Département de Biologie du Cégep de Jonquière ORGANISATION DU VIVANT Laboratoire 05 Le cycle cellulaire Esteban Gonzalez Département de biologie Bureau 261.2 esteban.gonzalez@cjonquiere.qc.ca 101-JAA-JQ 3-2-3 Pour les étudiant(e)s du programme collégial de Sciences, lettres et arts (700.A0) Hiver 2012
- 2 - DIRECTIVES 1) Cette activité d'apprentissage sera réalisée entièrement au laboratoire. 2) Avant de commencer les manipulations, vous devez lire très attentivement la partie théorique et la partie pratique de cette activité. 3) L observation et les manipulations se font en équipe de deux étudiants. 4) Avant de quitter la classe, vous devrez faire vérifier votre microscope par le professeur. 5) L équipe devra remettre les dessins demandés ainsi que le questionnaire de la section «rapport de laboratoire», une semaine après la réalisation de l expérimentation. 6) Vous pouvez utiliser des volumes de référence pertinents pour vous aider à légender vos dessins. s généraux À la fin de cette activité d'apprentissage, l'élève devra: 1) Être sensibilisé(e) aux nombreuses propriétés physicochimiques de la cellule. 2) Connaître quelques méthodes expérimentales permettant de mettre en valeur ces propriétés. 3) Être sensibilisé au processus de division cellulaire chez la cellule animale et chez la cellule végétale. 4) Savoir les principales différences entre la mitose animale et la mitose végétale. 5) Savoir représenter ses observations à l aide de dessins. 6) Connaître les chromosomes humains.
INTRODUCTION - 3 - Le cycle cellulaire Le cycle cellulaire est une alternance d une période de croissance cellulaire appelée interphase et d une phase de division appelée phase M (pour mitotique), constituée de la mitose et de la cytocinèse. Interphase Phase mitotique (M) Interphase Phase mitotique (M) Interphase G1 S G2 Mitose Cytocinèse G1 S G2 Mitose Cytocinèse G1 S G2 Durant les trois parties de l interphase, la cellule croit en synthétisant des protéines et en produisant des organites cytoplasmiques. Les phases G1 et G2 (G pour growth) correspondent à des phases de croissance de la cellule. La réplication des chromosomes a lieu seulement pendant la phase S (S pour synthèse de l ADN). A) Les chromosomes : Les chromosomes sont des structures permanentes du noyau cellulaire; ils sont spiralés comme la représentation de la figure 1 et peuvent s'allonger ou se raccourcir selon que la cellule est en phase de repos, c'est-à-dire en interphase ou en période de division (phase mitotique). La partie active des chromosomes est constituée par des molécules d'adn organisées en unités appelées gènes. Ces unités sont accrochées en une seule rangée sur une structure protéique. C'est la distribution des gènes le long du chromosome qui constitue l'information codée typique à ce chromosome. C'est pourquoi on dit des chromosomes qu'ils portent l'information génétique.
- 4 - Figure 1. Représentation des 23 paires de chromosomes humains. Chaque organisme vivant possède un certain nombre de chromosomes caractéristique de son espèce (voir figure 2). Ainsi, toutes les cellules somatiques chez l'homme, i.e. toutes les cellules autres que les cellules germinales ou sexuelles (ovule et spermatozoïde), contiennent 46 chromosomes. B) La division cellulaire - MITOSE Chaque organisme commence son existence à l'état de cellule unique. L'augmentation du nombre de cellules, qui est à la base de la croissance et qui aboutit à la formation des structures pluricellulaires et à leur renouvellement, est le résultat d'un des processus les plus importants de la biologie: la division cellulaire ou mitose.
