Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire la structure du noyau dans une cellule eucaryote et rappeler la structure et la fonction de la chromatine et des chromosomes.
Chaque cellule humaine contient de l’ADN d’une longueur de bien empaqueté et organisé. Si tous les brins d’ADN de toutes vos cellules étaient mis bout à bout, l’ADN mesurerait jusqu’à 6,2 milliards de kilomètres, plus de 41 fois la distance entre la Terre et le Soleil !
Bien que le terme animal ne soit pas habituellement utilisé pour désigner les humains, selon le système de classification moderne, nous, les humains, sommes classés dans le règne Animal, car notre organisme est généralement constitué de trillions de la même cellule de base que celle des autres animaux, à savoir la cellule animale. La cellule animale est un type de cellule eucaryote. Cela signifie que nos cellules contiennent toutes un noyau, à quelques exceptions près, comme le globule rouge mature. Chaque organisme multicellulaire connu est eucaryote, qu’il soit végétal, animal ou fongique, mais certains eucaryotes sont unicellulaires, tels que l’amibe ou la levure.
Terme clé : Eucaryote
Une cellule eucaryote est une cellule qui contient un noyau entouré d’une membrane et d’autres organites entourés d’une membrane.
La proportion des différents organites diffère légèrement parmi les cellules eucaryotes en raison de leurs différentes fonctions. Par exemple, regardez la figure 1 ci-dessous. Un spermatozoïde utilise beaucoup d’énergie pour se déplacer vers l’ovule et nécessite donc plus de mitochondries que d’autres cellules pour fournir cette énergie. Les globules rouges, par exemple, ne contiennent pas de mitochondries car ils se déplacent autrement et n’ont pas besoin de la même quantité d’énergie qu’un spermatozoïde. Bien que les globules rouges matures ne possèdent pas de noyau, ils sont en fait un exemple de cellules eucaryotes ; ils commencent leur vie avec des noyaux et d’autres organites, mais ils les perdent au cours de la maturation juste pour libérer de l’espace pour une plus grande quantité d’hémoglobine porteuse d’oxygène.
Toutes les cellules eucaryotes possèdent un cytoplasme, un liquide gélatineux contenant de l’eau, des sels dissous et d’autres molécules organiques. Le cytoplasme contient également plusieurs organites et d’autres structures, tels que des mitochondries pour libérer de l’énergie, des ribosomes pour la synthèse des protéines, et des chloroplastes dans les cellules végétales pour effectuer la photosynthèse.
Terme clé : Organite
Un organite est une structure subcellulaire qui remplit une fonction spécifique.
L’organite qui nous intéresse dans cette fiche explicative est le noyau, et nous verrons les raisons pour lesquelles il est si spécial et indispensable aux cellules des organismes complexes pour leur bon fonctionnement. Pour le comprendre, il faut connaître le précieux matériel qu’il a pour fonction de protéger : l’ADN. Ensuite, nous en découvrirons plus sur la structure complexe du noyau en lui-même.
Les chromosomes sont situés dans le noyau et sont constitués chacun d’un long brin d’ADN. Chaque brin d’ADN contient de nombreux gènes différents, des segments d’ADN qui codent pour des protéines spécifiques et essentielles aux activités cellulaires.
La méiose est un type de division cellulaire qu’une cellule eucaryote réalise pour produire des gamètes (les ovules et les spermatozoïdes chez l’humain). Lors de la méiose, ces chromosomes sont d’abord dupliqués dans un processus appelé réplication de l’ADN. Ensuite, ils se divisent deux fois pour donner des gamètes contenant la moitié des informations génétiques de la cellule mère d’origine. Les gènes situés sur les chromosomes sont héréditaires. Cela signifie que les gènes peuvent être transmis des parents à la descendance lorsque les ovules et les spermatozoïdes fusionnent dans la fécondation.
Chaque chromosome humain est constitué d’une très longue molécule d’ADN, qui étirée mesurerait en moyenne 4,8 cm. Il ne s’agit que d’un seul chromosome sur les 46 que compte le noyau de chaque cellule normale du corps humain ; il serait donc difficile de tous les emballer !
