CHAPITRE A L’ a p p a r e i l r e p r o d u c t e u r d e l ’ h o m m e 1 À partir de la puberté et jusqu’à la mort, les testicules d’un homme produisent des spermatozoïdes et des hormones. Quelles sont les hormones impliquées et comment leur sécrétion est-elle régulée ? 1. Anatomie du système génital de l’homme (Documents 1 et 2) Les organes génitaux masculins comprennent : * les deux gonades mâles ou testicules. * des conduits génitaux : - deux épididymes ; - deux spermiductes ou canaux déférents ; - l'urètre. * des organes annexes : - deux vésicules séminales; - la prostate ; - deux glandes de Cowper. * l'organe copulateur (=organe d'accouplement) appelé verge ou pénis. 1 -Les testicules. Les testicules sont situés dans les bourses ou scrotum à l'extérieur de l’abdomen. Cette position leur assure une température inférieure à 37° C nécessaire au développement des gamètes mâles. Le testicule est formé de 200 à 300 lobules testiculaires qui contiennent chacun 3 à 4 tubes séminifères.Entre les tubes séminifères, on trouve des amas de cellules de Leydig (cellules interstitielles) et des capillaires sanguins. Chaque tube est limité par une fine gaine conjonctive contre laquelle s'applique des cellules peu nombreuses, les cellules de Sertoli (= cellules nourricières).Ces cellules sont des cellules somatiques (non reproductrices) qui s'étendent sur toute la longueur de la paroi du tube séminifère et qui soutiennent, protègent et nourrissent les cellules de la lignée spermatogénétique. 2 - Les voies génitales, les glandes annexes et l'organe copulateur. Le spermiducte débute par un long tube, pelotonné sur lui-même et tout entier contenu dans l’épididyme : c'est le canal épididymaire, relié au testicule par un système complexe de tubules sinueux. Au canal épididymaire fait suite le canal déférent qui va de la queue de l’épididyme à la base de la prostate. Au voisinage de celle-ci le canal déférent se renfle en une ampoule et reçoit la vésicule séminale (sècrétrice de fructose qui sert de substrat énergétique aux spermatozoïdes). La prostate est une glande disposée autour de l’urètre, juste au dessous de la vessie. Après avoir traversé la prostate, l’urètre devenu uro-spermiducte reçoit les canaux des glandes de Cowper juste avant de pénétrer dans la verge. Le pénis est formé essentiellement de deux tissus érectiles : les corps caverneux et le corps spongieux. Les deux corps caverneux sont accolés vers le haut et délimitent vers le bas une gouttière dans laquelle est logé le corps spongieux. Ce dernier entoure l’urètre et présente un renflement à chaque extrémité : vers l’arrière le bulbe, vers l’avant le gland recouvert d'un repli cutané : le prépuce. 2 2. Physiologie du système génital de l’homme. a. La spermatogenèse (Document 3) a) Particularités de la spermatogenèse La spermatogenèse est la série d’évènements qui se déroulent dans les tubes séminifères et qui mènent à la production des gamètes mâles haploïdes, les spermatozoïdes. Cette spermatogenèse dure environ 74 jours. Chez le mâle, la gamétogenèse est permanente (à partir de la puberté) et se poursuit pendant toute la vie du sujet. Les étapes de la spermatogenèse chez les Mammifères sont indiquées au niveau du document 5. A l’origine, on observe des spermatogonies (2n) qui subissent des mitoses successives : c’est la phase de multiplication. Celle-ci se fait à la périphérie du tube séminifère. Puis certaines spermatogonies montrent la phase d’accroissement qui les transforment en spermatocytes de 1er ordre ou spermatocytes I (2n chromosomes bichromatidiens). À partir de chaque spermatocyte I, la méiose conduit à la formation de 2 spermatocytes II (n chromosomes bichromatidiens), puis 4 spermatides (n chromosomes à une chromatide) : c’est la phase de maturation. La dernière étape de la spermatogenèse est une phase de différenciation en un gamète