Voies anaérobie et adaptabilité de l'organisme

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I Les voies anaérobies productrices d’ATP  

La respiration n’est pas la seule voie métabolique fournissant l’énergie nécessaire à la contraction musculaire. Selon les circonstances, d’autres voies métaboliques qui se déroulent en anaérobiose, c'est-à-dire sans utilisation de dioxygène, permettent d’assurer l’approvisionnement en ATP des fibres musculaires. 

A/ Subvenir aux besoins à court terme : la fermentation lactique

La fermentation lactique est une autre voie métabolique utilisée par le muscle pour se procurer de l’ATP.  

Pendant les premières minutes d'un exercice physique exigeant, les rythmes respiratoire et cardiaque ne sont pas encore assez élevés pour fournir suffisamment de dioxygène aux muscles et ceux-ci vont en manquer. Le pyruvate obtenu par glycolyse, ne pénètre donc pas dans la mitochondrie et subit une fermentation, dite fermentation lactique car elle aboutit à la production d’acide lactique. Cela consiste en la transformation des deux pyruvates grâce aux composés RH₂ produits par la glycolyse et ce, sans production d’ATP. Le but est de restaurer les accepteurs R (c'est-à-dire le NAD⁺) dans le hyaloplasme, étant donné que la chaîne respiratoire ne fonctionne pas. Ceux-ci serviront pour de nouvelles glycolyses à l’origine de la production d’ATP. On parle de métabolisme anaérobie lactique.

Document 1 : Bilan de la fermentation lactique

Finalement, le bilan en termes d'ATP formé à partir d’une molécule de glucose se limite aux 2 ATP issus de la glycolyse. Le reste de l'énergie se trouve dans les molécules d'acide lactique.
 

C’est un métabolisme transitoire qui s’effectue le temps que l’apport en dioxygène se régule et que la respiration puisse se mettre en route. Ce métabolisme ne peut donc perdurer, d’autant plus que l’acide lactique s’accumule dans les cellules musculaires, abaisse leur pH, ce qui occasionne de la douleur, de la fatigue et parfois même des crampes. L'acide lactique est transporté jusqu’au foie où il sera converti en pyruvate puis métabolisé.

Document 2 : La fermentation lactique dans la cellule musculaire

B/ Subvenir aux besoins immédiats : l’hydrolyse de la phosphocréatine

La phosphocréatine ou phosphate de créatine est une molécule de créatine phosphorylée riche en énergie. Elle est utilisée dans les muscles pour régénérer l'ATP au départ de l'ADP lors des 2 à 5 secondes qui suivent un effort intense. Sa concentration est d'environ 20 mmol.kg^-1 de muscle.

Document 3 : Molécule de phosphocréatine

768px-Phosphocreatine.svg par Kopiersperre via Wikimédia Commons, domaine publique, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Phosphocreatine.svg

La courbe représentant l’évolution de la teneur en phosphocréatine au cours du temps lors d’un effort bref et intense, montre une évolution inverse de celle représentant l’évolution de la teneur en ATP au cours du temps.

Document 4 : Évolution de la teneur en molécules énergétiques du muscle au cours de l’effort

©RS.2021

On constate que dès le début de l’effort, la phosphocréatine est consommée et qu’en parallèle apparaît de l’ATP. Ce dernier est vite consommé. 

De plus, d’autres mesures montrent que quand la teneur en phosphocréatine arrive à épuisement, de l’acide lactique apparaît : la fermentation lactique prend le relais dans la production d’ATP.

 On en déduit que la phosphocréatine est une réserve énergétique immédiate qui laisse le temps aux autres voies métaboliques de se mettre en route.

Au cours d’un exercice, le stock de phosphocréatine est épuisé en moins de 20 secondes. On parle de métabolisme anaérobie alactique (sans dioxygène et sans acide lactique). Ce mécanisme ne nécessite ni apport de métabolite extérieur, ni dioxygène, ni aucune structure cellulaire particulière.  Cette réaction est couplée à la synthèse d'ATP à partir d'ADP et s’effectue grâce à une enzyme : la créatine kinase.

Document 5 : Synthèse d’ATP à partir de phosphocréatine

950px-Creatine_kinase_reaction.svg, par J3D3, propre travail, via Wikimédia Commons,  CC-BY-SA-4.0, modifiée par Sandra Rivière, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Creatine_kinase_reaction.svg

C/ Trois voies métaboliques complémentaires

Les stocks d’ATP musculaires étant très faibles, la fibre musculaire utilise l’ATP fourni, selon les circonstances, par la phosphocréatine, la fermentation lactique ou la respiration.

