STRUCTURE CELLULAIRE La structure cellulaire Activité 1 1. Les cellules végétales d’organismes pluricellulaires Document 1 A : Prélèvement de l’épiderme interne d’une écaille de bulbe d’oignon 1. En utilisant le document 1A prélevez sur un bulbe d’oignon coupé longitudinalement en quatre, une feuille ou écaille de la région moyenne. 2. A l’aide d’un scalpel, découpez un carré de 5 mm de côté dans l’épiderme de la partie concave et décollez-le à l’aide d’une pince. 3. Réalisez une préparation microscopique en montant dans une goutte d’eau, entre lame et lamelle, le fragment d’épiderme prélevé, soigneusement étalé. 4. Observez à faible grossissement et faites un dessin légendé (noyau, cytoplasme, membrane plasmique, vacuole). 5. Passez au fort grossissement. Complétez les observations précédentes en identifiant les nucléoles. 6. Faites varier la mise au point et modifiez l’éclairage et le diaphragme, pour observer les organites et les inclusions cellulaires divers. 7. Terminez le dessin et la légende. 8. Pour compléter l’étude de la cellule, refaites quatre nouvelles préparations mais en utilisant successivement les liquides suivants comme milieu de montage : liquide de Ringer + solution de rouge neutre, solution de rouge neutre concentré, eau iodée (ou Lugol), et Ringer additionné d’une trace de vert de méthyle. 69 9. Rendez-compte, par un ou plusieurs schémas annotés, des observations faites avec chacun de ces quatre montages. Vous pouvez utiliser aussi le document 1 B. Document 1 B : Différentes observations de cellules épithéliales d’écaille de bulbe d’oignon – M.O. 10. Répondez maintenant aux questions suivantes : - les cellules montées dans l’eau restent vivantes pendant un certain temps. Avez-vous pu vous rendre compte de cet état ? Si oui, grâce à quoi ? - indiquez quel a été l’effet de la solution de rouge neutre concentré sur la préparation ? - précisez quel a été l’effet du vert de méthyle acétique sur la préparation ? 70 Document 1 C : Cellules d’une feuille d’Elodée 11. Observez des cellules de feuille d’Elodée après avoir monté un fragment de cette feuille entre lame et lamelle, dans une goutte d’eau. 12. En utilisant les documents 1B et 1C, indiquez les différences existant entre les cellules d’épiderme d’oignon et celles d’une feuille d’Elodée. 13. Observez le déplacement des chloroplastes des cellules. Dites pourquoi, d’après vous, ce mouvement est possible et pour quelle raison il est appelé cyclose. 14. Faites un schéma légendé d’une cellule de feuille d’Elodée. 2. Les cellules animales d’organismes pluricellulaires Document 2 : Cellule de l’épithélium buccal 15. Raclez très doucement la face interne de votre joue avec le bord d’un cure-dents. 71 16. Montez ce que vous avez recueilli entre lame et lamelle dans une goutte d’eau additionnée de rouge neutre. Ecrasez doucement. 17. Observez la préparation. 18. Faites un dessin légendé d’une cellule de la muqueuse buccale de votre préparation. 19. Comparez-la avec la cellule de feuille d’Elodée. 3. Les cellules d’organismes unicellulaires Document 3 A : La Paramécie Document 3 B : Schéma d’interprétation 20. Déposez une goutte d’infusion de foin entre lame et lamelle. 21. Observez. 22. En vous servant de votre préparation et des documents 3 A et 3 B, comparez la structure cellulaire de la paramécie à celle des autres cellules que vous avez déjà observées. 23. Utilisez les observations qui viennent d’être faites et vos connaissances pour donner les caractères communs à toutes les cellules animales et végétales. 24. Puis citez les différences observées. 25. Faites un schéma de synthèse d’une cellule animale et un d’une cellule végétale. 72 4. Les types cellulaires Document 4 : Types de cellules humaines 26. En utilisant le document 4, analysez les particularités concernant la forme des différentes cellules schématissées. 27. Comparez les dimensions des cellules représentées. 28. Emettez une hypothèse sur le rapport qui peut exister entre la structure et la physiologie cellulaires. 