Cours IFSI - Biologie fondamentale - la cellule (partie 2)

Dans notre organisme, toute cellule provient d’une autre cellule. De ce fait, chacune d’entre elles contient dans son noyau le même matériel génétique, plus communément appelé ADN. Mais à quoi sert-il au juste ? Comment les cellules se multiplient-elles ? La réponse dans cet article…

3. L'information génétique

3.1. L'acide désoxyribonucléique (ADN)

L’ADN est une longue molécule contenant l'information génétique de la cellule et de l'organisme. Chaque cellule contient les mêmes molécules d'ADN (sauf en cas de maladie ou de mutation) dans leur noyau. On retrouve également de l’ADN dans les mitochondries  (ADN mitochondrial).

L'unité de base de l'ADN est le nucléotide. Il est composé de trois éléments :

• un élément phosphate ;
• un sucre qui est du désoxyribose ;
• une base azotée : adénine (A), guanine (G) (bases puriques), thymine (T) et cytosine (C) (bases pyrimidiques).

L'ADN est constitué de deux chaines de nucléotides (brins) formant une double hélice. Elles sont liées entre elles par des liaisons faibles (liaisons hydrogènes)  au niveau des nucléotides de la façon suivante : le "A" d'une chaine se lie au "T" de l'autre et inversement, et le "G" d'une chaine se lie au "C" de l'autre et inversement. Un tour d’hélice correspond à dix paires de nucléotides.

Quand il n’est pas utilisé pour exprimer un gène ou pour se répliquer, l’ADN doit être protégé. Pour cela, il s’enroule autour de huit protéines  basiques que l’on appelle histones. Ensemble, ils forment un nucléosome qui contient un octamère d’histones ainsi qu’une chaine d’ADN de 145 paires de bases azotées (soit deux tours d’ADN). Puis, les nucléosomes s’assemblent tous les 200 nucléotides pour former un nucléo-filament, apparenté à un "collier de perles", également connu sous le nom de chromatine. La chromatine est la forme décondensée de l’ADN dans le noyau. Lorsque l’ADN est très condensé, notamment lors de la division cellulaire, on parle de chromatide. C’est cet élément qui compose les chromosomes.

L'ADN est donc le support de l'information génétique. A chaque information génétique correspond un gène (portion d’ADN). Chaque gène détermine la structure (code) d’une protéine, elle-même composée de plusieurs acides aminés (AA). La synthèse des protéines se déroule dans le cytoplasme au niveau des ribosomes. Or l’information génétique de l’ADN est située dans le noyau de la cellule et ne peut en sortir. L’intervention d’acide ribonucléique (ARN) est alors nécessaire. 

3.2. L'acide ribonucléique (ARN)

L’ARN est l'intermédiaire nécessaire dans la fabrication des protéines . Comme l’ADN, l'unité de base est le nucléotide, mais certains éléments diffèrents :

• le sucre est du ribose ;
• la base "T" est remplacée par de l'uracile "U" ;
• l'ARN ne possède qu'une seule chaine de nucléotides.

Il existe deux types d’ARN principaux utilisés lors de la synthèse protéique : 

• l’ARN messager (ARNm) : c’est une copie transitoire d’un brin d’ADN qui va pouvoir se déplacer dans le cytoplasme de la cellule pour être traduit en protéine.
• l’ARN de transfert (ARNt) : c’est l’ARN chargé de traduire des codons (séquence de trois nucléotides) en acide aminé. Il existe un ARNt spécifique pour chaque AA.

3.3. De l'ADN à la protéine

3.3.1. La transcription

La transcription permet la synthèse de l'ARN à partir d'un gène. Dans le noyau, les deux brins d'ADN se rompent. L’un d’eux sert alors de matrice (brin transcrit) pour synthétiser le brin d'ARN par complémentarité. Les "G" vont être remplacés par des "C" et inversement, les "T" par des "A" et les "A" par des "U". La transcription se fait par l'intermédiaire d’une enzyme, l'ARN polymérase II, depuis la boite TATA (séquence d’ADN promotrice se trouvant au début d’un gène) jusqu’aux signaux de terminaisons. Une première forme d’ARN est produite : l’ARN pré-messager, composé d’introns (portion d’ADN non codant) et d’exons (portion d’ADN codant). Seulement, seuls les exons codent des protéines. Une étape d’épissage est alors nécessaire pour éliminer les introns et ne garder que les exons qui formeront au final l’ARN messager. Une fois synthétisée, l’ARNm passe dans le cytoplasme de la cellule. 