Au cours d’un exercice, les réserves d’ATP et de phosphocréatine, instantanément mobilisées, permettent de réaliser immédiatement le travail musculaire. La fermentation lactique intervient ensuite en relais, permettant le maintien du travail musculaire en attendant que le système cardio-respiratoire s’adapte pour assurer un approvisionnement accru en dioxygène, indispensable au métabolisme respiratoire. 

Ainsi après un délai de quelques secondes, la dégradation des glucides a lieu par voie aérobie. La respiration permet de produire davantage d'ATP que la fermentation lactique. On parle de métabolisme aérobie. Il est à l'origine des contractions de plus longue durée et permet également de régénérer l'ATP après un effort. L’ensemble des réserves énergétiques de l’organisme (et non celles du muscle seulement) peuvent être mobilisées et le rendement en ATP est très élevé. Cependant, cette voie de production d’ATP est limitée par l’approvisionnement des cellules en dioxygène, lui-même soumis aux capacités des appareils respiratoire et circulatoire.

Lorsque ces derniers atteignent  leur capacité maximale, la fermentation lactique permet de fournir un surplus d’ATP. 

Ainsi en fonction du type d’effort, l’une ou l’autre des voies sera favorisée.

Document 6 : Caractéristiques des différentes voies métaboliques

II L’adaptabilité de l’organisme aux pratiques sportives

A/ Des fibres musculaires spécialisées

Les voies métaboliques sont différentes aussi bien dans leur processus chimique que dans les conséquences de leur réalisation. Le muscle présente ainsi des fibres musculaires différentes spécialisées dans les deux grandes catégories de voies : aérobie et anaérobie. 

Document 7 : Comparaison de schémas de coupes transversales de muscles de 2 sportifs observées au microscope optique (x40). 

L’intensité de la coloration traduit la présence de myoglobine, protéine voisine de l’hémoglobine et de couleur rouge. On y distingue deux types principaux de fibres musculaires :
- Les fibres de type I, de couleur foncée riches en myoglobine
- Les fibres de type II, de couleur claire moins riches en myoglobine

Muscle de coureur de fond    

Muscle d’haltérophile

©RS.2021

Document 8 : Caractéristiques des deux catégories de fibres musculaires

Les fibres de type I, ont un métabolisme qui est principalement aérobie adapté à un effort long mais de faible puissance comme l’endurance. Elles ont une structure adaptée à ce type de métabolisme. Elles sont riches en mitochondries réalisant la respiration cellulaire et en myoglobine, protéine fixatrice de dioxygène ce qui leur permet d’avoir une réserve en ce gaz essentiel. Ces fibres sont richement vascularisées et fines d’où la morphologie musculaire peu massive des coureurs de fond.

Les fibres de type II sont utilisées pour des efforts courts et intenses. Elles sont très puissantes mais peu résistantes à la fatigue. Elles ont elles aussi, une structure adaptée à ce type de métabolisme. Elles ne possèdent pas de mitochondries et sont pauvres en myoglobine car elles régénèrent leur ATP principalement par fermentation lactique. Leur forte réserve en glycogène leur permet de renouveler leur taux cytoplasmique de glucose. Elles sont épaisses, ce qui explique la masse musculaire développée chez un sprinter ou un nageur de 100 m et de manière générale chez les individus pratiquant des efforts dits explosifs.

La proportion de ces fibres dépend donc des individus et de l’activité physique qu’ils pratiquent. Les exercices d’endurance favorisent la présence de fibres de type I tandis que les exercices brefs et de résistance favorisent celle de fibres de type II.

B/ Les réserves énergétiques corporelles

La consommation d’ATP est variable au cours du temps et l’apport alimentaire l’est aussi, sans qu’il n’y ait de relation entre les deux. L’organisme doit donc réguler son métabolisme énergétique, emmagasiner des réserves de substrats ou les dépenser pour faire l’appoint.

