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Cours de microbiologie sur la paroi bactérienne....

Description

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La paroi bactérienne La paroi bactérienne est une structure essentielle chez les bactéries que l'on retrouve partout. C'est la structure externe la plus conservée, on y retrouve des composés uniques spécifiques à cette paroi. Certains de ces composés peuvent initier des réactions immunitaire et être le site de certains antibiotiques.

I Anatomie de la paroi

La paroi est la structure constante la plus externe chez bactéries sauf chez les archées, les mycoplasmes et les formes L (large body) qui sont des bactéries Gram +/- dépourvue de peptidoglycanes, le composant analogue de toutes les bactéries à paroi.

A Le peptidoglycane C'est une macro-molécule qui emballe la bactérie et qui constitue un véritable exosquelette bactérien, il correspond à la cellulose que l'on retrouve chez les végétaux à quelques détails prés. On a à faire ici avec un hétéro-polymère constitué de chaînes de glycanes et de peptides qui va constituer un réseau 3D autour de la bactérie ne l'emballant pas complètement pour lui permettre de se diviser.

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1 Le glycane Un glycane est un polysaccharide formé par des résidus monosaccharides de N-acétyl glucosamine et N-acétyl muramique liés entre eux par une liaison osidique en β1-4 qui est un facteur de la rigidité de la structure. Ces chaînes sont linéaires et parallèles entres elles.

2 Les chaînes peptidiques Ce sont des sous-unités tétra-peptidiques qui viennent se greffer à l'acide N-acétyl muramique.

Sur l'acide lactique porté par le NAM on va retrouver quasiment toujours une L-alanine. Le deuxième acide aminé, l'acide D-glutamique varie également peu. On remarque une alternance de sucres L et D qui est un facteur de la rigidité du peptidoglycane.

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En troisième position on retrouve un acide aminé de série L et qui est généralement un acide di-aminé et qui varie fréquemment. Le quatrième acide aminé sera toujours une alanine de série D.

Ces chaînes tétra-peptidiques appartenant à deux glycanes différents sont reliées entre elles par des ponts inter-peptidiques. Ces ponts vont pouvoir varier au niveau de leur ancrage avec un ancrage de type 3-4 le plus souvent, dans ce cas la on aura des bactéries de chémotype A. Pour que cet ancrage puisse se faire il est nécessaire d'avoir un acide di-aminé en position 3 et en règle générale l'acide aminé en position 2 verra sa fonction carboxylique substituée pour ne pas établir de liaison peptidique. Le deuxième type d'ancrage de type 2-4 est plus rare, dans ce cas les bactéries appartiennent au chémotype B. Pour qu'il puisse y avoir cette liaison il est nécessaire que l'acide D-glutamique en position 2 ai une fonction carboxylique fonctionnelle et que l'acide en position 3 soit mono-aminé ou diaminé dont la deuxième fonction amine est substituée et donc ne peut réaliser de liaisons peptidique. Il n'existe pas de chaînes de peptidoglycanes qui emballe toutes la bactérie, elle ne sont pas suffisamment longue pour faire le tour du micro-organisme (60 à 80 sous-unités chez la bacille). Le degré de substitution des NAM va rendre le peptidoglycane plus ou moins compact. Facteurs de rigidité : – – –

alternance des acides aminés de série L et D au niveau des sous-unités tétra-peptidiques liaison β1-4 liaison hydrogène entre les différents constituants

B Paroi Gram+ Ce sont des bactéries qui part terminologie vont se différencier aux bactéries Gram-, en microscopie électronique on a l'impression que cette paroi est épaisse, homogène et rigide. Cette paroi est constituée d'une paroi de peptidoglycane ainsi que d'une membrane plasmique sur la couche la plus interne.

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Chez ces bactéries, le peptidoglycane est constitué d'un empilement de couches mononucléaires qui va assurer la rigidité de la paroi des bactéries Gram+, rien que l'acide aminé en position 3 va varier énormément parmi les bactéries. Des acides teichoïques sont également présents, il en existe deux types, des acides teichoïques liés à la membrane plasmique et d'autres liés à la paroi. Ce sont des polymères de ribitol phosphate ou glycérol phosphate composés de 10 à 50 sous-unités. Ces acides de parois ne sont pas constants chez toutes les bactéries Gram+ la nature chimique est bien varié et ils vont être ancré au niveau de acides muramiques du peptidoglycane. On va ainsi retrouver des sucres, lipides ou encore protéines.

C Paroi GramC'est une paroi hétérogène, plus fine et moins solide que celle des bactéries Gram+. Elle est constituée d'une membrane externe, d'une peptidoglycane moins épais et donc moins rigide ainsi que d'une membrane plasmique. L'espace se situant entre la membrane et la paroi délimité l'espace périplasmique. Cette paroi est constitué par seulement 10% de peptidoglycane, le reste de la paroi est une portion lipidique et protéique. Dans ce peptidoglycane il y a peu de diversité pour la position du troisième aminé et donc la classification chémotypique est peu utilisée.

