Le cycle cellulaire
Le cycle cellulaire est la suite d'événements par laquelle une cellule copie son génome, fabrique ses autres constituants et se divise en deux cellules filles. L'ADN n'est copié que pendant une seule phase, mais la cellule grandit en continu. Une cellule humaine en culture se divise environ toutes les 24 heures ; une levure, environ toutes les 90 minutes.
Deux grandes phases
- Interphase (environ 95 % du temps) – la cellule se prépare. Ce n'est pas un temps de repos.
- G1 (gap 1) : la cellule est active et grandit, mais ne copie pas son ADN.
- S (synthèse) : l'ADN est copié. Si l'ADN de départ vaut 2C, il passe à 4C, mais le nombre de chromosomes ne change pas (2n reste 2n). Dans les cellules animales, le centriole se duplique aussi.
- G2 (gap 2) : les protéines nécessaires à la mitose sont fabriquées et la croissance continue.
- Phase M (mitose, environ 1 heure dans une cellule humaine) – la caryocinèse (le noyau se divise), puis la cytocinèse (le cytoplasme se divise).
G0 – l'état quiescent
Certaines cellules arrêtent de se diviser (par exemple les cellules du cœur chez l'adulte) et quittent G1 pour entrer en G0. Elles restent vivantes et font leur travail, mais ne se divisent que si c'est nécessaire. Chez les animaux, la mitose a lieu seulement dans les cellules du corps (somatiques) diploïdes, alors que chez les plantes, la mitose peut se produire dans des cellules haploïdes comme diploïdes.
La mitose : la division équationnelle
Dans la mitose, les cellules filles ont le même nombre de chromosomes que la cellule mère ; on l'appelle donc division équationnelle. Les étapes :
- Prophase : la chromatine se condense en chromosomes, chacun formé de deux chromatides reliées au niveau du centromère. Le centrosome, copié pendant l'interphase, migre vers les pôles opposés et émet des fibres du fuseau (asters). À la fin, l'appareil de Golgi, le réticulum endoplasmique, le nucléole et l'enveloppe nucléaire ne sont plus visibles.
- Métaphase : l'enveloppe nucléaire a disparu ; les chromosomes sont totalement condensés – c'est le meilleur moment pour étudier leur forme. Les fibres du fuseau s'attachent aux kinétochores (petits disques sur le centromère). Tous les chromosomes s'alignent à l'équateur : c'est la plaque métaphasique.
- Anaphase : les centromères se divisent, les chromatides se séparent et vont vers les pôles opposés, le centromère devant, les bras derrière.
- Télophase : les chromosomes arrivent aux pôles et se relâchent en chromatine. L'enveloppe nucléaire, le nucléole, l'appareil de Golgi et le réticulum endoplasmique se reforment.
Cytocinèse
Dans une cellule animale, un sillon apparaît dans la membrane et s'approfondit jusqu'à pincer la cellule en deux. Dans une cellule végétale, la paroi ne peut pas se pincer : une plaque cellulaire se forme au centre et grandit vers les parois latérales ; elle devient la lamelle moyenne. Les organites comme les mitochondries et les plastes sont partagés entre les deux cellules. Quand la caryocinèse n'est pas suivie d'une cytocinèse, il se forme une cellule à plusieurs noyaux – un syncytium, par exemple l'albumen liquide de la noix de coco.
La méiose : la division réductionnelle
La méiose a lieu dans des cellules diploïdes qui vont former des gamètes (ou des spores chez les plantes). Elle comprend deux divisions (méiose I et II) mais une seule copie de l'ADN. Résultat : quatre cellules haploïdes (n).
Méiose I
- Prophase I (longue et complexe, cinq sous-stades) :
- Leptotène – les chromosomes deviennent visibles sous forme de filaments.
- Zygotène – les chromosomes homologues s'apparient (synapsis) grâce au complexe synaptonémal. Une paire s'appelle un bivalent ou tétrade (4 chromatides).
- Pachytène – crossing-over : des chromatides non sœurs de chromosomes homologues échangent des morceaux au niveau de nodules de recombinaison. L'enzyme recombinase aide à ce travail. Cela donne une recombinaison des gènes.
- Diplotène – le complexe synaptonémal se dissout et les homologues commencent à se séparer, sauf aux points en forme de X appelés chiasmas. Dans les ovocytes de certains vertébrés, le diplotène peut durer des mois ou des années.
- Diacinèse – les chiasmas se terminalisent (glissent vers les extrémités) ; le fuseau se forme ; le nucléole et l'enveloppe nucléaire disparaissent.
- Métaphase I : les bivalents s'alignent à l'équateur.
- Anaphase I : les chromosomes homologues se séparent et vont vers les pôles opposés, tandis que les chromatides sœurs restent ensemble au niveau de leur centromère.
- Télophase I : les noyaux peuvent se reformer ; la cytocinèse donne une dyade de cellules. Le court intervalle avant la méiose II est l'interkinèse – il n'y a pas de copie d'ADN.
Méiose II
Très proche de la mitose : prophase II, métaphase II (chromosomes à l'équateur), anaphase II (les centromères se divisent, les chromatides sœurs se séparent), télophase II. Résultat : une tétrade de quatre cellules haploïdes.
