Séance 1 : Fonctionnement des muscles Partie A : Structure du muscle et mécanisme de contraction Pour réaliser leurs mouvements (volontaire ou non), les animaux possèdent divers types de tissus musculaires aussi bien impliqués dans la locomotion (muscle squelettiques), dans la digestion (muscle lisse de l intestin ou de l estomac) que dans la propulsion du sang (muscle cardiaque). Tout comme la cyclose ou la synthèse de molécules nous avons montré que la contraction du muscle implique une consommation d ATP. A l aide des différents supports mis à votre disposition, expliquer comment l organisation du muscle aux différentes échelles permet sa contraction. Vous schématiserez le modèle de contraction n 3 du doc 2. Doc 1: Structure et niveau d organisation d un muscle squelettique :
Doc 2 : Contraction et glissement de l actine sur la myosine : Actine Myosine
Doc 3 : intervention de l ATP dans la contraction musculaire L hydrolyse de l ATP induit la mise sous tension de la tête de myosine et la fixation à l actine. 2 Tête de myosine ADP Pi Libération de l ADP et Pi, provoquant un repliement de la tête de myosine et donc une traction de l actine (glissement) Actine 1 Hydrolyse de l'atp ADP Pi 3 ADP Pi Myosine 4 ATP ATP Fixation d une molécule d ATP induisant un détachement de l actine et de la myosine et un retour de la tête myosine en position de
Partie B : Différentes façons pour le muscle de produire son ATP Nous avons montré précédemment que le muscle se contracte en présence d ATP. Le stock d ATP dans le muscle est limité à moins d une seconde de contraction. La molécule doit donc être régénérée pour poursuivre les cycles de contraction sur des durées plus longues. À l aide des différentes données mises à votre disposition, indiquer comment le muscle génère l ATP nécessaire à sa contraction. Doc 1 : La phosphocréatine, une réserve en énergie facilement mobilisable par le muscle. Doc 2 du livre p 56 Doc 2 : À chaque type d activité sportive, sa voie métabolique pour produire son énergie. Graphique montrant les voies métaboliques utilisées pour produire de l ATP en fonction du temps d exercice.
Compléments : voir le tableau du doc B du livre p 57. Tableau présentant la part des différentes modalités de génération de l ATP au cours de différentes pratiques sportives Dpc 3 : Les trois types de fibres musculaires et leurs caractéristiques : Notre organisme comporte trois types de fibres musculaires squelettiques différentes : Les fibres I, à contraction lente et à faible force de contraction (faible nombre de myofibrilles), mais très endurantes. Ces fibres utilisent préférentiellement le métabolisme aérobie (respiration). Elles sont sollicitées dans les activités d endurance (marathon, ski de fond ), et le maintien de la posture. les fibres IIb sont extrêmement rapides et puissantes, mais très fatigables. Ces fibres utilisent préférentiellement le métabolisme anaérobie (notamment la fermentation lactique). Elles sont sollicitées lors d efforts puissants et courts (frapper dans une balle de baseball, soulever des haltères) les fibres IIa sont des fibres intermédiaires entre les types I et les types IIb, donc moyennement fatigables, moyennement fortes et moyennement endurantes. Elles utilisent des métabolismes anaérobie et aérobie. Elles sont sollicitées lors d efforts divers comme la marche ou le sprint. Les trois types de fibres peuvent être présents dans un même muscle Voir documents du livre page 55 Tableau : Caractéristique des trois types de fibres musculaires Fibre de type I Fibre de type II A Fibre de type II B CARACTERISTIQUES Vitesse de contraction Lente Rapide Rapide METABOLIQUES Endurance forte faible à moyenne faible CARACTERISTIQUES STRUCTURALES Métabolisme anaérobie (fermentation lactique) Métabolisme aérobie (respiration) ACTIVITES DURANT LESQUELS LA FIBRE EST SOLLICITEES + ++ +++ +++ + 0 Couleurs des fibres Rouge Rose Blanche Nombres de capillaires +++ ++ + Mitochondries +++ ++ + Diamètre des fibres Petit Intermédiaire Grand marathon, ski de fond, et maintien de la posture. Course, marche, nage Haltérophilie, sprint
Correction Partie I D après le doc 1, le muscle est un organe, organisé en différents fuseaux eux-mêmes composés de fibres musculaires ou cellules musculaires. Les cellules musculaires ont une forme allongée et contiennent des myofibrilles correspondant à des organites jouant un rôle dans la contraction de la cellule. Chaque myofibrille contient deux types de grosses molécules : l actine et la myosine. Ces deux types de myofilaments sont constitués de protéines. L actine et la myosine s organisent en sarcomère, correspondant à des unités de contraction dans les myofibrilles. On constate que dans les sarcomères, la myosine et l actine sont superposées. Le doc 2 nous permet de comprendre, que lors d une contraction, les sarcomères voient leur taille diminuer. Les filaments d actines «se croisent» alors qu ils n étaient pas croisés à l état relâché. Les myofilaments d actine semblent coulisser sur la myosine lors de la contraction. Ainsi le raccourcissement des sarcomères contribue au raccourcissement des myofibrilles, provoquant la diminution de la taille de la cellule musculaire : Il y alors contraction du muscle. Le doc 3 montre que l hydrolyse de l ATP induit la tension de la tête myosine qui se fixe à l actine. En libérant L ADP+Pi, la tête myosine se replie entrainement le coulissement de l actine et donc le raccourcissement du sarcomère. La fixation d un nouvel ATP induit le retour à l état initial de la tête myosine. A la contraction suivante l ATP sera hydrolysé. Bilan : La contraction des cellules musculaires est un exemple de processus utilisant l énergie issue de l hydrolyse de l ATP. L hydrolyse de l ATP, en déclenchant un changement de la configuration de la tête de myosine permet le mouvement des myofibrilles d actine et ainsi le raccourcissement des sarcomères à l origine de la contraction musculaire.
