2. Cellules procaryotes PDF

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L2 : Microbiologie 1...

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Microbiologie:

La cellule procaryote : structure et fonctions.

Morphologie bactérienne : Formes majoritaires: – Sphère ou ovoïde : coques ou cocci – Bâtonnets : bacilles Ce sont des formes majoritaires, néanmoins il existe d'autres formes moins présentes : – Hélicoïdales / spiralées – Filamenteuses En général la forme d'une cellule est bien définie. Il existe quand même des bactéries dont la forme varie au cours de la vie et en fonction de l'environnement. Ex : si assez des nutriments dans le milieu = bâtonnet, à partir du moment où il n'y a pas assez de nutriments la bactérie a du mal à se diviser = la bactérie prend la forme d'un cocci. Tailles : la taille est généralement plus petite que pour les cellules eucaryotes. La taille d'une bactérie est de l'ordre de quelque microns (1–5 μm). Les bactéries photosynthétiques sont plus grandes que les bactéries ordinaires. Les bactéries peuvent être tellement petites → colonisent une cellule animale/végétale, ne peuvent vivre qu'à l'intérieur d'une cellule hôte. La petite taille a des conséquences biologiques, écologiques et évolutives des bactéries. Le métabolisme intracellulaire dépend des échanges que la cellule va faire avec son extérieur. Si les nutriments peuvent rentrer → cellule entame son métabolisme. Les produits secondaires sont le plus souvent toxiques pour les cellules, il faut donc les exporter. Les échanges se font à travers la membrane qui délimite la cellule bactérienne. L'efficacité des échanges dépend de la surface de la cellule, ou plutôt du rapport Surface/Volume. Plus ce rapport est grand → plus les échanges sont favorisés → et plus le métabolisme est efficace. Ce rapport a aussi une conséquence sur la division de la cellule : plus le rapport est grand plus la cellule va se diviser vite. Cette propriété peut avoir une conséquence sur la niche écologique de la bactérie. La vitesse d'évolution des bactéries est supérieure à la vitesse d'évolution des cellules eucaryotes car capables de s'adapter à l'environnement plus rapidement.

Structures et fonctions : Certaines structures sont communes à toutes les bactéries : génome, compartiment intracellulaire, la membrane plasmique, la paroi. Les autres structures sont des structures facultatives (variables selon la bactérie).

I.

La paroi.

Enveloppe rigide qui entoure les bactéries. A un rôle important dans la physiologie de la bactérie : détermine la forme de la bactérie ; elle protège les cellules (contre chocs, contre la lyse osmotique). Les éléments de la paroi sont spécifiques aux parois des bactéries = retrouvés seulement dans les parois. Cette structure est alors aussi une cible thérapeutique pour détruire les

cellules pathogènes avec des antibiotiques. Elle intervient dans le pouvoir infectieux des bactéries pathogènes. 1.

Les bactéries GRAM+ et GRAM-.

La coloration devient un critère de classement des bactéries : GRAM+ se colorent en violet, GRAM- se colorent en rouge. La couleur de la coloration dépend de la nature de la paroi. Les GRAM- ne gardent pas la couleur violette après la décoloration à l'éthanol, on utilise alors le safran pour les colorer en rose. Pour les bactéries GRAM- la paroi est très fine (20 nm).

2.

Le peptidoglycane (PDG).

Dans les deux types de paroi on rencontre l'élément spécifique des parois : peptidoglycane / muréine. C'est un polysaccaride avec des chaîne de peptides fixées. Ce PDG va prendre l'apparence d'un filament qui va entourer la bactérie en formant plusieurs couches → les polysaccarides sont reliés entre eux par des chaînes peptidiques.

3.

La paroi des bactéries GRAM+. Autres types de molécules spécifiques chez GRAM+ : les acides lipo-téichoïques et les acides téichoïques (polymères de glycérol phosphate ou de ribitol phosphate) → ancrage de la bactérie. La paroi est épaisse mais simple d'un point de vue de structure. A peu près 4% des lipides. PDG = 20–80 nm.

4.

La paroi des bactéries GRAM-.

