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Structure des micro organismes Professeur Marc Lemaire...

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Chapitre 1. Structure des microorganismes I.

Introduction

La microbiologie est l’étude des microorganismes. Ils sont invisibles à l’œil nu et font donc moins d’1/10 de mm. A ce jour nous ne connaissons que plusieurs milliers d’individus, ce qui ne représente qu’une partie minime de tous ceux qui existent (estimation à 5.10^30). Propriétés du microorganisme :   

Etat de cellule unique (unicellulaire) Autonome dans la nature Facilité d’adaptation à l’environnement

Les cellules microbiennes sont différentes des cellules animales et végétales car elles sont autonomes et donc capables d’effectuer tous les processus cellulaires nécessaire à sa survit seule. Elles sont dites ubiquitaires car elles sont omniprésentes, les microorganismes sont de partout, peuplent tous les milieux. Certains microorganismes vivent en interaction avec des animaux, par exemple le corps humain contient 10 à 100 fois plus de microorganismes que de cellules. Ce terme inclus aussi les virus, bien qu’ils soient acellulaires et aient impérativement besoin d’infecter un organisme pour survivre.

A) Présentation historique La mise en évidence de l’existence des micro-organismes s’est faite en plusieurs étapes : 

L’observation des phénomènes provoqués par les microbes : La fermentation fut expliquée ; des études sur des maladies causées par les micro-organismes furent menée, notamment sur l’Anthrax ou maladie du charbon transmise par la bactérie basilus anthracis ; et des études sur le rôle des micro-organismes dans l’écologie des sols.

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L’observation directe des microbes : réalisée en plusieurs étapes, tout d’abord on isole l’agent suspect, puis on le cultive (amplification par culture pure c'est-à-dire avec un ensemble de cellules toutes identiques qui ont les mêmes caractéristiques), ensuite on le transfert à un animal sain pour comparer si les symptômes sont les mêmes que pour le patient initial, et enfin on isole de nouveau l’agent suspect pour le comparer au premier.

Lors de la première observation de micro-organismes, ils avaient été nommés animalcules.

B) Impact des microorganismes sur l’homme

La microbiologie fondamentale Elles a permet des principales avancées en biochimie, physiologie, génétique et biologie moléculaire. Les organismes modèles sont principalement :  

Escherichia coli : cellule procaryote Saccharomyces cerevisiae : cellule eucaryote

La microbiologie appliquée Utilisée en médecine, dans l’industrie et l’agronomie, elle a pour but de déterminer quels sont les bienfaits et les effets indésirables des micro-organismes pour la société. En médecine, on apprend que seuls quelques micro-organismes sont pathogènes, la plupart sont inoffensifs voire même sont à l’origine de la production de médicaments (antibiotiques). En agronomie et en agriculture des micro-organismes sont essentiels dans le cycle des nutriments (C, N, S) et la conversion de l’azote atmosphérique en ammonium, ils permettent la fertilité des sols. Certains micro-organismes interagissent même avec certaines plantes pour les aider à capter des nutriments du sol (bactéries), ou avec des animaux pour les aider à digérer par fermentation (bactéries de l’estomac). Dans le secteur de l’industrie, les micro-organismes interviennent : 

Dans l’agro-alimentaire : production d’aliments fermentés (alcool, fromage, pain) mais aussi des additifs potentiellement d’origine microbienne (acide citrique). En Asie, 80% de l’alimentation est assurée par les micro-organismes. Ils sont aussi utilisés comme source nutritive : la levure est un complément alimentaire utilisé pour les carences en vitamines. Nos connaissances sur les micro-organismes interviennent dans la protection des denrées alimentaires contre la contamination microbienne.

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Dans la production d’énergie et de biocarburants comme l’éthanol (produit de la fermentation du glucose) et le méthane (obtenu par méthanisation des déchets par des bactéries méthanogènes, le méthane gazeux récupéré peut être réutilisé comme carburant ou pour le chauffage). Le Brésil est presque 100% autonome grâce à ces nouvelles sources d’énergie.