morphologique spécialisé, le spermatozoïde (n chromosome à une chromatide) : on lui réserve le nom de spermiogenèse (celle-ci dure environ deux semaines). b) Déroulement de la spermatogenèse dans les tubes séminifères. La multiplication des spermatogonies a lieu à la périphérie des tubes séminifères. Puis le passage des spermatogonies aux spermatozoïdes se fait en progressant vers le centre du tube séminifère : on parle de différenciation centripète (Documents 3 et 4). On reconnaît les spermatocytes I à leur noyau légérement plus volumineux que ceux des cellules adjacentes (gonies et cytes II). En gagnant la lumière du tube, on reconnaît ensuite les spermatocytes II (à noyau plus petit et plus densément coloré), puis les spermatides (à noyau anguleux et plus clair), puis les spermatozoïdes, en paquets, avec leurs flagelles dirigés vers la lumière. Un second type cellulaire participe à la paroi des tubes séminifères : il s’agit des cellules de Sertoli. Ces cellules assurent un rôle trophique (on les appelle cellules nourricières) à l’égard des cellules mères des gamètes et des spermatozoïdes. (On leur attribue la sécrétion d’une hormone qui réalise un rétrocontrôle négatif sur l’hypophyse et sur l’hypothalamus : on l’appelle l’inhibine. On leur attribue également la fabrication d’une protéine qui par son affinité avec les androgènes assure une forte concentration de testostérone dans la lumière du tube : cette protéine est dénommée ABP (Androgen Binding Protein)). g) La spermiogenèse La spermiogenèse correspond à la différenciation des spermatides en spermatozoïdes. Les spermatozoïdes sont des cellules flagellées très différenciées. Le Document 4 vous montre les principales caractéristiques morphologiques des spermatozoïdes. 3 Le spermatozoïde se divise en trois parties, la tête, la pièce intermédiaire et la queue qui sont respectivement ses régions génétique, métabolique et locomotrice. La tête du spermatozoïde est composée presque entièrement du noyau contenant les chromosomes (22 + X ou 22 + Y). Elle est recouverte d’une forme adhésive élaborée par l’appareil de Golgi appelée acrosome. Ce dernier est riche en enzymes hydrolytiques qui permettront au spermatozoïde de pénétrer dans l’ovule (exemple d’enzyme : la hyaluronidase). La pièce intermédiaire est un cylindre contenant de nombreuses mitochondries qui utilisent le fructose et le dioxygène pour fournir de l’énergie nécessaire à la locomotion du spermatozoïde. Le flagelle élaboré par un centriole assure la mobilité des spermatozoïdes qui se déplacent à une vitesse de 1 à 4 mm/min. Les mitochondries fournissent l’ATP nécessaire pour produire les mouvements en coup de fouet de la queue du spermatozoïde. Une température trop élevée ralentit et même peut stopper la spermatogenèse. Les spermatozoïdes, encore immobiles au niveau du tube séminifère, sont entraînés vers l’épididyme où ils vont acquérir une mobilité. Ils y sont recouverts d’un enduit protéique pour devenir fécondant (capacitation). Ils sont alors stockés dans la queue de l’épididyme et seront évacués à l’occasion d’une éjaculation avec une certaine quantité de liquide séminal produit par les glandes annexes et riche en fructose. d) Le tissu interstitiel Ce tissu est formé de cellules dont l’activité endocrine est confirmée par la présence de nombreux capillaires sanguins. Il s’agit des cellules de Leydig (= celllules interstitielles). La testostérone (Document 11) est une hormone stéroïde, elle se fixe sur des récepteurs nucléaires présents dans des cellules cibles au niveau de nombreux organes. Expériences et observations · L’ablation des testicules pour des raisons médicales empêchent l’apparition des caractères sexuels secondaires. Des injections de testostérone restaurent ces caractères (avant la puberté). · Une castration chez l’adulte fait que les caractères sexuels secondaires