Cours de SVTHEEB Premiere D – Quelques aspects du métabolisme chez l’homme

Objectifs :
• Déterminer la nature et l’origine des métabolites utilisés par les cellules
• Expliquer le rôle du foie dans la régulation du métabolisme du glucose
• Expliquer les trois voies de régénération de l’ATP musculaire
• Expliquer la conversion de l’énergie chimique stockée dans l’ATP en énergie mécanique lors de la contraction du muscle.

I. Nature et origine des métabolites cellulaires
a) Quelques définitions
• Un stimulus dans le domaine de la physiologie et de la biologie, est un événement de nature à déterminer une excitation détectable par une réaction chez un organisme vivant.
• Le métabolisme est l’ensemble des réactions chimiques qui se déroulent à l’intérieur d’un être vivant pour lui permettre notamment de se maintenir en vie, de se reproduire, de se développer et de répondre aux stimuli de son environnement.
Certaines de ces réactions chimiques se déroulent en dehors des cellules de l’organisme, comme la digestion ou le transport de substances entre cellules. Cependant, la plupart de ces réactions ont lieu dans les cellules elles-mêmes et constituent le métabolisme intermédiaire
• Un métabolite est un composé organique intermédiaire ou issu du métabolisme.
On réserve ce terme en général aux petites molécules et aux monomères, par opposition aux macromolécules. Ainsi, le glucose est un métabolite, contrairement au glycogène, qui est un polysaccharide de poids moléculaire très élevé.
b) La nature des métabolites cellulaires
Les métabolites dont l’énergie peut être transférée aux molécules d’ATP sont essentiellement le glucose, les acides gras et les acides aminés, les triglycérides. Ces métabolites sont présents dans le sang à des teneurs variables. Tous les organes ne présentent pas les mêmes exigences métaboliques. Cependant, le glucose est un métabolite utilisable par toutes les cellules ; certaines cellules l’utilise comme unique métabolite (cerveau, hématies, cellules nerveuses)
c) Origines des métabolites
La plupart des métabolites proviennent des aliments. Mais il existe aussi des métabolites qui proviennent de la dégradation des corps organiques de l’organisme ou des synthèses par l’organisme à partir d’autres molécules organiques (néoglucogenèse)
d) Organes de stockage des métabolites
Le faible taux de métabolites dans le sang est en contradiction avec leur utilisation permanente. La glycémie (taux de glucose dans le sang) par exemple a une valeur moyenne normale située entre 0.8 et 1 g/l. Cette valeur est relativement stable malgré les apports alimentaires discontinus et une consommation qui varie assez en fonction de l’activité physique. La faible quantité de ce métabolite dans le sang s’expliquerai par le fait que, Les apports alimentaires étant irréguliers, ceux-ci sont mis en réserve dans les organes qui pourront les restituer au fur et à mesure que les besoins se feront sentir.
• Les lipides qui constituent la réserve énergétique la plus importante, sont stockés dans les tissus adipeux sous forme de triglycérides.
• Le glucose est stocké sous forme de glycogène dans le foie et dans les muscles.
• Les protéines ; notamment celle des muscles, constituent une réserve énergétique utilisée en cas de jeun prolongé. Ce qui entraine la fonte musculaire

