Osmorégulation - Master Biologie et écosciences. Université Clermont Auvergne. Il s\'agit de PDF

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Master Biologie et écosciences. Université Clermont Auvergne.
Il s'agit de notes de cours individuelles destinées à aider les étudiants....

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Osmorégulation Activité en eau, pression osmotique et salinité I-

Disponibilité de l’eau : aw (activity of water) L’activité en eau va dépendre de plusieurs facteurs: La présence de surface solide. Toutes les surfaces solides sont hydratés. Il y a toujours une couche de quelques molécules d’eau donc la bactérie va interagir avec ces quelques pellicules d’eau. La bactérie qui se fixe làdessus n’a pas assez de force pour arracher la pellicule d’eau à la surface solide. Il y a de l’eau qui est présente mais non disponible. C’est ce qu’on appelle le aw matriciel.

Puis autre élément essentiel : On prend une coupelle avec de l’eau pure dedans et qu’on recouvre avec une cloche. On laisse le système s’équilibrer. Puis on fait un prélèvement de l’atmosphère dans la cloche et on la dose la saturation en eau de l’atmosphère dans la cloche et on a un mélange AIR+ H2O. On a des échanges qui se font. On a une humidité relative dite de 100%. On fait la même chose avec la même quantité de liquide mais cette fois si on rajoute quelques choses dans l’eau (du NaCl ou du glycérol). On laisse agir et au bout d’un moment on fait un prélèvement et on mesure l’humidité dans l’air et on est à 80%. Ça signifie que les composés qui sont en solution dans l’eau ont retenus des molécules d’eau. Dans ce cas-là :

H.R.= Humidité relative On utilise la deuxième formule en termes de cellule. Les microorganismes sont confrontés sur tout un tas de milieux où l’eau est disponible ou pas. Mais ça n’empêche pas la croissance de microorganismes sur ces milieux. On va trouver quand même des microorganismes qui vont se développer dans des milieux où l’eau est très peu disponible, voici des exemples :

Ça va nécessité des acclimatations pour résister à ces différents disponibilité en eau.

II-

Pression osmotique et pression de turgescence

La cellule des microorganismes possède des membranes qui sont hémiperméable c'est-à-dire qu’elles permettent le passage passif d’H2O. Si la pression osmotique externe < PO interne, il va y avoir un rééquilibre de la pression pour que PO externe = PO interne. Pour cela, l’eau va diluer le milieu le plus concentré. L’eau va passer du milieu dilué (extérieur) vers le milieu concentré (intérieur). Ça va provoquer une entrée massive d’eau donc une turgescence. Le risque est que ça éclate. Les bactéries ont une paroi. Il y a 2 types de bactéries GRAM- et GRAM+. Les GRAM- peuvent supporter des pressions allant jusqu’à 5 atmosphère. Les GRAM+, elles ont une énorme couche de PDG donc elles supportent une pression de l’ordre de 15-20 atmosphère. Pour les cas extrêmes, ça peut atteindre des pressions interne jusqu’à 100atm. Si la PO externe > PO interne, il va y avoir une fuite d’eau c’est ce qu’on appelle une plasmolyse. Ça va provoquer une altération de la structure de la membrane plasmique et ça va provoquer une perte de la fonctionnalité ( respiration, échange, etc…). ça va aussi déshydrater le cytoplasme donc tous ce qui va se trouver dans le cytoplasme vont se retrouver plus concentré comme les ions, les protéines, etc... Les ions vont provoquer une dénaturation des protéines et ça va provoquer des réponses type HS. Ça va aussi dénaturé les ADN donc plus de transcription. Puis la fuite d’eau va faire qu’il y aura une augmentation de la concentration ionique et quand il y a trop d’ions dans une cellule, ça va être toxique. Donc il faut s’arranger pour éviter la fuite d’eau.

III- L’acclimatation aux chocs osmotiques Exemple des Enterobacteriacae 1- Choc hypo-osmotique L’enjeu est d’éviter la surpression due à l’entrée massive d’eau, puis surtout éviter l’éclatement de la cellule. La mise en place de cette réponse va être l’ouverture de canaux sensitives qui vont faire sortir cette augmentation de la pression. Il va y avoir une sortie de soluté qui va diminuer la PO interne du cytoplasme.

2- Choc Hyper-osmotique L’enjeu est d’éviter la plasmolyse avec tous les conséquences que ça peut avoir. Il faut retenir l’eau dans le cytoplasme et pour cela il va falloir accumuler des solutés mais pas n’importe laquelle, seulement des solutés compatibles. Les solutés compatibles sont les molécules qui sont capables de retenir l’eau. Ce sont des molécules dont la nature est telle qu’elles peuvent s’accumuler dans le cytoplasme à de très forte concentration. A ces concentrations fortes, elles ont des propriétés qui font qu’elles sont complètement indifférentes aux structures cellulaires donc elles n’altèrent pas les structures cellulaires, pas d’inhibition de tous les processus physiologique et métabolique de la cellule. Ce sont en général des éléments non ionisés ou des itérions. Ces molécules ont 2 origines possibles : elles sont prélevés dans le milieu extérieur ou elles sont synthétisés c'est-à-dire avoir des gènes de structure qui permettent leur synthèse.

