Les chromosomes et l'ADN : observations microscopiques

Le programme génétique se trouve dans le noyau des cellules.

 

Structure du noyau et son contenu

 

ADN-chromosome

 

Voici une observation microscopique d’une coupe de racine végétale. En vert, grâce à un colorant, on a mis en évidence le noyau. Si on observe le noyau des différentes cellules, on remarque qu’ils n’ont pas tous le même aspect. On s’intéresse à deux cas particuliers :

– Entouré en bleu : cellule où le noyau est un peu diffus, on voit bien sa limite mais l’intérieur a une coloration diffuse.

– Entouré en jaune : cellule où la limite du noyau n’est pas très visible. On observe à l’intérieur des petits bâtonnets colorés.

 

Noyau bien délimité

Limites du noyau non visibles

Longue étape :

interphase

Etape courte de division

= mitose

ADN décondensé

ADN condensé

= chromosomes

 

Le premier cas est un noyau bien délimité. Dans l’autre cas, les limites du noyau ne sont pas très visibles. On ne voit pas bien la membrane nucléaire qui délimite le noyau mais on voit bien l’intérieur du noyau. Ces deux cellules correspondent à différentes étapes dans le cycle de vie d’une cellule.

La première cellule est une longue étape dans laquelle la cellule utilise son contenu pour vivre, pour produire certaines molécules, etc. Cela s’appelle l’interphase. La deuxième est dans une étape courte de la vie cellulaire qui correspond à une étape de division. Cette division cellulaire s’appelle la mitose. On sait qu’au cours de la mitose, une cellule-mère va se diviser en deux cellules filles identiques.

Dernière chose, si on s’intéresse au contenu plus précisément du noyau, pour la première cellule, le contenu diffus et vert qu’on voyait correspond à l’ADN décondensé (pelote déroulée) sous forme d’un filament très fin appelé chromatine. Dans la deuxième, l’ADN est condensé (pelote enroulée sur elle-même). Cet ADN condensé, avec plusieurs molécules dans le noyau, forme ce qu’on appelle les chromosomes.

 

Sur l’image, il y a une cellule dont l’ADN est décondensé, diffus comme un filament très fin et difficilement observable au microscope, et dans l’autre cellule, un ADN condensé en chromosomes et qu’on repère dans le noyau au cours de la mitose.

 

En classe, une expérience a déjà certainement été faite pour extraire de l’ADN. On a utilisé différents matériaux et broyé des cellules et peut-être réussi à récupérer ce long filament d’ADN. Ce filament on peut l’observer à l’œil nu. C’est de l’ADN issu de cellules broyées. L’ADN s’est rassemblé pour former une méduse d’ADN que l’on pourrait aussi colorer, par exemple le vert de méthyl.

Les chromosomes et l'ADN : schématisation

Le programme génétique des individus se trouve dans le noyau des cellules. Ce programme génétique se trouve au niveau de l’ADN.

Si on fait une observation microscopique, par exemple d’une racine de végétal, on trouve des cellules. A l’intérieur des cellules, dans le noyau, on trouve de l’ADN et on sait qu’il peut prendre plusieurs aspects, plus ou moins condensé.

 

Schématisation

 

ADN_copie

 

Sur le schéma, on voit plusieurs états intermédiaires possibles ainsi que l’état de chromosome qui est l’état le plus condensé et l’état de filament qui est l’état le plus décondensé. L’ADN se comporte un peu comme une pelote de laine, une pelote de fils, qui peut être soit pelotonnée (condensée : qui prendra le moins de volume possible), soit décondensé : c’est l’état de filament (plus diffus et moins visible).

– L’état condensé : les chromosomes sont visibles. A ce moment, il est facilement partagé. Cet ADN condensé est visible au cours de la division cellulaire. Cette division a pour résultat l’obtention de deux cellules filles à partir d’une cellule mère. Ces cellules filles ont hérité de la moitié du matériel génétique, la moitié de l’ADN, la moitié des chromosomes de la cellule mère. Dans l’état condensé, sous forme de pelote, l’ADN sera facilement divisé en deux lots identiques, qui iront chacun dans une cellule fille.

– L’état décondensé : le filament d’ADN est peu visible au microscope. L’ADN est difficilement partageable en deux lots mais il est utilisable pour la cellule. Toute la machinerie cellulaire, qui a besoin des informations codées dans l’ADN, va avoir un accès privilégié à ces informations quand l’ADN est sous forme décondensée. Pour le fonctionnement cellulaire (en dehors de l’étape de division cellulaire), l’ADN est dans l’état décondensé.

 

Conclusion

Il y a une condensation de l’ADN en début de division cellulaire. En début de mitose, on passe de l’état de filament chromatinien à l’état de chromosome. Il y a ensuite une décondensation après la division dans les cellules filles obtenues.

De l'organisme à l'ADN : quelques formes de grandeur

Le but de ce cour est d’aider à bien se représenter et s’imaginer les ordres de grandeur de tailles de différents objets du vivant : d’un individu entier jusqu’à son ADN qui est une toute petite molécule et non visible au microscope.

 

1. Humain moyen

Il faut savoir que la taille standard ou moyenne d’un humain est d’1m70. Sur cet humain, on peut faire différents niveaux de zoom. Le premier est l’observation des cellules.

 

2. Cellule

Une cellule peut avoir différentes tailles. Globalement, une cellule humaine fait environ 20 µm. Il faut savoir qu’entre l’humain entier et sa cellule, il y a quelque chose d’environ 85 000 fois plus petit. Une cellule peut avoir vraiment différentes tailles : les cellules humaines peuvent être assez petites comme les globules rouges ou alors beaucoup plus allongées comme les neurones ou les fibres musculaires.

 

3. Noyau cellulaire

Dans la cellule, on peut zoomer sur le noyau cellulaire, il fait à peu près 5 µm de diamètre. C’est encore quatre fois plus petit que la taille d’une cellule, donc on est à peu près 350 000 fois plus petit que l’individu entier. Il faut savoir que le noyau cellulaire occupe en général un volume inférieur à 10 % du volume de la cellule. Le diamètre du noyau est à peu près quatre fois moins grand que le diamètre de la cellule.

 

4. Chromosome

Si on zoome à l’intérieur du noyau, on trouve le matériel génétique. Ici, l’ADN est représenté sous forme condensée, c’est-à-dire sous forme de chromosomes. Un chromosome est un bâtonnet d’ADN très condensé qui mesure à peu près 1 à 10 µm de long. Lorsque l’ADN est sous forme condensée, sous forme de chromosomes, le noyau cellulaire a perdu ses limites. L’ensemble des chromosomes remplit quasiment tout le volume cellulaire.

 

5. ADN

Enfin, dernier niveau de zoom possible : l’ADN. Dans son état décondensé, cette fois-ci, le filament d’ADN a un diamètre de 2 nm. L’ADN a donc un diamètre 2 milliards de fois inférieur à la taille d’un individu humain standard.

 

Conclusion

Pour comprendre les ordres de grandeur, les échelles utilisées sont très différentes. On passe du mètre au micromètre : 1 µm c’est un millionième de mètre, et enfin pour l’ADN sous forme de filament, au nanomètre c’est-à-dire un milliardième de mètre.