Mitose et méiose : comparaison
| Mitose | Méiose |
|---|---|
| Une division | Deux divisions |
| 2 cellules filles | 4 cellules filles |
| 2n → 2n (équationnelle) | 2n → n (réductionnelle dans la méiose I) |
| Pas d'appariement, pas de crossing-over | Synapsis et crossing-over en prophase I |
| Cellules filles identiques à la cellule mère | Cellules filles différentes (variation) |
| Cellules du corps (somatiques) | Cellules qui forment des gamètes ou des spores |
Chromosomes et ADN au fil du cycle
Règle : nombre de chromosomes = nombre de centromères. « C » est la quantité d'ADN d'un jeu haploïde avant la copie.
| Étape | Chromosomes | ADN |
|---|---|---|
| G1 | 2n | 2C |
| Après S, G2, prophase, métaphase | 2n (chacun avec 2 chromatides) | 4C |
| Anaphase de la mitose (cellule entière) | 4n (les chromatides sont maintenant séparées) | 4C |
| Chaque cellule fille après la mitose | 2n | 2C |
| Chaque cellule après la méiose I | n (chacun avec 2 chromatides) | 2C |
| Chaque cellule après la méiose II | n | C |
À quoi servent la mitose et la méiose
Mitose
- Garde le même nombre de chromosomes, donc toutes les cellules du corps ont les mêmes gènes.
- Croissance des organismes pluricellulaires.
- Réparation des blessures et remplacement des cellules, par exemple la couche supérieure de la peau, la paroi de l'intestin et les cellules du sang.
- Rétablit le rapport noyau/cytoplasme quand une cellule devient trop grosse.
- Chez les plantes, la mitose dans les méristèmes (cambium apical et latéral) permet une croissance continue.
- Reproduction asexuée chez de nombreux organismes.
Méiose
- Garde le nombre de chromosomes constant d'une génération à l'autre : n (ovule) + n (spermatozoïde) = 2n (zygote).
- Crée de la variation génétique grâce au crossing-over et au tri au hasard des paires de chromosomes – la matière première de l'évolution.
À toi de jouer : compter les chromosomes comme un biologiste
Prends 4 longs et 4 courts morceaux de laine ou de cure-pipe, de deux couleurs : une pour la « mère », une pour le « père ». Chaque paire (un long rouge + un long bleu) est une paire d'homologues, donc 2n = 4. Joue la mitose : colle une copie à côté de chaque morceau (phase S), aligne-les, tire les copies chacune de son côté – compte 4 dans chaque nouvelle « cellule ». Joue maintenant la méiose : associe long avec long et court avec court, échange un petit bout de laine (crossing-over), tire les paires entières chacune de son côté, puis sépare encore – compte 2 dans chacune des 4 cellules. Vérifie ta réponse avec le curseur à l'étape 6 de la 3D.
Formules et définitions clés
- Cycle cellulaire : G1 → S → G2 → M (interphase = G1 + S + G2)
- Phase S : ADN 2C → 4C ; nombre de chromosomes toujours 2n
- Mitose : PMAT – prophase, métaphase, anaphase, télophase ; 1 cellule → 2 cellules, 2n → 2n
- Méiose : 1 cellule → 4 cellules, 2n → n ; une seule copie d'ADN, deux divisions
- Prophase I : leptotène → zygotène → pachytène → diplotène → diacinèse
- Chromosomes = nombre de centromères ; chromatides = 2 × chromosomes après S (jusqu'à l'anaphase)
- Bivalent (tétrade) = 1 paire d'homologues = 2 chromosomes = 4 chromatides
- Divisions pour obtenir N cellules par mitose à partir d'1 cellule : N = 2^k après k tours
Exemples résolus
1. Une cellule végétale a 2n = 16 en G1. Donne le nombre de chromosomes et la quantité d'ADN (prends l'ADN en G1 = 2C) (a) en G2, (b) dans chaque cellule fille après la mitose.
(a) G2 : l'ADN est copié, donc 4C ; il y a toujours 16 chromosomes (chacun avec 2 chromatides). (b) Chaque cellule fille : 16 chromosomes, 2C.
2. Une cellule avec 2n = 24 subit la méiose. Combien de chromosomes y a-t-il dans chaque cellule après la méiose I, puis après la méiose II ?
La méiose I divise le nombre par deux : 12 (chacun avec 2 chromatides). La méiose II sépare les chromatides mais garde le nombre : 12 dans chacune des 4 cellules.
3. Combien de bivalents se forment en prophase I dans une cellule humaine (2n = 46) ? Cela fait combien de chromatides ?
Bivalents = n = 23. Chacun a 4 chromatides, donc 23 × 4 = 92 chromatides.
4. Une cellule se divise par mitose 5 fois de suite (toutes les cellules filles se divisent à chaque tour). Combien de cellules obtient-on ?
Chaque tour double le nombre : 2⁵ = 32 cellules.
5. Combien de divisions méiotiques faut-il pour fabriquer 100 grains de pollen ? (Chaque méiose en donne 4.)
100 ÷ 4 = 25 divisions méiotiques (25 méiocytes).
6. Un cycle cellulaire dure 24 heures. Sur une lame de 100 cellules en division, 4 sont en phase M. Estime la durée de la phase M.
La part des cellules dans une phase ≈ la part du temps passé dans cette phase : 4/100 × 24 h = 0.96 h ≈ 1 heure.
Erreurs fréquentes
- Dire que l'interphase est une « phase de repos ». La cellule est très occupée : elle grandit et copie son ADN ; elle paraît seulement calme au microscope.
- Croire que la phase S double le nombre de chromosomes. Elle double l'ADN (2C → 4C) ; les chromosomes restent 2n car le nombre de centromères ne change pas.
- Dire que les chromatides sœurs se séparent en anaphase I. En anaphase I, ce sont les chromosomes homologues qui se séparent ; les chromatides sœurs se séparent en anaphase II (et en anaphase de la mitose).
- Placer le crossing-over au zygotène ou au diplotène. L'appariement a lieu au zygotène, le crossing-over au pachytène, et les chiasmas se voient au diplotène.