Partie 1 : notions de biologie cellulaire DAEU- Cours Sciences de la Nature & de la Vie- Marc Cantaloube Chapitre 3 : La division cellulaire ou mitose - A partir de la cellule œuf issue de la fécondation, un individu se construit et forme un organisme souvent constitué de milliards de cellules pour les êtres les plus évolués. - La cellule œuf s est donc divisée un très grand nombre de fois selon un processus appelé mitose - Les questions que nous pouvons nous poser dans ce chapitre sont : Quelles sont les étapes de cette division cellulaire? Quelles sont les structures cellulaires modifiées au cours de la mitose? Comment se fait la répartition de l information génétique entre les cellules issues des divisions?
I- les étapes de la division cellulaire Lorsque la cellule ne se divise pas, elle est dite en interphase, avec un noyau de structure «classique», bien délimité par une enveloppe nucléaire, et un matériel génétique relativement homogène sous forme de chomatine. Lorsque la cellule entre en division, les principales modifications sont observables au niveau de son noyau : l enveloppe nucléaire s estompe et la chromatine commence à se condenser sous forme de filaments plus ou moins épais. A cette étape, la cellule est en prophase Au cours de la phase suivante, appelée métaphase, le matériel génétique est condensé au maximum sous forme de «bâtonnets». Ces structures sont les chromosomes et sont, à ce stade, alignés sur un axe qui correspond à l équateur de la cellule. Puis les chromosomes se scindent en deux lots identiques qui migrent vers les pôles opposés de la cellule : c est l anaphase Enfin, les deux lots de chromosomes se décondensent et reviennent à l état de chromatine pour former deux noyaux dans les deux futures cellules filles au cours de la télophase. La cellule se scinde alors en deux : c est la cytodiérèse Ainsi, à l issue de la division cellulaire ou mitose, les deux cellules filles possèdent le même équipement chromosomique qui est, comme nous le verrons dans la troisième partie de ce chapitre, le même que celui de la cellule mère.
II- Evolution des structures cellulaires au cours de la mitose Comme nous l avons constaté dans la partie précédente, l organisation de la cellule se modifie au cours de la mitose. Les deux principales structures qui changent sont le noyau et le cytosquelette. Modification des structures nucléaires Au cours de la division cellulaire, l enveloppe nucléaire disparaît au cours de la prophase et se reforme en fin de télophase. L absence d enveloppe permet le déplacement et la séparation des chromosomes en deux lots répartis aux deux pôles de la cellule. Le matériel génétique passe de l état de chromatine à l état de chromosome. En début de mitose, les chromosomes sont formés de deux chromatides unies au niveau des centromères. Lors de l anaphase, les deux chromatides de chaque chromosomes se séparent et forment les deux lots de chromosomes désormais à une chromatide chacun. Modification du cytosquelette Nous avons vu, au cours de l étude de la cellule que celle-ci possède un squelette cytoplasmique formé essentiellement de microtubules dispersés dans la cellule. Au cours de la mitose, ces tubules s organisent de manière particulière : les deux centrioles ( structures à partir desquelles s organisent les microtubules) se disposent près du noyau puis l un deux migre du côté opposé. Chaque centriole forme alors un réseau de microtubules qui se dispose en fuseau au niveau du noyau : c est le fuseau de division. Les microtubules de ce fuseau permettent le déplacement orienté des chromosomes au cours de la mitose. La colchicine, une drogue cellulaire, empêche la formation du fuseau et entraîne une répartition anarchique des chromosomes entre les deux cellules filles. Afin de mettre en évidence l évolution du cytosquelette au cours de la mitose, il est possible de marquer les microtubules à l aide d un composé fluorescent vert (voir document ci-dessous).
III- répartition de l information génétique la réplication de l ADN Dans la première partie de ce chapitre, nous avons observé que les chromosomes se répartissaient de manière égale entre les deux cellules filles. Or les chromosomes sont le support de l information génétique matérialisée par la molécule d ADN. Nous pouvons dès lors nous demander comment les molécules d ADN se «comportent» au cours de la mitose? L évolution de la quantité d ADN avant, pendant et après la mitose (courbe ci-dessous) nous donne des indications : nous constatons que la quantité d ADN contenue dans une cellule double avant le début de la division cellulaire (phase S) puis est réduite par deux en fin de mitose (cytodiérèse) Le cycle de vie d une cellule est donc une succession d interphase et de mitose. Mais l interphase n est donc pas une phase génétiquement «passive» puisque elle comporte trois phases distinctes, G1, S, G2, et que c est au cours de la phase S que la quantité d ADN se multiplie par deux. La mitose qui suit, permet, avec l agencement de l ADN sur des chromosomes, de répartir cette quantité double d ADN entre les deux cellules filles avec une molécule par chromatide.
La question qui se pose désormais est de savoir comment la molécule d ADN se duplique? Réplication de l ADN : modèle semi-conservatif démontré par l expérience de Meselson et Stahl (1958) : - Meselson et Stahl ont effectué des cultures de bactéries sur des milieux contenant soit de l azote normal 14 N, soit de l azote lourd 15 N - Les molécules d ADN, au cours de leur formation, intègrent de l azote dans leurs bases azotées. - Ainsi, selon le milieu de culture des bactéries, l azote incorporé sera donc soit léger, soit lourd. - Après extraction puis centrifugation de l ADN de ces bactéries, il est techniquement possible de localiser l ADN dans les tubes de centrifugation. - Les résultats obtenus pour différentes cultures sont représentés ci-dessous. Interprétation des résultats : Les tubes 1 et 2 sont des tubes témoins qui permettent de repérer la localisation dans les tubes soit de l ADN léger avec uniquement de l azote 14 (tube 1), soit de l ADN lourd avec de l azote 15 (tube 2) Il faut maintenant expliquer la disposition des bandes d ADN dans les tubes 3 et 4. Ces résultats expérimentaux s expliquent par une réplication de l ADN selon un modèle dit «semiconservatif» : la molécule d ADN s ouvre, formant des «yeux de réplication» au sein desquels de nouveaux nucléotides se disposent de manière complémentaire sur les brins écartés. Lorsque la totalité de la molécule a été copiée, les deux molécules issues de cette réplication possèdent chacune un brin provenant
de la molécule mère et un brin néoformé avec des nucléotides nouveaux. D où le terme employé de modèle semi-conservatif pour cette réplication. Schémas explicatifs (les brins légers sont représentés en noir, les brins lourds en rouge) Réplication dans milieu avec azote léger T A ADN tube1 ADN tube2 ADN tube 3, 100% d ADN de densité intermédiaire ADN tube 3, 100% d ADN de densité intermédiaire Réplication dans milieu avec azote léger T A T A ADN tube 4, 50% d ADN de densité intermédiaire et 50% d ADN léger De plus, ce modèle montre que les deux molécules d ADN nouvelles ont exactement la même séquence que la molécule d ADN mère qui leur a servie de modèle : ainsi, par mitose, les deux cellules filles sont génétiquement semblables entre elles et semblables à la cellule mère. En cela, la mitose est qualifiée de reproduction conforme, toutes les cellules qui se forment sont donc des clones.
IV)- Bilan : la mitose est une division cellulaire qui conserve l information génétique Pour résumer la mitose nous pouvons schématiser les différentes étapes dans le cas théorique d une cellule avec 2 paires de chromosomes donc 4 molécules d ADN (les cellules humaines possèdent 23 paires de chromosomes). Cellule mère en interphase G1 puis S puis G2 Prophase métaphase anaphase télophase 2 cellules filles en interphase avec un équipement génétique identique à celui de la cellule mère.
-Exercices-