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Cours de biologie sur la microbiologie...

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Microbiologie

Table des matières Historique : ................................................................................................................................................................... 3 Qu’est ce que la microbiologie ? .................................................................................................................................. 3 -> Archaebactéries : .................................................................................................................................................. 4 -> Eucaryotes microbiens : ....................................................................................................................................... 4 -> Eubactéries : ......................................................................................................................................................... 5 + cyanobactérie : .................................................................................................................................................. 9 + prochlorophytes : .............................................................................................................................................. 9 NAG-NAM : ................................................................................................................................................................... 9 Sporulation/germination : .......................................................................................................................................... 10 Besoins nutritifs : ........................................................................................................................................................ 11 Forme des bactéries : ................................................................................................................................................. 13 Interactions hôtes – organismes : .............................................................................................................................. 14 Classification des bactéries :....................................................................................................................................... 16 Milieux de culture : ..................................................................................................................................................... 16 Observation : .............................................................................................................................................................. 18 Destruction des bactéries et défenses : ..................................................................................................................... 18

Historique : - 1665 : Robert Hooke décrit une cellule et invente la théorie cellulaire. - 1884 : Gram sépare les bactéries à paroi épaisses des bactéries à paroi fines -> coloration de GRAM - fin 19e : Pasteur découvre la fermentation du vin, notion de germes, virus de la rage. -1965 : Prix Nobel (français) pour la découverte de l’opéron lactose

Qu’est ce que la microbiologie ? Déf vivant : capacité à donner une descendance – notion de reproduction – notion d’info génétique. 4 domaines : - Eubactéries procaryotes - Archaebactéries - Eucaryotes (protiste, mycètes, végétaux, animaux) - Virus Déf micro-organisme : taille < 1/10 mm (limite œil humain) ; touche les 4 domaines : - procaryotes : ADN bicaténaire libre dans le cytoplasme, multiplication par division binaire (1C=>2C) - eucaryotes : ADN bicaténaire inclut dans le noyau, multiplication par sexualité + présence de plastes ou mitochondries. - virus : pas une cellule (pas de cytoplasme, pas de membrane) -> protéines contiennent l’info genet., multiplication dans une cellule vivante. Séquences ARN 16s = procaryotes Séquences ARN 18s = eucaryotes.

Ecosystème microbien : population (cellules se divisent) -> guilde (population de µ-organismes avec un métabolisme proche) -> communauté (réunion de différentes guildes) -> écosystème (interactions entre des communautés microbiennes et d’autres communautés et l’environnement ex : animaux, sol, air …)

-> Archaebactéries : 4 phyla Paroi sans NAG-NAM, certaines sans paroi, certaines ont des enveloppes + riches en lipides = résistance à l’environnement. Coloration comme GRAM – (=rose) (sauf Methanobacterium formicicium) Formes coques ou bacilles Bactéries de l’extrême : T° très basse ou haute (crenarcaheota, korarchaeota, nanoarchaeota), fortes concentrations de sel = halophiles (euryarchaeota : produisent du méthane), pH très acide/basique (thermoplasma : pas de paroi) , pressions atmosphériques fortes. => ADN, protéines et lipides sont riches en doubles liaisons S-S et sont super-enroulées (superhélicité) pour limiter endommagement, cassures. Type trophique : surtout chimio-organotrophe et chimio-litotrophe. + bactéries méthanogènes. On ne connait pas de pathogènes.

