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L'ATP : utilisation

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Objectif(s)
Les cellules ont des morphologies, des structures et des rôles différents, mais leur fonctionnement de base est le même. L'une des principales activité de la cellule est sa survie.
L'ATP est justement une molécule indispensable à la vie de la cellule.
Qu'est-ce que l'ATP ? A quoi sert cette molécule au sein de la cellule ?
1. Quelques notions de base
Une cellule doit trouver l'énergie nécessaire à son fonctionnement : celle-ci est principalement obtenue par dégradation de molécules organiques, c'est le catabolisme.
Elle doit également fabriquer les molécules de base (glucides, lipides et protides) : ce sont les réactions d'anabolisme.
L'ensemble constitue le métabolisme cellulaire.

Les réactions de dégradation sont dites exoénergétiques car elles libèrent de l'énergie et les réactions de synthèse sont dites endoénergétiques car elles en consomment : l'énergie des premières réactions permet la réalisation des réactions de synthèse.
Ceci n'est possible que si un intermédiaire est capable d'emmagasiner cette énergie et de la restituer selon les besoins : les molécules d'ATP jouent ce rôle d'intermédiaire.
2. La molécule d'ATP
L'ATP (adénosine triphosphate) est un composé énergétique de la cellule.

Cette molécule est composée :

• d'une base azotée : l'adénine ;
• d'un pentose (sucre) : le ribose ;
• de 3 groupements phosphate.

L'ensemble adénine et ribose est l'adénosine.

Ce sont les liaisons entre les groupements phosphate qui sont riches en énergie. Leur hydrolyse s'accompagne de la libération d'énergie :


L'énergie libérée est de 31 kJ/mole à 25° C et 42 kJ/mole à 37° C.

L'hydrolyse de l'ATP est couplée à une autre réaction qui, en acceptant le groupe phosphate libéré, a son potentiel énergétique qui va augmenter.

Les deux réactions sont couplées avec transfert d'énergie d'une molécule à l'autre.
Dans une cellule, les « réserves » en ATP sont très faibles, or l'ATP est consommé en permanence : il faut donc qu'il soit reconstitué aussi vite qu'il est utilisé. On considère que chez l'homme, au repos, environ 40 kg d'ATP sont constitués et utilisés tous les jours.

La synthèse d'ATP est une réaction endoénergétique couplée à une réaction exoénergétique :



3. Utilisation de l'ATP
Les cellules dépensent de l'énergie pour accomplir différentes fonctions biologiques : le renouvellement de leurs molécules, leur croissance, l'activité cellulaire, etc.
Certaines réalisent de nombreuses synthèses chimiques et effectuent un travail chimique, d'autres se déplacent (les mouvements cellulaires ou cyclose), se contractent, se déforment et accomplissent un travail mécanique, tandis que d'autres effectuent des travaux plus complexes.

Parmi les activités cellulaires consommatrices d'énergie, on peut citer la synthèse du glycogène.
Le glycogène est un polymère de glucose ((C6H10O5)n). C'est une forme de réserve du glucose chez les animaux. Il est stocké au niveau hépatique et musculaire. Le nombre d'unités glucose peut varier de 5 000 à 30 000.
La synthèse de glycogène correspond à des réactions de polymérisation du glucose, c'est une réaction qui consomme de l'ATP. Inversement, son hydrolyse permet de relibérer du glucose en fonction des besoins de l'organisme.

Un autre exemple est la contraction musculaire.
4. La contraction musculaire
Les muscles striés ou rouges sont insérés sur les os et portent le nom de muscles squelettiques ; ils permettent les mouvements de l'organisme.
Ils sont fixés sur les os par le biais de tendons résistants.
a. Structure et ultrastructure d'un muscle
• Un muscle est un ensemble de fibres musculaires regroupées en faisceaux (+ vaisseaux sanguins + fibres nerveuses).
Chaque fibre est une cellule géante de plusieurs centimètres de long (avec un diamètre de 10 à 100 nm). Elle présente une membrane (ou sarcolemme), un cytoplasme riche en mitochondries, en éléments de réserve ainsi qu'en éléments particuliers propres à la fibre : les myofibrilles. Elle a la particularité de posséder plusieurs noyaux, jusqu'à 100 par cellule.

• Les myofibrilles sont constituées de faisceaux de filaments protéiques allongés présentant une succession régulière de disques clairs (bandes claires ou bandes I), et de disques sombres (bandes sombres ou bandes A).
Chaque bande I est divisée en 2 parties par une strie : la strie Z. Chaque bande A comprend une partie centrale plus claire, la bande H, au centre de laquelle apparaît la bande M plus dense.

L'espace entre deux stries Z consécutives est le sarcomère. Chaque myofibrille est ainsi formée d'une succession d'unités répétitives qui sont les unités contractiles de la fibre.
L'alternance des disques sombres et clairs est la même pour toutes les myofibrilles d'une même fibre musculaire : ceci donne une striation transversale caractéristique et une striation longitudinale due à la disposition des myofibrilles les unes à côté des autres.

• Chaque myofibrille est composée de deux sortes de myofilaments protéiques : des filaments fins d'actine (+ troponine et tropomyosine) et des filaments plus épais de myosine.

Un myofilament de myosine contient environ 200 molécules de myosine constituées chacune d'une « tige » et de deux têtes globuleuses. Les têtes servent de sites de liaison pour les filaments d'actine. Chaque myofilament d'actine est composé de deux filaments d'actine enroulés l'un autour de l'autre (la tropomyosine sert à consolider l'ensemble) : ils portent des sites de liaison pour la myosine.
b. Intervention de l'ATP dans la contraction musculaire
Les sites de fixation de la myosine sur l'actine deviennent disponibles : les têtes de myosine se fixent et forment un angle de 45° avec l'axe du filament de myosine. Le complexe actine-myosine formé est capable de récupérer l'énergie libérée par hydrolyse de l'ATP : une ATP se lie avec la tête de myosine, le complexe actine-myosine se dissocie, la tête de myosine hydrolyse l'ATP en ADP + Pi.

Ceci permet une rotation de la tête de myosine qui s'oriente perpendiculairement à l'axe du filament de myosine : la tête porteuse d'ADP se lie à l'actine, l'ADP est libéré et la tête de myosine pivote de nouveau pour former un angle de 45° par rapport à l'axe.
Il s'opère alors un glissement des filaments fins d'actine entre les filaments de myosine.
Ce cycle attachement-pivotement-détachement peut se produire environ 5 fois/s.

Les conséquences sont les suivantes :

• le sarcomère raccourcit (bandes claires plus courtes) ;
• le muscle se contracte.

L'énergie libérée par hydrolyse d'ATP est convertie en énergie mécanique avec dégagement de chaleur.
L'ATP est indispensable à la rupture du complexe actine-myosine et son hydrolyse permet de nouveau la formation du complexe. Si on bloque l'hydrolyse, alors la contraction ne peut plus se faire.
L'essentiel
L'ATP est un intermédiaire énergétique indispensable à la vie cellulaire. La contraction musculaire consomme de l'ATP, celui-ci étant indispensable aux interactions moléculaires entre les filaments d'actine et de myosine.

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