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La membrane externe est constituée d'une bicouche lipidique classique mais on va y retrouver deux constituants originaux que sont les lipopolysaccharides et certaines protéines qui sont différentes et plus abondantes que dans d'autres membranes. 1 Diversité des protéines Il y a des protéines majeures qui vont être variable selon l'espèce et peu différentes, il y a 105 molécules par bactéries. – –

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Porines : Forment des pores au niveau des membranes externes permettant la diffusion de molécules hydrophiles de petite taille Lipoprotéine de Braun : C'est un petit peptide lié à l'acide aminé en position 3 de la sousunités tétra-peptidique du peptidoglycane associé à une fraction d'acides gras intercalés dans la bicouche lipidique de la membrane externe (lien entre peptidoglycane et membrane externe). OmpA : Outer Membrane Protein

Il existe également de nombreuse protéines mineurs en quelques exemplaires par bactéries et variables selon les espèces. 2 Les lipopolysaccharides Autrement appelé LPS, c'est une molécule amphiphile possédant un pôle hydrophobe et un pôle hydrophile. Elle est composé d'un lipide A formé d'un disaccharide (2D glucosamine), on trouve ensuite un cœur interne composé de 2 heptoses et de 3 molécules de cétodéoxyoctonate puis un cœur externe composé par 4 ou 6 sucres variables. A l'extrémité on retrouve une chaîne antigénique O qui peut posséder jusqu'à 40 sous-unités chacune d'elle constituée par 4 à 6 sucres spécifiques du monde bactérien comme du colytose.

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Le lipide A et le cœur interne sont toujours les mêmes indépendamment de l'espèce Gram-. La composition en sucre du cœur externe varie quand à elle selon le type bactérien et la composition en sucre de la chaîne antigénique va même varier dans la même espèce.

D Parois des mycobactéries Ce sont des parois non colorables par un colorant gram mais à l'aide d'un colorant Kell. Ce sont des bactéries de type BAAR. La paroi de ces bactéries ressemble un peu à celle des bactéries à Gram+ par contre il existe une grande quantité de lipide dont les lipides originaux mais aussi de la cire. Ces lipides représentent 60% du poids sec de ces parois.

II Fonctions de la paroi bactérienne A Le peptidoglycane Les études réalisés ont consisté à étudier des bactéries de type Gram + ou – et à éliminer le peptidoglycane soit par des mutations soit par un traitement chimique (enzyme, antibiotiques). On va utiliser des lysozymes qui vont entraîner des coupures dans le peptidoglycane ou des antibiotiques de la famille des β-lactamine qui jouent sur l'inhibition de la synthèse du peptidoglycane.

Les bactéries sans peptidoglycanes vont former des formes L appelés protoplastes pour les bactéries Gram+ et sphéroplastes pour les bactéries Gram-. Ces formes ne peuvent exister que dans un milieu isotonique et vont être lysés dans un milieu hypotonique. Elles ont la particularité de redonner la bactérie initiale si on enlève le facteur d'inhibition du peptidoglycane (pas pour celles obtenus par mutation). 6

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Ces formes L vont pouvoir grossir mais ne pourrons plus se diviser, la perte de cette partie de paroi influence donc la division, les flagelles sont toujours présentes mais ne fonctionnent plus. Fonctions du peptidoglycanes : – – – –

Confère à la bactérie sa morphologie véritable, il représente 25 à 35% du poids. Contient la pression osmotique interne (10 à 20 atm). Intervient dans la division cellulaire. Intervient dans la mobilité de la bactérie.

B Gram+ La grande épaisseur du peptidoglycane confère la rigidité à la paroi de ces bactéries. Les acides lipotéichoïques vont avoir un rôle dans la liaison du peptidoglycane avec la membrane cytoplasmique. Ils sont faiblement toxiques et seraient impliqués dans la synthèse du peptidoglycane. Ce sont des facteurs d'adhérence. Les acides teichoïques sont des substances immunogènes tout comme les protéines à la surface des bactéries. Ce sont donc les antigènes principaux des bactéries Gram+ mais ils sont également impliqués dans la captation des cations du milieu.

C GramLa membrane externe joue un rôle de barrière de perméabilité vis à vis des substances hydrophiles et les LPS jouent un rôle de barrière de perméabilité par rapport aux substances hydrophobes. C'est pour cela que les bactéries Gram- résistent aux antibiotiques. Les protéines étant connus comme extracellulaire chez les Gram+ sont connut comme étant périplasmique chez les Gram- car elles ne peuvent pas passer la membrane externe.