-> Eucaryotes microbiens : •

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Protozoaires : unicellulaire (protiste) sans paroi et sans chlorophylle, souvent mobile, reproduction binaire et sexuée, certains peuvent fabriquer une enveloppe protectrice (Kyste). Prédateurs, ils phagocytent leurs proies, possèdent des pseudopodes (déformation du cytoplasme pour encercler la proie) o Flagellés : sans mitochondries, vivent en symbiose dans l’app digestif des animaux, certains parasitent de l’Homme (maladies) o Phototrophes : hétérotrophes si pas de lumière, eaux douces, possèdent des chloroplastes et des flagelles, non pathogènes, reproduction binaire. o Rhizopoda : amibes ou foraminifères (coquille de calcaire) o Ciliés : eaux douces ou stagnantes, souvent parasites d’animaux, possèdent 2noyaux o Apicomplexés : parasite intracellulaire obligatoire o Micro-sporidies : pas de mitochondries, pas d’app de Golgi et de RE, formation de spores, parasites. Moisissures glaireuses : unicellulaire (protiste fongiformes), vivent dans le sol, débris végétaux. Prédateurs de bactéries. 2 sortes : o Classe à développement plasmodial : cycle qui passe par la formation de spores (=champignons). 2 formes : plasmodium (masse multinucléée et mobile) et sclérotidium (masse sèche et résistante) o Classe à développement cellulaire : modèle de mobilité, de communication entre cellules, de chimiotactisme, de mort programmée. Champignons : (mycète), eucaryotes avec une paroi (chitine, cellulose, polysaccharide), aiment l’humidité, pas de chlorophylle. o Unicellulaire : levures (exemple : Candida albicans : endosaprophyte du tube digestif et des muqueuses génitales, pathogène sous l’effet de facteurs = candidose, formation de

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l’hyphe (= filaments +/- ramifiés) favorise la pénétration des cellules = destruction des tissus) o Pluricellulaires filamenteux : enchevêtrement d’hyphes - > moisissures ou micromycètes (rôle positif : domaine biomédical (ex : penicillium), agro-industriel, lutte biologique ; rôle négatif : phytopathogène) ou macromycète. Algues : (protistes/végétal) : unicellulaires, chlorophyllien = aptes à la photosynthèse, paroi souvent en cellulose. Pas de racines, feuilles, tiges. Habitat humide. Microphyte (souvent unicellulaire) ou macrophyte (complexe). Eaux douces ou marines. o Dinophytes ou dinoflagellé : unicellulaire, planctoniques et marins. Possèdent 2 flagelles dissemblables. Peuvent produire de puissantes toxines. Bloom = production de bcp d’algues, reflète la mauvaise qualité de l’eau -> anoxie locale, mort de la faune. o Diatomées ou diatomophycées : algues microscopiques unicellulaires ou coloniales. Plastes bruns ou jaunes contenant de la chlorophylle A et C. Omniprésente dans nos lacs et rivières. Indicateurs de la qualité de l’eau. Phytoplanctons des mers aussi. Présents depuis 200 millions d’années. « Frustule » = exosquelette de silice, permet de résister au phénomène de putréfaction. Utilité en médecine légale (noyade), nourriture pour moules et huitres, filtres de piscines, abrasif, fabrication de pétrole avec d’autres microorganismes. Lichen : champignon + symbionte photosynthétique (algue).

-> Eubactéries : 18 phyla Paroi avec NAG-NAM, certaines sans paroi. Coloration GRAM- (rose : paroi mince) ou GRAM+ (violet : paroi épaisse). Formes coques ou bacilles (+ coccobacilles, coccus ovoïde, bacille en virgule, hélicoïdale) Cellule unique avec des éléments constants quelle que soit la bactérie = ribosomes, paroi, cytoplasme, éléments nucléaires, membrane cytoplasmique.

Espace périplasmique

Cellule avec des éléments inconstants selon la bactérie : capsule, membrane externe, pili, flagelle, inclusions, granulations (ribosomes). •

Cytoplasme : gel colloïdal de pH de 7,2, ne possède pas de compartiments ni d’organites, mais pas désorganisé. Contient le nucléoïde sans membrane nucléaire. Protoplaste : membrane cytoplasmique+cytoplasme. Fonction : lieu du catabolisme et anabolisme (activité de synthèse, déchets du métabolisme, ATP, NAD…), lieu de réplication, lieu de transcription et traduction couplées. Peu posséder des éléments inconstants : vacuoles gazeuses (bactéries aquatiques, flottaison), pigments (caroténoïdes, bactériochlorophylle), inclusions cytoplasmiques (granulations : glucides (amidon et glycogènes, réserves polysaccharides=excès de C alors que N,