Pour éviter ce problème, la chromatine se forme à l’intérieur du noyau lorsque des brins d’ADN chez des organismes eucaryotes s’associent et s’enroulent autour de protéines spécifiques appelées histones. Cela permet de compacter étroitement l’ADN. La chromatine s’enroule et se condense pour former les chromosomes. On peut voir qu’avant la réplication de l’ADN, les chromosomes sont constitués de ce qui ressemble à une seule chromatide, alors qu’après la réplication, ils seraient constitués de deux chromatides.
Terme clé : Chromatine
La chromatine est un complexe formé lorsque l’ADN s’associe à des protéines histones.
Terme clé : Chromatide
Une chromatide est chacun des deux brins filiformes d’un chromosome répliqué qui se séparent lors de la division cellulaire. Chaque chromatide ne contient qu’une seule molécule d’ADN.
Ces mots sont facilement confondus et il faut un peu de pratique pour les utiliser dans le bon contexte, mais le schéma de la figure 2 montre le lien entre eux.
Le chromosome en haut à gauche de ce schéma est constitué de deux chromatides, chacune étant un long brin d’ADN enroulé autour des protéines histones. C’est ainsi que les chromosomes apparaissent après la réplication de l’ADN, et avant qu’ils ne soient séparés par la division cellulaire. Les chromosomes ont le plus souvent cette apparence pendant la métaphase de la mitose, avant que les deux chromatides ne se séparent lors de l’anaphase ((la métaphase et l’anaphase sont toutes deux des phases ultérieures de la mitose qui se déroule après la réplication de l’ADN).
Terme clé : Chromosome
Un chromosome est une longue molécule d’ADN et de protéines associées contenant les informations génétiques d’un organisme sous la forme de gènes.
Exemple 1: Définir la fonction des chromosomes
Les chromosomes sont formés à partir des acides nucléiques de l’ADN. Quelle est la fonction principale de ces chromosomes ?
- Séparer le contenu du noyau et du cytoplasme.
- Servir de site de la respiration cellulaire.
- Fournir des nutriments essentiels à la cellule.
- Porter l’information génétique et de la transmettre du parent à la progéniture.
Réponse
Analysons les réponses par élimination à l’aide des informations sur la fonction des chromosomes. Gardez à l’esprit que lorsqu’une question vous demande la « fonction principale » de quelque chose, plusieurs réponses peuvent vous sembler techniquement correctes. Vous devez trouver celle qui définit le mieux la fonction des chromosomes, alors toutes les réponses doivent être attentivement examinées.
L’option A consiste à séparer différents constituants. C’est le rôle d’une membrane et, dans ce cas particulier, il s’agit de l’enveloppe nucléaire. Les chromosomes ne sont pas des membranes, et donc l’option A peut être éliminée.
L’option B se réfère au site de la respiration, qui correspond en fait à la fonction des mitochondries. Il ne s’agit donc pas d’une fonction d’un chromosome.
L’option C fait référence à un autre processus essentiel de la vie : l’utilisation des nutriments. Certains organismes eucaryotes sont capables de se nourrir grâce à des structures situées dans leurs propres cellules. Par exemple, les plantes sont des eucaryotes autotrophes qui se nourrissent en convertissant l’énergie lumineuse en énergie chimique au sein de leurs chloroplastes. Cependant, puisque les eucaryotes n’en sont pas tous capables, cela ne peut pas être le rôle d’une structure commune à tous les organismes eucaryotes telle que le chromosome. La plupart des animaux (qui sont aussi des eucaryotes) sont hétérotrophes et obtiennent les éléments nutritifs en consommant de la nourriture. La nourriture est décomposée en ses éléments nutritifs par le système digestif pour être absorbés par le sang puis transportés vers les cellules corporelles. Il n’existe aucune structure unique présente dans toutes les cellules eucaryotes qui soit à elle seule responsable de la nutrition, et encore moins les chromosomes.