- 5 - Nom commun Nom scientifique Nombre de chromosomes (2n) Ver intestinal (ver solitaire) Ascaris megalocephala 2 Mouche du vinaigre Drosophila melanogaster 8 Ver de farine Tenebrio molitor 20 Mais Zea mays 20 Tomate Lycopersicon 24 Lézard Anolis carolinensis 34 Chat Felis domestica 38 Souris Mus musculus 40 Babouin Papio papio 42 Pomme de terre Solanum tuberosum 42 Rat blanc Rattus norvegicus 42 Gibbon Hylobates sp. 44 Ouistiti Callithrix chrysoleucos 46 Humain Homo sapiens 46 Gorille Gorilla gorilla 48 Chimpanzé Pan satyrus 48 Orang-outang Pongo pygmaeus 48 Âne Equus asinus 62 Mulet Sus domesticus 63 Cheval Equus caballus 64 Chien Canis familiaris 78 Écrevisse Cambarus virilis 200 Fougère Ophioglossum vulgatum 512 Rhizopode (protozoaire) Castinidium variable 1500 à 1600 Figure 2 : Nombre de chromosomes chez quelques organismes vivants La mitose consiste en la formation de deux nouveaux éléments autonomes ou cellulesfilles à partir d'un élément ancien, la cellule-mère. La division cellulaire attribue un jeu identique de chromosomes à chaque cellule fille issue de la cellule mère. Ce phénomène, qui se répète un grand nombre de fois, implique des remaniements importants au niveau du noyau et du cytoplasme de la cellule mère. La majorité des cellules vivantes, regroupant les cellules somatiques ou «cellules du corps», se multiplient et se renouvellent par MITOSE. Dans ce mode de division cellulaire, il est généralement possible de distinguer cinq (5) phases qui peuvent s'étendre sur une durée de plusieurs heures. Dans la division cellulaire, il y a deux événements séparés et distincts qui sont tout de même étroitement coordonnés et synchronisés dans le temps: - La division du noyau: Mitose - La division du cytoplasme: Cytocinèse
1) La mitose I N T E R P H A S E On nomme INTERPHASE, la période comprise entre deux divisions cellulaires. C'est pendant cette période que se produit la duplication de l'adn au niveau du noyau (phase S). Chacun des chromosomes, qui ne sont pas encore observables à ce stade-ci, se répliquent et se dédoublent en deux chromatides sœurs retenues ensemble par le centromère (figure 1). De plus, il y a une phase active de prolifération cellulaire précédant la division. Grâce au processus de synthèse protéique, il y a prolifération du matériel cytoplasmique. - 6 - ANIMALE VÉGÉTALE La PROPHASE indique le début de la division mitotique. C'est à ce niveau-ci qu'apparaissent les chromosomes en tant que structures distinctes: les longs filaments chromosomiques se condensent, se raccourcissent et se spiralisent pour devenir visibles en microscopie sous forme de bâtonnets (X). Chaque bâtonnet est en fait composé de deux chromatides retenues ensemble au niveau du centromère (figure 1). Dans le cytoplasme de la cellule animale, le centre cellulaire se dédouble et les centrosomes migrent vers les pôles de la cellule formant ainsi le fuseau de division (tableau 7.2, page 131 de Campbell et Reece). Chez la cellule végétale, c'est le système de synthèse de la cellule qui élabore les fibres du fuseau de division. La disparition des nucléoles et de la membrane nucléaire indique la fin de la prophase. Chaque chromosome dédoublé (en forme de X) est alors lié par son centromère aux fibres du fuseau.
-7- P R O P H A S E ANIMALE VÉGÉTALE Au cours de la METAPHASE, les centromères traînant leurs chromatides, s'alignent au centre de la cellule pour former la plaque équatoriale. Chaque centromère retenant les deux chromatides identiques se scindent en deux: chaque chromatide devient maintenant un chromosome. M E T A P H A S E ANIMALE VÉGÉTALE À L'ANAPHASE, les nouveaux chromosomes se séparent les uns des autres et s'élèvent vers les pôles, tirés par le centromère. Le matériel génétique est ainsi réparti d'une façon identique aux deux pôles de la cellule.
A N A P H A S E - 8 - ANIMALE VÉGÉTALE T E L O P H A S E et C y t o c i n è s e À LA TELOPHASE, les deux groupes de chromosomes qui se déspiralisent vont former chacun un réseau enchevêtré de chromatine. membrane nucléaire et les nucléoles réapparaissent. La Enfin, le cytoplasme se divise également ou non en deux, par étranglement chez la cellule animale, ou par formation d'une plaque cellulosique dans le cas des cellules végétales. C est la CYTOCINESE. Le processus de division cellulaire ou mitose a donc comme résultat la production de deux cellules filles possédant un nombre égal de chromosomes identiques à ceux de la cellule mère. Ces deux nouvelles cellules commencent alors une nouvelle interphase et le cycle complet de division peut maintenant se répéter.