• L’ATP lui-même est une réserve d’énergie pour les cellules, mais son poids moléculaire est élevé (507,18 g/mol), et il ne peut donner qu’une liaison riche en énergie. S’il fallait assurer notre besoin quotidien minimum en énergie (métabolisme basal) soit 7500 kJ, il faudrait 124 215 g d’ATP. Or notre organisme tout entier n’en contient que 250 g ce qui nous assure en moyenne une autonomie de 52 secondes !
• Le glucose est un meilleur substrat énergétique pour les cellules. Son poids moléculaire est 180.156 g/mol, et il peut donner 36 liaisons riches en énergie par mole. S’il fallait assurer notre métabolisme basal avec du glucose en aérobiose, il en faudrait 471 g. Or notre organisme tout entier n’en contient que 10 g ce qui nous assure une autonomie d’une demi-heure.
• Le glycogène, polymère de glucose, est une forme de réserve énergétique. Il peut donner 39 liaisons riches en énergie par mole. S’il fallait assurer notre métabolisme basal avec du glycogène en aérobiose, il en faudrait 424 g. Or notre organisme tout entier n’en contient que 400 g ce qui nous assure une autonomie de 22 heures 30 mn.
• Les triglycérides sont la meilleure forme de réserve énergétique de notre organisme. Ils peuvent donner 432 liaisons riches en énergie par mole. S’il fallait assurer notre métabolisme basal avec la graisse du tissu adipeux, il en faudrait 190 g. Or notre organisme tout entier en contient environ 7000 g ce qui nous assure une autonomie d’un mois. 

C/ Le dopage, une augmentation artificielle des capacités de l’organisme

Document 9 : Liste des ingrédients d’une barre énergétique commercialisée.

ingredients_fr.4.400, Ce fichier a été téléchargé sur le produit BARRES ENERGETIQUES IRON FORCE - STC NUTRITION et est sous la licence Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported. (Image originale), Attribution: Photo par kiliweb pour Open Food Facts

Des suppléments alimentaires de créatine permettent aux muscles d'augmenter leurs réserves de créatine-phosphate et donc de prolonger un peu un effort important (exercices intenses et de très courte durée). La créatine ne serait efficace que pour ce type d'exercice, elle n'améliore en rien les performances dans les sports d'endurance puisque les réserves de créatines-P sont limitées (elles s'épuisent dans les premières minutes de l'activité). Cette supplémentation est légale.

Document 10: Stéroïde anabolisant, le méthandrosténolone 

Metandienone.svg, par Fvasconcellos, propre travail, via Wikimédia Commons, domaine publique, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Metandienone.svg

Les stéroïdes anabolisants, également connus sous le nom de stéroïdes androgéniques anabolisants ou SAA, sont une classe d'hormones stéroïdiennes liée à une hormone naturelle humaine : la testostérone. Ils augmentent la synthèse des protéines dans les cellules, entraînant une augmentation des tissus cellulaires (anabolisme), en particulier dans les muscles. Les stéroïdes anabolisants ont également des propriétés virilisantes notamment le développement et l'entretien des caractéristiques masculines telles que la croissance des cordes vocales et la pilosité. Le mot anabolisant vient du grec anaballo — « repousser » — et le mot androgène vient du grec andros — « l'homme (au sens du mâle humain) » — et de genan — « produire, générer ».

Les stéroïdes anabolisants produisent également une augmentation de la masse musculaire et de la force physique et sont par conséquent utilisés dans le sport, notamment en musculation pour renforcer la force physique ou la masse musculaire. Leur utilisation à long terme peut avoir des conséquences graves pour la santé. Leurs effets néfastes sont des changements dans les taux de cholestérol, de l'acné, une perte de cheveux, de l'hypertension artérielle, des lésions hépatiques, et des changements dangereux dans la structure du ventricule gauche du cœur. Ils ont également des effets directs sur les tendons et des effets indirects sur les os. Devenus trop puissants, les muscles exercent une tension plus importante sur les tendons qui eux n’ont pas changé de volume et qui se trouvent alors fragilisés, pouvant se rompre et donner des tendinites. Les os soumis à des tensions plus fortes présentent plus souvent des fractures et un vieillissement précoce.

L'utilisation de stéroïdes anabolisants est interdite par toutes les grandes instances sportives. Ce sont des substances réglementées dans de nombreux pays dont les États-Unis, le Canada, la France, le Royaume-Uni, l'Australie, l'Argentine et le Brésil, tandis que dans d'autres pays, comme le Mexique et la Thaïlande, ils sont librement disponibles. 

Voies anaérobies et adaptabilité - SVT - SANTÉ Term spé #10 - Mathrix