1. Situation problème : Dans certains pays en voie de développement, il y a une inadéquation entre la croissance démographique et les ressources naturelles. D'autre part, certains couples souffrent de stérilité, d'autres ont des naissances non désirées, d'autres cherchent à espacer les naissances. Pour maîtriser les naissances on doit d'abord connaître les mécanismes de la reproduction afin de trouver les moyens adéquats. 2. Objectifs : Objectifs de savoir: Connaître les particularités cytoplasmiques et chromosomiques du spermatozoïde. Faire le rapport entre la structure du spermatozoïde et ses fonctions. Expliquer le déroulement de la spermatogenèse Mettre en évidence et expliquer la fonction endocrine des testicules. Mettre en évidence et expliquer le mécanisme de régulation des fonctions testiculaires. Objectifs de savoir faire: Faire un schéma annoté du spermatozoïde. Faire un schéma de synthèse légendé récapitulant la spermatogenèse. Adopter la démarche expérimentale pour expliquer la fonction endocrine du testicule. Analyser des résultats expérimentaux afin d'expliquer le mécanisme de régulation de la fonction endocrine du testicule. Construire un schéma bilan de la fonction reproductrice chez l'homme montrant les relations fonctionnelles entre les différents organes mis en jeu. 3. Introduction: La puberté s'accompagne chez l'homme de l'apparition de nouveaux caractères (pilosité, changement du timbre de la voix, développement de la musculature etc...) et en particulier les premières émissions de sperme ou éjaculation (souvent involontaire et durant la nuit = pollution nocturne). Le sperme contient les spermatozoïdes. - 1 -
1) Quelles sont les particularités cytologiques et chromosomiques du spermatozoïde? 2) Où et comment se forment les gamètes mâles ou spermatozoïdes? 3) Comment se fait la régulation de la fonction reproductrice chez l'homme? 4. Activités envisageables : 4.1 Les fonctions du testicule : 4.4.1 La fonction exocrine du testicule : Activité 1 : rappel sur les différentes parties de l appareil génital de l homme. 1. Observez le document suivant et identifiez les structures désignées par des flèches, en utilisant les termes suivants : prostate-véssie-vésicule séminale-canal déférenttesticule-verge-épididyme-bourse ou scrotum-orifice uro-génital-urètre-uretère. 1 : 2 : 3 : 4 : 5 : 6 : 7 : 8 : 9 : 10 : 11 : Légende 2. Complétez le tableau suivant : Organes Gonades : Conduits génitaux : Glandes annexes : Organe génital : Rôles Activité 2 : observation microscopique du testicule. Les document 2 et 3 suivants représentent des coupes d un testicule : - 2 -
10 7 8 9 Document 2 Document 3 1. Identifiez la nature de chaque coupe et annotez ces 2 documents. 2. Emettez une hypothèse sur le rôle des structures 10 du document 3. Activité 3 : structure histologique d un testicule Le document 4 ci-dessous, montre une coupe transversale de testicule vu au fort grossissement. 4 5 8 1 2 6 3 7-3 -
1. Identifiez les structures désignées par des flèches en utilisant les termes suivants : cellules interstitielles ou de Leidig-cellules de Sertoli-spermatogonie-spermatidespermatocyteI-spermatozoide-spermatocyteII-capillaire sanguin-lumière du tube séminifère. 2. Justifiez la présence de capillaires sanguins dans le tissu interstitiel. Activité 4 : schéma de la structure du spermatozoïde humain. Le schéma du document 5 représente une microphoto et un schéma d interprétation d un spermatozoide humain : 8 1 4 2 5 3 6 7 1. Annotez ce document 2. Dégagez les particularités cytologiques et chromosomiques du spermatozoide. Activité 5: les étapes de la spermatogenèse. Le document 6 représente les étapes de la formation des spermatozoides ou spermatogenèse, les lettres a, b, c, d et e, désignent les cellules de la lignée germinale et x, les cellules de Sertoli : - 4 -
1. Identifiez les cellules de la lignée germinale a, b, c, et d 2. Justifiez la présence des spermatozoides dans la lumière des tubes séminifères 3. Représentez la garniture chromosomiques des cellules (a et b), c et d dans les cases vides (on se limitera à 2n = 6 ). Justifiez vôtre représentation 4. Résumez les étapes de la spermatogenèse dans le tableau suivant, en indiquant le nom des cellules et leur garniture chromosomique (n) ou (2n) : Phase de multiplication Phase d accroissement Phase de maturation Div. réductionnelle Div. équationnelle Phase de différenciation - 5 -