73 5. La structure et la fonction de la cellule A. Mitochondrie (MET, x 25 000) B. Appareil de Golgi (MET, x 8 000) 74 C. Réticulum endoplasmique et ribosomes D. Centrioles Document 5A : Des organites cellulaires autres que le noyau (à gauche – micro-photographies) (à droite – schémas d’interprétation) 29. Etudiez la structure des organites présentés dans le document 5 A. Pour cela utilisez les annotations des schémas réalisés à partir des microphotographies correspondantes. 30. L’hypothèse émise précédemment est-elle validée ? Justifiez votre réponse. Si besoin, complétez votre réponse. 75 Document 5 B : Le noyau (à gauche – micro-photographies) (à droite – schéma d’interprétation) 31. Etudiez la structure du noyau en utilisant les annotations du schéma réalisé à partir de la microphotographie. 32. Emettez une hypothèse sur le rapport existant entre structure et fonction nucléaires. 6. Conclusion générale Document 6 33. Reproduisez les schémas. 34. Légendez-les. 35. Comparez la structure des deux types de cellules. 76 36. Mettez un titre à chacun. 37. Soulignez en bleu les parties communes aux cellules. 38. Soulignez les parties spécifiques à l’une ou l’autre des cellules, en vert pour les cellules végétales, en rouge pour les cellules animales. 39. Concluez quant à la notion de cellule. Document 7 : Electronographie d’une cellule 40. Indiquez s’il s’agit d’une cellule animale ou d’une cellule végétale ? Justifiez votre réponse. 41. Donnez le nom des structures numérotées de 1 à 8. 42. Que savez-vous du rôle des structures 2, 3 et 4 ? 77 Membrane cellulaire. L’échange de substances entre la cellule et le milieu Activité 2 1. Compartiments cellulaires Document 1 : Electronographie d’une cellule acineuse de pancréas de Cobaye – MET, x 9 000 1. Observez le document 1. 2. Légendez-le en vous aidant des mots suivants : - noyau réticulum granuleux dictyosome ou appareil de Golgi mitochondrie 78 - 2. vésicules de sécrétion ou vésicules golgiennes lumière de l’acinus 3. Emettez une idée sur la signification fonctionnelle de la remarquable abondance des membranes dans le cytoplasme. 4. Faites un schéma d’interprétation du document 1 et indiquez à l’aide de flèches les flux membranaires possibles qui existent entre les compartiments cellulaires. La membrane plasmique Structure de la membrane plasmique Document 2 A : Cellule végétale vue au microscope électronique 79 Document 2 B : Schéma d’interprétation 5. Observez les documents 2 A et 2 B. 6. Combien de membranes cellulaires l’eau doit-elle traverser pour passer de la vacuole d’une cellule végétale à la vacuole de la cellule voisine. Faites la même réflexion quant aux cellules animales. (document 2 C) Document 2 C : Membrane plasmique d’un globule rouge de rat (x 30 000 – microscopie électronique) 80 Document 2 D : Membrane plasmique d’un globule rouge humain (x 120 000 – microscope électronique) 7. Observez la membrane cytoplasmique d’une cellule animale (documents 2 C, 2 D). 8. Comparez les membranes représentées dans les documents 2 B et 2 D. Quelle ressemblance constatezvous ? 9. En sachant que les deux couches sombres de la membrane plasmique qui apparaissent au fort grossissement (document 2 D) sont dues à la fixation du tetroxyde d’asmium par les deux couches de protéines et que la couche claire au milieu représente une bicouche de phospholipides, représentez schématiquement la membrane. (Vous pouvez vous servir de vos connaissances pour représenter schématiquement les phospholipides et les protéines. ) Phospholipide Pôle hydrophile Pôle hydrophobe Document 3 : Hybridation cellulaire 81 10. Analysez les résultats de l’expérience d’hybridation d’une cellule humaine et d’une cellule de souris dans lesquelles les protéines membranaires sont marquées de façon différente (en utilisant des anticorps). 11. Que pouvez-vous dire de la disposition des protéines membranaires dans la cellule hybride ? 12. La représentation de la membrane plasmique que vous aviez imaginée correspond-elle au résultat de l’expérience représentée dans le document 3 ? Sinon, en quoi est-elle différente ? 13. Donnez alors une autre idée sur la disposition des protéines membranaires sous forme d’un schéma. 