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S, P limitant, chez Bacillus, Microccocus, Neisseria), lipides (réservoirs de C et d’énergie, chez Vibrio, Mycobactéries, Pseudomonas), minéraux de fer, volutine (réservoirs de phosphates, métachromiques coloré en rouge avec du bleu de méthylène), carboxysomes(fixe le CO2), magnétosomes (fer sous forme de magnétite)). Cytosquelette : tubuline (FtsZ, division), actine (MreB, forme), filaments intermédiaires (crescentine, forme). Pas les mêmes formes que les eucaryotes. Membrane cytoplasmique : composée de lipides (30-40%, pas de stérol type cholestérol, mais stérols pentacycliques=haponoïdes, et acides gras), protéines (60-80%, périphériques (=solubles dans le cytoplasme, facilement détachables, voies de signalisation), transmembranaires (ancrées dans la membrane, peu solubles, rôles structural)). La composition en acides gras peut servir d’identification. Rôle et propriété : barrière perméable extra/intra (eau passe mieux s’il y a des aquaporines, leurs taux augmente si la POsm est faible), importation, transport passif de petites molécules hydrophobes, transport actif (ions, nutriments, sucres, AA, vitamines... cf opéron lactose. Phénomène de saturation), exportation, ancrage de protéines servants à la biosynthèse de la paroi, ancrage de composants externes. Site du métabolisme respiratoire, site où les structures de la photosynthèse sont présentes (cyanobactéries), répond aux lois de l’osmolarité, fragilité. Isotonique (même concentration I/E), hypertonique (concentration E>I), hypotonique (concentration I>E, Mort par lyse : éclatement de la cellule)

Figure 1 Membrane cytoplasmique

Figure 2 Transports cytoplasmique

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Espace périplasmique et paroi : structures spécifiques au monde bactérien. o Paroi : distinction GRAM+/-, composition différente si archaebactéries ou eubactéries. Peptidoglycanes, muréine. Epais chez GRAM+, fin chez GRAM-. Composé de NAG-NAM. Réseau +/- lâche qui entoure toute la cellule bactérienne. Chaine osidique β1-4, base glucose.

Réticulation (liaison type peptidique, donne la rigidité). Rôle : protège des fortes POsm, défini la forme des bactéries, défini la taille, sert d’ancrage. Biogenèse complexe, +30 étapes : NAG-NAM dans le cytoplasme, transport dans la membrane cytoplasmique, élongation/réticulation dans l’espace périplasmique.

Chaine osidique Réticulation

Figure 3 Paroi

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Absente chez les Mycoplasma : bactéries sont donc non tuées par des ATB qui agissent sur la paroi. Absence de paroi leurs donne une forme pléomorphe. Coloration +/- proche des GRAM-. Bactéries atypiques. o Espace périplasmique : étroit chez GRAM+ (exportent leurs protéines), large chez GRAM- (lieu de protéines dont des enzymes). Enzymes qui servent à la formation de la paroi : transglycosylases (allongent la chaine), PLPs (protéines liant les pénicillines, transpeptidases et carboxypeptidases) Au-delà de la paroi : GRAM- possède une membrane externe, pas GRAM+. Peptidoglycane épais chez GRAM+, fin chez GRAM-.