II. La fonction régulatrice du foie dans le métabolisme du glucose
a) Expérience de l’ablation du foie
Un chien ayant subi l’ablation du foie présente des troubles divers tels que l’illustre le graphique. La perfusion d’une solution glucosée pratiquée lorsque l’animal est déjà dans le coma, permet un rétablissement spectaculaire. Le coma étant dû à une absence d’alimentation en glucose des cellules nerveuses, nous pouvons conclure que le foie est indispensable pour le ravitaillement des cellules de l’organisme en glucose.
b) Expérience du « foie lavé » de Claude Bernard, 1855 et dosages de la glycémie dans les veines porte et sus-hépatique
Cette expérience fut réalisée en 1855 et Claude Bernard l’a décrit en ces termes : « J’ai choisi un chien adulte, vigoureux et bien portant qui depuis plusieurs jours, était nourri de viande ; je le sacrifiai 7 heures après un repas copieux de tripes. Aussitôt, le foie fut enlevé, et cet organe fut soumis à un lavage continu par la veine porte… Je laissai ce foie soumis à ce lavage continu pendant quarante minutes ; j’avais constaté au début de l’expérience que l’eau colorée en rouge qui jaillissait par les veines hépatiques était sucrée; je constatai en fin d’expérience que l’eau, parfaitement incolore qui sortait, ne renfermait plus aucune trace de sucre… J’abandonnai dans un vase ce foie à température ambiante et, revenu 24 heures après, je constatai que cet organe que j’avais laissé la veille complètement vide de sucre s’en trouvait pourvu très abondamment ».
Expérience de Claude Bernard
Claude Bernard conclut qu’il existe dans le foie frais, deux substances :
• Un sucre très soluble dans l’eau: le glucose qui est emporté par lavage;
• Un sucre peu soluble, qui se changeait peu à peu en glucose : il appelle cette substance « la matière glycogène ».
Le tableau ci-dessous montre les variations de la glycémie à l’entrée et à la sortie du foie après un repas et après un jeun prolongé.

Conclusion
Les expériences de Claude Bernard et les dosages sanguins montrent que :
• Lorsque la glycémie est au dessus de la valeur moyenne (hyperglycémie), le foie stocke le glucose sous forme de glycogène : c’est la glycogénogenèse.
\(\displaystyle \underset{n(C_6H_{12}O_6)}{Glucoses}\) \(\displaystyle \overset{glycogène synthétase}{\rightarrow}\) \(\displaystyle \underset{\left ( C_6H_{10}O_5 \right )_n}{Glycogène}\) \(\displaystyle +nH_2O\)
• Lorsque la glycémie est en dessous de la valeur moyenne (hypoglycémie), le foie libère le glucose dans le sang en hydrolysant son glycogène. C’est la glycogénolyse.
\(\overset{Glucose}{n(C_6H_{12}O_6)}+nH_2O\) \(\overset{Glucose 6 phosphatase}{\rightarrow}\) \(\displaystyle \underset{n(C_6H_{12}O_6)}{Glucoses}\)
NB : La glycogénolyse est catalysée par une enzyme appelée glucose phosphatase produite uniquement par le foie.
En cas de jeûne prolongé, les réserves glucidiques deviennent insuffisantes pour faire face aux besoins ; Le foie synthétise le glucose à partir des substances non glucidiques (le glycérol, les acides aminés, l’acide lactique) : c’est la néoglucogenèse ou gluconéogenèse

III. Les voies de régénération de l’ATP musculaire
1) La voie anaérobie alactique
Ce processus intervient pendant des contractions brèves (de l’ordre de quelques secondes). Des expériences montrent que le taux d’ATP reste constant après une contraction de courte durée. Ceci signifie qu’il existe un processus immédiat de régénération de l’ATP. Il ne nécessite pas de dioxygène et se réalise sans formation d’acide lactique.
Cette voie utilise une molécule plus énergétique que l’ATP appelée phosphocréatine. Son hydrolyse libère 43 Kj/mol en présence de l’enzyme appelée créatine kinase. Cette réaction est couplée à la synthèse d’ATP d’où l’équation.
Phosphocréatine \(\rightarrow\) créatine + Pi + 43 kJ
ADP + Pi + 43 kJ \(\rightarrow\) ATP
Soit : Phosphocréatine + ADP \(\rightarrow\) créatine + ATP
Dans le muscle, les réserves de phosphocréatine sont très limitées. Elles sont reconstituées en utilisant l’ATP pendant la phase de récupération qui suit la contraction musculaire.
2) La voie anaérobie lactique
Cette voie intervient pendant des contractions de durée supérieure à la précédente. C’est la voie de la fermentation lactique ; elle limitée dans le temps car l’accumulation de l’acide lactique provoque la fatigue musculaire par la baisse du pH ; ce qui modifie l’activité enzymatique et entraine l’apparition des crampes.
NB : L’acide lactique produit est conduit vers le foie où il intervient dans la néoglucogenèse ou dans les oxydations respiratoires.
3) La voie aérobie
Elle intervient lorsque les contractions musculaires se prolongent. C’est la voie de la respiration.
Il y’a d’abord utilisation des réserves musculaires (acides pyruviques, acides gras), lorsque les besoins énergétiques se prolongent, il y’a ensuite utilisation des métabolites sanguins (glucose, acides gras …). Le rendement en ATP de cette voie est élevé.
Mise en jeu séquentielle des trois processus de production d’énergie en fonction de la durée de la puissance d’un exercice musculaire

