THEME : LA TERRE DANS L'UNIVERS, LA VIE ET L'EVOLUTION DE LA VIE. L'utilisation de l'ATP par les cellules musculaires (Spé)

Notre organisme, et particulièrement nos muscles, a besoin d'énergie pour fonctionner. Cette énergie est fournie par les nutriments. Cependant une utilisation directe est impossible dans l'organisme. Tout transfert d'énergie passe par l'intermédiaire d'une molécule appelée ATP (adénosine tri-phosphate) :

Une adénosine tri-phosphate contient 3 molécules de phosphate riche en énergie. Lorsqu'on détache le 3ème phosphate, on libère ainsi une grande quantité d'énergie. La molécule ainsi obtenue est l'ADP (adénosine di-phosphate). La libération du 3ème phosphate se fait par hydrolyse et l'accrochage d'un phosphate à une molécule est appelée phosphorylation. Rappelons qu'un phosphate isolé sera ainsi un phosphate inorganique Pi. La réaction est la suivante :

Comment la cellule musculaire fabrique de l'ATP
L'activité physique est conditionnée par l'activité des cellules musculaires. Comme toute cellule, la cellule musculaire (ou fibre musculaire) a besoin d'énergie, c'est à dire d'ATP, pour fonctionner.

Lorsqu'on parle d'une activité musculaire, il faudrait plutôt parler des activés musculaires. En effet, selon que l'on soulève un poids ou que l'on fait un jogging, l'effort n'est pas le même.

Le tableau suivant, met en évidence, ces différences à partir de quelques sports :

L'effort d'un haltérophile est bref et très demandeur en énergie. C'est un sport qui demande de l'explosivité. L'ATP nécessaire à cet effort est fabriqué à partir d'une molécule phosphorylée, la phosphocréatine (P-Cr) comme le montre le graphe suivant :

La réaction est la suivante :

On constate que la réaction ne nécessite pas de dioxygène. On est donc dans une réaction anaérobie. Cette réaction ne produit pas de substance de déchet comme l'acide lactique. On parle de métabolisme anaérobie alactique.

La créatine est une molécule synthétisée par le corps humain. Elle est cependant utilisée comme supplément par le sportifs (et les sportifs du dimanche !) avec des résultats extrêmement aléatoire, selon l'individu et la qualité du produit.

Si un effort explosif demande un métabolisme particulier, il sollicite aussi des fibres musculaires particulières. Les tableaux suivants précisent les spécificités métaboliques des fibres musculaires :

On constate que les fibres de type II possèdent un métabolisme anaérobie alactique. Ce sont donc ces fibres II qui sont le plus sollicitées en haltérophilie et dans les sports explosifs.

Si on revient au tableau des différents sports, on constate que lors d'un effort de quelques minutes, le métabolisme de la cellule musculaire n'est pas le même. Il y a production d'acide lactique comme le montre le document suivant :

On constate que dès que le taux de phosphocréatine a atteint un niveau assez bas, la production d'acide lactique se met a grimper.

On peut indiquer la réaction qui forme l'acide lactique musculaire :

Quel est l'origine du glucose qui interveint dans le métabolisme anaérobie lactique et aérobie ?

Il existe dans les tissus des formes de stockage du glucose. Une est particulièrement important, le glycogène.

Nous allons donc vérifier qu'il existe des réserve de glycogène dans le muscle, en utilisant de la viande de bœuf.

Protocole

On obtient le résultat suivant :

On obtient aussi une précipitation du glycogène dans l'éthanol.

Le glycogène musculaire, par glycogénolyse, va donc donner des molécules de glucose capables de fournir le substrat nécessaire à la réaction. Ce sont aussi les fibres de type II qui assurent le métabolisme anaérobie lactique.

Dans le cas des sports de fond, c'est le métabolisme aérobie qui prend la relève. On est dans le cadre de la respiration cellulaire. C'est toujours le glycogène qui est la source de l'énergie mais dans ce cas, après glycogénolyse, le glucose est totalement oxydé en CO2.

Utilisation du glycogène chez un marathonien.

Dans ce cas, comme l'indique le tableau déjà cité, ce sont les fibres de type I qui sont sollicitées.

Les différents types de métabolismes

Nous venons de voir comment la cellule musculaire récupère de l'énergie sous forme d'ATP. 

Intéressons nous maintenant aux mécanismes de dépense d'énergie, c'est à dire à la contraction musculaire.

Un muscle est constitué de grandes cellules contenant plusieurs noyaux, appelées fibres musculaires ou myocytes. Le cytoplasme est appelée sarcoplasme. La cellule musculaire contient des fibrilles protéiques appelées myofibrilles.

