Karamö, le prof virtuelLeçon 38 sur 49
La production des gamètes
Je sais décrire les étapes de la spermatogenèse et de l'ovogenèse, suivre l'évolution du nombre de chromosomes et de la quantité d'ADN, et comparer les deux processus.
- 1 h
- 5 exercices corrigés
- 3 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Décrire les phases de la spermatogenèse (multiplication, accroissement, maturation, spermiogenèse) et leur localisation dans le tube séminifère
- Décrire les phases de l'ovogenèse, leurs blocages et leur chronologie (vie fœtale, puberté, ovulation, fécondation)
- Suivre l'évolution de la quantité d'ADN et du nombre de chromosomes au cours de la gamétogenèse
- Comparer spermatogenèse et ovogenèse et expliquer quelques conséquences (brassage génétique, âge maternel)
Avant de commencer : La division cellulaire (mitose et méiose, leçon 11) ; les leçons sur les ovaires, l'appareil génital masculin et la structure des gamètes.
1Je découvre
Dans une famille de Dabola, Ousmane, 17 ans, discute avec sa grand-mère, qui a eu neuf enfants. Elle lui raconte que son propre père a eu un enfant à plus de soixante-dix ans. « Et moi, dit-elle, à cinquante ans, c'était fini. »
Le lendemain, en cours de biologie, Ousmane pose la question au professeur. Pourquoi un homme peut-il produire des spermatozoïdes jusqu'à un âge avancé, alors que la femme cesse de libérer des ovocytes à la ménopause ? Le professeur répond par une autre information surprenante : « Les ovocytes que ta mère a libérés à trente ans avaient commencé leur méiose avant même qu'elle soit née. Ils sont restés bloqués pendant plus de trente ans. »
Kadiatou ajoute : « Et pourquoi un spermatocyte donne-t-il quatre spermatozoïdes, alors qu'un ovocyte ne donne qu'un seul ovule ? »
Comment les gamètes sont-ils produits dans le testicule et dans l'ovaire, et pourquoi ces deux productions sont-elles si différentes ?
2Je comprends
1. Un principe commun : la gamétogenèse
La gamétogenèse est la formation des gamètes. Elle transforme des cellules souches diploïdes (2n = 46 chez l'être humain) en gamètes haploïdes (n = 23). Elle comprend toujours :
- une phase de multiplication, par mitoses ;
- une phase d'accroissement, pendant laquelle la cellule grossit et réplique son ADN ;
- une phase de maturation, qui correspond à la méiose : deux divisions successives, la première réductionnelle (séparation des chromosomes homologues, 2n → n), la seconde équationnelle (séparation des chromatides) ;
- chez le mâle, une phase de différenciation, la spermiogenèse.
On appelle spermatogenèse la formation des spermatozoïdes et ovogenèse la formation des ovocytes.
2. La spermatogenèse
La spermatogenèse se déroule dans la paroi des tubes séminifères, de la puberté jusqu'à la fin de la vie, de façon continue. Les cellules sont disposées de la périphérie du tube (cellules jeunes) vers la lumière (cellules mûres) : la maturation est centripète. Les cellules de Sertoli les soutiennent et les nourrissent tout au long du processus.
- 1Multiplication : les spermatogonies (2n), contre la paroi du tube, se divisent par mitoses ; certaines restent en réserve
- 2Accroissement : une spermatogonie grossit et réplique son ADN : c'est un spermatocyte I (2n chromosomes à 2 chromatides)
- 3Méiose I (réductionnelle) : 1 spermatocyte I donne 2 spermatocytes II (n chromosomes à 2 chromatides)
- 4Méiose II (équationnelle) : chaque spermatocyte II donne 2 spermatides (n chromosomes à 1 chromatide)
- 5Spermiogenèse : chaque spermatide se différencie en spermatozoïde, libéré dans la lumière du tube
La spermiogenèse est une transformation sans division :
- l'appareil de Golgi forme l'acrosome ;
- le noyau se condense et s'allonge ;
- un centriole organise le flagelle ;
- les mitochondries se regroupent en hélice dans la pièce intermédiaire ;
- la plus grande partie du cytoplasme est éliminée (corps résiduel, digéré par les cellules de Sertoli).
Chez l'homme, la spermatogenèse complète, de la spermatogonie au spermatozoïde, dure environ 74 jours (valeur classique des manuels ; des mesures plus récentes donnent un peu moins, autour de 64 jours). Comme de nombreux cycles se déroulent en même temps et en décalé, la production est continue. Elle est commandée par les hormones de l'hypophyse (FSH et LH) et par la testostérone : ce contrôle sera étudié avec les relations hormonales.
