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Appareils reproducteurs et production des gamètes

La reproduction sexuée nécessite la fabrication de cellules reproductrices ou gamètes, appelés spermatozoïdes chez l'homme et ovules chez la femme.
Cette production se fait dans l'appareil reproducteur et nécessite la mise en jeu de processus complexes permettant la conservation du nombre de chromosomes de l'espèce.
1. Quelle est l'anatomie des appareils reproducteurs de l'homme et de la femme ?
• Dans tous les cas, l'appareil reproducteur comporte trois ensemble d'éléments.
a) Des glandes génitales, testicules ou ovaires, symétriques à droite et à gauche.
b) Des voies génitales internes et des organes génitaux externes, symétriques ou non.
• Chez l'homme, elles comprennent l'épididyme débouchant dans le canal déférent et se terminent par un organe d'accouplement ou pénis.
• Chez la femme, elles comprennent le pavillon à l'extrémité de la trompe de Fallope, l'utérus unique dans le plan médian en communication avec le vagin. Des replis de la peau, les lèvres, protègent l'orifice vaginal.
c) Des glandes annexes : vésicules séminales, prostate chez l'homme ; clitoris chez la femme.
2. Comment se déroule la méiose ?
• Les organes génitaux ont pour rôle de produire des cellules reproductrices ou gamètes. Ces cellules diffèrent de toutes les autres cellules de l'organisme par le fait qu'elles sont haploïdes, c'est-à-dire qu'elles ne possèdent plus qu'un exemplaire de chaque chromosome au lieu de deux. Elles sont donc à n chromosomes au lieu de 2n et sont produites par un mécanisme appelé méiose.
• La méiose est un ensemble de deux divisions qui, à partir d'une cellule diploïde, conduit à la formation de quatre cellules haploïdes. Ses étapes sont les suivantes :
a) Une division réductionnelle produisant deux cellules à n chromosomes.
La prophase I de la première division est particulièrement longue. À ce stade, chaque chromosome est formé de deux chromatides. Les chromosomes homologues s'apparient et on observe la formation de bivalents (association de deux chromosomes), encore appelés tétrades (association de quatre chromatides), dont les chromatides s'entrelacent en formant des chiasmas. Au niveau des chiasmas peuvent se produire des échanges de segments entre chromatides homologues appelés crossing-over.
À la métaphase I, les centromères des chromosomes homologues se placent de part et d'autre du plan équatorial de la cellule.
À l'anaphase I, les chromosomes homologues se séparent, entraînés chacun par leur centromère vers un pôle de la cellule.
La télophase I donne naissance à deux cellules haploïdes n'ayant plus que la moitié des chromosomes de la cellule initiale.
b) Une division équationnelle qui n'est pas précédée d'une synthèse d'ADN, les chromosomes des cellules issues de la division réductionnelle étant toujours formés de deux chromatides. Cette deuxième division ne modifie pas le nombre de chromosomes.
Lors de l'anaphase II, les centromères se fissurent et entraînent à chaque pôle une chromatide de chaque chromosome. Les chromatides deviennent alors des chromosomes unichromatidiens à part entière. La cellule diploïde initiale donne ainsi naissance à quatre cellules haploïdes.
Schéma récapitulatif de la méiose
3. Qu'entend-on par brassage génétique au cours de la méiose ?
• Les gamètes produits après la méiose ne reçoivent chacun qu'un chromosome de chaque paire de la cellule parentale, donc un seul allèle de chaque gène. Or, on estime que les cellules parentales sont hétérozygotes pour de nombreux gènes et présentent donc, sur leurs chromosomes homologues, des allèles différents pour environ un tiers de leurs gènes.
• Ces chromosomes homologues qui les portent sont répartis au hasard,lors de l'anaphase I de la méiose, vers un pôle ou un autre. Ainsi, les gamètes produits sont génétiquement différents les uns des autres.
• La distribution au hasard des chromosomes homologues de chaque paire dans les gamètes constitue le brassage interchromosomique. Si la cellule est homozygote pour le ou les gène(s) considérés, les gamètes produits sont tous identiques. Dans l'espèce humaine, la séparation indépendante des 23 paires de chromosomes permet théoriquement la formation de 223 types de gamètes différents.
• Il faut ajouter à ce phénomène l'échange possible de segments chromosomiques réalisé par crossing-over à la prophase I de la méiose. Chaque chromosome ayant subi un crossing-over se trouve ainsi remanié et présente de nouvelles associations de gènes. Ces recombinaisons constituent le brassage intrachromosomique.
• La combinaison de ces deux brassages génétiques lors de la méiose conduit à la formation de gamètes pouvant posséder une extrême diversité de génotypes.