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Dans les biotechnologies : utilisés en biologie de synthèse, ils permettent la production naturelle d’enzymes, de vitamines ou d’antibiotiques. Certains micro-organismes génétiquement modifiés permettent des productions pharmaceutiques.

C) Place des microorganismes dans le monde vivant 1) Les trois règnes de Haeckel En 1866, Haeckel différentie 3 règnes : animal, végétal et les protistes incluant les protozoaires, algues, champignons et bactéries.

2) Les cinq règnes de Whittaker En 1978, Whittaker reprends la classification de Haeckel. Les micro-organismes se distinguent du règne animal et végétal (eucaryotes, pluricellulaires, différenciation tissulaire importante). Les microorganismes se découpent en 3 catégories basées sur des critères phénotypiques: les protistes (protozoaires et algues), les mycètes (champignons) et les monères (bactéries). Les protistes et les mycètes sont des eucaryotes, uni ou pluri cellulaires, qui ont une différenciation tissulaire réduite. Les monères sont des procaryotes unicellulaires.

3) Les trois lignées évolutives de Woese En comparant les séquences des ARN ribosomiques 16S et 18S, Woese va en déduire 3 lignées évolutives : les Archés, les Bactéries et les Eucaryotes.

4) Les grands groupes de micro-organismes Les protistes « supérieurs » eucaryotes :  

Règne des protistes : protophytes (algues vertes, brunes et rouges) et protozoaires (paramécie, toxoplasme et plasmodium). Règne des mycètes (champignons) : levure et moisissures.

Les protistes « inférieurs » procaryotes : 

Règne des monères : Bacteria (bactéries photosynthétiques et non photosynthétiques) et Achaea.

Et enfin les virus qui occupent une place à part dans le monde microbien.

II.

La cellule procaryote structure et fonction

Morphologie bactérienne La forme, la taille des cellules et leur association change en fonction des bactéries. On distingue 3 formes principales : 

Sphériques / ovoïdes qu’on appelle coques / cocci (plus fréquents dans les milieux pauvres en nutriments et qui induisent donc un nombre peu élevé de divisions) ;

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Cylindriques en bâtonnets qu’on appelle bacilles (plus fréquents dans des milieux riches en nutriments et qui induisent donc un nombre plus élevé de divisions) ;

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Fines et longues qu’on appelle hélicoïdales spirallées.

On trouve aussi des formes en bâtonnets incurvés qui ont un appendice et des filaments ramifiés. Toutes les bactéries ont une paroi cellulaire sauf les mycoplasmes. Ils peuvent donc changer de forme car c’est la paroi qui définit la forme. La taille varie beaucoup, les plus petites bactéries mesurent de 200 à 300nm (=taille d’un gros virus) alors que les plus grosses peuvent mesurer jusqu’à 10microns. La taille moyenne est de 1 à 2 microns. Les cellules procaryotes sont caractérisées par une très petite taille, c’est un avantage écologique car une petite taille va jouer sur l’efficacité du métabolisme cellulaire. L’importation des nutriments nécessaires au bon fonctionnement de la cellule et l’exportation des déchets toxiques se font par la membrane de la bactérie, les échanges dépendent donc de la surface membranaire. Donc quand le rapport surface/volume est plus élevé (ce qui est le cas chez les cellules procaryotes en opposition avec les eucaryotes), il y aura un meilleur métabolisme. En conclusion plus la cellule est petite, plus son métabolisme sera efficace donc les divisions seront plus rapides car la vitesse de croissance elle-même sera plus élevée ainsi que celle des réactions biochimiques. L’évolution, induisant des mutations positives lors de la multiplication sera donc aussi plus rapide grâce à la petite taille et à une vitesse de multiplication rapide.