a- Solutés compatibles

-

-

Le premier est le potassium, il a une couche d’hydratation extrêmement importante c'est-à-dire qu’il va s’entourer de molécule d’eau donc ça va retenir les molécules d’eau qui auront tendance à sortir. Un certain nombre d’acides aminés mais ce sont des solutés compatibles relativement faible. Des polyalcools, ce sont de très bons solutés compatibles. Des sucres Des Amines quaternaires qu’on appelle les Bétaïnes

Les principaux solutés compatibles qu’on retrouve chez les eucaryotes sont les bétaïnes. Ces solutés compatibles sont très abondants dans le milieu naturel. Ils peuvent être prélevés dans le milieu extérieur mais il faut des transporteurs spécifiques donc des gènes codant ces

transporteurs. Puis il y a synthèse de novo qui est possible donc il faut que l’évolution ait mise en place des gènes de structure et des enzymes permettant la synthèse de ces composés.

b- Exemple d’osmoprotection chez E. coli

Ici c’est une souche de E. coli cultivée dans des boites de pétri en présence de NaCl à 0.8M. C’est le double de la force osmotique de l’eau de mer. Donc sans quelques choses de particulier, les E. coli ne poussent pas. On a supplémenté chacune des boites de pétri avec des solutés compatibles comme GLY= glycine, SAR = sarcosine,… On voit que les certains solutés compatibles ne sont pas efficaces par contre avec la CHO et BET, la croissance est possible

IV- Réponses aux chocs hyper-osmotique chez E. coli (osmorégulation) La réponse chez tous les microorganismes est un processus à 2 temps : -

Premier temps, il va y avoir une réponse rapide à la fuite d’eau. C’est une entrée rapide de potassium. Ça va se faire grâce à des transporteurs spécifiques TrK et Kdp qui sont dans la membrane plasmique. Le problème est que ces transporteurs en particulier TrK est un anti porteur. Ça veut dire qu’il fait entrer le potassium par antiport, il y a sortie de protons. Il y a contrebalance entre une entrée et une sortie de charges + dans le cytoplasme. Donc si on fait sortir des protons, on va alcaliniser le milieu. C’est la réponse immédiate mais ça ne peut pas duré éternellement.

-

Deuxième temps, il va y avoir une accumulation de solutés compatibles. Cette accumulation va se faire via une augmentation de la teneur intracellulaire en potassium. Ce sont les potassiums qui sont entrés dans la première étape qui vont stimuler l’accumulation des soluté compatibles. Ça va la stimuler de 2 manières : en activant des transporteurs spécifiques ou en activant les promoteurs des gènes de synthèse de ces différents solutés compatibles.

Comment tout ça va se mettre en place?

Il y a entrée de potassium par le transporteur TrK, puis il y a une pompe de sortie Kdp. Donc il y autant de potassium qui entre que de potassium qui sort. On a aussi des aquaporines qui sont des transporteurs qui laissent passer l’eau dans un sens ou dans un autre. Quand il y a un choc osmotique, le transporteur TrK a une affinité au K+ très faible (Km 2mM). Par contre la vitesse de transport est très élevé, dès que ça a fixé du K+, ça se transporte rapidement. Donc en cas de chocs osmotique il y a une stimulation forte de l’activité. Pour le cas de Kdp, c’est un transporteur ABC donc ATP dépendant, lui a une très forte affinité pour le K+. Le but est donc de stimuler l’entrée massive de K+. Ce Kdp va permettre de piéger le K+ à l’extérieur même si le K+ est dilué dans l’environnement. Donc pour ces 2 transporteurs, il y a plus de K+ qui entre que de K+ qui sort. La teneur intracellulaire en K+ va augmenter. Mais ça ne peut pas continuer longtemps car il y a des protons qui sortent et qui vont alcaliniser le milieu extérieur. Il faut mettre en place d’autres systèmes. Donc le K+ va agir sur d’autres systèmes pour mettre en place la deuxième réponse. Le K+ va stimuler un autre molécule Kdp F et Kdp E, qui sont des transporteurs ABC ATP dépendante. Ils vont aller stimuler l’activité kinasique et ce sont des systèmes à 2 composants. Il y a perception d’un signal (ici le K+) et le signal va faire que ça va démasquer une activité enzymatique. Ça va piquer un phosphate à l’ATP, et la protéine KdpE va

se phosphoryler. Il y a une autre molécule qui va se ruer sur le phosphate porté par Kdp et va lui piquer son phosphate. Donc il va y avoir une transmission du signal via un deuxième partenaire qui va se phosphoryler à son tour. La molécule phosphorylée va aller stimuler l’activité du transporteur Kdp. Le potassium va avoir un deuxième effet qui va être d’activer les transporteurs de solutés compatibles (Pro P, Pro U, Bet U et Bet T). Le potassium va aussi stimuler l’activité des enzymes : Glycine Bétaïne, OtsA et OtsB qui vont intervenir dans la chaine de synthèse du tréhalose qui est également un soluté compatible. Le potassium va aussi aller activer l’expression de gènes codant la synthèse de ces solutés compatibles.

