La mitose : conserver l'information génétique lors des divisions cellulaires

Les séries de résultats de ces exercices sont construites pour l'activité et ne proviennent pas d'une étude réelle.

Pourquoi les cellules se divisent

Un organisme pluricellulaire grandit et renouvelle certains de ses tissus grâce à la multiplication de ses cellules. Chaque cellule fille doit recevoir la même information génétique que la cellule dont elle provient, sinon elle risquerait de ne plus fonctionner correctement. La mitose est la division du noyau qui assure cette transmission fidèle.

Les notions à maîtriser

• Information génétique : elle est portée par l'ADN, molécule organisée en gènes. Chez les êtres vivants dont les cellules ont un noyau, elle est localisée dans ce noyau.
• Chromosome : structure formée d'ADN très condensé, visible au microscope pendant la division. Chaque espèce possède un nombre caractéristique de chromosomes dans ses cellules (46 dans une cellule humaine à noyau qui n'est pas un gamète).
• Chromatide : chacune des deux copies identiques d'un chromosome répliqué. Elles restent accrochées l'une à l'autre jusqu'à l'anaphase.
• Réplication : copie de l'ADN, qui a lieu pendant l'interphase.
• Cycle cellulaire : succession d'une interphase et d'une mitose.

Le déroulement du cycle

L'interphase : préparer la division

La cellule grandit et son ADN est répliqué. Chaque chromosome, d'abord constitué d'une seule chromatide, en possède ensuite deux, identiques. La quantité d'ADN du noyau est alors doublée. Les chromosomes sont à ce stade décondensés et donc non visibles individuellement.

La mitose : répartir les copies

1. Prophase : les chromosomes se condensent et deviennent visibles. L'enveloppe du noyau disparaît.
2. Métaphase : les chromosomes, chacun à deux chromatides, s'alignent au milieu de la cellule, dans le plan équatorial.
3. Anaphase : les deux chromatides de chaque chromosome se séparent et migrent vers des pôles opposés. Chaque chromatide séparée devient un chromosome à une seule chromatide.
4. Télophase : les deux lots de chromosomes, identiques, sont regroupés aux pôles, de nouveaux noyaux se forment et le cytoplasme se partage en deux cellules.

Le résultat de la mitose

La mitose produit deux cellules filles qui possèdent le même nombre de chromosomes et la même information génétique que la cellule mère. Elles sont génétiquement identiques, aux rares erreurs de copie près (les mutations). Une mutation survient au hasard lors de la copie de l'ADN : elle n'apparaît jamais parce que la cellule en aurait besoin.

Un exemple analysé

Prenons une cellule simplifiée à 4 chromosomes, dont le noyau contient 10 unités arbitraires (u.a.) d'ADN en début d'interphase. Après la réplication, il y a toujours 4 chromosomes, mais chacun possède 2 chromatides : le noyau contient 20 u.a. d'ADN. À l'anaphase, les 8 chromatides se séparent, 4 vont à chaque pôle. À la fin de la télophase, on obtient deux cellules de 4 chromosomes à une chromatide, avec 10 u.a. d'ADN chacune. La quantité d'ADN a été doublée avant la mitose puis partagée en deux parts égales. Cette quantité seule ne prouve pas que les séquences sont identiques : c'est la copie fidèle de l'ADN lors de la réplication, qui produit deux chromatides identiques, puis leur répartition une à une dans chaque cellule fille, qui conserve l'information d'une génération de cellules à la suivante (aux mutations près).

Le piège à éviter

On croit souvent que la mitose double la quantité d'ADN, ou qu'un chromosome à deux chromatides correspond à deux chromosomes. C'est faux. Le doublement de l'ADN a lieu avant la mitose, pendant l'interphase. Un chromosome à deux chromatides reste un seul chromosome tant que les chromatides ne sont pas séparées. La mitose, elle, répartit équitablement des copies déjà faites.

Autre point de vigilance : toutes les cellules ne se divisent pas. Les hématies matures, par exemple, n'ont plus de noyau et ne se divisent pas. La mitose ne concerne pas non plus la formation des gamètes, qui relève d'une autre division, la méiose.