3. L'ovogenèse
L'ovogenèse se déroule dans l'ovaire, dans les follicules. Contrairement à la spermatogenèse, elle est discontinue et s'étale sur des dizaines d'années.
Pendant la vie fœtale.
- Multiplication : les ovogonies (2n) se multiplient par mitoses. Cette phase se termine avant la naissance : aucune nouvelle ovogonie ne se formera ensuite.
- Accroissement : les ovogonies répliquent leur ADN et deviennent des ovocytes I, qui entrent en méiose et se bloquent en prophase I. Chacun s'entoure de cellules folliculaires : c'est un follicule primordial.
De la naissance à la puberté. Les ovocytes I restent bloqués en prophase I ; beaucoup disparaissent par atrésie.
À chaque cycle, de la puberté à la ménopause. Dans le follicule qui arrive à maturité, l'ovocyte I, qui a beaucoup grossi, achève la première division de méiose juste avant l'ovulation. Cette division est très inégale : elle donne une grosse cellule, l'ovocyte II, qui garde presque tout le cytoplasme, et une toute petite cellule, le premier globule polaire. L'ovocyte II commence la deuxième division et se bloque en métaphase II : c'est à ce stade qu'il est libéré lors de l'ovulation.
Seulement en cas de fécondation. L'entrée du spermatozoïde déclenche la fin de la méiose II : l'ovocyte II donne l'ovule (ou ovotide), haploïde, et un deuxième globule polaire. Sans fécondation, l'ovocyte II dégénère en un jour environ, sans jamais terminer sa méiose.
- 1Vie fœtale : multiplication des ovogonies (2n) par mitoses, puis arrêt définitif
- 2Vie fœtale : les ovocytes I (2n, 2 chromatides) entrent en méiose et se bloquent en prophase I
- 3Puberté puis chaque cycle : un ovocyte I achève la méiose I avant l'ovulation → ovocyte II + 1er globule polaire
- 4Ovulation : l'ovocyte II (n, 2 chromatides) est libéré, bloqué en métaphase II
- 5Fécondation : fin de la méiose II → ovule (n, 1 chromatide) + 2e globule polaire
Les globules polaires, très pauvres en cytoplasme, dégénèrent. Grâce à ces divisions inégales, l'ovule conserve toutes les réserves de l'ovocyte, nécessaires aux premières divisions de l'œuf.
4. L'évolution de l'ADN et des chromosomes
Notons q la quantité d'ADN d'une cellule haploïde non répliquée (un spermatozoïde, par exemple). Une cellule diploïde non répliquée contient donc 2q.
| Cellule (spermatogenèse) | Cellule (ovogenèse) | Nombre de chromosomes | Chromatides par chromosome | Quantité d'ADN |
|---|---|---|---|---|
| Spermatogonie (avant réplication) | Ovogonie (avant réplication) | 2n = 46 | 1 | 2q |
| Spermatocyte I | Ovocyte I | 2n = 46 | 2 | 4q |
| Spermatocyte II | Ovocyte II (et 1er globule polaire) | n = 23 | 2 | 2q |
| Spermatide, spermatozoïde | Ovule (et 2e globule polaire) | n = 23 | 1 | q |
Méthode
Pour interpréter une courbe de quantité d'ADN au cours de la gamétogenèse :
- Je repère les paliers et je donne la quantité d'ADN de chacun (en q ou en unités arbitraires).
- Un doublement (2q → 4q) correspond à la réplication de l'ADN, pendant l'accroissement (interphase).
- Une première division par deux (4q → 2q) correspond à la méiose I : le nombre de chromosomes passe de 2n à n.
- Une seconde division par deux (2q → q) correspond à la méiose II : le nombre de chromosomes reste n, mais chacun n'a plus qu'une chromatide.
- Je nomme la cellule présente sur chaque palier.
Exemple
Dans un testicule, 250 spermatocytes I achèvent leur méiose. Dans un ovaire, 250 ovocytes I achèveraient toute leur méiose. Combien de gamètes fonctionnels et de globules polaires obtient-on ?
Spermatogenèse : chaque spermatocyte I donne 4 spermatides, puis 4 spermatozoïdes. 250 × 4 = 1 000 spermatozoïdes.
Ovogenèse : chaque ovocyte I donne 1 ovule seulement. 250 × 1 = 250 ovules.
Globules polaires : chaque ovocyte I donne 1 premier globule polaire et 1 deuxième, soit 2 (3 si le premier se divise aussi). 250 × 2 = 500 globules polaires au minimum.
