Chapitre 2.5 La Division Cellulaire Attentes 2.5.1 Résumer les stades du cycle cellulaire, en incluant l’interphase (G1, S, G2), la mitose et la cytokinèse. 2.5.2 Exprimer que les tumeurs (cancers) résultent d’une division cellulaire anarchique, et qu’elles peuvent survenir dans n’importe quel organe ou tissu. 2.5.3 Exprimer que l’interphase est une période active de la vie d’une cellule durant laquelle il se produit de nombreuses réactions métaboliques, notamment la synthèse des protéines, la réplication de l’ADN et une augmentation du nombre de mitochondries et/ou de chloroplastes. 2.5.4 Décrire les événements qui se déroulent durant les quatre phases de la mitose (prophase, métaphase, anaphase et télophase). Ces événements doivent inclure le super enroulement des chromosomes, la fixation des microtubules du fuseau aux centromères, le partage des centromères, la migration des chromatides sœurs aux pôles opposés, la désorganisation et la reformation des membranes nucléaires. Les manuels varient quant à l’usage des termes chromosome et chromatide. Dans ce cours, les deux molécules d’ADN formées par la réplication de l’ADN sont considérées être des chromatides sœurs jusqu’au partage du centromère au début de l’anaphase ; par la suite, elles deviennent des chromosomes individuels. Les élèves ne sont pas tenus d’utiliser le terme kinétochore. Objectif global 7 : les élèves peuvent déterminer l’indice mitotique et la fraction des cellules dans chaque phase de la mitose. Chaque groupe peut copier les données dans une base de données. Des diagrammes à secteurs peuvent être construits avec un système graphique électronique. L’utilisation d’un système graphique électronique dans le cadre du critère recueil et traitement des données pour l’évaluation interne doit respecter les clarifications de l’évaluation interne et des TIC. 2.5.5 Expliquer comment la mitose produit deux noyaux génétiquement identiques. 2.5.6 Exprimer que la mitose intervient au niveau de la croissance, du développement de l’embryon, de la réparation des tissus et de la reproduction asexuée. 1 Le cycle de la cellule Le cycle de la cellule décrit le comportement des cellules durant leur croissance et leur division. Dans la majorité des cas, la cellule produit 2 cellules qui sont identique génétiquement à la cellule originale. Ces cellules sont appelées cellules filles. La division cellulaire par voie de mitose distribue un matériel génétique identique (même ADN). L’information génétique (ADN) dont une cellule hérite est le génome. Génome des procaryotes est constitué d’une longue et unique molécule d’ADN. Génome des eucaryotes se compose d’un grand nombre de longues molécules Ex. : L’ADN d’une cellule humaine = 3m = 300 000x le diamètre de la cellule Les particules d’ADN forment les chromosomes. Chaque chromosome renferme une longue molécule d’ADN divisée en centaines ou milliers de gènes. Rappel : Gène = Unité d’information génétiques qui déterminent les caractères d’un organisme. Le complexe formé de protéines, d’ADN et ARN est appelé Chromatine. Le cycle de la cellule contient une phase de croissance en plus d’une phase de division. Lorsque les cellules se multiplient très rapidement, elles peuvent former une masse solide qu’on appelle tumeur. On réfère normalement ce terme comme cancer. N’importe quelle cellule peut perdre son rythme normal de division puisqu’on retrouve du cancer dans presque tous les tissus et organes. Qu’est-ce qui cause cette perte de contrôle? Regardons donc le cycle normal de la cellule. Le cycle de la cellule se défini en 2 phases ou 3 cycles : Croissance o Interphase (Phase G1, S, G2) (90% de la durée du cycle) Division o Mitose (Phase M) ----------------------\ o Cytocinèse ----------------------/ Période la plus courte. G vient de l’anglais pour GAP ou intervalle sans synthèse d’ADN Durant la période d’Interphase, il y a croissance (synthèse de protéine et production d’organites), réplication de chromosomes (s). 