Fiche explicative de la leçon: Production du sperme Biologie • Troisième année secondaire

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire la structure d’une coupe transversale des testicules et des tubes séminifères, ainsi que le processus de production du sperme (spermatogenèse).

Saviez-vous que la production de spermatozoïdes nécessite une température constante inférieure d’environ 2 à la température du corps ? Selon les scientifiques, cela explique pourquoi le scrotum, le sac de peau qui contient les testicules, sites de la spermatogenèse, est situé à l’extérieur du corps humain. Ces températures plus froides servent également à prévenir les mutations dans les spermatozoïdes.

En général, les hommes ont deux testicules. Les testicules sont le site de production des spermatozoïdes, un processus appelé spermatogenèse. Le préfixe spermato- se réfère aux spermatozoïdes qui sont formés et le suffixe -genèse vient d’un mot grec qui signifie « création de quelque chose ». Les spermatozoïdes sont les gamètes mâles, et leur fonction est de féconder l’ovule de la femelle pendant le processus de reproduction sexuée.

Les testicules sont également responsables de la production de la plupart des hormones sexuelles masculines, telles que la testostérone. Ces hormones, parfois appelées androgènes, jouent un rôle dans le développement des organes sexuels masculins et des caractères sexuels secondaires, tels qu’une voix plus grave et l’apparition des poils du visage, à la puberté.

Analysons la structure générale du testicule, comme vous pouvez le voir sur la figure 1 ci-dessous, avant de zoomer sur les structures microscopiques impliquées dans la spermatogenèse.

La spermatogenèse se produit dans les tubes séminifères, des structures qui forment la majeure partie des testicules, comme le montre la figure 1.

Chaque tube séminifère est une structure tubulaire, composée d’un canal et d’un centre appelé lumière. La lumière est utilisée pour transporter les spermatozoïdes matures vers l’épididyme. L’épididyme, dont l’emplacement est également indiqué sur la figure 1, est responsable du stockage des spermatozoïdes jusqu’à ce qu’ils soient nécessaires. À ce moment-là, les spermatozoïdes sont transférés de l’épididyme au canal déférent. Le canal déférent transporte ensuite les spermatozoïdes vers l’urètre, d’où ils sont éjectés du corps de l’homme. Les spermatozoïdes sont souvent éjaculés dans le vagin d’une femme, où ils peuvent nager vers l’ovule pour le féconder.

La micrographie présentée sur la figure 2 montre une coupe transversale agrandie d’un testicule, avec un tube séminifère au centre. Vous pouvez voir les bords de quatre autres tubes séminifères autour du périmètre de la micrographie. Une coupe transversale est une manière de voir une partie d’un échantillon ou du corps. Le mot transversal signifie « à travers ». Une coupe transversale est la vue que l’on obtient lorsque l’on coupe à travers un objet à angle droit par rapport à son axe vertical.

Sur la micrographie, la lumière apparaît comme un espace blanc au milieu du tube séminifère. Vous pouvez également voir qu’un certain nombre de cellules différentes composent l’épithélium (revêtement) du tube séminifère. Nous discuterons de ces cellules plus en détail plus tard. Les cellules distinctes, sombres, bleu violacé, appartiennent à l’épithélium du tube séminifère.

Les cellules qui sécrètent la testostérone sont un exemple de cellules interstitielles présentes dans les testicules, parfois plus spécifiquement appelées cellules de Leydig. Vous pouvez les voir sur la micrographie ci-dessus, colorées en rose-mauve plus clair et entourant le tube séminifère.

Analysons plus en détail une coupe transversale du tube séminifère, sur la figure 3 ci-dessous.

En plus des cellules interstitielles qui apparaissent sur la figure 2, la figure 3 montre plus en détail les cellules constituant l’épithélium des tubes séminifères.

Par exemple, le tube séminifère contient un type de cellules appelé cellules de Sertoli. Les cellules de Sertoli sécrètent un liquide qui sert à nourrir et à soutenir les spermatozoïdes au cours de leur développement, et à donner aux spermatozoïdes matures un milieu dans lequel ils peuvent nager. Les cellules de Sertoli peuvent également jouer un rôle dans la défense immunitaire en aidant les spermatozoïdes à survivre plus longtemps.