3. Passage des substances à travers la membrane plasmique Passage passif des substances à travers la membrane plasmique Document 4 : Passage d’ions, d’eau et de molécules à travers la membrane 14. Observez le document 4. La représentation de la membrane qui y est donnée, est-elle complète ? Sinon, pourquoi d’après vous ? 15. Reproduisez le schéma du document 4 , complétez-le et légendez-le. 16. Représentez par des flèches le passage des substances qui peuvent traverser cette membrane. 82 Expérience 1 Protocole de l’expérience : Hématies placées dans des solutions aqueuses de NaCl de concentrations différentes. Des frottis sanguins sont réalisés puis une observation microscopique est faite. « Réalisation d’un frottis sanguin : on prélève une goutte de sang à l’extrémité du doigt par piqûre à l’aide d’une aiguille stérilisée. La goutte de sang est recueillie au bord d’une lamelle puis étalée en faisant glisser celle-ci sur la lame porte-objet. On observera des hématites (diam. 7μm, mesuré à l’aide d’un micromètre) et des leucocytes. Le sang est donc un tissu animal particulier puisqu’il est formé de cellules dispersées dans un liquide interstitiel. » Document 5 A : Réalisation d’un frottis sanguin Document 5 B : Résultats de l’expérience 1 : Aspect des hématies en fonction de la concentration en NaCl 17. Analysez le document 5B. 18. Emettez une hypothèse permettant d’expliquer les modifications de forme et de dimensions des hématies. 19. Concluez quant à l’origine des faits constatés. 83 Expérience 2 Protocole de l’expérience : Réalisation de suspensions d’hématies dans différentes concentrations de NaCl. Document 5 C Hématies en suspension dans six concentrations de chlorure de sodium : 0,05 ; 0,07 ; 0,12 ; 0,15 ; 0,40 ; 0,80. M. Les tubes ont subi une centrifugation afin d’accélérer la sédimentation des hématies. 20. Analysez les résultats présentés dans le document 5 C. Correspondent-ils à ceux de l’expérience précédente ? Confirment-ils votre hypothèse ? Justifiez votre réponse. 21. Quelle doit être la concentration en NaCl du plasma sanguin d’après les résultats ci-dessus ? Justifiez votre réponse. Document 5 D : L’osmose 22. Commentez le document 5 D. 23. En vous servant des documents 5 B et 5 C déterminez la valeur des concentrations en NaCl plasmatique qui correspond à un milieu hypotonique et à un milieu hypertonique. 84 Expérience 3 Protocole de l’expérience : Cellules végétales placées dans différentes solutions de saccharose. On prélève 3 lambeaux d’épiderme d’écaille d’oignon violet qu’on place entre lame et lamelle dans de l’eau contenant du saccharose à des concentrations différentes. Les lambeaux d’épiderme sont montés ensuite entre lame et lamelle et observés au microscope. Document 6 : Cellules d’épiderme d’oignon montées dans différentes solutions de saccharose a) une solution isotonique 50 gl-1 b) une solution hypotonique 100 gl-1 c) une solution hypertonique 200 gl-1 24. Comparez les résultats des expériences 1 et 3. 25. S’agit-il du même phénomène ? Justifiez votre réponse. 85 26. A quoi sont dues les différences et les ressemblances dans le phénomène osmotique entre les cellules animales et végétales ? Expérience 4 Protocole de l’expérience : Etude de l’amplitude des phénomènes de turgescence, de plasmolyse et de déplasmolyse en fonction du temps. Document 7 : Variations d’amplitude des phénomènes observés en fonction du temps t° – isotonie t1 – entrée d’eau dans la vacuole t2 – turgescence t3 – (on augmente alors la concentration du saccharose dans le milieu extérieur) plasmolyse t4 – déplasmolyse 27. Analysez le document 7. 28. Indiquez si les résultats peuvent s’expliquer seulement par le phénomène d’osmose. Justifiez votre réponse. 86 « Dans le tube fin mais non capillaire et dans l’entonnoir se trouve une solution (eau + saccharose). L’entonnoir est fermé à sa base par une membrane réalisée avec la paroi d’une vessie de porc. En début d’expérience, les niveaux sont les mêmes dans le tube et le récipient inférieur où se trouve de l’eau. En quelques minutes, il y a montée de l’eau dans le tube. Il y a donc passage d’eau à travers la membrane ; ce passage d’eau est appelé osmose. En goûtant le liquide du récipient, au bout de quelques heures on peut s’apercevoir qu’un peu de saccharose est passée à travers la membrane. Ce passage de soluté est appelé dialyse. » Document 8 : L’ « osmomètre » de Dutrochet 29. Si le montage du document 8 est réalisable en classe, vérifiez si les résultats sont concordants. 