Il ne nous reste que l’option D, qui définit les deux principaux aspects de la fonction des chromosomes : ils détiennent les informations génétiques sous forme d’ADN et celles-ci sont héréditaires et peuvent donc être transmises du parent à la progéniture.
La bonne définition est donc la suivante : porter l’information génétique et la transmettre du parent à la progéniture.
Au microscope optique, les chromosomes ne seront visibles dans les cellules eucaryotes que pendant la division cellulaire. Il existe deux types principaux de division cellulaire eucaryote : la méiose, que nous avons mentionnée plus tôt, et la mitose. Contrairement à la méiose qui produit quatre cellules avec la moitié du matériel génétique de la cellule mère, la mitose produit deux cellules filles génétiquement identiques dont le patrimoine génétique est le même que la cellule mère. Ceci est dû au fait que la fonction principale de la mitose est la croissance et le remplacement des cellules usées.
Une cellule typique passe la majeure partie de son cycle cellulaire dans une phase appelée interphase, durant laquelle elle se prépare à subir la mitose. Pendant l’interphase, le matériel génétique de chaque chromosome d’une cellule est copié à l’identique par réplication de l’ADN, afin que la nouvelle cellule fille ait le même ADN que la cellule mère d’origine.
La structure d’un chromosome après la réplication de l’ADN, et juste avant que ses chromatides ne soient séparées pendant la division cellulaire, est illustrée ci-dessous sur la figure 3.
Le chromosome sur la figure 3 est constitué de deux chromatides sœurs identiques, réunies au niveau d’un centromère. Le chromosome est visible car l’ADN s’est enroulé autour des protéines histones pour former la chromatine, qui elle-même se condense davantage jusqu’à former des chromosomes très compacts. Les chromosomes sont alors prêts à se diviser au cours du processus de mitose pour former deux cellules avec un ADN identique.
Terme clé : Centromère
Un centromère est la partie de l’ADN qui relie deux chromatides sœurs sur un chromosome répliqué et auquel certaines fibres vont se fixer pendant la mitose pour séparer les chromatides.
Le noyau est un organite sphérique qui contient le matériel génétique d’une cellule eucaryote. Il s’agit souvent du plus grand organite d’une cellule animale, comme le montre la figure 4 ci-dessous, et il est souvent coloré lorsqu’il est observé au microscope optique, ce qui permet de l’identifier facilement sur une photographie prise au microscope, également appelée « micrographie ».
Terme clé : Noyau
Le noyau est un organite entouré d’une double membrane qui contient les informations génétiques sous la forme de molécules d’ADN.
Regardons deux exemples de micrographies de différentes cellules eucaryotes ayant des noyaux visibles.
L’image ci-dessous est une micrographie au microscope optique de quelques fibres musculaires du tissu musculaire cardiaque. Chacune de ces cellules spécialisées ne possède qu’un seul noyau de forme ovale visible en bleu violacé foncé.
L’image ci-dessous est une micrographie au microscope optique illustrant des cellules allongées et plus ou moins rectangulaires de la membrane interne d’un oignon (Allium cepa) qui ont été colorées à l’iode. L’iode rend le noyau de chaque cellule visible sous la forme d’un petit cercle orange/marron.
Le noyau a une structure interne complexe, comme le montre la figure 7 ci-dessous.
Le noyau est entouré d’une double membrane appelée enveloppe nucléaire, qui est généralement en continuité avec un autre organite appelé le réticulum endoplasmique. L’enveloppe nucléaire sépare efficacement le contenu du noyau du reste de la cellule, protégeant ainsi l’ADN des réactions qui se produisent dans le cytoplasme de la cellule. C’est ce qu’on appelle la compartimentation, qui s’applique à tous les organites qui ont des membranes.
Terme clé: Enveloppe nucléaire
L’enveloppe nucléaire est une double couche qui sépare le contenu du noyau du reste de la cellule et protège le matériel génétique de la cellule contre les réactions chimiques qui se produisent à l’extérieur du noyau.
