Les divisions cellulaires chez les eucaryotes (1ère spé SVT)

Semaine 1

On divise classiquement les êtres vivants en deux grandes catégories, les eucaryotes et les procaryotes. Les eucaryotes possèdent un noyau différencié, qui contient le matériel génétique, séparé du cytoplasme par une membrane nucléaire. Appartiennent aux eucaryotes, les animaux, les plantes et les champignons. Les procaryotes ne possèdent pas de noyau. Le matériel génétique est intégré au cytoplasme de la cellule. Appartiennent aux procaryotes, les bactéries et les virus.
Les chromosomes sont des structures universelles aux cellules eucaryotes.

Un chromosome peut être monochromatidien ou bichromatidien

La quantité d'ADN (acide désoxyribonucléique) varie au cours de la vie de la cellule. On parle de cycle cellulaire. Durant ce cycle cellulaire, on observe un doublement de la quantité d'ADN pendant la phase S (réplication) et une division de la cellule durant la mitose.

Cycle cellulaire d'une cellule eucaryote

Durant le cycle cellulaire de la reproduction conforme ou mitose, le nombre de chromatide par chromosome varie entre 1 et 2. L'état de condensation des chromosomes varient aussi. Plus un chromosome est condensé mieux il se voit au microscope. La condensation est maximale durant la mitose alors que le chromosome est bichromatidien et minimale durant la phase G1 alors que le chromosome est monochromatidien.

Les états de condensation du chromosome

La mitose est appelée reproduction conforme car toutes les caractéristiques de la cellule parentale sont conservées chez les deux cellules filles. La mitose est classiquement divisée en 4 phases :
— la prophase durant laquelle la membrane nucléaire disparait et les chromosomes apparaissent
— la métaphase durant laquelle les chromosomes bichromatidiens se disposent en plaque équatoriale — l'anaphase durant laquelle les deux chromatides d'un chromosome se séparent et migrent à chaque pôle de la cellule durant l'ascension polaire
— la télophase qui correspond à la séparation des deux cellules filles.
L'immense majorité des espèces vivantes est diploïde c'est à dire que les chromosomes vont par paires appelées chromosomes homologues. Lorsqu'un individu est un diplonte, on schématise son caryotype par 2N. Dans le cas de l'espèce humaine, 2N = 46. Cela signifie que l'espèce présente 46 chromosomes disposés en 23 paires.

Déroulement simplifié d'une mitose chez une cellule 2N = 4

Les phases de la mitose chez une cellule 2N = 2

Une petite vidéo de mitose chez une cellule végétale… accompagnée par le Boléro de Ravel !

Une vidéo qui résume le cycle cellulaire et la mitose

Chez les eucaryotes, il existe deux grandes lignées cellulaires, la lignée somatique et la lignée germinale. La lignée cellulaire regroupe toutes les cellules qui constituent le corps (soma) d'un organisme. Les cellules somatiques ne subissent que la mitose.
La lignée germinale correspond aux cellules assurant la reproduction (gamètes = ovocytes + spermatozoïdes). Elles peuvent subir aussi le processus de mitose, mais sont les seules à subir la méiose.
La méiose est une division cellulaire qui conduit à la fabrication de 4 cellules haploïdes à partir d'une cellule diploïde.

Lignée somatique et lignée germinale

Variation du taux d'ADN dans une cellule de la lignée germinale.

On constate qu'après la méiose, la cellule ne peut plus avoir de cycle cellulaire. On constate aussi que la méiose est constituée de 2 divisions successives.

Les deux divisions méiotiques successives

Le déroulement de la méiose (donné à titre indicatif, ne pas apprendre)

Conclusion : la mitose est un processus qui permet le maintient des caractéristiques génétiques d'une lignée cellulaire. La méiose est un processus qui permet d'introduire de la variabilité chez un individu tout en maintenant les caractéristiques générales de l'espèce.

Semaine 2

Activité pratique prévue le 10 septembre

A. Observation microscopique de mitose dans les cellules de racine de jacinthe

A : cellule en interphase (avant la mitose)
B : prophase
C : métaphase
D : anaphase
E : deux cellules filles issue de la télophase

B. Observation microscopique de méiose dans les anthères du Lis.

Chez les végétaux, le gamète mâle est le grain de pollen. Celui-ci se forme dans les anthères qui est la partie fertile des étamine. Vous voyez quelques phases des deux divisions méiotique.

