Physiologie CN1 – Bioénergétique
Introduction à la physiologie :
Chez l’organisme humain on observe plusieurs niveaux de complexité :
Organisme→Système→Organe→Tissu→Cellule→Organite→Macromolécule→Molécule→Atome Les Systèmes :
Chaque système est constitué d’organes qui travaillent de concert pour accomplir une même fonction.
– Système respiratoire : oxygénation du sang et élimination du gaz carbonique (nez, bouche, trachée, poumons, bronches, bronchioles)
– Système cardiovasculaire : Acheminement à toutes les cellules de l’organisme le sang oxygéné contenant des nutriments (cœur, artères, veines)
– Système Digestif : Dégradation des aliments en nutriments absorbables qui passent dans le sang pour être distribués aux cellules et élimination des déchets (glandes salivaires, bouche, pharynx, œsophage, foie, estomac, pancréas, intestin grêle, gros intestin, anus)
– Système musculaire : Composé de l’ensemble des muscles du corps, permet les manipulations d’objets dans l’environnement, la locomotion et l’expression faciale
– Système osseux (squelettique) : protection et soutient des autres organes et charpente sur laquelle les muscles agissent pour produire les mouvements
– Système nerveux : régulation des différentes activités du corps, analyse des information, activation des muscles appropriés (cerveau, nerfs)
– Système endocrinien : Régulation par les hormones des différentes activités du corps comme la croissance et la reproduction (hypothalamus, hypophyse, glande thyroïde, thymus, glandes surrénales, pancréas, ovaires/testicules)
– Système urinaire : Eliminationdes déchets azotés et equilibration du sang (reins, bassinets, uretères, vessie)
Interdépendance des systèmes dans l’organisme :
Les organes :
L’organe est une partie d’un organisme vivant qui remplit une fonction particulière et il est composé d’au moins deux types de tissus
Les tissus :
Les tissus sont des groupes de cellules semblables qui remplissent une même fonction
– Tissu musculaire :
o Squelettique : Composée de myocytes squelettiques (=fibres musculaires) ce sont des cellules longues, cylindrique et multi-nucléées ayant un cytosquelette bien organisé qui occupe tout l’espace de la cellule ce qui les rends striés. Ce tissu est responsable du mouvement volontaire.
o Lisse : Composé de cellules musculaires lisses étant allongés avec un noyau central et ne comportant pas de stries. Ce tissu se trouve dans la paroi des organes creux et est responsable des mouvements involontaires.
o Cardiaque : Composée de cellules musculaires cardiaques étant striés et généralement mononuclées. Ce tissu se trouve dans la paroi du cœur et est responsable d’un mouvement involontaire propulsant le sang vers les vaisseaux sanguins.
– Tissu épithélial : couvre la surface du corps et tapisse ses cavités internes, activités nombreuses comme la protection, l’absorption et la secretion.
– Tissu conjonctif : soutient le corps et protège les organes (ex : tendons, sang) – Tissu nerveux : permet d’avoir conscience de l’environnement et des communications internes rapides
Les cellules :
Types cellulaires : Dans l’organisme humain on trouve a peu près 200 types de celllules de tailles, formes, et fonction diverses
Origine : Zygote
Structure :
– Membrane plasmique : Bicouche lipidique + protéine qui délimite la cellule, forme une barrière à perméabilité sélective et intervient dans le transport de substance. – Cytoplasme : Cytosol + organites
– Noyau : Centre de régulation de la cellule contenant le matériel génétique (instruction pour la fabrication des protéines). La plupart des cellules ont un noyau mais certaines sont multi nucléés (cellules musculaires) ou anucléés (globules rouges)
Les organites cytoplasmiques :
– Mitochondrie : source d’énergie dans la cellule (ATP) donc leur densité représente les besoins énergétiques de la cellule
– Ribosome : fabrique les protéines selon les ARNm
– Réticulum endoplasmique (rugueux et lisse) : Traduction et modification post traductionnelle des protéines // réticulum sarcoplasmique = réticulum endoplasmique des cellules musculaire. Stockage et libération du calcium pour la contraction musculaire
– Cytosquelette : Réseaux complexe de protéines qui soutient les structures cellulaires et les divers mouvements
Introduction à la bioénergétique :
Un être humain au repos consomme une énergie équivalente à une ampoule soit 60 à 100W (rappel Watt = quantité d’énergie par unité de temps). Un organisme vivant est un organisme qui consomme de l’énergie
La bioénergétique analyse le flux d’énergie dans les systèmes vivants et étudie les processus cellulaires, comme les voies du métabolisme, qui consomment ou produisent de l’énergie pour permettre la vie.