3.3.2. La traduction

La traduction s’effectue dans le cytoplasme de la cellule. Ce processus correspond à la lecture des codes de l'ARNm par les ribosomes en séquences d'acides aminés pour former une protéine . Une succession de trois nucléotides (codon) correspond un acide aminé. L'ensemble forme le code génétique qui correspond au code permettant à la cellule de transformer une séquence de nucléotides en une séquence d'acides aminés. Celui-ci est universel.

La petite sous unité du ribosome (40S) se fixe sur l’ARNm et commence la lecture jusqu’à trouver le codon initiateur de la traduction. Lorsque celui-ci est trouvé, la grande sous unité du ribosome (60S) se fixe à son tour. Les ARNt interviennent alors. Ils sont chargés du transport des acides aminés  jusqu’au ribosome. L’ajout des AA se fait en complémentarité des au codon de l’ARNm. Ainsi, le ribosome se déplace le long de l'ARNm, de codon en codon, et à chaque fois ajoute à la chaine peptidique un nouvel acide aminé apporté par l’ARN de transfert complémentaire aux codons de l’ARNm... Cette opération se répète jusqu'à ce que la synthèse de la protéine  soit terminée. Le code originel de l'ADN est alors retraduit.

L’expression des gènes est contrôlée à chaque étape de la transcription, de la maturation de l’ARNm et de la traduction.

4. Le cycle cellulaire

Le cycle cellulaire correspond à l’ensemble des modifications qu’une cellule subit lors de sa formation. Il se compose de l’interphase et de la mitose pour les cellules somatiques (asexuées), et de l’interphase et la méiose les cellules germinales.

La plus grande partie du cycle est occupée par l'interphase, période comprise entre la fin d'une division et le début de la suivante. Lors de cette période, le noyau est mécaniquement inactif, c'est-à-dire qu'il ne se divise pas.

4.1. L’interphase

L’interphase est composée de trois phases successives : la phase G1, la phase S et la phase G2. Lors de cette période du cycle, les chromosomes ne sont pas individualisés et le matériel génétique est sous la forme de chromatine.

4.1.1. La phase G1

Cette phase de préparation dure de quelques heures à quelques jours selon les types de cellules (environ la moitié du temps du cycle cellulaire). Elle correspond à l'intervalle de temps qui s'écoule entre la fin de la mitose et le début de la phase de synthèse. C'est pendant la phase G1 que la cellule contrôle sa taille et son environnement. Cependant, elle n'a pas encore commencé à répliquer son ADN et peut entrer dans un état de quiescence G0 (la cellule sort du cycle cellulaire), qui peut durer de quelques jours à plusieurs années. De plus, il faut savoir qu’une cellule qui ne se divise plus reste en phase G1 jusqu'à sa mort.

4.1.2. La phase S

La phase S est la phase de synthèse où l'ADN de la cellule est répliqué dans le noyau, elle dure environ 10 à 12h heures. Cette étape permet à la cellule de dupliquer à l’identique son matériel génétique, les chromosomes passent alors d’une chromatide à deux chromatides.