2 Cycle Cytokinèse Télophase Anaphase Métaphase Prophase G2 - Croissance et Préparation G1- Croissance G1- Croissance Synthèse d'ADN G2 - Croissance et Préparation Prophase Synthèse d'ADN Métaphase Anaphase Télophase Cytokinèse Interphase Partie la plus longue du cycle. (Environ 90% de la durée du cycle). La synthèse des protéines à un taux rapide est essentielle puisque la cellule est en croissance. Formé de 3 phases : (Phase G1, S, G2) Phase G1 : Fonction principale – croissance de la cellule. Au début de G1, la cellule est la plus petite grosseur. Phase S : Fonction principale – Réplication de l’ADN (Les chromosomes). Communément appelée phase de synthèse (d’où vent le S). Une fois, les chromosomes répliqués, la cellule entre dans la phase suivante. 3 Phase G2 : Deuxième phase de croissance de la cellule. La cellule continue sa croissance et se prépare pour la mitose (Phase M). Durant cette phase : le nombre d’organites peut augmenter. L’ADN se condense de chromatine en chromosomes, Des microtubules apparaissent. À la fin de l’interphase, noyau est bien défini entouré de l’enveloppe nucléaire 2 centrosomes à côté du noyau dans le cytoplasme Résumé Phase de l’interphase G1 S G2 Sommaire Activités principales Croissance de la cellule et augmentation du nombre d’organites Réplication des chromosomes avec copies qui demeurent attachées aux originaux Croissance additionnelle, augmentation du nombre d’organites, ADN se condense pour former des chromosomes visibles, Les microtubules commencent à se former. La cellule fait les fonctions appropriées à leurs types – par exemple, les cellules du pancréas pourrait sécréter activement de l’insuline pour réduire la glycémie (taux de glucose dans le sang) Mitose Une fois que les préparations sont terminées et l’ADN répliquée, la cellule débute la mitose ou Phase M. Durant la mitose, les chromosomes répliqués se séparent et se déplacent aux pôles opposés de la cellule, fournissant ainsi le même matériel génétique dans chaque endroit. Lorsque les chromosomes sont à chaque pôle, le cytoplasme se divise pour former 2 cellules distinctes du parent 4 original. Ces deux cellules ont le même matériel génétique et sont appelées cellules sœurs. La mitose se compose de 4 phases : (en ordre) Prophase Métaphase Anaphase Télophase. (Aide mémoire – Shipmate) Rappel – Chromosomes Durant la 2ème phase de croissance, G2, la chromatine (ADN allongée et les histones) commence à se condenser. Cette condensation est accomplie via un processus de super enroulement (supercoiling). L’ADN s’enroule autour des histones pour produire des nucléosomes. Ces nucléosomes s’entourent dans une forme solénoïde. Ces solénoïdes se groupent en domaines en boucles, et ensuite dans un enroulement final pour produire un chromosome. Figure 2.25 5 Les cellules eucaryotes contiennent des chromosomes qui, avant la réplication dans la phase S, sont composés d’une molécule d’ADN. Après la réplication, le chromosome contient 2 molécules d’ADN. Ces 3 molécules identiques sont retenues ensemble par le centromère, et chaque est référé comme une chromatide. Ensemble, on les appelle, chromatides-sœurs. Ces chromatides vont éventuellement se séparer durant le processus de mitose. À ce moment, les chromatides séparées seront nommées chromosomes et auront leur propre centromère. Ainsi, avec cette information sur les chromosomes,nous pouvons expliquer les 4 étapes de la mitose. N’oublier pas que lors du début de la mitose, la réplication de l’ADN a déjà eu lieu, et que les chromosomes sont composés de deux chromatides sœurs. Figure 2.26 6 Prophase Regardons la Figure 2.27. 1. Fibres de chromatine s’enroulent et forme les chromosomes visibles au microscope. 2. L’enveloppe nucléaire se désintègre et les nucléoles rapetissent jusqu’à disparition. 3. Centrosome devient fuseau de division, se prolongent entre les 2 chromosomes. 4. Le fuseau commence à prendre forme et est complet à la fin de la prophase. 5. Chaque chromosome prend la forme de 2 chromatides sœurs identiques réunis dans la région du centromère. 6. Le centromère a une région ou une structure spécialisée kinétochore qui est attaché aux microtubules. 7. Le centrosome de déplacent vers les pôles opposés de la cellule puisque les microtubules s’agrandissent. 