Selon la thermo dynamique : les organismes ne peuvent ni créer ni détruire de l’énergie, ils ne peuvent que la convertir d’une forme a une autre. Cette notion de transformation de l’énergie est vraie à toutes les échelles (cellule, planète).
On peut observer une complémentarité entre le monde animal et végétal
C6H1206+ 6 O2 → 6CO2 + 6 H20
Introduction de la cellule musculaire :
Entité vivante de l’organisme donc elle consomme de l’énergie qui lui sert à réaliser ses fonctions vitales (santé de la cellule) mais aussi ses fonctions spécifiques (contraction). Cette cellule transforme une énergie chimique en une énergie mécanique.
Coopération des phénomènes physiologique, biochimiques et
mécanique dans le mouvement.
I. Définitions
A. La notion d’énergie
L’energie correspond a un travail (Watt)
W = Force * déplacement (N/m → Joule, on utilisera la calorie)
De l’énergie est consommée ou produite lorsqu’il y a un changement d’état.
En physique l’énergie (en joules) correspond à un travail W qui est une force (en newton) multipliée par un déplacement (en mètres). Le joule est l’unité SI mais en biologie on utilise surtout les kilocalories.
Dans une cellule, il y a production ou consommation d’énergie quand une molécule passe d’un état A à un état B lors d’une réaction chimique. On parle de réaction de transformation d’énergie. L’énergie se trouve dans les liaisons entre les atomes (casser des liaisons = libération = catabolisme ; faire des liaisons = consommation = anabolisme ; métabolisme = catabolisme + anabolisme).
Lois de la thermodynamique :
– Dans un système isolé, l’énergie totale reste constante
– L’énergie n’est ni créée, ni détruite elle est simplement transformée d’une forme à une autre.
B. L’ATP
Les liaisons en rouge sont les liaisons phosphate riche en énergie.
C’est la seule forme d’énergie directement utilisable par les cellules
L’énergie de l’ATP est libérée lors d’une réaction d’hydrolyse :
Dans les muscles, c’est la myosine elle-même qui catalyse cette réaction (activité ATPase de la myosine)
L’ATP ne se stocke pas : il faut donc la renouveler à la même vitesse qu’elle est dégradé !
La voie métabolique sollicitée dépendra donc de la vitesse du cycle qui détermine une puissance (= débit de consommation ou de production d’énergie) (production et consommation sont équivalente ici)
En physique puissance = travail divisé par un temps ou quantité d’énergie produite ou consommée par unité de temps
En revanche les l’organisme possède des réserves d’énergie non directement utilisables : phosphocréatine(en toute petite quantité), glucides, lipides qui vont donc devoir être transformée en ATP (=filières énergétiques/voies métaboliques)
C. La notion d’homéostasie énergétique
L’adaptation de l’organisme aux conditions changeantes de l’environnement a pour finalité principale le maintien de l’homéostasie énergétique. La production de l’énergie est donc adaptée constamment aux contraintes de l’environnement et donc aux besoins changeants.
Le maintien de l’homéostasie énergétique est donc basé sur l’équilibre entre la production et la consommation d’ATP grâce au turnover de l’ATP.
Turnover de l’ATP :
La vitesse de se turnover est déterminée par la consommation de l’ATP donc le besoin (puissance sollicitée) et non la production et elle va déterminer le choix de la filière énergétique qui va être sollicitée afin de permettre la production d’ATP la plus adaptée.
L’intégralité du cycle à lieu dans les cellules musculaires
II. Les éléments essentiels de l’homéostasie énergétique A. Les substrats énergétiques
La molécule d’ATP ne se stocke pas car trop faible densité énergétique (10 kcal/500g) Ce sont les nutriments bien plus denses en énergie que l’on stock :
– Glucides (glycogène ❺ foie) : env 4 kcal/g
– Lipides (triglycérides❺ tissus adipeux) : env 9 kcal/g
– Protéines : env 4 kcal/g
Glycogène = assemblage de glucose contenu dans le foie et les cellules ayant un important métabolisme
Triglycérides = squelette carbonée (glycerol) ou l’on fixe 3 acides gras sur ses fonctions alcool contenu dans les adipocytes et dans certaines cellules ayant un important métabolisme.