Chez les GRAM- : la paroi est plus fine mais plus complexe et plus traitée. Elle est plus riche en lipides : entre 10 et 20%. La couche de PDG est de 1–3nm. La membrane externe est constituée d'une bicouche lipidique différente de la membrane plasmique. Le feuillet extérieur de la partie extérieure est très peu constitué de lipides, essentiellement constitué de LPS → lipopolysaccharides, molécule spécifique des GRAM-. Constitué d'un socle lipidique de côté de la membrane plasmique. La partie variable est constituée par des sucres. Dans la membrane externe on retrouve les protéines. La formation en trimère d'un canal (trimère de porine) : par le canal on a un passage de nutriments. L'espace periplasmique est rempli d'un gel : périplasme. Contient de nombreuses protéines avec multiples fonctions. Ex : enzymes hydrolitiques, protéines de liaisons (facilitent le transport des molécules), chémorécepteurs (protéines qui captent les signaux de l'environnement → transduction de signal à l'intérieur → adaptation de la cellule).

5.

Relation structure de la paroi et coloration de GRAM.

L'alcool déshydrate la couche de PDG dans les GRAM+, la couche devient plus compacte et imperméable, le cristal va donc rester à l'intérieur de la cellule et la laisser colorée.

6.

Autres types de parois.

Exception : mycobactéries, souvent pathogènes pour l'homme (comme tuberculose). Fortement pathogènes et fortement résistantes. Myco- vient de l'acide mycolique. La coloration de GRAM ne fonctionne pas sur ces bactéries. Pour forcer le colorant on chauffe les bactéries en présence de phénol. Ces bactéries sont appelées acido-alcoolo-résistantes. Mycoplastes : bactéries sans la paroi. Comme pas de paroi = très fragiles. Pour survivre doivent vivre dans des environnements protégés de la pression osmotique (cellules hôtes) – très souvent sont des parasites des animaux. Archeae : si une paroi on peut avoir une forme de PDG modifiée = pseudo-muréine. Différences : pas de NAM (acide N-acétylmuramique), pas de DAP (acide diaminopimélique).

II.

Membrane plasmique.

C'est la structure la plus conservée dans le monde, structure similaire entre procaryotes et eucaryotes. On a 60% des protéines et 40% des lipides. Deux feuillets lipidiques symétriques, constitués de phospholipides. Les phospholipides constitués par : glycérol, deux AG, ester et groupement phosphate (tête polaire). Membrane plasmique est dynamique et fluide. Elle est essentielle à la vie de la cellule. Mouvement perpétuel des lipides au sein du même feuillet : rotation sur place, mouvement au sein du feuillet. 1.

Composition – Structure.

Différence entre les procaryotes et les eucaryotes : cholestérol chez les eucaryotes (rôle de structure) → ergostérol chez les procaryotes, ont aussi des hopanoïdes. On distingue deux types de protéines membranaires : protéines transmembranaires (70-80% des protéines membranaires). Pour qu'elle puissent traverser la membrane ces molécules ont des parties hydro- et hydro+. Deuxième catégorie : protéines périphériques, uniquement à la surface de la membrane (intra ou extra). Association : contact entre deux protéines ou liaison avec un AG d'ancrage.

2.

La membrane plasmique des Archeae.

Membranes des archeae : lipides ont une liaison éther et non ester comme chez les eucaryotes. Chaine hydrocarbures avec isoprènes. 2 éthers : deux chaines associées à la molécule de glycérol. Chez d'autres archeae un AG est lié à deux molécules de glycérol = 4 liaisons éthers. Monocouche est plus stable.

3.

Les fonctions.

La membrane plasmique a plusieurs fonctions : – Côté hydro- a un rôle de barrière en empêchant la fuite des composés du cytoplasme. En même temps très peu de composés peuvent rentrer dans la cellule = diffusion difficile. La membrane plasmique contrôle les échanges entre la bactérie et son milieu extracellulaire → assuré par les protéines transmembranaires. On a des canaux protéiques, transporteurs (permeases). 3 classes de transporteurs : uniport (une molécule, transport toujours dans le même sens), symport (transport de deux molécules différentes dans le même sens, ext → int), antiport (2 molecules différentes : une rentre et l'autre sort). Systèmes de transport : diffusion facilitée, transport actif = hydrolyse ATP, translocation de groupe = spécifique des procaryotes (la molécule transportée est modifiée chimiquement lors du transport → PTS = système de transport phosphorylation). Ex : glucose → glucose-6-P. – Production d'énergie. La membrane contient toutes les molécules pour le transport d'électrons et la production de l'énergie. Batteries photosynthétiques : machinerie aussi dans la membrane. – Centre structural qui ancre les structures orientées vers l'extérieur, ex : flagelle.