Les séries de résultats de ces exercices sont construites pour l'activité et ne proviennent pas d'une étude réelle.

Situation-problème

Une jeune racine d'une plante modèle s'allonge d'environ 4 mm par jour. Ses cellules possèdent toutes le même nombre de chromosomes, 6 dans cette espèce simplifiée. Un élève observe l'extrémité de la racine au microscope et se pose deux questions : comment chaque nouvelle cellule peut-elle recevoir exactement la même information génétique que la cellule dont elle provient, et pourquoi les divisions semblent-elles concentrées à certains endroits seulement de la racine ? Pour répondre, vous disposez de mesures de la quantité d'ADN au cours du cycle d'une cellule et d'un comptage de cellules réalisé dans deux zones de la racine. Données pédagogiques simplifiées.

Document 1 : quantité d'ADN au cours du cycle d'une cellule de racine

Données pédagogiques simplifiées. La quantité d'ADN est mesurée dans un noyau, en unités arbitraires (u.a.).

Document 2 : comptage de cellules dans deux zones de la racine

Données pédagogiques simplifiées. Une extrémité de racine est fixée, colorée, puis écrasée entre lame et lamelle. L'élève observe à l'objectif ×40 et compte 200 cellules dans chaque zone, en classant chacune selon son stade. La zone A est située à 1 mm de la pointe, la zone B à 15 mm de la pointe, là où les cellules sont très allongées. Dans la zone A, la durée totale d'un cycle est de 20 h (valeur fournie par l'enseignant). On suppose que les cellules ne sont pas synchronisées et que la proportion de cellules à un stade est proportionnelle à la durée de ce stade.

Exercice 1 : suivre l'ADN au cours du cycle

1. Décrivez l'évolution de la quantité d'ADN par noyau entre le début de l'interphase et la fin de la télophase, en citant les valeurs du Document 1.
2. Nommez le phénomène qui explique le passage de 10 à 20 u.a. et indiquez ce qui change pour chaque chromosome pendant cette période.
3. Déterminez le nombre de chromatides présentes dans la cellule en métaphase, puis le nombre de chromatides qui rejoignent chaque pôle à l'anaphase.
4. Comparez une cellule fille à la cellule en début d'interphase dont elle provient, puis formulez une conclusion sur la conservation de l'information génétique.

Exercice 2 : exploiter le comptage de cellules

1. Calculez le pourcentage de cellules en mitose (prophase, métaphase, anaphase, télophase) dans la zone A, puis dans la zone B.
2. En appliquant l'hypothèse du Document 2, calculez la durée de chacune des quatre phases de la mitose dans la zone A, puis la durée de l'interphase. Précisez les unités.
3. Vérifiez que vos durées sont cohérentes avec la durée du cycle, puis indiquez quelle phase de la mitose est la plus longue et laquelle est la plus brève.
4. Donnez deux limites de cette méthode d'estimation des durées.

Exercice 3 : argumenter en confrontant les documents

1. Un camarade affirme : « La mitose double la quantité d'ADN de la cellule. » Utilisez le Document 1 pour montrer que cette affirmation est inexacte.
2. Associez les deux documents pour expliquer pourquoi la zone A est une zone de multiplication cellulaire et pourquoi la conservation de l'ADN est indispensable à ce niveau.
3. On imagine une anomalie : à l'anaphase, les 12 chromatides migrent toutes vers le même pôle. Prévoyez le nombre de chromosomes et la quantité d'ADN dans chacune des deux cellules filles, puis dites en quoi ce résultat serait un problème.
4. Le même camarade conclut : « Les divisions sont la cause de l'allongement de toutes les racines de toutes les plantes. » Discutez cette conclusion en précisant ce que les documents permettent d'affirmer et ce qu'ils ne permettent pas d'affirmer.

