L’ATP (= adénosine triphosphate) est une petite molécule constituée d’une adénosine sur laquelle sont fixés trois groupements phosphates.
L’ATP peut se transformer en ADP (= adénosine diphosphate) par l’hydrolyse d’un groupement phosphate. Une telle hydrolyse permet la libération d’énergie.
La molécule d'ATP
ATP + H2O → ADP + Pi (phosphate inorganique) + énergie disponible
Ainsi, par couplage énergétique, l’hydrolyse de l’ATP peut permettre la réalisation de réactions chimiques en leur apportant l’énergie nécessaire.
L’ATP est utilisée dans un grand nombre de réactions chimiques et est ainsi nécessaire à la vie cellulaire.
Par exemple, pour se contracter les muscles nécessitent la consommation de grandes quantités d’ATP.
De plus, l’ATP ne peut pas être stockée au sein de l’organisme. Il y a donc en permanence dans nos cellules des mécanismes métaboliques permettant la synthèse constante d’ATP.
Il existe principalement deux processus permettant la création d’ATP : la respiration cellulaire et la fermentation. Ces deux processus utilisent l’énergie contenue dans de la matière organique pour former de l’ATP.
La majorité des cellules eucaryotes (y compris les cellules chlorophylliennes) respirent. La respiration cellulaire est un ensemble de réactions chimiques qui permet l’oxydation totale du glucose (C6H12O6) par le dioxygène (O2). La respiration cellulaire produit de l’eau (H2O) et du dioxyde de carbone (CO2). Ce mécanisme va permettre la création d’énergie chimique exploitable par la cellule sous forme de grandes quantités d’ATP (36 ATP par molécule de glucose consommée).
équation équilibrée de la respiration cellulaire
Les réactions impliquées dans la respiration cellulaire se déroulent successivement dans le cytoplasme des cellules et dans les mitochondries.
Les mitochondries sont des organites cellulaires de petites tailles et sont spécialisées dans la réalisation de la respiration cellulaire.
Structure d'une mitochondrie
La fermentation, comme la respiration, est un mécanisme qui permet la synthèse d’ATP (donc la création d’énergie utilisable pour la cellule) à partir de l’oxydation du glucose.
Contrairement à la respiration, la fermentation ne nécessite pas de dioxygène pour se réaliser. Elle est donc particulièrement utilisée dans des milieux dépourvus de O2 (conditions anaérobies).
En l’absence de O2, l’oxydation du glucose est incomplète : la quantité d’ATP produite est donc très inférieure à la respiration cellulaire (seulement 2 ATP par molécule de glucose consommée).
Il existe deux types de fermentation :
-La fermentation alcoolique, qui entraine la synthèse d’éthanol (C2H6O) et de dioxyde de carbone (CO2). Dans l’agroalimentaire, ce type de fermentation est utilisé pour faire du pain, du vin, ou encore de la bière.
-La fermentation lactique, qui entraine la synthèse d’acide lactique (C3H6O3). Ce type de fermentation est utilisé pour faire des yaourts ou du fromage. L’organisme humain en fonctionnement utilise ce mécanisme en cas de manque de dioxygène.
Équations de la fermentation
La respiration et la fermentation mettent en jeu plusieurs réactions chimiques couplées de façon complexe.
La glycolyse est une série de réaction chimique qui a lieu dans le cytoplasme de la cellule. Il s’agit de la première étape commune à la fermentation et à la respiration cellulaire.
La glycolyse est l'oxydation du glucose en pyruvate (= acide pyruvique). Elle s'accompagne de la production de coenzymes réduites NADH,H+ et de deux molécules d'ATP par molécule de glucose oxydé.
La glycolyse (simplifiée)
-Dans le cas de la respiration cellulaire, le pyruvate ainsi formé va pénétrer dans la matrice de la mitochondrie en traversant l’enveloppe.