Organisation structurale

A) La paroi La paroi cellulaire est une enveloppe rigide qui recouvre la membrane cytoplasmique, c’est elle qui définie la forme des cellules. Elle est composée par des constituants chimiques présents seulement chez les bactéries, ils ne se retrouvent nulle part ailleurs. Elle joue plusieurs rôles importants : 

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Protection : des chocs, des substances toxiques, de la lyse osmotique (éclatement dû à la surpression interne plusieurs fois plus élevée que la pression atmosphérique, provoquée par une forte concentration en glucides dans le milieu intérieur) ; Pouvoir infectieux : chez les pathogènes, la paroi à un rôle dans le pouvoir infectieux, c’est pourquoi elle est la cible directe de certains antibiotiques. La bactérie est aussi parfois la cible de virus et c’est sur sa paroi que ces derniers vont se fixer. Classification taxonomique : elle permet de déterminer par sa structure les bactéries Gram+ et Gram-.

1) Les bactéries Gram+ et GramLa coloration de Gram est très utilisée, elle permet de distingues les bactéries Gram+ des Gram-. La coloration de Gram consiste en 5 étapes :  

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La fixation des bactéries pour qu’elles restent immobiles et que le comptage soit plus facile à postériori ; Le crystal violet : ces molécules chargées positivement traversent les bactéries et colorent leur cytoplasme grâce à une interaction avec les molécules de la bactérie chargées négativement (ARN). Ces liaisons sont faibles donc instables ; L’iodine : va permettre de renforcer les liaisons faibles du crystal violet sur l’ARN. Le crystal violet se retrouve donc piégé dans la bactérie ; L’éthanol : ce bain va permettre de décolorer les bactéries Gram-, elles deviennent donc presque invisibles ; Le colorant : on ajoute un autre colorant qui va colorer toutes les bactéries. Les Gram+ resteront violettes et les Gram- redeviennent visibles.

Cette différence de réaction s’explique par la différence structurale des parois cellulaires des bactéries Gram+ et Gram-. Les Gram+ ont une paroi plus épaisse mais simple, homogène. Les Gram- ont une paroi plus fine mais plus complexe.

2) Le peptidoglycane (PDG) C’est un composé spécifique des parois des bactéries (ancien nom : Mureine). C’est un filament qui entoure la bactérie plusieurs fois sur plusieurs épaisseurs. Les différents filaments sont reliés par des ponts.

Au niveau de sa structure chimique, le PDG est un énorme polymère de nature polysaccharidique composé de deux sucres le NAG (acide N-acétylglucosamine) et le NAM (N-acétylmuramide qui est en fait l’association d’un NAG avec un acide lactique). Ils sont reliés par une liaison licosidique.

Les structures de NAM et NAG restent toujours identiques mais les tétrapeptides qui se fixent à l’extrémité COOH du NAM varient selon si l’on a une bactérie Gram+ ou Gram- :  

Pour les Gram+ on a : L-Alanine + D-Glutamate + diamino pumélate (DAP) + D-Alanine. Pour les Gram- on a : L-Alanine + D-Glutamate + L-Lysine + D-Alanine.

Le pontage lui aussi est différent selon si la bactérie est Gram+ ou Gram- :  

Pour les Gram+ on a un pontage sur le DAP, 3 ème résidu, sur un pentapeptide de Glycine. Pour les Gram- on a un pontage sur la fonction amine du 3ème résidu et la fonction COOH du 4ème résidu libre.

Les liaisons peptidiques sont physiquement très résistantes. Le PDG est donc une molécule composée d’une chaine de polysaccharides avec un tetrapeptide variable sur le 3ème résidu et il est présent seulement chez les bactéries (sauf Archées, il n’y en a pas chez les champignons, ni chez les plantes, ni chez les animaux) car le NAM et le DAP sont des composés spécifiques des bactéries.

3) La paroi des bactéries Gram+ Propriétés :   

Epaisseur de 20 à 80nm 90% de PDG 10% de constituants spécifiques aux Gram+ : acide téichoïques (ancré dans le PDG et tourné vers l’extérieur) et acide lipo-téichoïques (plus grand, ancré dans la membrane cytoplasmique). Ils ont un rôle dans l’amélioration du transport des substances hydrophyles.