Ces nutriments proviennent soit de tissus de réserves soit directement de la digestion et transportés par le sang (exogène) mais il faut savoir que la cellule musculaire contient son propre stock de glycogène et de triglycéride (endogène) (en quantité limitée mais variable selon l’entrainement). Ces substrats sont mobilisés en fonction des besoins, notamment grâce à la régulation hormonale.
B. L’oxygène et les mitochondries
L’intervention de l’oxygène est essentielle pour que la transformation d’énergie soit complète, il est indispensable à la production aérobie d’énergie (remarque : il existe aussi des voies de production d’énergie anaérobies). Il est prélevé dans l’environnement grâce au système respiratoire et transporté par le système cardio-circulatoire jusqu’aux cellules où il sera utilisé dans les mitochondries. On ne peut pas le stocker il faut donc le prélever et le transporter en permanence.
Mitochondries :
Ce sont des organites situés dans le cytosol qui produisent l’ATP à partir des nutriments de façon efficace en présence d’oxygène (les déchets sont H2O et CO2).
C. Les réactions biochimiques
3 filières énergétiques : 2 voies anaérobies + 1 voie aérobie
– Filière aérobie (concerne les glucides, lipides, protéines)
– Filière anaérobie lactique (glucide)
– Filière anaérobie alactique (phosphocréatine)
La filière aérobie est très efficace car elle permet d’extraire le maximum d’énergie pour produire un grand nombre d’ATP tandis que les filières anaérobies permettent de produire une faible quantité d’ATP mais de façon très rapide.
– Son inertie = son délai d’entrée en activité
– Sa puissance = son débit de production d’énergie
– Sa capacité = la quantité totale d’énergie qu’elle est capable de fournir
Il est important de connaitre également les caractéristiques de récupération (= vitesse de resynthèse des substrats et d’élimination des déchets métaboliques)
La connaissance leurs caractéristiques permet d’évaluer l’importance de l’intervention de ces métabolismes au cours de l’exercice physique et dans la pratique de différentes activités sportives.
Filière Anaérobie Alactique : Inertie très faible voire nulle//Puissance très élevée//Capacité très faible (=dragster) (effort de qq secondes)
Filière Anaérobie Lactique : Inertie faible (seconde) //Puissance élevée//Capacité faible (=F1) (effort de l’ordre de la minute)
Filière Aérobie : Inertie moyenne (minute)//Puissance faible ou moyenne//Capacité très élevée
D. Les travaux cellulaires
Anabolisme (création de molécules complexes) n’est pas le seul travail cellulaire ! Il y a aussi : transport actif de molécule, contraction musculaire, réaction chimique etc.
Questions de TD
Que se passe-t-il au cours de l’exercice physique ?
Raisonnez à partir de la cellule musculaire qui va se contracter et les répercussions au niveau énergétiques sur les autres grandes fonctions.
Piste :
L’exercice perturbe l’homéostasie énergétique en augmentant brutalement la demande en énergie au niveau de protéines contractiles. Il faut donc parallèlement augmenter la production d’énergie, ce qui induit une augmentation de la consommation d’oxygène, et des substrats énergétiques. Ceci nécessite des ajustements hormonaux, respiratoires et cardio-circulatoires.
Grâce à l’intervention de l’oxygène, la dégradation des nutriments (G, L et P) est complète, ce qui permet de produire un maximum de molécules d’ATP. Les produits finaux de cette dégradation sont alors de toutes petites molécules qui ne contiennent plus d’énergie et qui seront évacuées hors de l’organisme. On dit que l’oxygène joue un rôle de comburant, et les nutriments de carburants.
Bilan des réactions chimiques permettant la transformation de l’énergie des nutriments en ATP :
Remarques :
– La mesure de la consommation d’oxygène permet de déterminer la dépense énergétique d’un individu
– La mesure de la consommation maximale de l’oxygène (ou VO2max) d’un individu est un excellent indicateur de ses capacités aérobies maximales, notamment de sa puissance maximale aérobie ou PMA
| VALEURS A SAVOIR POUR LES EXAMS : 1J = 0.239cal // 1cal =4,18J 1cal = quantité de chaleur nécessaire pour faire passer 1g d’eau de 14 a 15°C En bioénergétique on utilise la Kcal Protéine : 1g=4kcal Lipide : 1g=9Kcal Glucide : 1g=4Kcal |