Exemple 1: Identifier la cellule sécrétant de la testostérone dans les tubes séminifères des testicules

La figure montre un dessin d’une coupe transversale des tubes séminifères dans les testicules.

Identifiez la cellule qui sécrète la testostérone.

Réponse

Les tubes séminifères constituent la majeure partie des testicules chez l’homme et sont le site de production des spermatozoïdes. Ce processus est également appelé spermatogenèse, et il permet de convertir les cellules germinales primordiales diploïdes en spermatozoïdes matures haploïdes. Les tubes séminifères contiennent également des cellules de Sertoli, qui sécrètent des liquides pour nourrir et soutenir les spermatozoïdes en développement.

On trouve des cellules interstitielles dans diverses régions du corps. Par exemple, des cellules interstitielles sont intercalées entre les tubes séminifères des testicules. Les cellules de Leydig sont un exemple spécifique de cellules interstitielles dans les testicules. Les cellules de Leydig sont responsables de la production et de la sécrétion de l’hormone testostérone. La testostérone joue un rôle important dans le cycle de la méiose pendant la spermatogenèse et dans divers autres processus tels que la sécrétion de liquide à partir des cellules de Sertoli.

Sur le schéma, nous pouvons voir que la grande structure au centre est un tube séminifère, qui se compose de nombreuses cellules à différents stades de développement, où s’intercalent des cellules de Sertoli. Les cellules interstitielles ne se trouvent pas à l’intérieur des tubes séminifères, donc ce sont les amas de cellules rondes situées entre le tube séminifère central et les tubes adjacents.

Par conséquent, la cellule qui sécrète la testostérone est une cellule interstitielle, marquée E.

Les tubes séminifères témoignent du procédé complet de la production des spermatozoïdes. En observant une coupe transversale d’un tube séminifère au microscope, vous pouvez voir des cellules à chaque étape différente de la spermatogenèse. Les cellules produites à la première étape de la spermatogenèse sont situées vers la région externe du tube séminifère, et les étapes progressent à mesure que vous vous déplacez vers la lumière du tube.

La spermatogenèse transforme les cellules germinales primordiales diploïdes en spermatozoïdes matures haploïdes.

La figure 3 montre que les cellules externes dans l’épithélium du tube séminifère, les spermatogonies, sont diploïdes (2n), comme la plupart des autres cellules du corps. Les cellules plus proches de la lumière, les spermatides et les spermatozoïdes matures, sont haploïdes (n). En effet, la spermatogenèse implique un processus de méiose, un type de division cellulaire qui réduit de moitié le matériel génétique dans les cellules.

Le mot diploïde signifie que les cellules contiennent l’ensemble complet des chromosomes dans leur noyau, souvent désigné par « 2n ». Chez les humains, les cellules diploïdes ont 23 paires de chromosomes dans leur noyau, soit 46 chromosomes au total. Le mot haploïde signifie que les cellules contiennent la moitié de l’ensemble des chromosomes (23 au total) dans leur noyau. Tous les gamètes, les spermatozoïdes et les ovules, sont haploïdes, ce qui est souvent noté « n ».

Des spermatozoïdes matures, parfois appelés simplement spermatozoïdes, sont libérés par les cellules de Sertoli dans la lumière du tube séminifère lors d’un processus appelé spermiation. Une fois dans la lumière, les spermatozoïdes peuvent être transportés vers l’épididyme pour y être stockés.

Exemple 2: Identifier les cellules haploïdes dans les tubes séminifères des testicules

La figure montre un dessin d’une coupe transversale des tubes séminifères dans les testicules.

Identifiez les cellules haploïdes.

1. A et C
2. B et C
3. B, C et D
4. C seulement
5. C et E

Réponse

La majorité des cellules du corps humain sont diploïdes. Une cellule humaine est diploïde si elle contient un ensemble complet de 23 paires de chromosomes ou un total de 46 chromosomes dans son noyau.