C. Des caryotypes anormaux

Il peut arriver que la méiose se passe mal et que les chromosomes soient inégalement répartis dans les différents gamètes. Ce phénomène est à l'origine des trisomies. Ces anomalies touchent souvent les chromosomes sexuels (syndrome de Turner, syndrome de Klinefelter). Pour les chromosomes non-sexuels (les autosomes), la seule trisomie viable à long terme est la trisomie du 21 appelé syndrome de Dawn.

Allez dans le site suivant et suivez les informations qu'on vous donne. Vous pourrez ainsi observer comment on fait un caryotype et ce qu'on peut en tirer.

http://ww2.ac-poitiers.fr/svt/IMG/swf/caryotype.swf

Suite du cours...

Chapitre I. L'atmosphère terrestre et la vie (enseignement scientifique, terminale)

SEMAINE 1

Dans ce chapitre, nous comparerons la composition de l'atmosphère de la Terre primitive et l'atmosphère de la Terre actuelle.
La majorité des scientifiques s'accordent à penser que toutes les planètes su système solaire de sont formées au même moment, c'est à dire il y a environ 4,5 GA (giga-années) par accrétion de poussières stellaires. Certains corps, cependant, ne se sont pas maintenus agglomérés et ont données naissances aux astéroïdes qui forment des ceintures. Lorsque deux astéroïdes se choquent, l'un deux peut être expulsé de la ceinture et tomber par gravité sur une planète. On a alors une météorite.
Sachant que la composition des astéroïdes est la même que celle des planètes, les planétologues en ont déduit que la composition des gaz présents dans les astéroïdes (et les météorites) pouvaient être équivalente à celle des planètes primitives dont la Terre.

Composition des gaz d'une météorite

Composition comparée de l'atmosphère de la Terre primitive et de la Terre actuelle

Si on résume, l'atmosphère de la Terre primitive est constituée de beaucoup de vapeur d'eau et de CO2, et d'un peu de diazote. Il y a absence totale de dioxygène
Afin de conforter cette hypothèse, on a étudié la composition des gaz volcaniques. On constate que la composition globale est proche des hypothèses décrites plus haut.

Composition moyenne des gaz émis par un volcan

Une des particularités de l'atmosphère terrestre est la présence de dioxygène. Ce dioxygène est apparu sur Terre, il y a, environ 3 GA. La présence d'O2 sur Terre est un des paramètres qui explique l'évolution des formes de vie sur notre planète. Attention, l'absence d'O2 n'empêche pas la vie de se développer, comme les bactéries fermentaires le démontrent.

Evolution de la composition des gaz atmosphériques au cours du temps

Un autre des paramètres de l'apparition et de l'évolution de la vie sur Terre est le point triple de l'eau. Ce point triple de l'eau montre que dans les conditions de température et de pression régnant sur Terre, l'eau est présente sous ses trois états, liquide, solide, gazeux. C'est une particularité importante car si on prend une planète comme Mars, seule l'eau à l'état solide est présente.

Diagramme du point triple de l'eau

Origine et évolution du dioxygène sur Terre

En Afrique du Sud, on trouve une formation géologique appelée formation de Barberton datée 3,2 GA. On constate que cette formation est de couleur globalement rouge. En géologie, de telle roche sont caractéristique de la présence d'oxyde de fer.

La formation de Barberton

Si on regarde de plus près cette formation, on constate qu'elle est formée de couches successives (qui lui vaut son nom de minerai de fer rubané).

Le minerai de fer rubané

Cela signifie qu'on est présence de très vieilles roches sédimentaires qui ont été métamorphisées au cours du temps. Les roches sédimentaires se formant essentiellement en milieu marin, cela signifie que le dioxygène est apparu en milieu marin. Le dioxygène dissous dans l'eau a donc oxydé le fer à l'état d'ions solubles provoquant la formation d'un oxyde insoluble qui s'est déposé sur les fonds marins donnant les minerais de fer rubanés. La vie sur Terre serait apparu il y a environ -3,5 GA
On estime aujourd'hui que les premières traces de dioxygène sont dues à l'activité photosynthétique d'organisme procaryotes appelées cyanobactéries. Ces cyanobactérie, apparues il y a plus de 3 GA, existent toujours.

Une cyanobactérie actuelle, Anabœna

La photosynthèse nécessitant la lumière solaire, les premières cyanobactéries devaient être proches de la surface. C'est ce qu'on constate dans le cas des stromatolithes de Shark Bay en Australie. Ces stromatolithes sont des édifices calcaires construits par l'activité des cyanobactéries dans la zone intertidale (zone de balancement des marées).

Carte de l'Australie. Shark Bay est indiquée par une flèche noire

Stromatolithes à marée basse

Stromatolithes à marée haute

A suivre...