L’enveloppe nucléaire contient de petites ouvertures appelées des pores nucléaires qui laissent passer de petites substances entre le noyau et le cytoplasme, mais pas les grosses molécules. Par exemple, alors que l’ADN est trop grand pour passer à travers les pores nucléaires et reste donc à l’intérieur du noyau, les molécules d’ARNm sont quant à elles plus petites, et peuvent donc sortir à travers les pores nucléaires et se diriger vers les ribosomes dans le cytoplasme pour effectuer le processus de synthèse des protéines.
Terme clé : Pore nucléaire
Les pores nucléaires sont de petits trous dans l’enveloppe nucléaire qui permettent à certaines molécules d’entrer et de sortir du noyau.
Utilisons une analogie pour mieux comprendre le rôle de l’enveloppe nucléaire. Imaginez qu’une bibliothèque dans une école représente le noyau, et qu’elle contient de grandes quantités d’informations dans des livres (ou dans le cas du noyau, du matériel génétique). Les portes de la bibliothèque représentent les pores nucléaires de l’enveloppe nucléaire. Tout comme les livres peuvent être empruntés de ou rendus à la bibliothèque par le biais des portes, des objets tels que les tables, les chaises et les bibliothèques sont plus difficiles à déplacer puisqu’ils sont plus grands.
Exemple 2: Définir le rôle de l’enveloppe nucléaire
Le noyau est entouré d’une double membrane appelée enveloppe nucléaire. Quelle est la fonction de cette membrane ?
- Empêcher toute substance d’entrer ou de sortir du noyau.
- Servir de site de synthèse d’ARN.
- Permettre la fixation du noyau à la membrane cellulaire.
- Séparer le contenu du noyau du cytoplasme.
Réponse
Répondons à cette question par élimination à l’aide des informations sur la fonction de l’enveloppe nucléaire et d’autres composants cellulaires.
Nous savons que le rôle des membranes est généralement de contrôler ce qui entre et sort d’une certaine zone ou cellule, mais elles ne serviraient à rien si elles empêchaient toutes les substances d’entrer ou de sortir. L’enveloppe nucléaire est conçue avec des pores nucléaires pour empêcher certaines substances plus grosses d’entrer et de sortir du noyau, mais les molécules plus petites comme l’ARN entrent et sortent du noyau, l’option A est donc incorrecte car elle prétend que toutes les substances ne peuvent pas passer à travers la membrane.
Le nucléole est la partie du noyau où est synthétisé l’ARN ribosomal, l’option B ne décrit donc pas non plus la fonction de l’enveloppe nucléaire. Il est utile de prendre en compte les informations qui vous sont données dans la question, c’est à dire celles qui décrivent l’enveloppe nucléaire comme une double membrane. Rappelez-vous ce que vous avez appris sur la fonction d’une membrane, qui n’est pas de synthétiser de nouvelles substances mais de compartimenter les réactions chimiques se produisant dans différents organites.
L’option C décrit la fonction de l’enveloppe comme étant le noyau qui se fixe à la membrane cellulaire, ce qui n’est pas le cas. Bien que l’enveloppe nucléaire soit fixée à la membrane du réticulum endoplasmique rugueux et que tous les organites soient reliés à la membrane cellulaire par le cytosquelette, ce n’est pas la principale fonction de l’enveloppe nucléaire.
En revanche, l’option D indique que la fonction de la membrane est de séparer le contenu du noyau du cytoplasme, ce qui décrit la fonction essentielle de toutes les membranes : de séparer un contenu d’un autre contenu extérieur afin que différentes réactions chimiques se produisent dans chaque partie. Bien que l’autre fonction de la membrane nucléaire ne soit pas mentionnée, qui consiste à contrôler les substances qui la traversent, on peut considérer qu’il s’agit plutôt d’une fonction des pores nucléaires de l’enveloppe nucléaire et non de l’enveloppe elle-même.
L’option qui explique le mieux la fonction de l’enveloppe nucléaire est donc la suivante : séparer le contenu du noyau du cytoplasme.