Correction complète

Exercice 1 : correction

1. La quantité d'ADN vaut 10 u.a. en début d'interphase, augmente à 15 u.a. au milieu, atteint 20 u.a. en fin d'interphase et reste à 20 u.a. en métaphase. Elle retombe à 10 u.a. dans chaque cellule fille à la fin de la télophase. Elle double donc pendant l'interphase puis revient à sa valeur initiale après la division.
2. Le phénomène est la réplication de l'ADN : 10 + 10 = 20 u.a. Chaque chromosome, qui avait une chromatide, en possède deux, identiques. Le nombre de chromosomes ne change pas : il reste de 6.
3. En métaphase, 6 chromosomes à 2 chromatides donnent 6 × 2 = 12 chromatides. À l'anaphase, les deux chromatides de chaque chromosome se séparent vers des pôles opposés : 12 ÷ 2 = 6 chromatides par pôle.
4. La cellule fille a 6 chromosomes à une chromatide et 10 u.a. d'ADN, comme la cellule de départ en début d'interphase : le nombre de chromosomes et la quantité d'ADN sont retrouvés. Cette égalité de quantité ne suffit pas à prouver que les séquences sont identiques. La conservation de l'information s'explique par la réplication, copie fidèle qui donne deux chromatides identiques, puis par la séparation de ces chromatides vers des pôles opposés, ce qui fournit à chaque cellule fille un exemplaire de chaque chromosome, aux rares mutations près. Critères de réussite : valeurs chiffrées citées, vocabulaire réplication, chromatide et chromosome employé correctement, conclusion reliée aux données.

Exercice 2 : correction

1. Zone A : 18 + 8 + 4 + 10 = 40 cellules en mitose, soit 40 ÷ 200 × 100 = 20 %. Zone B : 1 + 1 + 0 + 0 = 2 cellules, soit 2 ÷ 200 × 100 = 1 %.
2. Durée d'une phase = (nombre de cellules ÷ 200) × 20 h. Prophase : 18 ÷ 200 × 20 = 1,8 h. Métaphase : 8 ÷ 200 × 20 = 0,8 h. Anaphase : 4 ÷ 200 × 20 = 0,4 h. Télophase : 10 ÷ 200 × 20 = 1,0 h. Interphase : 160 ÷ 200 × 20 = 16 h.
3. Somme : 1,8 + 0,8 + 0,4 + 1,0 + 16 = 20 h, ce qui correspond bien à la durée du cycle. La mitose dure 4 h au total. La prophase est la plus longue (1,8 h) et l'anaphase la plus brève (0,4 h).
4. Premières limites : le comptage porte sur un instant figé et sur seulement 200 cellules, donc le résultat est approximatif. Deuxièmes limites : l'hypothèse de cellules non synchronisées est supposée et non démontrée, la limite entre deux stades est parfois difficile à placer, et une seule racine est observée. Critères de réussite : calculs détaillés avec unités, vérification de la somme, deux limites argumentées.

Exercice 3 : correction

1. Le Document 1 montre que le doublement de 10 à 20 u.a. a lieu pendant l'interphase, avant la mitose. En métaphase, la quantité reste à 20 u.a. À la fin de la télophase, chaque cellule fille a 10 u.a. La mitose répartit donc l'ADN déjà doublé et ne le double pas.
2. Dans la zone A, 20 % des cellules sont en mitose, contre 1 % dans la zone B : les divisions y sont donc nombreuses. Chaque nouvelle cellule doit avoir les mêmes gènes que les autres pour assurer les mêmes fonctions. La réplication suivie du partage équitable des chromatides garantit cette conservation, comme le montre le Document 1.
3. Une cellule fille recevrait 12 chromosomes à une chromatide et 20 u.a. d'ADN. L'autre recevrait 0 chromosome et 0 u.a. d'ADN nucléaire. Les deux cellules seraient anormales : l'une aurait un excès d'information et l'autre en serait privée, donc incapable de fonctionner durablement.
4. Les documents permettent d'affirmer que, dans cette racine modèle et à cet instant, les divisions sont fréquentes près de la pointe et rares loin d'elle. Ils ne montrent pas une cause : il s'agit d'une association, et l'allongement des cellules dans la zone B contribue aussi à la croissance. Une seule espèce et un seul échantillon ne prouvent pas une règle universelle. Il faudrait mesurer l'allongement et comparer plusieurs racines et plusieurs espèces. Critères de réussite : distinction entre corrélation et causalité, prudence sur la généralisation, justification appuyée sur les chiffres.