Enveloppe : membrane+paroi+au-delà. o GRAM+ : charge négative par la présence d’acide téichoïque. Acide téichoïque = polymère de glycérol ou de ribitol reliés par des groupes phosphates, peut être associé avec des AA ou des glucides, liaison covalente avec peptidoglycane. Devient acide lipoteichoïque si lié avec la membrane cytoplasmique. o GRAM- : charge négative par la présence de LPS (lipopolysaccharides, 3parties : lipide A – polysaccharide central – chaine latérale O (=courte chaine de polysaccharides, sert à l’indentification des souches)). Les bactéries peuvent modifier leur LPS. Rôle dans l’adhésion, le taux de LPS modifie la perméabilité extérieure, protège la bactérie des défenses de l’hôte. Bicouche de phospholipides rattachés à la cellule via des points d’adhésions étroits avec la membrane cytoplasmique ou via les lipoprotéines de Braun (protéines covalemment liées au peptidoglycane, avec une partie hydrophobe dans la bicouche lipidique de la membrane externe.

Eléments facultatifs de l’enveloppe des bactéries : enveloppes supplémentaires (que si nécessaire, à base de certains composants de l’environnement ex sucre), nature chimique (bcp de polysaccharides ou polysaccharides+protéines ou glycoprotéines), structure (parfois diffuse, parfois très structurée). Rôles : interaction entre cellule-environnement, ex : virulence (protection contre ATB, phagocytose, dessiccation), adhérence (aux cellules humaines, aux surfaces, aux dents, etc), aide à la mobilité. Servent à l’identification de la bactérie. o Couche S : composition de protéines ou glycoprotéines, structure très organisée, entoure la paroi pour GRAM+ ou la membrane externe pour GRAM-. Peut parfois être recouverte d’une capsule. o Capsule : composition le plus souvent de sucres, parfois de protéines. Soit capsule « vraie » (entoure 1-2 bactéries, colle à la bactérie, structure organisée, facilement observable. Antigène K), soit capsule « lâche » (entoure plusieurs bactéries, facilement retirable, peu organisée). Ex de bactérie capsulées : GRAM+ -> Streptococcus, Bacillus ; GRAM- -> Neisseria. o Autres enveloppes : couche mucoïde (zooglée, slime), glycocalyx (terme générique pour décrire toutes les substances qui entourent la paroi). o Enveloppe des mycobactéries : présence d’acide mycolique et d’arabinogalactane. Imperméabilité aux ATB et aux colorants de GRAM. o Pili (ou fimbriae) : une bactérie peut en avoir de 100 à 1000. Rôle d’adhésion avec des protéines, les adhésines. Structure rigide, parfois souple, très présente chez les GRAM-, rôle parfois dans la mobilité. Pili sexuels chez GRAM+ et - : gène tra , adhésion entre bactéries, échanges de gènes. Certains bactériophages se fixent dessus. o Flagelle : élément locomoteur des bactéries, rôle possible dans la virulence. Flagelline (protéineAGH). Structure creuse et rigide, possède un corps basale, un crochet et un filament très long. Source d’énergie : protons. Unique ou multiple. Existe chez tous types de bactéries, plus fréquent chez bacilles que chez coques.

Structure hélicoïdale rigide, soit rotation antihoraire du filament (course) soit rotation horaire (culbute). Déplacement d’environ 60x la taille de la bactérie. Mobilité par essaimage : modification du nombre de flagelle : en milieu liquide, bactérie courte avec quelques flagelles, en milieu solide, bactérie longue avec de nombreux flagelles. Dans une boite de pétri, formation d’anneaux concentriques. Parfois, pas de flagelle externe : endoflagelle ou flagelle périplasmique cheminant entre l’enveloppe externe et le peptidoglycane

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Mobilité sans flagelle : par glissement, que sur un support mobile. Modèle d’étude : Cytophaga. Mécanisme en cours d’élucidation.