La réplication de l’ADN comporte trois caractéristiques principales. Elle est :

• semi-conservatrice : les deux brins d’ADN sont séparés par une enzyme , appelée hélicase. Cette séparation permet à une autre enzyme, l’ADN polymérase, de synthétiser deux brins complémentaires au regard des brins d’ADN de la molécule mère en respectant l’appariement des bases. Ainsi, chaque cellule fille conservera la moitié du matériel génétique de la cellule mère, puisqu’elles seront constituées d’un brin maternel et d’un brin néoformé; 
• bi-directionnelle : la réplication commence au niveau de séquences de nucléotides spécifiques, appelés origines de réplication. La formation des brins complémentaires se fait dans le sens 5’P vers 3’OH. Or les brins d’ADN sont antiparallèles (l’un des brins va du 5’P vers 3’OH mais l’autre dans le sens inverse). C’est pourquoi la synthèse des brins complémentaires se fait dans les deux sens à partir de ces points initiaux, formant ainsi un œil de réplication ;
• asymétrique : l’un des deux brins, le brin avancé ou directeur, va être synthétisé de façon continue, tandis que le brin discontinu (retardé ou tardif) va être fabriqué à l’aide de plusieurs fragments, appelés fragments d’Okazaki.

Pour y voir plus clair, voici une vidéo pédagogique explicative du processus de réplication de l’ADN

4.1.3. La phase G2

En phase G2, la cellule se prépare à l'entrée en mitose. Pendant cette période, la cellule va vérifier que son ADN a été correctement répliqué. Elle dure environ 3 heures.

4.2. La mitose (ou phase M)

A l'exception des hématies, des cellules nerveuses et des fibres musculaires squelettiques, toutes les cellules sont susceptibles de se diviser. La division cellulaire permet aux cellules de se reproduire et de se multiplier, car chaque jour nombreuses d’entre elles meurent (exemple : croissance, cicatrisation…). Elle dure environ 1 heure.

Grâce au processus de mitose, une cellule mère va former deux cellules filles ayant les mêmes caractéristiques morphologiques et physiologiques qu’elle. Les chromosomes, le matériel nucléaire et cytoplasmique de la cellule mère vont alors être divisés entre deux cellules filles, mais le processus de répartition est complexe. Il se réalise en 6 étapes qui sont la prophase, la prométaphase, la métaphase, l’anaphase, la télophase et la cytodiérèse.

4.2.1. La prophase

Les filaments de chromatine se condensent en chromatide pour former des chromosomes dans le noyau. Les centrioles de la cellule se répliquent en deux paires et se répartissent à chaque pôle du noyau. Des microtubules se développent en forme de fuseau, sortes de rails sur lesquels vont se déplacer les chromosomes. La membrane nucléaire se désagrège.

4.2.2. La prométaphase

La membrane nucléaire se rompt en vésicules. Les chromosomes sont très condensés et se lient aux kinétochores (assemblage de protéines au niveau des centromères des chromosomes).

4.2.3. la métaphase

Les microtubules capturent les chromosomes au niveau des kinétochores. Lorsque la capture est réalisée des deux côtés, le jeu coordonné des microtubules place les chromosomes à égale distance des pôles (à l'équateur), formant la plaque équatoriale. Tant que le dernier chromosome n'est pas en place, les autres chromosomes alignés attendent.

4.2.4. L'anaphase

Les chromosomes sont tous disposés à l'équateur de la cellule. Les chromatides de chaque chromosome se séparent par le centromère qui se clive. Les moteurs des kinétochores font monter les chromatides vers les pôles opposés de la cellule (un lot de 46 chromosomes avec une chromatide à chaque pôle).

4.2.5. La télophase

Une membrane nucléaire se forme, le fuseau s'estompe. Une cloison entre les cellules filles se crée. Tous les chromosomes fils sont aux pôles. Les microtubules kinétochoriens ont disparu.

4.2.6. La cytodiérèse

La mitose est terminée et la cellule entreprend son processus de clivage. La plus visible des modifications est l'invagination progressive de la membrane plasmique, autour du centre de la cellule et dans le plan équatorial. Un anneau contractile s'est formé et c'est lui qui est responsable de cette déformation. Le sillon de division ainsi créé se creuse de plus en plus, jusqu'à la séparation complète des deux cellules filles.

Lors du cycle cellulaire, pour maintenir l’intégrité du génome, il existe plusieurs points de contrôle :

• point de contrôle G1 : vérification de l’absence d’anomalies de l’ADN à la fin de la phase G1 ;
• point de contrôle G2 : vérification de la bonne réplication de l’ADN à la fin de la phase G2 ;
• point de contrôles M : vérification de l’attachement des chromosomes aux microtubules lors de l’anaphase.