Les gamètes, aussi appelées cellules sexuelles ou cellules reproductrices, sont haploïdes. Le mot haploïde signifie que les gamètes (ovules et spermatozoïdes) contiennent la moitié du nombre de chromosomes d’une cellule diploïde normale. En effet, lors de la fécondation, l’ovule et le spermatozoïde fusionnent. La fécondation forme un zygote diploïde avec un ensemble complet de 46 chromosomes : 23 du père biologique et 23 de la mère biologique.

La spermatogenèse est le processus de production de spermatozoïdes, qui forme des gamètes mâles haploïdes. Les cellules germinales primordiales impliquées au début du processus de spermatogenèse sont diploïdes, et se divisent initialement par mitose pour produire des spermatogonies, qui sont également diploïdes. Les étapes de la spermatogenèse sont mises en évidence dans le tube séminifère, qui contient plus de spermatogonies immatures vers sa région externe.

Les spermatogonies se divisent ensuite pour former un grand nombre de spermatides haploïdes, qui se différencient en spermatozoïdes matures haploïdes. Ces deux types de cellules sont haploïdes, car la méiose réduit de moitié le nombre de chromosomes dans les cellules qu’elle produit. Les spermatozoïdes sont dotés d’une queue et sont libérés dans la lumière du tube séminifère pour être transportés vers l’épididyme et y être stockés.

Analysons le schéma pour identifier quelles cellules sont haploïdes.

La plupart des cellules de l’image sont diploïdes, car les cellules du corps humain possèdent majoritairement un ensemble complet de 46 chromosomes. Nous savons que les seules cellules haploïdes sont celles proches de la lumière du tube séminifère, car ces cellules approchent de la fin du processus de spermatogenèse et ont subi une méiose.

Les spermatides haploïdes sont annotés B, et les spermatozoïdes matures qui ont été libérés dans la lumière du tube séminifère sont annotés C.

Par conséquent, les cellules haploïdes du tube séminifère sont les spermatides et les spermatozoïdes matures, respectivement marqués B et C.

La spermatogenèse se poursuit lorsqu’un homme atteint la maturité sexuelle au début de la puberté. Ce processus se poursuit ensuite généralement en continu tout au long de sa vie. La puberté provoque de nombreux changements entraînés par les hormones dans le corps masculin. Étudions quelques-unes des hormones impliquées dans la stimulation des cellules responsables de la spermatogenèse et dans la régulation du processus dans son ensemble. Les effets de ces hormones sont décrits dans la figure 4 ci-dessous.

À la puberté, l’hormone lutéinisante (LH) est sécrétée par l’antéhypophyse dans le cerveau. Cette hormone se lie aux récepteurs des cellules interstitielles des testicules (cellules de Leydig), ce qui les incite à produire et à sécréter de la testostérone. La testostérone et la LH sont toutes deux des hormones essentielles au processus de spermatogenèse, car lorsque l’une des hormones est absente, la spermatogenèse s’arrête.

L’hormone folliculo-stimulante (FSH) est également libérée par l’antéhypophyse et joue un rôle dans la formation des gamètes chez les hommes et les femmes. Dans le système reproducteur masculin, les cellules de Sertoli possèdent des récepteurs pour la FSH. La FSH stimule la spermatogenèse et favorise la production de protéines liant les androgènes, qui agissent comme des récepteurs de testostérone à la surface des cellules de Sertoli. Ceci est également important, car la testostérone peut se lier à ces récepteurs et affecter ces cellules, ce qui aide également à maintenir une concentration élevée de testostérone dans les testicules. La FSH et la testostérone régulent la spermatogenèse en agissant sur les cellules de Sertoli, ce qui aide les cellules à mûrir et à fonctionner efficacement.

Par exemple, la testostérone et la FSH stimulent la sécrétion de liquides nutritifs riches en nutriments et la production de molécules régulatrices à partir des cellules de Sertoli, qui favorisent la spermatogenèse. La testostérone aide également les cellules de Sertoli à soutenir les spermatozoïdes en développement jusqu’à ce qu’ils soient suffisamment matures pour se détacher de l’épithélium du tube séminifère. Quand la testostérone est insuffisante, les spermatozoïdes peuvent se détacher alors qu’ils sont encore immatures ou ne pas se détacher du tout. La testostérone peut également être responsable du bon déroulement de la méiose, parmi ses diverses autres fonctions dans la spermatogenèse.