Résumé: Des coupes de testicules pubères montrent deux structures essentielles : Les tubes séminifères où se déroule la formation des spermatozoides (fonction exocrine du testicule) Le tissu interstitiel riche en capillaires sanguins (fonction endocrine du testicule) Cette structure est stable à partir de la puberté. Le spermatozoïde est une cellule spécialisée dont la structure est adaptée à ses fonctions : v grâce au flagelle, à l'énergie fournie par les mitochondries et à un cytoplasme réduit, le spermatozoïde peut aller à la rencontre du gamète femelle; v grâce à l'acrosome qui coiffe le noyau, riche en enzymes, il peut traverser les enveloppes du gamète femelle; v grâce à la présence d'un lot haploïde de chromosomes dans son noyau, il participe pour moitié à l'information génétique du futur être vivant. La spermatogenèse, processus qui permet la formation des spermatozoïdes, a lieu dans les tubes séminifères des testicules. Elle est continue et se déroule en 4 étapes : Étape de multiplication : commence depuis la vie foetale et se fait par mitoses successives des spermatogonies (2n), localisés contre la membrane des tubes séminifères. Étape d'accroissement : certains spermatocytes cessent de se diviser et augmentent de volume, donnant des spermatocytes I (2n chromosomes à 2 chromatides chacun ). Étape de maturation : chaque spermatocyte I subit les 2 divisions de la méiose : au bout de la première division (division réductionnelle) chaque spermatocyte I donne 2 spermatocytes II de même taille et haploïdes (n chromosomes à 2 chromatides chacun). Chaque spermatocyte II subit immédiatement la 2ème division de la méiose pour donner 2 spermatides de même taille ( n chromosomes à une seule chromatide chacun ) Étape de différenciation ou spermiogenèse : les spermatides, au contact des cellules de Sertoli ( rôle nourricier et de soutien ), évoluent en spermatozoïdes en subissant plusieurs modification( condensation du noyau par perte de nucléoplasme;formation de l'acrosome par rassemblement et fusion des vésicules golgiennes;formation du flagelle à partir du centriole distal;élimination de l'excès de cytoplasme). 4.4.2 La fonction endocrine du testicule : Activité5 : rôle du tissu interstitiel. La cryptorchidie est une anomalie qui affecte la descente des testicules de la cavité abdominale vers les bourses au cours de la vie f tale (la rétention des testicules à l'intérieur de la cavité abdominale soumet les cellules germinales à des températures trop élevées pour leur développement normal ). Les individus cryptorchides présentent des caractères sexuels secondaires normaux mais sont moins féconds et parfois stériles. La figure 1 présente une coupe de testicule d un individu normal, alors que la figure 2 présente la coupe de testicule d un individu cryptorchide : - 6 -
Figure 1 Figure 2 1. Comparez ces deux figures 2. Déduisez le rôle du tissu interstitiel. Activité5 : mise en évidence de la fonction endocrine du testicule Dégagez des conclusions à partir des résultats expérimentaux suivants : Expériences Résultats Conclusions On castre un jeune animal impubère On castre un animal adulte fertile On greffe un testicule sous la peau d un castrat adulte On injecte chaque jour à un castrat des extraits testiculaires On irradie les testicules d un rat adulte aux rayons X en maintenant le tissu interstitiel intact L animal reste toujours impubère Stérilité, régression des caractères sexuels secondaires, atrophie du tractus génital Stérilité, réstauration des caractères sexuels secondaires et du tractus génital Stérilité, réstauration des caractères sexuels secondaires et du tractus génital Stérilité, maintien des caractères sexuels secondaires et du tractus génital - 7 -