SEMAINE 2

Fiches de l'activité que nous aurions dû faire à partir d'aujourd'hui 9 septembre (sauf T1).

Attention Warning :
Même si ces fiches proviennent du site académique de Nantes, il y a une énorme ânerie dans le texte de la troisième fiche. A la troisième ligne sous les deux courbes, on peut lire cette abomination : "Ensuite lors de l'ajout de la solution du sulfate de fer, on note une diminution de cette photosynthèse ".
Outre le fait qu'on ne commence jamais une phrase par ensuite, la photosynthèse ne diminue pas. Tant qu'on éclaire une plante verte, elle photosynthétise. Simplement dans ce cas, le dioxygène est piégé par l'oxyde de fer et n'est donc pas libéré dans l'eau
On brûlait pour moins que ça au Moyen-âge !

Suite du cours (SEMAINE 2 pour les T1, SEMAINE 3 pour les autre)

Une coupe dans un stromatolithe actuel montre que seule la partie la plus externe est vivante et contient des cyanobactéries. Le reste est calcifié par précipitation de carbonate de calcium, cette précipitation étant due à l'activité photosynthétique.

Coupe dans un stromatolithe actuel

 

Les stromatolithes fossiles peuvent atteindre des tailles énormes comme le montre la photo ci-dessous prise dans le massif du Harz en Allemagne centrale.

 

Une coupe dans un stromatolithe fossile montre une structure tout à fait comparable au stromatolithe actuel. Si on applique l'actualisme (les mêmes causes engendrent les mêmes conséquence quelque soit l'époque), on peut considérer que les cyanobactéries fossiles sont bien à l'origine de l'apparition du dioxygène sur Terre.

Coupe de stromatolithe fossile

 

Une vidéo sur les stromatolithes géants des Bahamas découverts en 1986

 

A partir d'un certain nombre d'artéfacts géologiques on a pu reconstituer la courbe d'évolution du taux de dioxygène sur Terre depuis son apparition. Après que tout le fer II ait été oxydé, on estime que le dioxygène passe dans l'atmosphère, il y a environ 2,4 GA.

 

On peut constater que le taux de dioxygène a été au plus haut durant le carbonifère

 

Le carbonifère est une période du paléozoïque pendant laquelle les forêts (fougères arbustives surtout) recouvraient une grande partie des terres émergées. C'est de cette période que date les charbons du Nord-Pas-de-Calais. L'intense activité photosynthétique amène le taux de dioxygène à plus de 30%. Cette pression d'oxygène a entrainé une augmentation de la taille des insectes. C'est ainsi que Meganeura, une libellule, a pu atteindre une taille de 70 cm d'envergure.

Fossile de Meganeura au musée de Bruxelles

 

On peut ainsi facilement établir un cycle du dioxygène permettant de définir les phénomènes de consommation et de libération de O2. On parle de source pour la fabrication de dioxygène et de puits pour la consommation de dioxygène. On constate sur le schéma suivant que les deux phénomènes majeurs sont la photosynthèse (source) et la respiration (puits).

 

SEMAINE 4

Activités.

Observation microscopique de Cylindrospermum x 400. Cylindrospermum est une cyanobactérie filamenteuse.

 

Observation de coupe de stromatolithes à la loupe binoculaire. La partie la plus externe la était la zone photosynthétique occupée par les cyanobactéries.

 

SEMAINE 5

Le stockage et le cycle du carbone

Dans le cycle simplifié ci-dessous, on constate que le carbone se trouve sous deux états à la surface du globe :

— à l'état minéral dans l'atmosphère sous forme de CO2

— à l'état organique intégré dans la matière organique des êtres vivants.

Le passage de l'état minéral à l'état organique se fait essentiellement chez les végétaux grâce au phénomène de photosynthèse :

dioxyde de carbone + eau = glucose + dioxygène

Le passage de l'état organique se fait essentiellement par le phénomène de respiration cellulaire et de décomposition lorsque la matière organique est morte :

glucose + dioxygène = dioxyde de carbone + eau

 

Le phénomène de fossilisation se fait en milieu anoxyque (absence d'oxygène). La matière organique disparait peu à peu mais le carbone subsiste dans la roche carbonée (charbon ou pétrole). Lorsqu'on utilise un combustible fossile on libère donc du CO2 qui a été immobilisé il y a plusieurs centaines de millions d'années. Attention, il n'y a pas de stockage du dioxygène mais il y a stockage de carbone.