En résumé, la LH stimule la production de testostérone dans les cellules interstitielles (cellules de Leydig). La FSH stimule la production de récepteurs de testostérone (protéines liant les androgènes) par les cellules de Sertoli. Cela permet à la testostérone de se lier aux récepteurs des cellules de Sertoli et d’activer la sécrétion de liquides à partir des cellules de Sertoli, ainsi que la méiose lors de la spermatogenèse.

Analysons les phases de la spermatogenèse et les différentes cellules qu’elles produisent.

La spermatogenèse comprend quatre phases principales : (1) la multiplication, (2) l’accroissement, (3) la maturation et (4) la différenciation. Vous pouvez voir ces quatre phases sur la figure 5 ci-dessous.

Tout d’abord, regardons la phase de multiplication.

Lorsque l’homme est encore un embryon, l’épithélium de ses tubes séminifères se compose principalement de cellules germinales primordiales. Ces cellules germinales primordiales (2n) se divisent par mitose et prolifèrent pour produire un grand nombre de prospermatogonies, qui se transforment en spermatogonies (2n) après la naissance. Cette étape est appelée la phase de multiplication. Vous pouvez voir les spermatogonies dans la couche externe de l’épithélium du tube séminifère sur la figure 5, car ils sont les premiers à se développer.

Ensuite, regardons la phase de l’accroissement.

La deuxième étape de la spermatogenèse est appelée la phase de l’accroissement. Au cours de cette étape, certains types de spermatogonies se divisent par mitose et se différencient en spermatocytes primaires (2n). Ces cellules se situent un peu plus près de la lumière du tube séminifère et ne sont plus en contact avec la membrane basale des tubes séminifères, comme vous pouvez le voir sur la figure 5.

La troisième étape de la spermatogenèse est la phase de maturation.

À la puberté, les niveaux de testostérone augmentent. Cela déclenche la division par méiose des spermatocytes primaires (2n) lors de la phase de maturation. Rappelez-vous que la méiose est une division qui se déroule en deux étapes : la méiose I et la méiose II. Lors de la méiose I, les spermatocytes primaires deviennent des spermatocytes secondaires (n). Les spermatocytes secondaires sont des cellules haploïdes, donc ces cellules contiennent la moitié du nombre de chromosomes des spermatocytes primaires. Lors de la méiose II, les spermatocytes secondaires se divisent à nouveau pour former des spermatides haploïdes (n).

La dernière étape de la spermatogenèse est la phase de différenciation.

Au cours de la différenciation, les spermatides rondes (n) développent des queues et d’autres adaptations pour devenir des spermatozoïdes matures (n) qui peuvent féconder les ovules d’une femme. L’une de ces spécialisations est la production d’enzymes, telles que l’hyaluronidase, dans la tête des spermatozoïdes, ce qui les aide à pénétrer dans l’ovule. Ces spermatozoïdes sont ensuite libérés dans la lumière du tube séminifère et se déplacent vers l’épididyme pour y terminer leur développement et y être stockés.

En résumé, la spermatogenèse consiste en une phase de multiplication, au cours de laquelle les cellules germinales primordiales (2n) se divisent plusieurs fois par mitose pour former de nombreuses prospermatogonies, qui se transforment ensuite en spermatogonies (2n) après la naissance. Ceci est ensuite suivi par la phase de l’accroissement, au cours de laquelle ces spermatogonies se divisent par mitose et se différencient pour se transformer en spermatocytes primaires (2n). Pendant la phase de maturation, les spermatocytes primaires se divisent par méiose I, ce qui réduit de moitié leur nombre de chromosomes pour former des spermatocytes secondaires (n). Ces cellules se divisent ensuite par méiose II pour former des spermatides (n). Les spermatides subissent alors une différenciation et se transforment en spermatozoïdes matures (n).

Récapitulons certains des points clés que nous avons couverts dans cette fiche explicative.