4) La paroi des bactéries GramPropriétés :   

11 à 22% de lipides PDG minoritaire (5 à 10%), 1 à 3nm d’épaisseur Contient une membrane externe différente de la membrane interne, c’est une bicouche lipidique dont les deux feuillets sont différents : la membrane externe est constituée de phospholipides (ester, glycérols et acides gras), les extrémités sont l’une hydrophile (tournée vers l’extérieur) et l’autre hydrophobe (tournée vers l’intérieur). Ce premier feuillet est

constitué plus précisément de quelques phospholipides et de lipides LPS (complexe lipopolysaccharidique). La membrane interne, le second feuillet, est composée de phospholipides.

Le LPS est composé de lipides invariables A enfouit dans le feuillet et d’une grande chaine polysaccharidique orientée vers l’extérieur. Entre les deux on trouve un KDO (céto deoxy octonate). La partie saccharidique a une partie basale invariable, une partie centrale composée de NAG, de glucosamine lié à un résidu phosphate et d’une chaine latérale O très variable (composée de sucres différents, courants et peu courants répétés 20 à 40 fois). C’est cette chaine latérale O qui est reconnue par les anticorps lorsque cette bactérie Gram- infecte l’organisme. Pour éviter d’être reconnue, la bactérie va faire varier sa LPS. Les lipides A sont des endotoxines (contraire d’exotoxines) très toxiques pour les cellules animales or lors de la destruction de la bactérie par le système immunitaire, ils sont libérés dans l’organisme. Dans le feuillet externe de la paroi Gram- on trouve aussi différentes protéines :  

Les lipoprotéines de Braun qui sont un lien entre la membrane externe et le PDG ; La porine, trimère de protéines formant un canal, permet le transport à travers la membrane externe qui est imperméable.

L’espace périplasmique est d’environ 12nmet est rempli de périplastes riches en protéines ayant pour fonctions l’hydrolyse (enzyme hydrolytique) des composants qui entrent. On y trouve aussi des protéines de liaisons entre la membrane externe et interne pour l’acheminement, et des chimiorécepteurs pour la chimiotaxie des bactéries, la détection de l’environnement et les réactions de la bactérie par rapport à celui-ci.

5) Relation structure de la paroi et coloration de Gram Lors de l coloration de Gram, l’alcool dissous les graisses, ce qui va trouer les membranes des Gram+ et des Gram-, et va déshydrater. Le PDG des parois est donc asséché et condensé. Les Gram+ ayant plus de PDG deviennent imperméable et le crystal violet est piégé. Le PDG des Gram- étant moins abondant, la bactérie sera perméable et le crystal violet va s’échapper de son milieu intérieur.

6) Autre types de parois Il existe des exceptions chez les bactéries : 

Les mycobactéries : leur paroi est différente, elle est riche en acides mycoliques (lipides complexes) qui sont fixés sur le PDG et tournés vers l’extérieur. Cela forme une paroi très hydrophobe et imperméable qui rend impossible une coloration normale. Pour les voir il faut les faire chauffer et les mettre en contact avec du phénol et le la fuscine (colorant rouge) ; il faut ajouter à cela un traitement acide et alcool pour décolorer les bactéries Gram+ et Gram-. Ces bactéries sont dites acido-alcoolo résistantes.

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Les mycoplasmes : ils n’ont pas de paroi donc pas de PDG. Ce sont les seuls procaryotes à ne pas posséder de paroi, ils n’ont pas de forme précise, ils sont pléiomorphes. Ils sont très fragiles et doivent donc se développer dans des environnements protégés, c'est-à-dire dans un corps animal (exemple : infections urinaires). Certains des composants de leur membrane plasmiques peuvent toutefois se rigidifier.

