif du TP

Déterminer comment l'ATP est produit

Organite et substrat de la respiration cellulaire

Les étapes de la respiration cellulaire et de la fermentation lactique

L'objectif du TP

L'ATP

L’Adénosine TriPhosphate (ATP) fournit aux cellules musculaires l’énergie nécessaire à leur contraction. Plus généralement, l’ATP est un intermédiaire nécessaire à l’ensemble des réactions du métabolisme des cellules : l’organisme consommerait 45 kg d’ATP par jour mais il n’est pas stocké ; il doit donc être renouvelé en permanence.

Énergie utilisée par la cellule (réactions chimiques, mouvement ...)

Renouvellement grâce à l'énergie fournie par la respiration et la fermentation

On cherche à connaître les mécanismes cellulaires de la respiration et de la fermentation permettant de régénérer de l'ATP

Respiration, fermentation, deux voies métaboliques de la production d' ATP

Consommation et régénrération de l'ATP au cours d'une activité musculaire

Identifier les réserves énergétiques des cellules musculaires nécessaires à la production d'ATP.

L'ATP, une molecule à régénérer

Chez les végétaux chlorophylliens, l'ATP est synthétisé au cours de la phase claire de la photosynthèse. Chez les animaux, la consommation de l’ATP est continue malgré sa concentration intercellulaire qui est faible : cela nécessite donc une régénération permanente de l'ATP.

C’est l’énergie produite par la dégradation de métabolites organiques qui permet cette synthèse.

L’expérimentation étant difficile sur des fibres musculaires humaines, on peut, dans une première approche, utiliser des levures comme modèle pour une étude de métabolisme énergétique à l’échelle cellulaire. Les levures sont des eucaryotes unicellulaires qui se multiplient activement par bourgeonnement, à condition d’être cultivés dans un milieu contenant des substances nutritives (glucose).

Comment les cellules hétérotrophes, comme les cellules musculaires ou les levures, assurent-elles la production d'ATP ?

Une levure est un champignon unicellulaire apte à provoquer la fermentation des matières organiques animales ou végétales. Les levures sont employées pour la fabrication du vin, de la bière, des alcools industriels, des pâtes levées, des antibiotiques et d'exhausteurs de goût.

MISE EN EVIDENCE DES REACTIONS DE PRODUCTION D'ENERGIE CHEZ LES LEVURES

PROTOCOLE EXAO

PREPARATION DE L'EXPERIENCE

1. Faire le paramétrage de l’expérience en plaçant correctement les icônes sur le graphique et en choisissant une durée d’acquisition de 20 minutes en cliquant sur l’icône« Temps » sur l’axe des abscisses.

2. Remplir la cuve du bioréacteur au 3/4 avec la solution de levures affamées de façon à ce que cela déborde une fois le couvercle positionné (pour éviter une interface d’air).

3. Positionner les 3 sondes (O2 ; CO2 et éthanol) sur le couvercle du bioréacteur. Positionner de préférence la sonde éthanol au centre car elle est moins sensible à l’agitation.

NB : Les sondes ne doivent pas toucher le fond de la cuve du bioréacteur !

4. Fermer les trous « non utilisés » grâce aux bouchons prévus à cet effet.

5. Préparer une seringue de 1mL de glucose

6. Brancher le bioréacteur et lancer l'agitation.

PROTOCOLE EXAO (SUITE)

ACQUISITION DES MESURES

1. Lancer la mesure en cliquant sur le feu vert.

2. Après 2 minutes, procéder à une injection de 1 mL de glucose par le petit orifice prévu à cet effet sur le bioréacteur.

N.B. : La quantité de glucose à injecter dépend de la qualité et de la quantité de levure présente dans l’enceinte. Après une première injection de 1ml, si le changement de pente n’est pas significatif, il ne faut pas hésiter à ajouter davantage de glucose.

3. Mettre un repère sur l'axe des temps, en appuyant sur la barre d’espace afin de marquer l’injection.

4. Observer les variations de la concentration des gaz dans le bioréacteur où se trouvent les levures et commencer à expliquer ces résultats.

5. Attendre la fin de l’expérience. L’enregistrement des paramètres mesurés s’arrête de lui-même. Appelez votre professeur pour vérifier vos résultats et obtenir si besoin un document de secours

6. Titrer et légender votre graphique en utilisant les fonctionnalités du logiciel.

7. Imprimer vos résultats. 8. Révéler la présence ou non du glucose en fin d’expérience en utilisant les glucotests.

Résultats obtenus sur une culture de levures en présence de glucose

La respiration cellulaire et la fermentation alcoolique sont les voies métaboliques utilisées par les levures.

Exploiter les résultats obtenus lors d'une expérience ExAO et avec le document associé, caractériser les deux voies métaboliques de régénération de l'ATP utilisées par les levures.

Glucose et éthanol

Question:

donner les équations équilibrées de la respiration cellulaire et de la fermentation.