Fougère fossile conservée dans du charbon du Pas-de-Calais (Carbonifère, 300 millions d'années)

 

Le cycle du carbone ci-dessous a été réalisé d'après les travaux du GIEC (groupe intergouvernemental d'étude du climat). Il s'agit de la version 2014 qui a été réalisée au moment de la COP 21 qui a abouti aux accords de Paris sur le climat.

Ce cycle indiques deux informations principales :

— contrairement au cycle du dioxygène, le cycle du carbone n'est pas équilibré, il y plus de production de CO2 que de consommation

— ce déséquilibre est d'origine anthropique (activités humaines)

 

Présentation simplifiée de quelques molécules organiques

On peut classer les molécules biologiques soit par fonction, soit par structure.
Nous allons retenir ici 4 types de molécules organiques :
— les glucides
— les lipides
— les protéines
— les vitamines
Ces 4 grands types de molécules assurent trois fonctions :
— énergétique
— structurelle ou plastique
— biochimique

Les molécules énergétiques

Les glucides sont considérées comme les molécules énergétiques par excellence. Leur oxydation permet de maintenir la température interne constante chez les homéothermes. Chez les hibernants, lorsque la température extérieure baisse l'animal diminue son métabolisme jusqu'à un minimum pouvant atteindre —98% diminuant ainsi sa consommation de glucides afin de passer tout l'hiver sur ses réserves.

Loir en hibernation

Les ours ne sont pas des hibernants car leur température interne reste constante. On parle d'hivernation ou de semi-hibernation.

Ours en hivernation

Les lipides constituent, en grande partie, les réserves énergétiques de l'individu puisque l'organisme ne peut stocker qu'une très faible quantité de glucose sous forme de glycogène (100 g dans le foie et 200 g dans les muscles chez un homme). Ces réserves lipidiques sont les seules sources énergétiques dont dispose un hibernant.
Chez l'homme, ces réserves lipidiques sont stockées dans les tissus adipeux. Elles ne sont utilisées qu'en cas d'impossibilité d'utilisation directe des glucides.

Les molécules plastiques ou structurelles

Les lipides sont aussi des molécules qui interviennent dans la structuration de nombreux éléments biologiques comme les membranes plasmiques.
Parmi les lipides, on peut retenir en premier lieu, les acides gras. Ce sont des très longues molécules constituées de molécules de carbone et d'hydrogène et d'une fonction acide. Certains acides gras sont dits indispensables car leur carence (leur manque) peut entraîner de graves troubles. On peut citer l'acide arachidonique qui est un précurseur des prostaglandines qui interviennent dans les processus immunitaires.
Les acides gras sont classés en deux grands groupes, les acides gras saturés et les acides gras insaturés.
Les acides gras saturés ne contiennent pas de double liaison C=C. On les considère comme source de cholestérol sanguin et donc pouvant entraîner des risques de maladies cardiovasculaires. Ils sont d'origine animale (beurre, crème, graisse d'oie, graisse de bœuf). Cependant, leur suppression totale est dangereuse car ils sont nécessaires à la structuration des membranes.
Les acides gras insaturés sont de deux types :
— les acides gras mono-insaturés qui ne possèdent qu'une double liaison C=C
— les acides gras poly-insaturés qui possèdent plusieurs liaisons C=C.
Ils sont d'origine végétale (huiles). Il existe plusieurs nomenclatures des acides gras. Une très utilisée dans la consommation est la classification en oméga.
Certains acides gras insaturés auraient un effet préventif sur les maladies cardiovasculaires.

Les différents types d'acides gras

Quelques nomenclatures des acides gras

Un exemple d'alicament (aliment-médicament) : une bouteille d'huile avec des oméga-3

Un autre groupe de lipides est aussi très important dans le fonctionnement de l'organisme : les stéroïdes.
Parmi les stéroïdes un groupe de substances appelé stérols jouent un rôle essentiel dans la constitutions des lipides de membranes associés aux protéines. Le plus connu est le cholestérol qui est synthétisé à partir d'aliments comme les œufs, le foie, la viande ou la cervelle.
Le cholestérol a mauvaise réputation car on l'a associé longtemps aux maladies cardiovasculaires. Aujourd'hui, compte-tenu du caractère héréditaires de l'hyper-cholestérolémie, on a tendance à ne plus proposer de régime dépourvu de lipides.