Correction Partie II Le muscle dispose de différents moyens métaboliques pour générer de l ATP. Le stock d ATP dans le muscle est très faible et comme le montre le support 2, ce stock ne couvre les besoins que durant les premières secondes de contraction. En revanche le muscle est capable de régénérer de l ATP via différentes voies. Le doc 1 montre que le muscle contient naturellement de la phosphocréatine. La liaison entre le phosphate et la créatine est hautement énergétique. Ainsi l hydrolyse de la phosphocréatine en créatine+ Pi, permet la synthèse d ATP à partir d ADP+Pi. P-Cr Cr+Pi EnergieADP+Pi ATP Cette voie de la phosphocréatine est rapidement mobilisable mais ne fournit au muscle de l énergie que quelques dizaines de secondes. La phosphocréatine est ensuite régénérée au repos par le muscle (utilise de l ATP). Le graphique du doc 2 montre qu une fois la phosphocréatine consommée, l ATP est généré par la fermentation lactique (voie anaérobie = sans consommation d O 2 ). Ce processus permet de générer de l ATP de manière non négligeable entre la 10 ème seconde qui suit le début de l effort et la 5 ème minute. Par la suite, la formation d ATP par fermentation lactique est faible puis nulle. L acide lactique, déchets de cette voie métabolique anaérobie, est à l origine des crampes. Après environ la première minute d effort, la respiration cellulaire commence. Cette voie aérobie (réalisée en présence d O 2 ), devient prépondérante dans la régénération d ATP après environ 2 minutes. Cette dernière voie est donc relativement longue à se mettre en place, mais fournit ensuite le muscle en ATP jusqu au bout de l effort. Ainsi pour un effort court (100m, frapper une balle de baseball ) le muscle génère son ATP, par l intermédiaire de la phosphocréatine. Pour un effort un peu plus long compris entre 30 secondes et 2 min (200m de nage, 400m ), l ATP est principalement régénéré par la fermentation lactique (voie anaérobie). Pour les efforts plus longs (marathon, ski de fond ) l ATP est régénéré par la respiration cellulaire (voie aérobie). Le doc 3 précise qu il existe dans l organisme, différents types de fibres musculaires. Ainsi les fibres I, ont un métabolisme qui est principalement aérobie (effort long, mais de faible puissance). Les fibres I sont fines d où la morphologie musculaire des coureurs de fond, ou de skieurs de fond. D autres fibres utilisent principalement la fermentation lactique. Ces fibres IIB sont donc utilisées pour des efforts courts et intenses. Ces fibres IIB sont épaisses et par exemple développées chez un sprinter ou un nageur de 100m. Les fibres IIA sont des intermédiaires entre les deux premiers types de fibres. Bilan : Le muscle régénère son ATP par le biais de différentes voies métaboliques : - Entre la 1 ère seconde et la 30 ème seconde de l exercice il utilise ses réserves de phosphocréatine - Entre la 10 ème seconde de l exercice et environ la 5 ème minute, l ATP est généré par fermentation lactique. - A partir d une à deux minutes d exercice, la voie aérobie se met en place. C est alors la respiration qui permet la régénération du stock d ATP pour la contraction. Suivant le type d activité (court et puissant ou au contraire endurant et de plus faible puissance), la voie principale permettant la génération d ATP dans le muscle sera donc différente. Dans un muscle on trouve des fibres capables d utiliser préférentiellement l une ou l autre des voies de régénération de l ATP.