IV. La conversion de l’énergie chimique stockée dans l’ATP en énergie mécanique : la contraction de la fibre musculaire
1) Comparaison d’un muscle au repos et d’un muscle contracté
Un muscle au repos c’est-à-dire relâché est mince et allongé alors qu’un muscle contracté gonfle, se raccourcit et durcit. La contraction musculaire se caractérise donc par un raccourcissement des fibres qui constituent le muscle au repos. Le muscle est élastique, excitable et contractile.
2) Structure d’un muscle squelettique
Une coupe transversale d’un muscle squelettique montre plusieurs faisceaux de fibres musculaires, des vaisseaux sanguins, des nerfs. La coupe longitudinale d’une fibre musculaire montre de nombreuses mitochondries, plusieurs noyaux et plusieurs myofibrilles de nature protéique.
3) Les différents types de fibres musculaires
On distingue deux principaux types de fibres qui diffèrent par la vitesse et la puissance de leur contraction : les fibres de type I et les fibres de type II.
• les fibres de type I : elles sont rouges, riches en mitochondries et sont impliquées dans les efforts intenses de longue durée (course de fond…). Ces fibres sont lentes à se contracter et sont adaptées au métabolisme oxydatif.
• les fibres de type II : elles sont blanches, peu riches en mitochondries et sont impliqués dans les efforts intenses et soutenus. Ces fibres sont plus riches en glycogène et en ATPase, plus rapides à se contracter, plus puissantes.
4) Comparaison d’une fibre musculaire contractée et d’une fibre musculaire relâchée
Au microscope électronique, une fibre musculaire (myofibrille) présente deux types de filaments musculaires (myofilaments) de nature protéique.
• Les myofilaments épais ou myosine
• Les myofilaments fins ou actine
a) Mécanisme de la contraction
Pendant la contraction musculaire, il y a glissement relatif des filaments fins d’actine entre les filaments épais de myosine ; ceci a pour conséquence la diminution de la distance entre deux stries Z et le raccourcissement du sarcomère sans pour autant changer sa longueur.
Ce glissement des myofilaments est dû à la formation des ponts d’actomyosines (ponts d’union entre myosines et actines), suivie d’un pivotement des têtes de myosines. La rupture des ponts d’actomyosines entraine le relâchement du muscle.
b) Rôle de l’ATP et des ions calcium dans la contraction
La contraction musculaire se déroule avec production de deux types de chaleur : la chaleur initiale et la chaleur retardée.
• La chaleur initiale
Pendant la contraction et le relâchement du muscle, cette chaleur correspond à l’utilisation des composés phosphatés (ATP, ADP, AMP, Pi, phosphocréatine)
• La chaleur retardée
Longtemps après le relâchement, elle correspond à la régénération des composés phosphatés. Les fibres de type II ne dégagent pas de chaleur retardée.
c) Dette et payement de la dette en O₂ au cours d’un exercice physique : phase de récupération
Au repos, la consommation en O₂ et l’énergie libérée par le muscle sont constantes. Au début de l’exercice, la consommation en O₂ s’élève progressivement et atteint sa valeur maximale au bout d’un certain temps. Cette valeur reste constante tout au long de l’exercice et retombe brutalement à sa valeur de départ à la fin de l’exercice.
Interprétation
La surface 1 correspond au retard de la consommation d’O₂ sur l’énergie libérée immédiatement : c’est une dette en O₂ due à une période d’adaptation de l’organisme à l’effort.
La surface 2 par contre a une consommation de O₂ postérieure à la fin de la libération d’énergie, c’est-à-dire la période de restauration du muscle qui correspond au payement de la dette. Ceci correspond au temps qu’il faut pour que l’organisme retrouve son équilibre initial.