30. Indiquez si le phénomène de dialyse peut expliquer certains résultats du document 7. Si oui, comment ? Passage actif des substances à travers la membrane plasmique Document 9 : Mesures des pressions osmotiques (en Pascals) dans les cellules de la racine 87 31. Commentez les résultats donnés par le document 9. 32. Précisez comment peut s’expliquer le passage de l’eau du sol jusqu’à l’endoderme. Le même mécanisme est-il valable pour le passage dans les zones plus profondes de la racine (zone des vaisseaux conducteurs de sève). 33. Emettez une hypothèse sur la perméabilité active de la membrane. Document 10 : Modèles de passage actif des substances à travers la membrane a) passage à l’aide d’un transporteur spécifique b) la « pompe » à sodium/potassium 88 34. Interprétez le document 10. 35. Précisez dans quelles conditions a lieu le transport actif des substances à travers la membrane plasmique. 36. Trouvez d’autres exemples de transport actif chez les cellules des organismes vivants en vous servant des connaissances acquises. 89 Les phénomènes d’endocytose et d’exocytose Activité 3 1. L’endocytose La phagocytose (du grec phagein, manger) Document 1 A : Phagocytose d’une bactérie par un macrophage, M.E.T x 15 000 Document 1 B : Déroulement schématisé de la phagocytose 1. Analysez les documents 1 A et 1 B pour expliquer le mécanisme de la phagocytose à partir du phénomène observé. 90 2. Trouvez l’étymologie du mot « endocytose ». 3. Donnez d’autres exemples d’endocytose en utilisant vos connaissances. La pinocytose (du grec pinein, boire) Document 2 : Pinocytose 4. Emettez des hypothèses sur l’intérêt de l’endocytose pour une cellule. 91 2. L’exocytose Document 3 : Exocytose (microphotographie) ZG – vésicules de sécrétion PM – membrane plasmique EX – milieu extérieur 5. Expliquez le phénomène d’exocytose à partir de l’analyse du document 3. 6. Emettez une hypothèse sur la nature des vésicules « blanches » et de leur fonction. 7. Découvrez les points communs entre les phénomènes représentés dans les documents 1, 2, 3. A quoi attribuez-vous cette ressemblance ? 8. Réfléchissez sur l’étymologie du mot exocytose et donnez-en une définition. 92 Document 4 : L’appareil de Goldgi - Siège du trafic moléculaire entre le lieu de la synthèse des protéines et celui de leur excrétion dans le milieu extérieur 9. En utilisant le document 4, retrouvez le rôle de l’appareil de Goldgi dans le phénomène représenté ? 93 10. Des substances peuvent-elles être directement libérées par l’appareil de Goldgi sans l’intervention du réticulum endoplasmique. Si oui, lesquelles ? 11. Rappelez le rôle des lysosomes et précisez quelle peut être leur fonction dans le phénomène étudié. 12. Quel rôle a le réticulum endoplasmique lisse dans le phénomène étudié ? 13. D’après vous, les exocytoses dépensent-elles de l’énergie ? Pourquoi ? 94 Le noyau et ses chromosomes Activité 4 1. Le noyau Le rôle du noyau « Lors d’une fécondation, il y a fusion entre un ovocyte, cellule reproductrice femelle (grosse cellule possédant un noyau situé au milieu d’un cytoplasme important), et un spermatozoïde, cellule reproductrice mâle (petite cellule dotée d’un noyau entouré d’une infinie pellicule de cytoplasme). Le résultat de cette fusion est la cellule – œuf, cellule volumineuse dont le cytoplasme peut être considéré comme totalement d’origine maternelle. Cette cellule-œuf est à l’origine d’un individu qui hérite des caractères d’origine paternelle aussi bien que maternelle. » Document 1A : L’origine des caractères d’un individu 1. Document 1B : L’expérience de Gurdon sur le crapaud du Cap Tirez, à partir de ces deux documents, des conclusions concernant le rôle du noyau. 95 L’ultrastructure du noyau Document 2 : Electronographie d’une portion de cellule et de son noyau 2. L’électronographie ci-dessus présente le noyau d’une cellule eucaryote. Faites-en un schéma. 