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Les Archées : ils n’ont pas de PDG dans leur paroi mais ont un composé similaire, la pseudomureïne (=pseudo-PDG). Elle se constitue d’un NAG (liaison β1→3 et non β1→4), d’un autre sucre et d’un tetrapeptide mais qui n’est jamais le diamino pumélate comme chez les Gram+. C’est cette cotte de maille protéique qui rigidifie et détermine la forme de l’Archée.

B) La membrane plasmique 1) Composition et structure La membrane plasmique est la structure la plus conservée dans toutes les cellules du vivant. Elle a une épaisseur de 8nm environ (fine). Elle est composée de 40% de lipides et 60% de protéines.

Ces phospholipides sont composés de : glycérol + 2 acides gras reliés par liaison ester+ 3ème liaison alcool couplée à un phosphate donc charge négative. Il y a un mouvement perpétuel des phospholipides donc la membrane plasmique a une certaine fluidité, elle est la structure le plus dynamique dans la cellule et a une organisation stable : bicouche lipidique. La membrane plasmique des procaryotes ne contient pas de stérols tels que le cholestérol comme dans les cellules animales. On ne trouve donc jamais de stérols dans la MP des bactéries sauf dans celle des mycoplastes (seuls bactéries ne possédant pas de paroi) car ils permettent de rendre leur membrane plus résistante (hopanoides). Il existe deux catégories de protéines membranaires : 

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Transmembranaires qui traverse entièrement la MP, elles sont amphiphiles (c'est-à-dire partie interne/centrale hydrophobe et extrémités hydrophiles). Présentes très majoritairement, elles constituent 70 à 80% de la MP. Elles sont aussi très mobiles car elles sont dans un milieu de phospholipides mobiles. Périphériques, elles sont associées à la MP coté cytoplasme ou intérieur par intéraction protéine/protéine, elles représentent 30% des protéines membranaire et ne sont pas amphiphiles.

2) La membrane plasmique des Archea Archées se trouvent dans des niches écologiques avec conditions extrêmes telles qu’une forte pression / chaleur. On note donc des différences de la MP au niveau chimique : glycérol avec 2 chaines liés par liaison éther et non esther, pas d’acides gras mais présence d’isoprènes (hydrophobes). Ce sont donc des diéther de glycérol qui vont former une bicouche lipidique. Parfois on a des tétraéther de glycérol qui vont former une monocouche lipidique (ils sont plus stable et plus solide que 2 feuillets superposés).

3) Fonctions La membrane plasmique a plusieurs fonctions : 

Barrière : pour empêcher la fuite du cytoplasme dans le milieu extérieur, seul l’oxygène et le CO2 peuvent passer ;

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Transport : Rôle sélectif car la MP doit contrôler les échanges cellulaires ; pour que le métabolisme soit actif et que la bactérie puisse croitre il faut échanger avec l’environnement (trouver des nutriments). Ce rôle est assuré par les protéines transmembranaires (canaux protéiques : porine, création de pores dans la membrane pour faire passer des molécules par

simple diffusion ; transporteur/perméases : interactions avec molécules spécifiques, transporteur uniport (une seule molécule dans 1 seul sens), symport ( 2 molécules en même temps dans une seul direction), antiport (deux molécules en même temps mais dans deux sens différents)). Il existe différents systèmes de transport : la diffusion facilité (qui ne nécessite pas d’énergie mais que l’on retrouve peu souvent chez procaryotes), le transport actif (qui nécessite de l’énergie, plus fréquent chez procaryotes), la translocation de groupe (spécifique des procaryotes) : la molécule est transportée et modifiée chimiquement en même temps (le glucose est phosphorylé en position 6 et devient du glucose 6-phosphate) : c’est le PTS (phospho transferase system) ;

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Production d’énergie : elle doit assurer la chaine respiratoire, le transport d’électrons, elle contient des complexes pour faire de l’ATP (ATP-synthase) ce qui lui donne une équivalence à la membrane mitochondriale. Chez les bactéries photosynthétiques, tous les complexes nécessaires à la photosynthèse sont dans la MP ;<...