À l’intérieur de l’enveloppe nucléaire se trouve une substance semblable à un gel appelée le nucléoplasme. Puisque le cytoplasme est la partie liquide de la cellule, le suffixe -plasma dans nucléoplasme indique alors la partie liquide du noyau. Il contient le nucléole, la chromatine et de nombreuses substances différentes, telles que les nucléotides et les enzymes, qui seront utilisés pour la réplication de l’ADN. Les réactions chimiques qui se produisent dans le nucléoplasme sont séparées ou compartimentées du cytoplasme par l’enveloppe nucléaire.
Terme clé : Nucléoplasme
Le nucléoplasme est une substance gélatineuse qui contient de la chromatine et d’autres substances, telles que des nucléotides et des enzymes pour la réplication de l’ADN. Il est séparé du cytoplasme par l’enveloppe nucléaire afin de pouvoir compartimenter les différentes réactions qui s’y produisent.
Exemple 3: Définir le rôle du nucléoplasme
Lequel des énoncés suivants décrit le mieux le nucléoplasme ?
- la double membrane qui entoure le noyau pour séparer son contenu du cytoplasme cellulaire
- la substance visqueuse dans le noyau qui maintient la forme cubique de l’organite
- le liquide gélatineux contenu dans le noyau qui contient de la chromatine
- la couche grasse qui entoure le nucléole pour le séparer du noyau
- une solution aqueuse qui est le site de toutes les réactions chimiques qui se produisent dans une cellule
Réponse
Répondons à cette question par élimination à l’aide des informations sur la fonction du nucléoplasme et d’autres composants nucléaires.
Grâce au suffixe -plasma à la fin du mot nucléoplasme, nous pouvons déjà dire qu’il aura probablement une fonction similaire à un autre mot que nous connaissons contenant -plasma : le cytoplasme. Par conséquent, on peut en déduire que la fonction probable du nucléoplasme sera de contenir des substances dissoutes, d’être liquide et d’être associé au noyau ( nucléo- dans nucléoplasme se réfère au noyau) plutôt qu’à la cellule ( cyto- dans cytoplasme se réfère à la cellule).
Nous savons que le nucléoplasme n’est donc pas une membrane, nous pouvons alors éliminer les options A et D, car la fonction du liquide n’est pas de séparer les structures des autres ou d’envelopper le nucléole lui-même. Ces deux options font plutôt référence au rôle d’une structure semblable à une membrane, qui en A est l’enveloppe nucléaire, mais qui en D ne représente pas du tout une structure cellulaire réelle.
L’option B n’est sûrement pas la bonne réponse pour plusieurs raisons. Le rôle du nucléoplasme n’est pas de maintenir la forme du noyau, tout comme le rôle du cytoplasme n’est pas de maintenir la forme de la cellule. Cette option indique également que la forme du noyau est cubique, alors qu’elle est en fait plutôt sphérique. Si vous repérez une erreur dans une réponse, c’est une bonne façon d’éliminer une de vos options.
Enfin, l’option E de la définition de nucléoplasme est fausse, car elle nous donne plutôt une définition légèrement incorrecte du cytoplasme. Rappelez-vous que le cytoplasme est le site général des réactions chimiques de la cellule, mais que les réactions qui se produisent dans le noyau ne se produisent pas toutes également dans le reste de la cellule. Cela souligne la nécessité de compartimentation au sein de différents organites, car différentes réactions chimiques se produiront au sein de chacun d’eux. Aucune partie liquide de la cellule n’est responsable de l’intégralité des réactions chimiques.
Cela signifie que c’est l’option C qui décrit le mieux la fonction du nucléoplasme, car les propriétés définissant le nucléoplasme sont sa consistance (liquide ou gel) et qu’il contient de la chromatine, la substance formée lorsque l’ADN s’associe et s’enroule autour de protéines histones. Ainsi, notre bonne réponse est que le nucléoplasme est un liquide gélatineux du noyau qui contient de la chromatine.
Le nucléole est une zone dense à l’intérieur du noyau qui est généralement facile à repérer sur une micrographie. Les ribosomes se forment dans le nucléole à partir de protéines et d’ARN.
Terme clé : Nucléole
Le nucléole est une zone du noyau composée de protéines, d’ARN et d’ADN, responsable de la production des ribosomes qui seront le site de la synthèse des protéines.