- 9 - Manipulation Titre : les chromosomes But : observer un caryotype humain et les différences entre les différentes phases du cycle cellulaire animal et végétal Matériel : Microscope binoculaire Huile à immersion Solvant Papier à lentilles Papier buvard (bibulous paper) Lames préparées o Chromosomes humains o Whitefish blastula o Onion root tip (mitosis) Microphotographies de différents caryotypes Modèle ou affiche de racine d oignon
- 10 - Observations 1) Caryotype humain a) Nettoyez minutieusement la lame de caryotype humain à l aide de solvant et de papier à lentilles. b) Observez à 4X, 10X et 40X et finalement à 100X sous huile à immersion, le caryotype. Vous remarquerez que les chromosomes présentent des variations morphologiques. c) Dessinez quelques chromosomes à la section «rapport de laboratoire». 2) Mitose animale a) Nettoyez minutieusement la lame de caryotype humain à l aide de solvant et de papier à lentilles. b) Observez la préparation à 4X. Remarquez qu il y a plusieurs coupes de blastula sur la lame. Vous devrez observer l une et l autre de ces coupes histologiques pour réussir à observer toutes les étapes de la Phase M animale. c) Observez maintenant la préparation à plus forts grossissements en sélectionnant les objectifs 10X, 40X et 100X sous huile à immersion. d) Localisez chacune des étapes de la phase M et représentez-les à la section «rapport de laboratoire» (référez à la figure 12.6, pages 240-241 de Campbell et Reece). e) Nettoyez bien les lames que vous avez observées et passez à l étape suivante.
3) Mitose végétale - 11 - a) Nettoyez minutieusement la lame «Onion root tip» à l aide de solvant et de papier à lentilles. b) Observez la préparation à 4X. Localisez l extrémité d une racine sur la préparation. Il y en a normalement quatre. Repérez sur la racine la zone méristématique. C est l endroit où les cellules se multiplient fréquemment. c) Observez maintenant la préparation à plus forts grossissements en sélectionnant les objectifs 10X, 40X et 100X sous huile à immersion. d) Localisez chacune des étapes de la phase M et représentez-les à la section «rapport de laboratoire» (référez à la figure 12.10, page 243 de Campbell et Reece). e) Nettoyez bien les lames que vous avez observées ainsi que le microscope. Médiagraphie CAMPBELL, Neil A. et Jane B. REECE. (2007). Biologie 3 e édition. Adaptation française : René Lachaine et Michel Bosset. St-Laurent, Québec, ERPI. 1364 p.
- 12 - Chromosomes humains Mitose Animale - Interphase Mitose Végétale - Interphase
Mitose Animale - Prophase - 13 - Mitose Végétale - Prophase Mitose Animale - Méataphase Mitose Végétale Métaphase
Mitose Animale - Anaphase - 14 - Mitose Végétale - Anaphase Mitose Animale - Télophase Mitose Végétale - Télophase
- 15 - Noms : Questions pour le rapport 1. Que veut dire le terme cytocinèse? 2. a) À quoi sert le fuseau de division élaboré lors de la phase mitotique du cycle cellulaire? b) Les centrioles sont-ils essentiels à la formation du fuseau? Comment a-t-on fait expérimentalement pour le démontrer? 3. La cytocinèse se fait différemment chez les cellules végétales et chez les cellules animales. Décrivez cette différence.
- 16-4. Lien avec l évolution (tiré de CAMPBELL et REECE) page 253 «La mitose a pour résultat de donner à chaque cellule fille le même nombre de chromosomes que la cellule mère. Une autre façon de maintenir le nombre de chromosomes serait de réaliser d abord une division cellulaire, puis de répliquer les chromosomes dans chaque cellule fille. Y aurait-il des problèmes avec ce processus, ou pensez-vous qu il organiserait le cycle cellulaire efficacement?»