III. Les constituants internes. 1.

Cytoplasme.

Cytoplasme = gel, deux phases : phase soluble (dispersant, 70% H2O, molécules solubles), particules et agrégats insolubles = phase dispersée.

2.

Ribosomes.

Ribosomes procaryotes remplissent pratiquement tout le cytoplasme. Coefficient de sédimentation, les unités de coefficient = SEVDBERG. Ce coefficient traduit la vitesse de sédimentation de particule lors de centrifugation. Représentent 80-90% de l'ARN cellulaires. 15% du poids sec de la cellule.

3.

Génome.

On trouve dans le cytoplasme le génome. Il est circulaire et plus petit que le génome des eucaryotes. Chromosome compacte = nucléoïde. Le cœur protéique stabilise la structure compactée du nucleoïde. Une seule ORI mais grande vitesse. La réplication se fait dans les deux sens après reconnaissance spécifique de l'ORI. Le chromosome est lié à la membrane et chaque copie après la réplication est attachée à la membrane. La cytodierese écarte les molécules, la cloison se fait au milieu.

4.

Inclusions.

Fait partie des structures facultatives. Accumulation de substances organiques ou inorganiques (polymères) visible au microscope optique (coloration spécifique) quand leur taille est

suffisante : granulations ou corps d'inclusion. Fonctions : stockage d'énergie, réserve de matériaux de construction. Inclusions organiques : polymères d'AG, polysaccharides, polypeptides. → Polymères AG : liaisons esters, réserve de carbone, source énergie. Ex : polymère de βhydroxybutyrate. → Polysaccharides : beaucoup de carbone disponible mais peu d'azote (impossible de faire les protéines), stockage sous forme de glycogène = polymère de glucose. → Polypeptides : réserve d'azote, source énergie, ex : cyanophycine (poly Asp+Arg) Inclusions inorganiques : polyphosphates, soufre, fer. → Polyphosphates (volutine) : liaisons esters, réserve PO4, réserve pour la synthèse des acides nucléiques. → Granules de soufre : bactéries sulfureuses, réserve d'électrons, source énergie. → Magnétite Fe3O4, forme d'oxyde de fer, orientation et migration dans le champ magnétique, bactéries aquatiques. Structure particulière : granules entourées d'une membrane, protection. Organites spécialisés = vacuoles à gaz : Vésicules creuses délimitées par une membrane protéique, ont besoin d'être près de la surface. Bactéries photosynthétiques. Paroi protéique très imperméable (seulement à l'eau et au gaz), rigide. Assurent la flottabilité des bactéries.

5.

Plasmides.

Plasmides : petits cercles d'ADN, très fréquents chez les bactéries et archeae, ont plusieurs rôles dans la vie procaryote. ADN extrachromosomique, autonomes vis-à-vis de la réplication du chromosome. Existent chez les levures, sinon n'existent pas chez les eucaryotes. Variété au sein des plasmides : taille et fonctions. On distingue globalement 2 groupes : conjugatifs et non conjugatifs. → Conjugatifs : grande taille, 1-2 copies par cellule. Impliqués dans un système de transfert entre les bactéries : la conjugaison. Moyen où une cellule peut transférer certains caractères génétiques à une autre cellule. Transfert via pilus (pili) vers une autre bactérie. → Non conjugatifs : 40-50 copies par cellule, en fonction des gènes qu'ils portent peuvent apporter des caractéristiques en plus à la bactérie. Caractéristiques : R (résistance), Col (bactériocine), métaboliques (synthèse sucres, hydrolyse urée, dégradation molécules), virulence.

IV. Polymères de surface. 1.

Capsule, slime.

Couche épaisse, rigide et structurée. Facilement visible au microscope optique et mieux en microscopie électronique à transmission. Coloration négative = pas de coloration de la membrane si elle est présente. Slime : comme la capsule, structure moins structurée. Si bactéries proches : se collent, forment des colonies. Virulence : interaction avec surface solide.

2.