tendent à s’estomper. La testostérone permet donc leur maintien. · La testostérone a des effets sur le développement des muscles en favorisant la synthèse de protéines d’où son utilisation pour les dopages. Les effets de la testostérone : Chez l’embryon, elle permet la différenciation du sexe et provoque la descente des testicules dans les bourses chez le fœtus de 7 mois (Voir chapitre E). A la puberté, elle est responsable de l’apparition et du développement des caractères sexuels primaires (augmentation du volume des testicules et de la taille du pénis). On observe aussi l’apparition des caractères sexuels secondaires : développement de la pilosité, développement musculaire, mue de la voix … 4 Chez l’homme adulte, elle entretient l’activité des différents organes sexuels. Elle permet le maintien des caractères sexuels primaires et secondaires. Elle stimule la spermatogenèse. Remarque : Le testicule produit des spermatozoïdes et de la testostérone. C’est à la fois une glande exocrine et une glande endocrine (= glande mixte = glande amphicrine). La testostéronémie, ou taux plasmatique de testostérone, augmente dès la puberté et devient constante chez l’homme adulte pendant une grande partie de sa vie. Comment l’activité testiculaire est-elle contrôlée ? Comment expliquer le maintien de la testostronémie autour d’une valeur moyenne ? b) Régulation hormonale de la fonction de reproduction chez l’homme. La régulation hormonale de la spermatogenèse et de la production d’androgènes testiculaires (testostérone) fait intervenir des interactions entre l’hypothalamus, l’adénohypophyse et les testicules. a) Contrôle par l’hypophyse : · l’hypophyse est une petite glande située à la base du cerveau reliée par la tige pituitaire ou tige hypophysaire à l’hypothalamus (Document 6). L’ensemble hypothalamus + hypophyse forme le complexe hypothalamo-hypophysaire (CHH). L’hypophyse est constituée de la l’antéhypophyse et la posthypophyse. juxtaposition de 2 lobes de nature différente : L’antéhypophyse (= adénohypophyse = hypophyse antérieure) est un lobe formé de cellules de type glandulaire et parcouru par de nombreux capillaires sanguins. La posthypophyse (= neurohypophyse = hypophyse postérieure) n’est pas une glande endocrine mais plutôt un prolongement anatomique de l’hypothalamus. Les relations vasculaires qui existent entre l’hypothalamus et l’hypophyse sont le support morphologique des relations fonctionnelles qui existent entre eux. La vascularisation de l’adénohypophyse repose sur l’existence du système porte hypophysaire. Le sang arrive de l’artère hypophysaire supérieure et passe dans le réseau capillaire situé au niveau de la tige hypophysaire puis est acheminé par des vaisseaux vers un deuxième réseau capillaire situé dans l’adénohypophyse, d’où il rejoint la circulation générale. Les relations fonctionnelles entre l’hypothalammus et l’hypophyse sont assurée par les terminaisons des fibres nerveuses issues du noyau arqué de l’hypothalamus. Le Document 7 vous montre les relations fonctionnelles entre l’hypothalamus et l’hypophyse. · - Expériences : L’ablation du lobe antérieur de l’hypophyse entraîne chez un rat adulte une diminution de la masse des testicules, une diminution de la masse des glandes annexes, l’arrêt de la sécrétion de la testostérone ainsi que la stérilité. 