Activité6 : rôle biologique de la testostérone. Exercice intégré: analysez et commentez sous forme d'un tableau la courbe ci-dessous, traduisant l'évolution de la sécrétion de la testostérone au cours de la vie : Résumé: les testicules n'interviennent pas seulement dans la fonction exocrine ( production des spermatozoïdes ) mais assurent également le maintien des caractères sexuels secondaires, grâce à la sécrétion d'hormones males appelées androgènes ( hormones stéroïdes ) dont la plus active est la testostérone. Période de sécrétion de la testostérone Vie foetale ( à partir du 2 ème mois, maximum entre 17 ème et 24 ème semaine ) Période néonatale Maturité sexuelle ( de la puberté à un age avancé ) Arrêt de la sécrétion pendant l'enfance rôles Stimule le développement des conduits génitaux et des glandes annexes ( caractères sexuels primaires ) Exerce une action masculinisante sur le cerveau Stimule l'apparition des caractères sexuels secondaires et active les tubes séminifères, qui commencent à produire les spermatozoïdes. La testostérone est une hormone responsable de la virilité de l'individu. Elle intervient également dans la spermatogenèse en stimulant l évolution des cellules germinales de la paroi - 8 -
des tubes séminifères en spermatozoides et participe donc à la fertilité. L action de la testostérone sur ses cellules cibles s explique par la formation d un complexe hormonerécepteur qui agit sur l ADN de ces cellules en modifiant leur activité dans le sens de la réalisation de l effet de la testostérone. 4.4.3 Le contrôle et la régulation de la fonction du testicule : Activité 7 : mise en évidence de l'intervention de l'axe hypothalamo-hypophysaire dans le contrôle des fonctions testiculaires. L'hypothalamus, région du cerveau constituant la partie antérieure et inférieure du diencéphale, et contrôlant le système nerveux végétatif et une partie du système hormonal a des connexions vasculaires étroites avec le lobe antérieur de l'hypophyse. Cette vascularisation, appelée système porte hypothalamo-hypophysaire, relie les capillaires de l'hypothalamus à ceux du lobe antérieur de l'hypophyse, permettant aux hormones et aux stimulines sécrétées par l'hypothalamus de transiter directement vers l'hypophyse où elles agissent sur les cellules pituitaires. Cerveau Cervelet - 9 -
Analyser les faits expérimentaux suivants et tirer une conclusion : Faits expérimentaux et observations Résultats Lésion de certains noyaux hypothalamiques Arrêt de la fonction reproductrice ( plus de sécrétion des gonadostimulines et atrophie des testicule) Ligature de la tige hypophysaire (pituitaire) Mêmes effets Activité 8 : mise en évidence du rôle de l'hypophyse et de l'hypothalamus dans le contrôle des fonctions testiculaires. Analyser les résultats expérimentaux suivants et compléter le tableau : Expériences Ablation de l'hypophyse d'un rat adulte Greffe de l'hypophyse implanté à son origine chez un rat préalablement hypophysectomisé Injection d'extraits hypophysaires à un rat hypophysectomisé Un rat castré est mis en parabiose avec un rat hypophysectomisé Injection de FSH à un rat préalablement hypophysectomisé Injection de LH à un rat préalablement hypophysectomisé section de la tige pituitaire ou lésion de certaines zones localisées de l'hypothalamus Résultats Stérilité accompagnée d'une atrophie des tubes séminifères - régression des caractères sexuels secondaires et même primaires Restauration des tubes séminifères et des caractères sexuels secondaires et primaires Restauration des tubes séminifères et des caractères sexuels primaires et secondaires Le rat castré présente une atrophie du tractus génital - le rat hypophysectomisé présente un tractus génital normal Restauration des tubes séminifères Restauration des caractères sexuels secondaires et même primaires Stérilité accompagnée d'une atrophie des tubes séminifères - régression des caractères sexuels secondaires et même primaires Interprétation - 10 -
Résumé: l'hypophyse contrôle les fonctions testiculaires par 2 hormones de nature protéique appelées gonadostimulines ou gonadotrophines : la FSH et la LH. v La LH : agit sur les cellules interstitielles appelées aussi cellules de Leydig qui secrètent la testostérone. v La FSH : permet le maintien et le développement des tubes séminifères en agissant spécifiquement sur les spermatogonies (active leur multiplication) et sur les cellules de Sertoli ( secrètent sous son influence une proteine de liaison appelée APB qui assure le transport de la testostérone aux cellules de la lignée germinale ). Activité 9 : la commande hypothalamique des fonctions testiculaires. 