Exercice n°4Exercice n°5
4. Quelles conséquences peuvent avoir des erreurs de répartition des chromosomes lors de la méiose ?
• Si la répartitiondes chromosomes homologues ne s'effectue pas correctement, les gamètes produits présentent des anomalies du nombre de chromosomes.
• Le cas le plus fréquent est celui où les deux chromatides homologues, au lieu de migrer dans deux cellules différentes, se retrouvent dans la même cellule fille. La conséquence est la production d'un gamète portant un chromosome surnuméraire et d'un autre auquel il manquera un chromosome. Lors de la fécondation, ces gamètes donneront respectivement un embryon trisomique et un embryon monosomique.
• Ces anomalies peuvent porter sur les autosomes. Beaucoup sont létales, mais certaines sont viables comme la trisomie 21 (ou syndrome de Down). Si l'erreur de répartition porte sur les chromosomes sexuels, le caryotype de l'individu présente une modification du nombre des gonosomes : on connaît des individus XXY, atteints du syndrome de Klinefelter, ou des individus X0, atteints du syndrome de Turner.
Exercice n°6
5. Comment se déroule la gamétogénèse ?
• La gamétogenèse est le mécanisme biologique par lequel les gamètes sont formés dans l'organisme. La gamétogénèse comprend quatre étapes dont les modalités diffèrent selon le sexe :
  • Une phase de multiplication, par mitoses qui amplifie considérablement le nombre de cellules-mères des spermatozoïdes (les spermatogonies) ou des ovules (les ovogonies). Ces cellules sont diploïdes.
  • Une phase d'accroissement, durant laquelle les cellules précédentes deviennent des spermatocytes I ou des ovocytes I, toujours diploïdes. Cette phase est particulièrement importante chez la femme.
  • Une phase de maturation, au cours de laquelle se déroule une méiose, assurant la production de cellules haploïdes.
  • Une phase de différenciation, inexistante chez la femme. Chez l'homme, elle correspond à un changement morphologique donnant au spermatozoïde sa forme caractéristique.
• Mitoses et méiose se succèdent donc au cours de la gamétogénèse pour permettre la formation de cellules nombreuses (mitoses) et haploïdes (méiose).
• La gamétogénèse chez l'homme porte le nom de spermatogenèse et se déroule dans les testicules. Une coupe de testicule permet d'observer deux types de tissus :
  • des tubes séminifères dans la paroi desquels sont formés, à partir de la puberté, de très nombreux spermatozoïdes. À maturité, ils sont mobiles grâce à leur flagelle et se déplacent dans la partie centrale des tubes (lumière) vers l'épididyme et les canaux déférents. La paroi du tube séminifère contient aussi des cellules allongées, les cellules de Sertoli, à rôle de soutien et nourricier ;
  • du tissu intersticiel, contenant des cellules de Leydig, productrices d'hormone mâle, la testostérone. Le tissu intersticiel est richement vascularisé, l'hormone mâle étant transportée dans l'organisme par le sang.
• Le testicule adulte présente une double fonction : la production de spermatozoïdes et la production de l'hormone sexuelle masculine : la testostérone.
• Chez la femme, la gamétogénèse s'appelle l'ovogenèse et se déroule dans les ovaires. Une coupe d'ovaire présente des follicules. Un follicule est un amas cellulaire sphérique contenant en son centre une cellule de la lignée germinale, l'ovocyte I. Les follicules évoluent de façon cyclique à partir de la puberté depuis un stade follicule primordial jusqu'à un stade follicule mûr ou follicule de De Graaf, qui éclate au moment de l'ovulation, libérant l'ovocyte qu'il contient.
• Le restant du follicule devient un corps jaune.
• Les cellules du follicule entourant l'ovocyte et les cellules du corps jaune sont productrices d'hormones.
• L'ovaire adulte, comme le testicule, présente une double fonction : la production de cellules reproductrices femelles et la production d'hormones sexuelles féminines.
À retenir
• La production des gamètes, ou gamétogénèse est réalisée dans les organes génitaux. Grâce à des mitoses répétées, ces cellules sont produites en grand nombre, particulièrement chez l'homme.
• Grâce à la méiose qu'elles subissent ensuite, elles deviennent haploïdes. Les gamètes produits présentent une très grande diversité de génotype, conséquence du brassage intra et interchromosomique lors de la première division de la méiose.
• Des erreurs peuvent se produire dans la répartition des chromosomes lors de la méiose et engendrent des modifications graves du caryotype.
• L'organisation du testicule et de l'ovaire leur permet de remplir une double fonction : production de gamètes et d'hormones.
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