8. Fibres du fuseau peuvent envahir le contenu du noyau et interagir avec les chromosomes 9. Microtubule kinéchoriens vs microtubules polaires 10. Kinéchoriens amorce le mouvement saccadé des chromosomes 11. Polaires prépare l’allongement ultérieur de la cellule 12. 7 Métaphase Regardons la Figure 2.28. Les chromosomes se déplacent vers le milieu ou l’équateur de la cellule. Cet endroit est la plaque métaphase ou plaque équatoriale. Les centromères des chromosomes se lient à cette plaque. Le mouvement des chromosomes est dû à l’action du fuseau composé de microtubules. Les centrosomes sont maintenant aux extrémités opposées de chaque pôle. Anaphase Regardons la Figure 2.29. 8 1. Normalement la phase la plus courte de la mitose. Elle débute lorsque les 2 chromatides sœurs de chaque chromosome se séparent. 2. Ces chromatides, maintenant des chromosomes, se déplacent vers les pôles opposés de la cellule. 3. Le mouvement des chromatides est dû au rapetissement du fuseau composé de microtubules. 4. Puisque les centromères sont rattachés aux microtubules, ils se déplacent vers les pôles en premier. 5. À la fin de cette phase, chaque pôle de la cellule a un groupe complet et identique de chromosomes. 6. En même temps, l’allongement des microtubules polaires éloigne les pôles l’un de l’autre Télophase Regardons la Figure 2.30. 1. Les chromosomes sont à chaque pôle. 2. La membrane nucléaire commence à se reformer autour de chaque groupe de chromosomes. 3. Les chromosomes comment à s’allonger pour former la chromatine et perdent leur organisation spatiale. 4. Les nucléoles réapparaissent, 5. Le fuseau et les microtubules disparaissent. 6. La cellule est allongée et est prête pour la cytokinèse. 9 Cytokinèse Comme vous avez constaté, les phases de la mitose implique la division nucléaire. On pourrait penser que ces étapes se produisent à des moments précis. Cependant, ce processus est continu. On démontre les étapes séparées pour comprendre le processus. Lorsque la division nucléaire est complète, la cellule débute le processus de cytokinèse. Division cellulaire = mitose + cytokinèse Durant la cytokinèse chez les animaux, la membrane plasmique est pincée de l’intérieur pour former des sillons de clivage. Cependant, les cellules végétales ont une paroi cellulaire relativement ferme et forment une plaque cellulaire. Cette plaque se forme à mi-chemin entre les 2 pôles de la cellule et de dirigent vers l’extérieur à partir de la région centrale. Ces 2 processus résultent 2 cellules filles séparées avec un noyau génétiquement identique. Résumé de la cytokinèse Cellule Animale Végétale Description de la cytokinèse La membrane cellulaire est pincée de l’intérieur pour former des sillons de clivage qui produiront 2 cellules séparées. Une plaque cellulaire se forme de l’intérieur produisant une paroi cellulaire rigide qui séparent les 2 cellules. La croissance des organismes, le développement des embryons, la réparation des tissus et la reproduction asexuée impliquent tous la mitose. La mitose ne se produit pas toute seule, elle fait partie du cycle de la cellule. 10 Exercice No 14 : Un produit chimique nommé colchicine dérange la formation de microtubules. Quel effet ce médicament aura-t-il sur une cellule en voie de mitose? Exercice No 15 : Si une cellule mère a 24 chromosomes, combien de chromatides seront présentes durant la métaphase de la mitose? Exercice No 16 : Expliquer où se produit la cytokinèse dans le cycle de la cellule? Exercice No 17 : Selon la fréquence dans les différentes phases du cycle de la cellule, quelle phase pensez-vous durera le plus longtemps? Pourquoi? Exercice No 18 : Dans une tumeur, comment la durée normale des phases du cycle de la cellule sera modifiée dans les cellules impliquées? Exercice No 19 : Si vous regardez un groupe de cellules qui ont plusieurs noyaux dans le cytoplasme de chacune, quelle phase du cycle aurait été la cause de cette erreur? Site internet : http://www.cegep-stefoy.qc.ca/profs/gbourbonnais/pascal/nya/genetique/mitose2.mov http://www.cegep-stefoy.qc.ca/profs/gbourbonnais/pascal/nya/genetique/mitoseshema.mov 11