1. Analyser les faits expérimentaux suivants et tirer des conclusions : Faits expérimentaux et observations Résultats Conclusions Lésion de l'hypophyse chez l'homme Lésion de certains noyaux de l hypothalamus chez l'homme Section de la tige pituitaire atrophie des testicules et de l'appareil génital - modification du comportement - régression des caractères sexuels secondaires perturbations profondes dans de nombreuses fonctions organiques, parmi lesquelles la fonction reproductrice,atrophie des testicules perturbations profondes dans de nombreuses fonctions organiques, parmi lesquelles la fonction reproductrice,atrophie des testicules 2. Les trois graphes du document suivant correspondent à l'enregistrement, chez le bélier, des variations des taux sanguins de trois hormones: GnRH, LH et testostérone. Les prélèvements sanguins sont réalisés au niveau de la tige hypophysaire pour le graphe1 et dans la circulation générale pour les graphes 2 et 3. - 11 -
1. précisez le mode de sécrétion de ces hormones 2. En confrontant les trois graphes indiquez la relation entre les 3 sécrétions Résumé: l'hypothalamus contrôle l'activité de l'hypophyse par l'intermédiaire d'une neurohormone de nature peptidique (décapeptide) appelée GnRH, secrétée de manière pulsatile par les cellules neurosecrétrices hypothalamiques : chaque pulse de GnRH déclenche un pulse de LH qui est à l'origine d'un pulse de testostérone(les fréquences des secrétions pulsatiles ne sont pas identiques). - 12 -
Remarque : une hormone est une substance chimique, souvent de nature protidique, secrétée dans le sang par des cellules endocrines (glandes) et qui agit uniquement sur des cellules cibles ( les cellules qui possèdent des récepteurs spécifiques à cette hormone ). Une neurohormone est une hormone secrétée par des neurones ( les terminaisons nerveuses de ces neurones sont en contact direct avec les capillaires sanguins ). Activité 10 : mise en évidence du rétrocontrôle testiculaire. 1. Les graphes A, B et C ci-dessous, représentent les variations du taux sanguin de la LH chez un bélier, A : trois jours avant castration, B : sept jours après castration et C : animal castré avec implant sous-cutané délivrant en continu de fortes doses de testostérone Analysez les trois courbes et tirez une conclusion. 2. Analyser les résultats expérimentaux suivants et compléter le tableau : Expériences castration chez l'homme ou l'animal Injection de testostérone Destruction par irradiation des tubes séminifères Résultats pertes des fonctions reproductrices - hypertrophie de l'hypophyse - sécrétion augmentée de LH. Baisse rapide du taux sanguin de LH Augmentation du taux sanguin de FSH Interprétation Culture "in vitro" de cellules hypophysaires en présence de cellules de Sertoli Taux de LH constant - taux de FSH diminue - 13 -
Activité 11 : schéma bilan du contrôle hormonal du fonctionnement testiculaire. Compléter le schéma suivant par des traits, des flèches, des signes, une légende et un titre : Résumé: les cellules de Sertoli secrètent une hormone appelée inhibine qui exerce un rétrocontrôle négatif sur l'hypophyse. (rétrocontrôle négatif sur la sécrétion de la FSH). La testostérone secrétée par les cellules de Leydig ( cellules interstitielles ) exerce également un rétrocontrôle négatif sur le complexe hypothalamo-hypophysaire.il s'agit d'un rétrocontrôle négatif sur la sécrétion de la LH et de la GnRH. - 14 -
5. Evaluation : Exercice n 1 : Q.C.M 1) Les spermatozoïdes : a) Sont des cellules haploïdes à n chromosomes dédoublés ( à 2 chromatides ) b) Sont des cellules mobiles c) Participent pour moitié à l'information génétique du futur être vivant d) Sont produits de façon discontinue, à partir de la puberté 2) Le testicule : a) Est une glande purement endocrine b) Secrète des gonadostimulines c) Est responsable de l'apparition et du maintien des caractères sexuels secondaires d) Assure la production des gamètes males 3) La testostérone : a) Est une neurohormone b) Est secrétée par les cellules de Sertoli c) Est responsable de la virilité de l'individu d) Agit uniquement sur les cellules hypophysaires 4) La régulation du taux sanguin de la testostérone : a) Est le résultat d'un équilibre dynamique entre les activités du testicule et celle du complexe hypothalamo-hypophysaire b) Fait intervenir un rétrocontrôle positif de l'inhibine c) Est sous le contrôle d'une sécrétion pulsatile de GnRh d) Dépend de la sécrétion de FSH 5) La testostérone : a- est une hormone sécrétée de façon pulsatile b- est une hormone produite par l hypophyse c- agit sur l ensemble des organes du corps de l homme d- a un taux sanguin constant par l intervention d un mécanisme de régulation de sa sécrétion 6) La testostérone est sécrété par : a- les tubes séminifères b- le tissu interstitiel c- les cellules germinales d- les cellules de sertoli - 15 -