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Les porines permettent la diffusion de petites molécules hydrophiles non spécifiques et vont dépendre de leurs propriétés physico-chimique. La lipoprotéine de Braun permet d'attacher le peptidoglycane avec la membrane externe et la protéine OmpA serait impliquée dans la conjugaison bactérienne puisqu'elle permet de recevoir le pilis sexuel lors du transfert de matériel génétique. Les protéines mineurs quand à elles vont avoir des rôles beaucoup plus spécifiques comme des transports spécifiques. La chaîne antigénique O du lipopolysaccharide est immunogène et le lipide A est impliqué dans les chocs endotoxiques.

III Biosynthèses A Le peptidoglycane Cette synthèse est la cible de différents antibiotiques, sa biosynthèse a lieu en 3 étapes chaque étape ayant lieu dans un compartiment cellulaire différent (cytoplasmique, dans la membrane plasmique et dans la paroi plasmique). 1 Étape cytoplasmique On va partir du glucose présent dans le cytoplasme bactérien, via la glycolyse on va finalement obtenir du fructose-6-phosphate qui va être le substrat d'une amido-transférase et le convertir en glucosamine-6-phosphate qui à son tour est convertit en N-acétylglucosamine-6phosphate à l'aide d'une transférase.

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Pour synthétiser un des deux précurseurs cytoplasmique il faut réaliser deux réactions, le Nacétylglucosamine-6-phosphate est convertit en N-acétylglucosamine-1-phosphate à l'aide d'une mutase. Ce dernier, activé par de l'UTP et modifié par une uridyl transférase va donner l'UDP-Nacétylglucosamine.

Ce dernier sera utilisé pour donner de l'UDP-N-acétylglucosamine-3-énoylpyruvyleteher. ne réduction nous permet de former l'acide UDP-N-acétyl-muramique puis on va ajouter tous les acides aminés sur NAM pour donner l'UDP-muramyl-pentapeptide. 2 Étape membranaire Cette étape fait appel à un transporteur lipidique non spécifique qui est l'alcool polyisoprénoïde qui assure également la synthèse des acides teichoïques et des lipopolysaccharides. Ce transport permet l'assemblage des deux précurseurs et leur transfert vers la paroi.

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Ce transporteur prend en charge le premier précurseur UDP-NAM-pentapeptide en recyclant un UMP et en fixant le NAM-pentapeptide au niveau de l'acide muramique puis un UDP-NAG est pris en charge et est fixé au niveau de l'acide muramique. Une flippase va permettre au complexe de se retourner dans la paroi et de l'emmener dans le périplasme. Cela va permettre d'amorcer sa synthèse au niveau pariétal.

Une enzyme va ensuite déphosphoryler le transporteur à la fin du cycle, il pourra alors rechanger de couche lipidique et d'être à nouveau phosphorylé. Pour revenir dans le cycle de la biosynthèse, ce transporteur va donc devoir être déphosphorylé. 3 Étape pariétale Cette étape consiste à intégrer les unités disaccharidiques nouvellement formés au peptidoglycane pré-existant. Deux étapes différentes : • •

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Première phase : Elle est constitué de trans-glycosylation qui consiste à enchaîner les unités disaccharidiques entre elles (synthèse d'une chaîne de glycane), on forme uniquement des chaînes linéaires de disaccharides, cette étape ne nécessite pas d'énergie. Deuxième phase : C'est une étape nécessaire qui va mener à une trans-peptidation qui consiste à former des ponts inter-peptidiques. Ces réactions nécessitent de l'énergie.

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La liaison entre les deux acides aminés alanine de série D est fortement énergétique, les transpeptidases vont d'abord cliver cette liaison entre deux alanines pour permettre la création d'une liaison en le DAP et D-Ala. Un moyen de contourner l'absence d'apport d'énergie est d'hydrolyser des liaisons riches en énergie pour en former d'autres. 4 Deux mécanismes de régulation de la synthèse • •

Carboxypeptidation : Ce sont des réactions qui vont hydrolyser les liaisons D-ala-D-ala comme les transpeptidases sauf qu'elles n'utilisent pas l'énergie libérée par la cassure de la liaison. Autolysines : Ce sont des enzymes bactériennes capables de lyser les chaînes de glycanes et les enchaînements peptidiques. Parmi ces autolysines on trouve les muramidases qui coupent la chaîne de glycane et les amidases et des endopeptidases qui coupent les enchaînements peptidiques. Les autolysines sont elles même régulées par les acides lipotéichoïques et ne vont pas complètement dégrader le peptidoglycane.

Les protéines de la membrane externe sont quand à eux fabriqués dans le cytoplasme et vont subir des modifications post-traductionnelles lors de leur export.

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