Comme vous pouvez le voir sur la figure 8, les ribosomes sont constitués d’une grande et d’une petite sous-unité.
La grande et la petite sous-unités du ribosome sortent du noyau par un pore nucléaire et s’assemblent dans le cytoplasme lorsque la synthèse des protéines doit être effectuée. Les ribosomes peuvent soit se fixer au réticulum endoplasmique rugueux, soit rester libres dans le cytoplasme. Les molécules d’ARNm, qui se déplacent également à travers les pores nucléaires, se lient ensuite aux ribosomes lorsque des protéines spécifiques doivent être produites. Par conséquent, les ribosomes jouent un rôle important dans la synthèse des protéines.
Exemple 4: Définir le rôle du nucléole
Quel est le rôle du nucléole dans une cellule eucaryote ?
- Envelopper la chromatine lors de la formation des chromosomes.
- Synthétiser l’ARN ribosomique.
- Servir de barrière entre le noyau et le cytoplasme.
- Initier et contrôler la division cellulaire.
- Servir de site pour la respiration cellulaire.
Réponse
Répondons à cette question par élimination à l’aide des informations sur la fonction du nucléole et des autres constituants cellulaires.
La fonction essentielle du nucléole est de produire des ribosomes qui jouent ensuite un rôle important dans la synthèse des protéines.
L’une des options suggère que le nucléole s’enroule autour de la chromatine. Ce n’est pas une réponse valide, car rien ne s’emballe autour de la chromatine. La chromatine est plutôt le complexe formé lorsque des brins d’ADN s’enroulent autour de protéines histones pour former des chromosomes.
Une autre option suggère que le nucléole constitue une barrière entre le noyau et le cytoplasme. Cela fait référence au rôle de l’enveloppe nucléaire. Nous savons que le nucléole n’est pas une membrane ou une barrière en soi ; la fonction du nucléole n’est donc pas de séparer le noyau du cytoplasme puisqu’il est situé à l’intérieur même du noyau plutôt qu’à la limite du cytoplasme.
Regardons l’option faisant référence à l’initiation et au contrôle de la division cellulaire.
L’ADN, qui sert de matrice pour synthétiser les protéines nécessaires à la division cellulaire et à son contrôle, est situé à l’intérieur du noyau. Cependant, les segments d’ADN présents dans le nucléole sont principalement ceux qui sont responsables de la production des ribosomes et non du déclenchement de la division cellulaire. En fait, lors de la division cellulaire, le nucléole disparaît temporairement. Cela s’explique principalement par le fait que le nucléole est une région dense de chromatine entourée de protéines ribosomiques et d’ARN ribosomique et que, lors de la division cellulaire, le nucléole se disperse suite à la condensation de sa partie chromatinienne en chromosomes. Cette option est donc incorrecte, car la production de ribosomes ne contrôle pas la mitose, et le nucléole disparaît pendant la division cellulaire il ne peut donc pas la contrôler.
L’une des options se rapporte au site de la respiration, qui est la fonction des mitochondries. Ce n’est donc pas une fonction du nucléole.
L’option qui décrit correctement la fonction du nucléole est donc la suivante : synthétiser l’ARN ribosomal.
Récapitulons certains des points clés que nous avons couverts dans cette fiche explicative.
Points clés
- Le noyau est un constituant essentiel des cellules eucaryotes dans lequel l’ADN (l’information génétique) est stocké pour être répliqué ; il porte le code génétique permettant de synthétiser les protéines qui contrôlent les activités cellulaires et est utilisé pour former les gamètes qui, une fois fécondés, transmettront le matériel génétique à la descendance.
- Le noyau est constitué d’un nucléole dense à l’intérieur du nucléoplasme qui contient également de la chromatine, un complexe formé lorsque l’ADN s’enroule autour de protéines histones.
- Le noyau est entouré par une enveloppe nucléaire, compartimentant les réactions à l’intérieur du noyau, avec des pores nucléaires pour permettre à certaines substances telles que l’ARN d’entrer ou de sortir du noyau.