3. Complétez le schéma par un titre et une légende ordonnée qui mettra en évidence les constituants essentiels de cet organite cellulaire. La diversité et la nombre des noyaux dans la cellule Document 3 A : Cellules sanguines – MO x 1260 Document 3 B : Cellules musculaires – MO x 100 96 Document 3 C : Cellules de l’immunité 4. En utilisant l’échelle donnée dans chaque document, calculez la taille réelle du noyau présent dans la cellule considérée. 5. A partir de la comparaison des cellules données, indiquez ce qui différencie les cellules les unes des autres, en considérant leur(s) noyau(x), uniquement. 6. A l’aide de vos connaissances, rappelez ce qu’est la division cellulaire conforme. 97 La composition chimique du noyau Document 4 : Schéma montrant les constituants du noyau 7. A l’aide du document 4 et de vos connaissances sur la composition chimique de la membrane cellulaire, remplissez le tableau ci-dessous (vous utiliserez les symboles + et -). Constituées de… ADN ARN Protéines Lipides Composants Chromatine Nucléole Nucléoplasme Enveloppe nucléaire 8. A l’aide de votre réponse précédente et de vos connaissances sur la réplication de l’ADN rappelez les processus qui s’effectuent dans le noyau (cf. aussi chapitre sur la composition chimique). 9. Faites un schéma simplifié de ces processus. 98 2. Les chromosomes Chromatine et chromosomes Document 5 : Coupe longitudinale de l’extrémité d’une racine d’ail (MO x 1500) 10. Faites un dessin légendé de quatre figures les plus caractéristiques (par leur taille, leur noyau et la répartition de leurs chromosomes) et numérotez-les selon un ordre chronologique. 11. En utilisant vos connaissances sur le noyau et l’évolution cellulaire, émettez une hypothèse permettant d’expliquer les différences constatées. 12. Trouvez des liens existant entre la chromatine et les chromosomes. Dégagez les points communs et les différences. 99 Transformation de la chromatine en chromosome « L’association de l’ADN à des protéines permet en effet la réalisation de différents niveaux de « condensation » : la chaîne nucléosomique (le « collier de perles ») représente le premier niveau de condensation par enroulement de la molécules d’ADN autour des grains (appelés nucléosomes). Chaque nucléosome est un assemblage de protéines spéciales – les histones. Dans la cellule vivante, la chaîne nucléosomique forme alors les filaments de chromatine ou nucléofilaments dont le diamètre est de 30 nm environ. La « condensation » s’accentue encore lors de la division cellulaire : un enroulement complexe de nucléofilament permet de former chaque chromatide d’un chromosome. Chaque chromosome en début de division cellulaire présente deux bâtonnets parallèles, ou chromatides. Vers le milieu du chromosome, elles sont moins épaisses et étroitement accolées. La partie la plus mince constitue le centromère. Ce rétrécissement, ou constriction primaire, sépare chaque chromatide en deux bras. Au niveau du centromère, des observations très précises révèlent l’existence de structures appelées kinétochores. Un chromosome peut aussi avoir une ou plusieurs constrictions secondaires (zones où les chromatides sont moins épaisses). Une telle constriction peut isoler une petite portion de chromatide, qui prend le nom télomère. » Document 6 A : Du nucléofilament au chromosome Document 6 B : Schémas montrant la transformation du nucléofilament en chromosome métaphasique 13. Analysez les documents 6 A et 6 B pour retrouver la chronologie des événements aboutissant au chromosome. 14. Discutez l’affirmation : « Le chromosome est donc une structure constante du noyau, mais plus ou moins visible selon les circonstances », ou « Chromatine et chromosome sont deux aspects d’une même structure nucléaire ». 15. A l’aide des documents 6 A et 6 B émettez une hypothèse sur la cause de la condensation de la chromatine au cours d’une division cellulaire. 100 Le caryotype 1° Prélèvement des cellules On réalise habituellement une ponction (5 à 10 ml) de sang d’une veine ; on peut aussi bien prélever des cellules dans le liquide amniotique ou faire des biopsies cutanées. 