-Dans le cas de la fermentation, le pyruvate obtenu va ensuite être transformé en acide lactique ou en éthanol suivant le type de fermentation. Cette transformation permet de régénérer le coenzyme oxydé NAD+, et est responsable de la création de CO2 (seulement pour la fermentation alcoolique).
Mécanisme de la fermentation
Dans le cadre de la respiration cellulaire, le pyruvate ainsi transféré dans la matrice mitochondriale est transformé par une série cyclique de réactions chimiques appelée « cycle de Krebs ». Ces réactions produisent du CO2, de l’ATP et du coenzyme réduit NADH,H+.
Le cycle de Krebs
Un ensemble de molécules enchâssées dans la membrane interne des mitochondries constituent la « chaine respiratoire ». Ces molécules assurent l’oxydation de NADH,H+ en NAD+ couplée à la réduction de l’O2 en H2O.
Cette réaction d’oxydoréduction permet la formation d’ATP en grande quantité (32 ATP par molécule de glucose).
La chaine respiratoire
Schéma bilan :
Les fibres musculaires utilisent trois mécanismes pour renouveler leur ATP.
-La respiration cellulaire est utilisée en cas d’un effort modéré et prolongé. La respiration permet un très bon rendement énergétique avec la production de grandes quantités d’ATP par molécule de glucose consommée. Ce processus peut perdurer pendant de longues durées, mais est limité par l’apport de dioxygène, lui-même tributaire de l’apport par les vaisseaux sanguins.
Ainsi, en cas d’effort important, le O2 peut vite devenir limitant, et la respiration cellulaire sera alors insuffisante.
-La fermentation lactique est utilisée pour les efforts brusques et courts, lorsque le O2 fourni est limitant. La fermentation permet la production rapide d’ATP, mais ne peut se prolonger trop longtemps car elle entraine la production d’acide lactique qui peut être toxique en acidifiant le pH musculaire. De plus la fermentation a un rendement très inférieur à la respiration, ce qui signifie qu’elle consommera davantage de glucose par molécule d’ATP produit.
Ainsi, la fermentation ne peut servir que pour des efforts courts, sous peine d’épuisement des muscles impliqués.
-La voie de la créatine phosphate permet de mobiliser de l’énergie stockée par le muscle. Le muscle possède en effet de la créatine qui peut être complexée à un groupement phosphate grâce à l’hydrolyse d’ATP. La créatine phosphate obtenue peut ensuite être mobilisée pour la production d’ATP en cas de besoin. Cette voie métabolique permet de produire très rapidement de l’énergie, mais elle est limitée par le stock de créatine phosphate disponible dans le muscle.
Il existe deux types de fibres musculaires :
-Les fibres de type I (ou fibres rouges) sont spécialisées dans la réalisation d’un effort prolongé et modéré : Elles sont peu puissantes mais également peu fatigables.
Les fibres I sont plutôt fines et de couleur rouge, et elles renouvellent leur ATP principalement par respiration cellulaire. Elles présentent des caractéristiques qui leur permettent de réaliser la respiration de manière optimale : présence de nombreuses mitochondries, forte irrigation sanguine permettant un bon approvisionnement en O2, présence de myoglobine (une molécule permettant de fixer le O2).
-Les fibres de type II (ou fibres blanches) sont spécialisées dans la réalisation d’un effort bref mais intense : Elles sont très puissantes mais également fatigables.
Les fibres II sont plutôt épaisses et de couleur claire, et elles renouvellent leur ATP principalement par fermentation lactique. Elles sont peu adaptées au métabolisme respiratoire : peu de mitochondries, faible irrigation sanguine, faible quantité de myoglobine.
La proportion de ces deux types de fibres dans les muscles dépend des individus.
La pratique de sports d’endurance (course à pied, marche, vélo, ski de fond, …) a tendance à favoriser le développement des fibres rouges, tandis que la pratique de sports « explosifs » (gymnastique, haltérophilie, sprint, …) favorise le développement des fibres blanches.