Les protéines sont constituées de chaînes d'acides aminés. L'apport en acides aminés se fait par la nutrition. S'il existe 20 acides aminés naturels, seuls 10 sont dix essentiels ou indispensables. De nombreuses expériences au début du XXème siècle, ont montré qu'un régime sans cystéine proposé à des rats entrainait le dépérissement des animaux.
Attention, les acides aminés essentiels ne sont pas les mêmes selon les espèces animales.
On a pu montré que les animaux se développent bien s'il reçoivent une mélange équilibré de ces acides aminés.
Le ratio entre les acides aminés est différent chez l'enfant (ration de croissance) et chez l'adulte (ration d'entretien).

Amino-acides essentiels et non essentiels chez l'homme. Le cas de l'arginine est discuté.

Un certain nombre d'acides aminés sont obtenus par transamination dans l'organisme. Cela signifie qu'un acide aminé va réagir avec une autre molécule pour donner un nouvel acide aminé. Ces réactions sont catalysées par des enzymes appelées transaminases.
On considère qu'un individu normal doit consommer environ 1 g de protéines par jour par kilo de poids de corps. Chez les adolescents, les femmes enceintes et les femmes allaitantes, le taux doit être légèrement supérieur. C'est le cas aussi chez les sportifs qui veulent augmenter leur masse musculaire.
Le prise de protéine a donc un aspect qualitatif et quantitatif. Certains acides aminés n'étant présent que dans les produits d'origine animale, les personnes qui suivent un régime végétarien ou végan doivent être suivies par un nutritionniste (sérieux) et à fortiori, les enfants, afin de trouver des solutions de remplacement.
Un excès de protéines — on a vu des culturistes absorber 3,5 ou 4 g de protéines par kilo de poids de corps — peut entrainer des dommages irrémédiables à la fonction rénale. Ces dommages se traduisent, la plupart du temps, par des crises d'urémie. Les reins n'assurant plus leur fonction, l'urée qui est normalement excrétée, se retrouve dans le sang. Sans une intervention rapide et une dialyse, une crise d'urémie est souvent fatale.

Un bodybuilder des années 2000 dont les reins ont lâché par excès de protéines (et sans doute d'anabolisants). Il a eu de la chance d'être pris en charge rapidement.

Une carence protéique se traduit chez l'adulte par une fonte musculaire. Chez l'enfant ou le fœtus, la croissance est réduite et le développement mental peut être altéré. Ce problème est récurrent dans les pays en voie de développement. Les ONG estiment qu'en 2020, 45 millions de personnes en Afrique sont menacés par la famine. Depuis les années 1950, une carence en protéines s'appelle un kwashiorkor un mot provenant d'une langue parlée en Afrique de l'ouest (Ghana) et signifiant, "enfant rouge" du fait de la dépigmentation des enfants atteints.
Les ONG s'inquiètent de l'apparition des ces problèmes de nutrition qui apparaissent sporadiquement dans les camps de réfugiés. La situation risque de devenir incontrôlable lorsque de très grandes migrations de populations se produiront suite aux changements climatiques.

Une fillette atteinte de kwashiorkor

Les molécules fonctionnelles

Nous retiendrons deux grands types de molécules fonctionnelles : les hormones et les vitamines

Les hormones 

Les hormones sont des molécules qui sont sécrétées par une glande et agissent sur une autre glande ou un organe. Elles sont véhiculées par le sang et se fixe sur des récepteurs spécifiques portés par les glandes sur lesquelles elles agissent.

Les hormones protéiques
Comme leur nom l'indique ces molécules sont constitués de protéines. On peut citer comme exemple, les deux hormones pancréatiques qui agissent sur les cellules hépatiques afin de réguler la glycémie. L'insuline permet une baisse de la glycémie en provoquant le stockage du glucose par le foie sous forme de glycogène alors que son antagoniste, le glucagon provoque un déstockage du glucose en cas d'hypoglycémie.

Le foie et le pancréas

La molécule d'insuline

La molécule de glucagon

Les hormones lipidiques
Dérivant des stérols, les hormones stéroïdiennes ont des rôles très variées. Nous retiendrons deux types d'hormones stéroïdiennees, les hormones d'origine surrénalienne et les hormones d'origine gonadique.
Les glandes surrénales sont des petites glandes situées au dessus des reins. C'est le cas du cortisol.

Position des glandes surrénales

Rôles des surrénales

Les glucocorticoïdes agissent sur le métabolisme, sur les processus inflammatoires, et sur le rythme circadien, c'est à dire le cycle de 24 heures de fonctionnement de l'organisme.
Les minéralocorticoïdes agissent essentiellement sur l'homéostasie hydrique (régulation de la quantité d'eau dans l'organisme) et sur l'activité rénale. C'est le cas de l'aldostérone.