Les documents suivants montrent la structures des fibres musculaires :

On peut constater que les fibres de type II sont beaucoup moins riches en mitochondries :

les myofibrilles sont essentiellement constitués d'actine et de myosine. Leurs structures sont données sur le document ci-dessous :

La structure des fibrilles varie selon que la fibre est contractée ou décontractée.

La contraction musculaire est due à la rotation des têtes de myosine qui s'accrochent au filaments d'actines. Cet accrochage permet de déplacement relatif des fibres ce qui entraîne la contraction musculaire.
Le mouvement de la tête de myosine nécessite de l'énergie. c'est à ce niveau que l'ATP fabriqué par la cellule musculaire va être consommé selon les modalités suivantes :

THEME 1B. LA TECTONIQUE DES PLAQUES : L'HISTOIRE D'UN MODELE. La naissance de l'idée de dérive des continents (1ere S)

Comment on se représentait la Terre autrefois
Dès l'Antiquité, Eratosthène calcule le rayon terrestre estimé à 6400 km environ. En revanche, la connaissance de l'intérieur du globe va rester embryonnaire pratiquement jusqu'au début du XXème siècle.
Les connaissances ont été résumé par le jésuite Athanasius Kircher au XVIIème siècle. Les volcans sont animés par l'activité d'un feu central et par une circulation des vents à l'intérieur du globe.

C'est une conception proche qu'on retrouve chez Jules Vernes (1828-1905) dans son Voyage au centre de la Terre (1864). Les volcans sont plus le sujet de belles aquarelles que d'un travail scientifique.

Quelques aquarelles d'une éruption du Vésuve à la fin du XVIIIème siècle

Il faudra attendre 1902 et le travail d'Alfred Lacroix sur l'éruption de la Montagne Pélée à la Martinique, pour que la volcanologie commence timidement son existence.

C'est l'autrichien Eduard Suess, le plus grand géologue de son époque, qui fixe les idées vers 1900. La Terre était au début une boule de matière en fusion qui se refroidit progressivement en créant à sa surface une croûte.

Au cours du temps, par deshydratation, la terre perd du volume et la croûte se plisse comme la peau d'une pomme, créant des creux occupés par les océans et des zones élevées, les chaînes de montagne.

Tous les géologues dans les années 1900-1920 sont donc convaincus que les continents terrestres n'ont jamais subi de déplacement. Ils soutiennent donc un modèle fixiste.

Les apports d'Alfred Wegener (1880-1930)

Alfred Wegener est un scientifique allemand qui le premier imagine une mobilité des continents. Il appelle ce mécanisme "dérive des continents". Il affirme que durant le Carbonifère et le Permien, les continents étaient réunis sous la forme d'un super-continent unique : la Pangée (étymologiquement "toute la Terre", en grec).

Grâce à un certain nombre d'indices sur lesquels nous allons revenir, Wegener reconstitue la Pangée à partir des différents continents actuels.

Les arguments de Wegener

La reconstitution de la Pangée par Wegener se fonde sur plusieurs arguments.

— la complémentarité des lignes de côtes et des massifs montagneux anciens. C'est particulièrement visible dans le cas de l'Amérique du sud et de l'Afrique.

— la reconstitution de la paléo-calotte polaire sud datant de la Pangée, rend bien compte des traces fossiles actuelles trouvées sur plusieurs continents.

— Plusieurs fossiles comme la fougère Glossopteris et les vertébrés Lystrosaurus, Cynognathus et Mesosaurus se retrouvent sur plusieurs continents. Cette présence est donc difficile à expliquer dans le cas d'un modèle fixiste de la Terre.

— le dernier argument de Wegener est plus complexe. On rappelle qu'à l'époque, les géologues pensaient que les continents et les fonds océaniques étaient de même nature, l'ensemble découlant d'une contraction terrestre.

Wegener fait remarquer alors que la répartition des altitudes et des profondeurs devrait donc suivre une courbe de Gauss comme la suivante :

Cette courbe est dite unimodale puisqu'elle ne présente qu'un maximum. Or lorsqu'on établit une courbe de la répartition des altitudes et des profondeurs réelles, on obtient la figure suivante :

La courbe réelle n'est donc pas unimodale mais bimodale :

Pour Wegener, une seule explication est possible, les fonds océaniques et les continents ne sont pas de même nature géologique. En tant que glaciologue, il s'est intéressé à la dérive des icebergs sur l'océan. il suppose alors que les continents peuvent dériver sur le matériau du fond océanique qui présenterait des caractéristiques d'élasticité et de déformabilité permettant le déplacement latéral des continents.