Exemple
Pendant la méiose I, chaque paire de chromosomes homologues se sépare au hasard, indépendamment des autres. Calculer le nombre de combinaisons de chromosomes différentes possibles dans les gamètes humains, sans tenir compte des crossing-over.
Il y a n = 23 paires de chromosomes.
Pour chaque paire, le gamète reçoit l'un ou l'autre des deux homologues : 2 possibilités.
Nombre de combinaisons : 223 = 8 388 608, soit plus de 8 millions.
Avec les crossing-over, le nombre de gamètes différents est encore bien plus grand : deux gamètes d'un même individu ne sont pratiquement jamais identiques.
5. Comparaison et conséquences
| Caractère | Spermatogenèse | Ovogenèse |
|---|---|---|
| Lieu | tubes séminifères du testicule | follicules de l'ovaire |
| Multiplication | de la puberté à la fin de la vie | uniquement pendant la vie fœtale |
| Déroulement | continu, environ 74 jours | discontinu, avec deux blocages (prophase I et métaphase II) |
| Divisions de méiose | égales | inégales (globules polaires) |
| Produits d'une cellule en méiose | 4 spermatozoïdes | 1 ovule + 2 ou 3 globules polaires |
| Différenciation finale | spermiogenèse (flagelle, acrosome) | pas de spermiogenèse ; accumulation de réserves |
| Fin de la méiose | dans le testicule | seulement après l'entrée du spermatozoïde |
| Fin de la production | pas d'arrêt brutal | ménopause (épuisement du stock) |
Conséquences.
- Le stock d'ovocytes est constitué avant la naissance : c'est pourquoi il s'épuise et la ménopause survient, alors que l'homme, qui renouvelle ses spermatogonies, peut rester fertile plus longtemps.
- Un ovocyte libéré à 40 ans est resté bloqué en prophase I pendant plus de 40 ans (depuis la vie fœtale). Avec l'âge, le risque d'erreur dans la séparation des chromosomes lors de la méiose augmente : c'est l'une des raisons pour lesquelles le risque de trisomie 21 augmente avec l'âge de la mère.
- La méiose, par la séparation au hasard des chromosomes et par les crossing-over, produit des gamètes génétiquement tous différents : c'est la base du brassage génétique étudié dans les leçons sur l'hérédité.
3Je retiens
Je retiens
Gamétogenèse : multiplication (mitoses), accroissement (réplication de l'ADN), maturation (méiose), et chez le mâle spermiogenèse.
Spermatogenèse : dans les tubes séminifères, de la puberté à la fin de la vie, continue (environ 74 jours), centripète ; spermatogonie → spermatocyte I → 2 spermatocytes II → 4 spermatides → 4 spermatozoïdes.
Ovogenèse : multiplication seulement pendant la vie fœtale ; ovocytes I bloqués en prophase I ; méiose I achevée avant l'ovulation (ovocyte II + 1er globule polaire) ; ovocyte II bloqué en métaphase II ; méiose II achevée seulement à la fécondation (ovule + 2e globule polaire).
1 spermatocyte I donne 4 spermatozoïdes ; 1 ovocyte I donne 1 ovule.
ADN : 2q → 4q (réplication) → 2q (méiose I, 2n → n) → q (méiose II).
2^23 = 8 388 608 combinaisons chromosomiques possibles par gamète, sans compter les crossing-over.
4Erreurs fréquentes
- Dire que la méiose I sépare les chromatides : elle sépare les chromosomes homologues (2n → n) ; c'est la méiose II qui sépare les chromatides.
- Croire qu'un spermatocyte II est diploïde : il est déjà haploïde (n chromosomes à deux chromatides).
- Penser que la femme fabrique de nouveaux ovocytes à chaque cycle : la multiplication s'arrête avant la naissance.
- Affirmer que l'ovocyte achève sa méiose avant l'ovulation : il ne termine que la méiose I ; la méiose II ne s'achève qu'après la fécondation.
5Je m’exerce
1Exercice 1
(Questions de cours)
a) Cite, dans l'ordre, les quatre phases de la spermatogenèse.
b) Où se déroule la spermatogenèse ? Dans quel sens se fait la maturation des cellules ?
c) À quels stades l'ovocyte est-il bloqué au cours de sa vie ?
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) Multiplication, accroissement, maturation (méiose), spermiogenèse.
b) Dans la paroi des tubes séminifères du testicule. La maturation est centripète : les cellules les plus jeunes (spermatogonies) sont en périphérie, contre la paroi, et les spermatozoïdes sont libérés dans la lumière du tube.
c) L'ovocyte I est bloqué en prophase I, depuis la vie fœtale jusqu'à un cycle après la puberté ; l'ovocyte II est bloqué en métaphase II, de l'ovulation jusqu'à la fécondation.