2° Mise en culture Le prélèvement est placé dans un milieu de culture à 37°C pendant trois jours ; ce milieu contient du sérum humain, des antibiotiques (pour éviter le développement des bactéries), des substances activant la mitose (comme par exemple la phytohémagglutine = P.H.A.). Dans le cas des cellules sanguines, seuls les lymphocytes se divisent activement. 3° Blocage des mitoses On ajoute de la colchicine (extrait des graines et des bulbes d’une plante, la Colchique) au milieu de culture : ce poison inhibe la formation des fibres et Ainsi toutes les cellules en division sont bloquées en métaphase. 4° Choc hypotonique Placées dans du sérum humain dilué (milieu hypotonique), les cellules se gorgent d’eau et « éclatent » sous l’effet de la turgescence ; les chromosomes métaphasiques se dispersent et s’étalent alors plus ou moins. Méthode d’étude des chromosomes d’une cellule 5° Fixation Les cellules sont « pétrifiées », fixées dans leur état par des mélanges d’alcool absolu, de chloroforme et d’acide acétique. 7° Mise en place du *caryotype On photographie l’ensemble des chromosomes d’une seule cellule et on fait un agrandissement de ce cliché. Les chromosomes sont alors découpés un à un. Grâce à l’examen de leurs tailles, de la position des centromères et de la position connue des bandes, on les classe rapidement par ordre de taille décroissantes. Le document obtenu est un caryotype. 6° Coloration, marquage Les chromosomes sont colorés avec des substances appropriées (les mêmes que celles utilisées pour colorer le noyau). Depuis 1970, on utilise divers produits chimiques qui peuvent marquer spécifiquement certains tronçons de chromosomes : ainsi le chromosomes n’apparaît plus comme un bâtonnet sombre et homogène, mais comme une suite de bandes plus ou moins sombres séparées par des zones plus claires. Document 7 A : Méthode d’étude des chromosomes d’une cellule 101 16. Représentez les principales étapes du protocole manipulatoire décrit, sous forme d’un tableau, qui doit respecter la chronologie des principales étapes, leur but et les conditions nécessaires à l’élaboration d’un caryotype. Document 7 B : Chromosomes dispersés de Pleurodèle Document 7 C : Caryotype de Pleurodèle 17. Trouvez le lien entre les documents 7 A, 7 B et 7 C et précisez comment est réalisé un caryotype. 18. Définissez ce qu’on appelle un caryotype. 19. Donnez le nombre de chromosomes chez le Pleurodèle. 102 20. Si « n » est le nombre de paires de chromosomes, indiquez à quoi est égal « n » ici, puis écrivez la formule chromosomique de l’espèce étudiée. 21. A l’aide de vos connaissances sur la reproduction sexuée, indiquez quel doit être le nombre de chromosomes présents dans les cellules sexuelles (mâles et femelles) du Pleurodèle. Document 7 D : Caryotype de la femme Document 7 E : Caryotype de l’homme 22. Comparez les caryotypes de l’homme et de la femme en indiquant les différences et les ressemblances constatées. 23. Indiquez ce qui est à l’origine des différences entre organisme mâle et femelle. 24. Donnez le nom de la paire chromosomique différente qui permet de distinguer le sexe masculin du sexe féminin. 25. Représentez l’ensemble des chromosomes humains (mâles et femelles) par une formule chromosomique, mettant en évidence la différence constatée. 103 La relation chromosome – gène Document 8 : Quelques localisations de gènes sur les chromosomes humains 26. Expliquez les ressemblances constatées sur les chromosomes d’une même paire. 27. Montrez, en utilisant les informations apportées par le document 8, la relation qui existe entre le gène et le chromosome. Comparez le nombre de gènes à celui du nombre des chromosomes. Que pouvez-vous en conclure ? 28. Justifiez les phrases suivantes à propos des gènes : - portés par les chromosomes non homologues ; portés par les chromosomes homologues ; portés par les chromatides. Question de synthèse : 29. Parmi toutes les caractéristiques chromosomiques découvertes, indiquez celle(s) en rapport avec l’idée suivante : les chromosomes sont les supports de l’information génétique dans la cellule. 104