Exploration du métabolisme énergétique du muscle de l'Homme par RMN du phosphore-31

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[pic 3]

1) L'ATP

ADP + Pi + E → ATP

L'ATP est une molécule présente dans tous les organismes vivants, produit du métabolisme cellulaire, et représentant la principale source d'énergie disponible immédiatement lorsque nos cellules sont en activité. Ce nucléotide triphosphate est majoritairement produit par les mitochondries via la phosphorylation oxydative mais est également produit par la glycolyse.

L'exercice correspond dans notre cas à une contraction musculaire. Cette contraction provoque pour nos cellules un besoin en énergie et donc en ATP. Or, l'ATP évolue apparemment de façon constante au cours du temps. On a l'impression que la production d'un effort ne modifie pas la consommation ou la production d'ATP ; cette valeur est constante quelque soit la phase de l'expérience considérée.

Maintenant, si on regarde en parallèle la courbe donnant l'évolution de la concentration en phosphate inorganique au cours du temps, on observe pendant la période d'exercice une augmentation de la concentration. Il y a donc production de Pi et de ce fait consommation d'ATP.

Or, la concentration constante en ATP signifie qu'il y a une production compensant une dégradation en Pi. En observant maintenant la courbe d'évolution de la concentration en PC au cours du temps, on remarque qu'il y a consommation de PC au cours de l'exercice. On sait que la phosphocréatine est une molécule phosphorylée riche en énergie, servant de tampon pour maintenir un niveau d'ATP constant face à la demande d'énergie via la réaction catalysée par la créatine kinase :

PC + ADP → ATP + créatine

Ainsi, la concentration constante d'ATP, quelque soit la phase de l'expérience considérée, montre qu'il y a la notion d'homéostasie qui entre en jeu au niveau de l'ATP. On peut donc en déduire que le processus suivant se produit à une vitesse importante :

PC + ADP → ATP + créatine → ADP + Pi + E

Enfin, au repos il y a donc également une consommation basale d'ATP puisque nous ne sommes jamais complètement inactif. La régulation fine de l'homéostasie de l'ATP se fait en permanence : au repos, pendant un exercice, lors de la récupération.

2) Le phosphate inorganique

En regardant les graphes et les formules ci dessus, on peut résonner de la même manière que dans le cas de l'ATP.

Dans la phase de repos, les cellules ont un faible besoin en énergie et donc en ATP. Ainsi, il y a peu de consommation d'ATP et donc peu de production de phosphate inorganique.

Lors de la phase d'exercice, le besoin en énergie et donc en ATP augmente : on consomme de plus en plus d'ATP et de ce fait on augmente la production de Pi.

La phase de récupération, quant à elle, permet le retour aux conditions initiales et de ce fait implique une consommation d'ATP de moins en moins importante et donc une concentration en Pi qui diminue progressivement.

3) La phosphocréatine

Cette molécule est riche en énergie. Elle sert de tampon pour maintenir un niveau d'ATP constant face à la demande d'énergie via la réaction catalysée par la créatine kinase.

De ce fait, dans la phase de repos, le faible besoin en énergie implique un faible besoin en ATP et donc une faible dégradation de la PC.

La phase d'exercice entraîne un important besoin en énergie et donc une consommation élevée de PC pour produire de l'ATP.

La phase de récupération indique un retour progressif aux conditions initiales et de ce fait un besoin en énergie qui décroit donc une concentration en PC qui augmente.

4) Le potentiel hydrogène ou pH

Dans cette partie, nous allons effectuer une analyse de la courbe qui nous donne la variation du pH en fonction du temps, chez un patient atteint de la maladie de Mc Ardle et chez un sujet sain, lors de différentes phases :

- de repos,

- d’exercice

- récupération.

La maladie de Mc Ardle ou glycogénose de type V est due au déficit en glycogène phosphorylase musculaire. Les malades présentent un syndrome d'intolérance musculaire à l'effort. Cette phosphorylase manquante provoque le blocage de la glycolyse et de la glycogénolyse. En effet, le glycogène stocké au niveau des muscles ne peut pas être dégradé en glucose et la glycolyse ne peut pas avoir lieu.

Voici les courbes montrant la variation de pH en fonction du temps chez un patient sain, et chez un sujet atteint de la maladie de Mc Ardle.[pic 4]

Les variations observées au niveau du pH sont les conséquences de l’action simultanée de deux voies métaboliques. La première de ces deux voies est la glycolyse anaérobie qui permet la dégradation du glucose en acide lactique. Elle intervient lors d’un effort court non-prolongé. Elle a pour conséquence une diminution du pH.

Une autre voie est celle catalysée par la créatine kinase (agit sur la PC) qui intervient aussi dans les premières secondes de l’exercice, lorsque une grande partie de la réserve d’ATP est consommée.

[pic 5]

D’après cet ensemble de réactions, on observe qu’il y a une consommation de protons lors de la déphosphorylation de la PC. La conséquence directe est une augmentation du pH intracellulaire des cellules musculaires.

D'après les courbes précédemment introduites :

En début d’exercice : il n’y a pas de variation du pH chez le sujet sain et donc pas de modification de la quantité de protons. On note alors un équilibre entre la contribution de la PC et la contribution de la glycolyse au niveau de la production/consommation de protons.

Glycogène

Dégradation PC

Quelques secondes après le début de l'exercice : on observe une forte diminution du pH, ou acidose, chez le sujet sain. L'exercice musculaire se traduit