Glucose : C6H1206

Éthanol C2H5OH

molécule de glucose

molécule d'éthanol

Organite etsubstrat de la respiration cellulaire

(A) Levures cultivées en milieu anaérobie (en absence de dioxygène) et (B) en milieu aérobie (avec dioxygène)

Rechercher des arguments qui permettent de dire que les mitochondries sont les organites de la respiration cellulaire.

Des levures déficientes en mitochondries

Rechercher des arguments qui permettent de dire que les mitochondries sont les organites de la respiration cellulaire.

Portion de cytoplasme d'une fibre musculaire

Rechercher des arguments qui permettent de dire que les mitochondries sont les organites de la respiration cellulaire.

Les effets de l'entrainnement

Rechercher des arguments qui permettent de dire que les mitochondries sont les organises de la respiration cellulaire.

Pour les humains, on observe le même phénomène ! Pour être performant, il faut s'entraîner !

La fermentation lactique

Les cellules musculaires peuvent utiliser deux voies métaboliques différentes : la respiration en conditions aérobies et la fermentation lactique en conditions anaérobies.
La fermentation lactique est la transformation de glucose (un sucre) en acide lactique. Une molécule de glucose peut être transformée en deux molécules d’acide lactique. Cette transformation permet de libérer un peu d’énergie, par exemple pour la contraction musculaire, sans que l’on ait besoin d’oxygène. On parle alors de voie métabolique anaérobie.
Chez l’humain, la transformation de glucose en acide lactique se produit dans les cellules musculaires durant des efforts physiques de type sprint (par exemple un 800 mètres), quand la contraction intense des muscles nécessite beaucoup d’énergie. Cette dépense d’énergie a néanmoins un prix. L’accumulation de l’acide lactique induit en effet une fatigue musculaire qui limite la durée de tels efforts.

Caractériser les deux voies métaboliques utilisées par les cellules musculaires.

Vers les ECE

Expérience ExAO sur des mitochondries isolées

Le glucose :

Le pyruvate ou l'acide pyruvique :

Résultats obtenus

Le pyruvate ou l'acide pyruvique:

Les étapes de la respiration cellulaire et de la fermentation lactique

Les cellules musculaires peuvent utiliser deux voies métaboliques différentes: la respiration en conditions aérobies et la fermentation lactique en conditions anaérobies.

La fermentation lactique est la transformation de glucose (un sucre) en acide lactique. Une molécule de glucose peut être transformée en deux molécules d’acide lactique. Cette transformation permet de libérer un peu d’énergie, par exemple pour la contraction musculaire, sans que l’on ait besoin d’oxygène. On parle alors de voie métabolique anaérobie.

Chez l’humain, la transformation de glucose en acide lactique se produit dans les cellules musculaires durant des efforts physiques de type sprint (par exemple un 800 mètres), quand la contraction intense des muscles nécessite beaucoup d’énergie. Cette dépense d’énergie a néanmoins un prix. L’accumulation de l’acide lactique induit en effet une fatigue musculaire qui limite la durée de tels efforts.

Schéma BILAN à compléter

À partir de l'exploitation des diapositives suivantes, compléter ce schéma bilan (dernière page du TP24).

La respiration cellulaire se déroule en plusieurs étapes:

la glycolyse dans le hyaloplasme

le cycle de Kreps dans la mitochondrie

1ère étape: la glycolyse

Compléter votre schéma bilan fascicule page 33: la glycolyse

2nde étape: le cycle de Krebs

Compléter votre schéma bilan fascicule page 33: le cycle de Krebs dans la matrice mitochondriale

Du CO2 est produit et libéré hors de la mitochondrie: c'est un déchet de la respiration cellulaire.

Localisation d'une synthèse d'ATP

À partir des années 1960, il a été possible d’isoler des particules submitochondriales (avec ou sans sphères pédonculées) à partir de la membrane interne des mitochondries. Différentes expériences ont permis de comprendre où se fait la synthèse de l’ATP.

Exploiter cette expérience pour connaître le rôle des sphères pédonculées: ce sont des ATP synthétases

Des réactions d'oxydoréduction associées à la production d'ATP

Lors de la production d’ATP dans les mitochondries, des composés réduits NADH, H+ ainsi que du dioxygène sont nécessaires à cette production.

Le rôle des protons lors de la formation d'ATP.

Les composés NADH, H+ produits lors du cycle de Krebs cèdent leurs protons H+ et les stockent dans l'espace intermembranaire de la mitochondrie; il se crée alors un gradient de protons correspondant à de l'énergie.

Ces protons en ressortant de cet espace et en passant pas l'ATPsynthétase permettent la production d' ATP

Compléter votre schéma bilan fascicule page 33: Accumulation de protons cédés par le NADH , H+ et sortie de ces protons par l'ATP synthétase.

Lors de cette sortie, les ions H+ s'associent au dioxygène consommé par respiration pour produire de l'eau.

Une vidéo pour vous autocorriger

L'acide pyruvique, une molécule commune à deux voies métaboliques

Compléter votre schéma bilan sur la fermentation lactique.

Ouf !

Mission accomplie !

TP26 ATP contraction musculaire MP2022

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