En cas d’anomalie, la cellule tentera de réparer l’ADN. Si cela est impossible, la cellule s’autodétruira (apoptose).

4.3. La méiose

Lors du développement des cellules germinales immatures vers des formes matures (gamètes), le patrimoine génétique ne se duplique pas (il n’y a pas de cellule mère qui donne naissance à deux cellules filles identiques).

En effet, les cellules normales diploïdes (2n, soit 46 chromosomes) sont réduites à des cellules haploïdes (n, soit 23 chromosomes). Pour arriver à ce résultat, la cellule procède à deux divisions : la division réductionnelle et la division équationnelle. Ainsi, à la fin de la méiose, on aboutit à quatre cellules haploïdes à partir de chaque cellule qui entre en méiose.

4.3.1. Division réductionnelle

Elle fait passer la cellule diploïde (2n) à 2 chromatides à deux cellules haploïdes (n) à deux chromatides. Elle se compose de quatre étapes fondamentales :

• la prophase I : la chromatine se condense en chromatides pour former les chromosomes et l’enveloppe nucléaire disparait. Les chromosomes homologues, préalablement répliqués lors de l’interphase, vont s’apparier aux niveaux de zones appelées chiasmas. A ce moment-là, un processus de brassage intrachromosomique peut survenir, on l’appelle le crossing-over ou enjambement chromosomique. Il consiste en l’échange de deux segments d’ADN entre deux chromosomes homologues, ce qui donne naissance à des chromosomes recombinés. Ce phénomène contribue à la diversité génétique, puisque à la fin de la méiose, chaque gamète possèdera des combinaisons génétiques différentes.
• la métaphase I : les microtubules capturent les chromosomes au niveau du kinétochore et les alignent au niveau de la plaque équatoriale. Chaque paire de chromosomes homologues a la possibilité de migrer vers deux pôles différents selon leur agencement sur la plaque équatoriale. Il existe alors 223 combinaisons possibles pour les cellules filles. C’est ce qu’on appelle le brassage interchromosomique.
• l’anaphase I : chaque chromosome s’éloigne de son homologue. Ils sont alors tirés au niveau de leur kinétochores par les microtubules vers les pôles opposés de la cellule (1 lot de 46 chromosomes avec 2 chromatides à chaque pôle).
• la télophase I : les enveloppes nucléaires de chaque cellule se reforment et les kinétochores disparaissent. La cellule se clive en deux (cytodiérèse) grâce à un anneau contractile au niveau du plan équatorial. S’en suit une courte période d’interphase avant d’entamer le deuxième processus de division.

4.3.2. Division équationnelle (mitose)

Cette division consiste en une simple mitose, sauf que le nombre de chromosomes est différent. 

Elle se compose donc d’une prophase II, d’une métaphase II, d’une anaphase II et d’une télophase II, les mêmes rencontrés lors de la mitose. Au final, à partir de deux cellules haploïdes (n) à deux chromatides, on obtient quatre cellules haploïdes à une chromatide au contenu génétique différent.

Méiose et mitose : les différences et points communs ?

4.4 La mort cellulaire

Il existe deux types de mort cellulaires : l’apoptose (mort cellulaire programmée) et la nécrose.

L’apoptose est la mort cellulaire naturelle (ou physiologique). Elle survient à une étape précise du développement de la cellule. Indispensable au bon fonctionnement de notre organisme, l’apoptose survient à la suite de signaux extracellulaires ou intracellulaires. Ce processus fragmente les cellules pour qu’elles soient éliminées de l'organisme par phagocytose sans laisser de cicatrice.

La nécrose, quant à elle, est une mort cellulaire accidentelle. Ce processus intervient lorsque les apports nécessaire au maintien de la cellule sont insuffisants (ex : nutriments, oxygène).

Cours mis à jour le 7 août 2023 par Ophélie PERROT ophe.perrot@gmail.com

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