2Exercice 2
Recopie et complète le tableau (n = 23).
| Cellule | Nombre de chromosomes | Chromatides par chromosome | Quantité d'ADN (en q) |
|---|---|---|---|
| Spermatogonie avant réplication | ? | ? | ? |
| Ovocyte I | ? | ? | ? |
| Ovocyte II | ? | ? | ? |
| Spermatozoïde | ? | ? | ? |
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| Cellule | Nombre de chromosomes | Chromatides par chromosome | Quantité d'ADN (en q) |
|---|---|---|---|
| Spermatogonie avant réplication | 2n = 46 | 1 | 2q |
| Ovocyte I | 2n = 46 | 2 | 4q |
| Ovocyte II | n = 23 | 2 | 2q |
| Spermatozoïde | n = 23 | 1 | q |
3Exercice 3
Un fragment de testicule contient 120 spermatogonies. Chacune subit 3 mitoses successives, puis toutes les cellules obtenues deviennent des spermatocytes I qui achèvent leur méiose et leur spermiogenèse.
a) Combien de spermatocytes I obtient-on ?
b) Combien de spermatozoïdes obtient-on ?
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a) Chaque mitose double le nombre de cellules : après 3 mitoses, une spermatogonie donne 23 = 8 cellules. On obtient 120 × 8 = 960 spermatocytes I.
b) Chaque spermatocyte I donne 4 spermatozoïdes : 960 × 4 = 3 840 spermatozoïdes.
4Exercice 4
Explique pourquoi la ménopause survient chez la femme, alors que l'homme ne connaît pas d'arrêt brutal de la production de gamètes.
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Chez la femme, la multiplication des ovogonies s'arrête avant la naissance : le stock d'ovocytes I est définitivement constitué et ne sera jamais renouvelé. À chaque cycle, quelques follicules se développent mais un seul, en général, ovule ; tous les autres, et beaucoup d'autres encore, disparaissent par atrésie. Le stock diminue donc sans cesse et finit par s'épuiser vers 50 ans : c'est la ménopause. Chez l'homme, les spermatogonies se multiplient par mitoses tout au long de la vie et une partie d'entre elles reste en réserve : le stock de cellules souches se renouvelle, et la production de spermatozoïdes peut se poursuivre jusqu'à un âge avancé, en diminuant progressivement.
5Exercice 5
(Type BAC) On mesure la quantité d'ADN par cellule (en unités arbitraires, u.a.) au cours de la formation d'un gamète femelle chez un mammifère. On obtient : 6,6 u.a. dans l'ovogonie en début d'interphase ; 13,2 u.a. dans la cellule bloquée depuis la vie fœtale ; 6,6 u.a. dans la cellule libérée à l'ovulation ; 3,3 u.a. dans la cellule obtenue après l'entrée du spermatozoïde (avant la fusion des noyaux).
a) Nomme la cellule correspondant à chaque valeur.
b) Explique chaque variation de la quantité d'ADN.
c) Indique pour chaque cellule le nombre de chromosomes (on appellera n le nombre haploïde).
d) Explique pourquoi on ne mesure jamais la valeur 3,3 u.a. dans un ovocyte qui n'a pas été fécondé.
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) 6,6 u.a. : ovogonie ; 13,2 u.a. : ovocyte I (bloqué en prophase I depuis la vie fœtale) ; 6,6 u.a. : ovocyte II (libéré à l'ovulation) ; 3,3 u.a. : ovule (ovotide).
b) De 6,6 à 13,2 u.a. : doublement dû à la réplication de l'ADN pendant l'accroissement (l'ovogonie devient ovocyte I). De 13,2 à 6,6 u.a. : division par deux lors de la méiose I, achevée avant l'ovulation, qui sépare les chromosomes homologues entre l'ovocyte II et le premier globule polaire. De 6,6 à 3,3 u.a. : division par deux lors de la méiose II, déclenchée par l'entrée du spermatozoïde, qui sépare les chromatides entre l'ovule et le deuxième globule polaire.
c) Ovogonie : 2n ; ovocyte I : 2n (chromosomes à deux chromatides) ; ovocyte II : n (chromosomes à deux chromatides) ; ovule : n (chromosomes à une chromatide).
d) L'ovocyte II est bloqué en métaphase II ; c'est l'entrée du spermatozoïde qui déclenche la fin de la méiose II. Sans fécondation, la deuxième division ne se produit pas et l'ovocyte II dégénère en conservant 6,6 u.a. d'ADN : on ne mesure donc jamais 3,3 u.a. dans un ovocyte non fécondé.
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6Je vérifie
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