Protéines de surface.

Couche protéique : une ou deux protéines, exportation en masse, recouvrent toute la bactérie. Couche S.

V.

Les appendices externes.

1.

Flagelles et mobilité.

Généralement les cocci sont immobiles, pas de flagelle. Les bacilles, indépendamment d'être GRAM+ ou GRAM- sont mobiles ou immobiles. Des qu'une cellules procaryote est mobile = elle a au moins 1 flagelle, peut avoir plusieurs. Organisation des flagelles : autre critère de classification. Ciliature polaire : 1 seul flagelle = ciliature monotriche, plusieurs flagelles au même endroit = lophotriche ; plusieurs flagelles et plusieurs pôles = amphitriche, distribution périphérique = peritriche. Flagelle = appareil locomoteur chez les procaryotes : externe, très long, jusqu'à 20 μm de longueur, très fin (20 nm d'épaisseur). Visible en microscopie électronique mais pas optique. Optique = coloration spécifique. Structure de flagelle : – Filament = partie la plus externe. Cylindre creux, paroi par une seule protéine = flagelline. – Corps basal : partie dans la paroi et dans la membrane de la cellule, partie invisible. Moteur qui fait tourner le flagelle sur lui-même. Anneaux : L (interaction avec LPS) et P (interaction avec la couche de peptidoglycane), C (face au cytoplasme), anneau MS (protéines). Mouvement de flagelle grâce au mouvement des ions H+. – Crochet : relie la partie externe et le corps basal. Constitué d'une seule protéine ≠ de flagelline. Flagelle tourne dans les deux sens, vitesse entre 20 et 100 mille tours par minute. La mobilité dépend des signaux des l'environnement, ex : se rapprocher de la source nutritive, remonte en fonction du gradient de concentration des éléments nutritifs. Autre type d'appareil locomoteur : cils = mb plasmique, cytoplasme, filaments axiaux.

2.

Pili et fimbriae.

Appendices qui ne sont pas impliqués dans la mobilité. Fimbriae surtout chez les GRAM-. Présents en quantité plus importante que les flagelles et les pili. Plus courts que les flagelles et les pili, de 100 à 1000. Structures protéiques, outil en plus pour interagir avec la surface solide. Facilitent la colonisation sur surface solide. Pili sexuels : beaucoup moins nombreux, moins nombreux que les fimbriae = 1-4 par cellule. Structures protéiques.

IV. Endospores. Structure spéciale, résistante, représente une forme dormante de bactérie. Permet la survie pendant de nombreuses années dans un environnement hostile. Caractéristique des bactéries des sols. Certaines sont pathogènes pour l'homme : → Clostrides, tétanos, gangrène gazeuse, botulisme (conserves mal conservés) : ce sont des bactéries GRAM+, bâtonnets, anaérobie stricte. → Bacillus : GRAM+, bâtonnets, aérobique. → Sporocircina : GRAM+, cocci (très rare). 1.

Caractéristiques morphologiques et structurales.

Très réfringentes, soit au milieu de la cellule soit en position sub-terminale, peut déformer la cellule. Les critères les plus importants pour identifier les cellules. Résistance provient de la structure de l'endospore.

– Exopsorium – Tunique faite de kératine, résistante aux agents chimiques, imperméable – Cortex : PDG, très peu de liaisons entre les filaments (structure relativement lâche) – Paroi sporale : PDG – Protègent le cœur = protoplaste : cytoplasme déshydraté → ribosomes, enzymes, ARNm, tout le génome de la bactérie

Spores peuvent résister plusieurs dizaines de minutes à 80º, toutes les autres cellules meurent. Certaines spores peuvent résister à 100º voire 120º. Thermorésistante à cause de déficit en eau. Reste figé même à très hautes températures. DPA : représente jusqu'à 15% de la masse de l'endospore.

2. Propriétés. Résiste à la température, à la radioactivité, peut rester dans ce stade plusieurs milliers d'années.

3. Formation des endospores. Carence nutritive → met en place un nouveau programme génétique pour construire l'endospore. 7h pour la construction. – Sporange – Préspore – Maturation de la spore 4. Germination Dans un environnement favorable, formation de la bactérie à l'intérieur de l'endospore, relargage dans l'environnement. Reproduction pour coloniser le milieu....