Taxies : attirance ou répulsion par un agent chimique ou physique. Ex : phototactisme (lumière), aérotactisme (O2), osmotactisme (milieu hypertonique), chimiotactisme (molécules chimique comme sucre). Déplacement ordonné et pas aléatoire. Avantage : fuir ce qui est nocif, aller vers ce qui est utile. o + Biofilms : composée de 97%eau, d’exopolysaccharides, d’ADN, d’ARN, de protéines et de lipides. Protection dans un milieu hostile, facilite la virulence, échange de gènes facilité, résistance aux ATB et phagocytose. 5 systèmes de sécrétions des bactéries : les types I et II sont Tat et Sec indépendants. Protéines servants à l’exportation de composés du cytoplasme dans l’espace périplasmique, puis vers l’extérieur. o

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Tat et Sec indépendants

+ cyanobactérie : eubactéries originale : morphologie hétérogène, phototrophe, productrice d’O2. Possèdent de la chlorophylle A et quelques fois de la phycoérythrine. Appelées « algues bleue ». 5 groupes de cyanobactéries : unicellulaires, nostocales, pleurocapsales, ramifiées, oscillatoriales. + prochlorophytes : mélange cyanobactéries et chloroplastes.

NAG-NAM : Formule :

Variable Constant

Pontage direct chez les GRAM- :

Action du lysozyme : hydrolyse de la liaison osidique après le NAM. Protéine globulaire de 70-130 AA, multi-espèce, antibactérien, dans les secrétions (larmes, salive…). Donne naissance à un sphéroplaste à partir des GRAM-, donne naissance à un protoplaste à partir des GRAM+. Fragilise la bactérie = lyse possible.

Sporulation/germination : 20 genres peuvent sporuler, pas de connu chez Archaebactéries. Sporulation : forme de survie, se déclenche quand les conditions de vie se détériorent. Taille d’une spore : 0,4-1µm. Survie des spores : plusieurs centaines d’années. Pas d’activité métabolique de la spore, pas de mouvements. Forme très résistante, se propage facilement (eau, air...)

7 stades de sporulation :

Bactéries avec spores : germes dans le sol -> formation d’un mycélium. Un développement plus aérien se fait ensuite (filament mycélien aérien mature : conidie) et redonne naissance à des spores qui germeront dans le sol.

Besoins nutritifs : Composés minéraux et organiques (N, S, P, O, C, H), eau, NaCl = besoins essentiels. +oligoéléments, magnésium. Composition bactérienne : 80% eau. Sur poids sec : 50% carbone, 3% phosphore, 1% sodium, +autres. Nutriments et matériaux de bases : constants, substances utilisées dans la biosynthèse et la production d’énergie, macro et micronutriments. Utilisation par le métabolisme bactérien permet au niveau anabolique, la biosynthèse de constituants bactériens structuraux (membrane etc.) et fonctionnels (enzymes), et au niveau catabolique la production d’énergie chimique (ATP) Facteurs de croissance : dépend des bactéries. AA, vitamines, acides nucléiques, bases puriques ou pyrimidiques, acides gras. Fer, extraits de sang = bactéries exigeantes. Ex : Enterococcus faecalis a besoin de 8vitamines différentes. Facteurs influençant la croissance : • Nature et concentration des substances chimiques influent sur la vitesse spécifique de croissance • Substances chimiques peuvent avoir 3 types d’effets sur la croissance : stimuler – inhiber – arrêter définitivement. • Disponibilité en eau (Aw = quantifie la disponibilité d’eau, valeur comprise entre 0 et 1) • pH : bactérie neutrophiles (6-8 : E Coli), bactéries alcalinophiles (>8 : Pseudomonas), bactéries acidophiles (80°) • PO, pression mécanique et pression hydrostatique : non halophile, halotolérants, halophiles, barophiles (fonds marins) (-> par rapport à la C° de NaCl) • L’O2 : anaérobie strict, aérobie strict, aérobie ou anaérobie facultatif. • Radiations : certaines bactéries peuvent être très résistantes. Modèle : tétracoque C+ Deinococcus radiodurans. Satellitisme : mécanisme d’interaction métabolique qualifié de syntrophie (vit sur un corps vivant sans s’en nourrir), c’est une relation mutualiste. Besoin en vitamines. Au contraire, certaines en produisent...