5 - L’injection d’extraits hypophysaires restaure la spermatogenèse (et donc la fertilité), la sécrétion de testostérone, ainsi que les caractères sexuels secondaires. - Des rats hypophysectomisés reçoivent 4 g d’un extrait hypophysaire : la FSH pendant un mois. Leur spermatogenèse est alors redevenue normale mais leurs cellules interstitielles testiculaires et leurs glandes annexes sont toujours aussi peu développées. - Des rats hypophysectomisés reçoivent 4g d’une autre hormone hypophysaire : la LH pendant 1 mois. Leurs cellules interstitielles et leurs glandes annexes sont alors redevenues normales mais pas leur spermatogenèse. - · sur le sur la sur la Toutes ces expériences montrent que l’hypophyse agit : maintien des caractères sexuels secondaires ; spermatogenèse ; production de la testostérone. L’adénohypophyse produit des substances qui sont transportées par le sang afin de stimuler la fonction testiculaire. L’adénohypophyse stimule le testicule par voie hormonale. L’adénohypophyse produit deux hormones hypophysaires appelées gonadostimulines ( = gonadotrophines = gonadotropes). Il s’agit de la FSH et de la LH (hormones peptidiques ; glycoprotéines). La FSH (= Hormone Folliculo Stimulante) active la spermatogenèse et se fixe sur les cellules de Sertoli. Ces dernières sécrètent alors l’ABP (Androgen Binding Protein ; protéine de liaison à la testostérone). La LH (= Hormone Lutéinisante) est encore appelée ICSH (= Hormone de Stimulation des Cellules Interstielles). La LH se fixe sur les membranes des cellules de Leydig. Ces cellules stimulées libèrent de la testostérone (et un peu d’oestrogènes). L’ABP (provenant des cellules de Sertoli) se lie à la testostérone et permet le maintien d’une concentration élevée de cette hormone dans les tubes séminifères. Le complexe ABP-testostérone agit sur les cellules germinales (= cellules reproductrices) et les spermatocytes de manière à favoriser la poursuite de la méiose et de la spermatogenèse. Le fonctionnement de l’adénohypophyse dépend de sa vascularisation et de l’activité de neurones hypothalamiques. Comment l’activité nerveuse commande-t-elle l’activité hypophysaire par l’intermédiaire de la voie sanguine ? b) Contrôle de l’adénohypophyse par l’hypothalamus (Document 8) Le Document 8 montre les relations fonctionnelles entre l’hypothalamus et l’hypophyse à partir de différentes expériences. L’expérience a/ montre que l’hypothalamus contrôle l’hypophyse. L’expérience b/ montre que l’hypothalamus agirait sur l’hypophyse par voie nerveuse. 6 L’expérience c/ rejette l’hypothèse de l’expérience b/. L’expérience d/ montre que la substance hypothalamique qui agit sur l’hypophyse est la GnRH. On peut résumer la régulation hormonale chez l’homme : (Document 9). L’hypothalamus agit sur l’adénohypophyse par l’intermédiaire d’une substance, la GnRH (= Gonadotrophin Releasing Hormone), libérée à l’extrémité des axones des neurones hypothalamiques. A la différence d’un neurotransmetteur, la GnRH n’est pas libérée dans une fente synaptique mais au contact des vaisseaux sanguins. Par voie sanguine, cette substance va exercer son action biologique à une certaine distance de son lieu de sécrétion : il s’agit donc d’une hormone, encore appelée neurohormone, car elle est libérée par des neurones. La GnRH ou gonadolibérine est un petit polypeptide (un décapeptide=10 acides aminés) qui déclenche la libération des gonadotrophines par les cellules sécrétrices de LH et les cellules sécrétrices de FSH au niveau du lobe antérieur de l’hypophyse, mais son action est plus importante sur les cellules à LH que sur celles à FSH. La libération de GnRH se fait de façon pulsatile. Cette pulsatilité est une conséquence du fonctionnement des neurones hypothalamiques à GnRH. Ces neurones ont en effet la propriété d’émettre, de manière rythmique et synchronisée, des salves de potentiels d’action qui déclenchent la libération de pulses de GnRH. La décharge rythmique de GnRH s’accompagne d’une libération également pulsatile de LH puis de testostérone (Document 10). Remarque : L’ensemble gonadotrope. hypothalamus + hypophyse + gonade est appelé axe La production finale de testostérone étant sensiblement stable, il faut en conclure que l’activité du système de commande est soumise à un contrôle efficace. Comment s’exerce ce contrôle ? g) L’existence d’un rétrocontrôle Certaines observations expérimentales permettent