7) Une baisse de la sécrétion de testostérone en dessous de la valeur normale est corrigée par : a- un rétrocontrôle positif de la testostérone sur l hypothalamus b- une stimulation des cellules de Leydig par LH c- un rétrocontrôle négatif de la testostérone sur l hypothalamus d- une stimulation des tubes séminifères par FSH 8) La régulation du taux sanguin de testostérone : a- est contrôlée par un mécanisme nerveux b- fait intervenir un rétrocontrôle négatif de la testostérone qui stimule hypothalamus c- fait intervenir le testicule et le complexe hypothalamo-hypophysaire d- est une autorégulation Exercice n 2 : A/ Le document suivant est un schéma de coupe d un organe de mammifère 1. Identifiez les structures désignées par les chiffres et donnez un titre à ce schéma 2. S agit-il d un animal pubère ou impubère? justifiez la réponse. 3. Les cellules A, B et C sont en division. Identifiez les en complétant le tableau suivant : Nom Cellule A Cellule B Cellule C Type de division Résultat de la division Phase de la spermatogenèse Nombre de chromosomes Nombre de chromatides - 16 -
B/ L'ablation des testicules chez un rat adulte entraîne l' hypertrophie et l'hypersécrétion hypophysaires. L'hypophysectomie chez un rat adulte entraîne l'atrophie de l'appareil génital. La section de la tige pituitaire entre l'hypophyse et l'hypothalamus a les mêmes effets que l'hypophysectomie. 1. Analyser ces expériences. 2. Résumer la régulation hormonale de la fonction reproductrice mâle par un schéma fonctionnel convenablement annoté. Exercice n 3: Afin de comprendre les relations fonctionnelles entre l'hypothalamus, l'hypophyse et les testicules, on réalise des expériences sur des singes. On rappelle que la physiologie de la reproduction du singe est voisine de celle de l'homme. Le document 1 représente la structure anatomique du complexe hypothalamohypophysaire. Expérience 1 : Chez un singe normal, on a mesuré d'une part la sécrétion de Gn RH par les neurones de la zone 1 (du document 1) et, et d'autre part, la sécrétion des cellules hypophysaires ( la LH ). Le document 2 présente les résultats obtenus - 17 -
Expérience 2 : L'ablation de l'hypophyse chez un autre singe entraîne une chute de la sécrétion de la testostérone. L'injection d'une dose de LH rétablit la sécrétion normale de la testostérone chez cet animal Expérience 3 : On dose le taux plasmatique de LH chez un singe castré depuis 6 jours, on constate une augmentation de la sécrétion de LH par rapport à un singe normal. L'injection d'une dose de testostérone à ce singe castré, ramène la sécrétion de LH à sa valeur normale. 1) Analysez les tracés a, b du document 2 en vue de déduire la relation fonctionnelle entre l'hypothalamus et l'hypophyse. 2) Expliquez les résultats des expériences 2 et 3.Que peut-on en déduire à propos du mécanisme régulateur de la sécrétion de la testostérone? 3) En utilisant les informations tirées des expériences précédentes, représentez par un schéma de synthèse le mécanisme régulateur de la sécrétion de la testostérone Exercice n 4: 1) Le document I représente une coupe transversale partielle de testicule : - 18 -
a) Annoter le schema. b) précisez les roles des cellules 1 et 3. 2) Le document II represente 3 cellules en division qu'on peut observer au niveau d'un testicule : a) preciser la phase de division pour chaque cellule. b) nommer les 3 cellules en division. 3) L'ablation des testicules chez un rat adulte entraine l'hypertrophie et I'hypersecrétion hypophysaire. L'hypophysectomie chez un rat adulte entraine l'atrophie de I'appareil genital. La section de la tige pituitaire entre hypophyse et hypothalamus a les memes effets que I 'hypophysectomie a) analyser ces experiences. b) résumer la regulation hormonale de la fonction reproductrice male par un schema. - 19 -