de comprendre un aspect important de ce contrôle : - la castration bilatérale d’un mâle adulte est suivie d’une élévation des productions de gonadostimulines hypophysaires (LH et FSH) ; - l’injection importante de testostérone arrête les pulses de GnRH ; - les neurones sécréteurs de GnRH possèdent des récepteurs à la testostérone. De ces observations, on peut conclure qu’il existe un rétrocontrôle négatif par la testostérone sur l’axe hypothalamo-hypophysaire mais celui-ci est effectif qu’audelà d’une valeur seuil. Ainsi explique-t-on la constance du taux de testostérone dans l’organisme. c) Le taux des hormones sexuelles, un système réglé. D’une façon générale, les différents paramètres physiologiques sont soumis à une régulation. 7 L’organisation d’un système réglant obéit toujours à quelques régles simples. - la valeur du paramètre à régler est détectée par un mécanisme capable de comparer la valeur mesurée à la valeur de référence appelée valeur de consigne ; - lorsque la valeur mesurée s’éloigne de la valeur de consigne, le fonctionnement du système réglant est modifié ; - le résultat est une correction de l’écart, le paramètre réglé retrouve sa valeur de consigne. Il s’agit donc d’une régulation dynamique qui est caractéristique du fonctionnement d’un servomécanisme c’est-à dire d’un mécanisme réalisant en autonomie un certain programme d’action. Dans le cas du système régulant la fonction de reproduction : -le paramètre réglé est la concentration plasmatique de testostérone, -le système réglant (capteurs, centre intégrateur, messages et effecteurs) est représenté par le complexe hypothalamo-hypophysaire et les testicules (cellules interstitielles). A certaines périodes, la valeur de référence est modifiée par des influences extérieures au système autoréglé. C’est le cas au cours de la puberté où la valeur de consigne est augmentée ou lorsque les mammifères mâles passent d’une période de repos sexuel à une période d’activité. Schéma de synthèse : schéma du système de régulation de la testostéronémie (Document 12 ) (NB : Ce schéma est essentiel et il faut l’apprendre afin de répondre correctement le jour du concours. Certaines villes proposent des restitutions de connaissances sur ce chapitre A). Voir schéma de synthèse ci-dessous. 8 Schéma de Synthèse : Schéma du système de régulation de la testostéronémie 9 Conclusion : La quantité de testostérone et le nombre de spermatozoïdes produits réflètent un équilibre entre trois groupes d’hormones : - la FSH et la LH qui stimulent les testicules ; - la GnRH qui stimule indirectement les testicules par l’intermédiaire de son influence sur la libération de FSH et de LH ; - les hormones testiculaires (testostérone et inhibine ?) qui exercent un rétrocontrôle négatif sur le complexe hypothalamo-hypophysaire. Au-delà du programme … · Commme tous les stéroïdes, la testostérone est synthétisée à partir du cholestérol. · Les testicules ne sont pas la seule source d’androgènes : les glandes surrénales (glandes endocrines situées au dessus des reins) des hommes et des femmes sécrètent des androgènes. Cependant, les quantités relativement petites d’androgènes surrénaliens ne peuvent soutenir les fonctions dépendant de la testostérone. · L’éventualité d’un contrôle en retour exercé par une substance des tubes séminifères sur les cellules productrices de FSH a retenu l’attention des chercheurs. Les cellules de Sertoli sécrétent l’inhibine (hormone peptidique). Chez certains animaux de laboratoire, il semble démontrer que cette hormone agirait par rétrocontrôle négatif sur la production de FSH. On pense que l’inhibine a une action similaire chez l’homme. · Les neurones à GnRH en contact avec d’autres neurones sont influencés par des neurotransmetteurs. Cer derniers libérés sous l’influence de stimuli externes modulent l’activité électrique des neurones à GnRH. 10