V-

Réponse à la turgescence

Maintenant il va falloir que la cellule se régule pour continuer à faire rentrer des solutés compatibles qui vont retenir l’eau parce que la pression de turgescence va augmenter, il ne faut pas que la cellule finisse par s’éclater. ça va se faire par le contrôle de la turgescence. Il y a également des molécules impliquées dans le transport d’eau dans un sens ou dans un autre: aquaporines. Ça existe bien chez les bactéries et chez les eucaryotes et il y a moyen de contrôler le passage d’eau par ces aquaporines. L’eau entre et il y a une pression de turgescence. Cette pression de turgescence est la résultante de toutes les forces qui sont développées par les molécules en solution. Cette pression va agir pour faire un rétrocontrôle et stopper l’entrée d’eau. Cette pression de turgescence va inhiber les transporteurs de potassium : TrK, Kdp F et E. Donc il va y avoir inhibition des transports de solutés compatible. Tous les transports qui se sont mise en route avant, vont être bloquer. On a activation des pompes d’efflux pour évacuer le potassium et il va y avoir des transporteurs spécifiques qui vont faire sortir les solutés, ces pompes sont ce qu’on appelle des MCS ou Mechano Sensitive Channel.

Comment les transporteurs vont être activer quand il y a un stress hyperosmotique? La cellule perd de l’eau donc Comment les transporteurs perçoivent qu’il faut faire entrée du potassium ou des solutés compatibles? Ce ne sont que des hypothèses, il n’y a pas encore de certitudes en ce qui concerne tout. Première chose, il y a des transporteurs qui peuvent être ouvert ou fermer donc qui peuvent entrée ou bloquer le passage de solutés. Il y a des transporteurs qui forment des canaux insérés dans la membrane et puis dans le premier modèle, on a une petite partie de la protéine qui peut se déplier ou se replier en fonction de la pression osmotique. S’il y a pression osmotique dans la cellule, ça va plaquer la partie contre la membrane et ça va fermer le canal. Quand il y a sous pression, cette partie va se détacher de la membrane et ça va ouvrir le canal. C’est l’une des première hypothèse : changement de la conformation induit par la pression de turgescence. Deuxième possibilité, il y a toujours la partie qui vient se coller à la membrane mais cette fois-ci, le mouvement est induit par des interactions électrostatiques. Il y a des différences de charges sur la membrane selon que c’est hyper ou hypo osmotique. Ce sont les différence de charges qui vont faire que la partie de la protéine va se coller ou se décoller. Ça va avoir pour conséquence l’ouverture ou la fermeture du canal.

Puis il y a beaucoup de transporteur qui ont une partie intra-membranaire et il y a plusieurs passage à travers la membrane. Ce sont des systèmes intra-membranaires très parallèle les unes aux autres. Quand il y a plasmolyse par exemple, la cellule va perdre de l’eau et la membrane va se ratatiner. Conséquence, en se ratatinant, la membrane va se déformer et à l’échelle de la cellule, il va y avoir une courbure qui va faire que les chaines ne seront plus parallèle. En général, ça va être perçu par les systèmes de phosphorylation et ces phosphorylation vont faire que ça va stimuler certaines activités.

Maintenant pour les pompes d’efflux, on a affaire à des Mcs. Ces Mcs ont été retrouvés chez tous les organismes vivants. C’est absolument universelle et elles font parties d’une famille de transporteurs extrêmement diversifier. Ça permet l’ouverture ou la fermeture des canaux en réponse à la pression de turgescence. Dans le cas de ces Mcs, ont a des domaines transmembranaire qui sont responsable de la perception de la pression osmotique. Donc soit il y a plasmolyse, soit il y a turgescence et ça va être perçus soit par des variations de l’épaisseur de la bicouche lipidique ou soit par la modification de tension de la membrane. Ça implique qu’il y ait changement de conformation de la protéine en fonction de l’environnement lipidique. Ça sous entend qu’il y a vraiment des interactions spécifique entre les lipides et les transports membranaires. Ici ça montre un schéma d’organisation de différents Mcs aussi bien chez les bactéries que chez les eucaryotes :

On retrouve des Mcs chez E. coli, chez une plante et des Mcs qu’on trouve chez des petits animaux. Dans tous les cas, c’est fait de la même manière, on a des parties transmembranaires

qui vont percevoir le signal. Donc il y a une origine commune de ces Mcs mais l’évolution a fait qu’il y ait eu quelques variations en fonction des organismes. Il existe de 2 types de Msc : -

McsL McsS

Ces canaux sont capables de s’ouvrir ou de se fermer pour des molécules de petites conductance. Comment ça s’ouvre et comment ça se ferme? On a dit qu’il y avait perception avec des domaines transmembranaires mais ce n’est pas si clair que ça. Actuellement, il y a deux modèles pour expliquer comment ça s’ouvre et comment ça se ferme. 1er modèle, sous la force osmotique, il y a écrasement des lipides et donc la membrane va changer de configuration et ça va changer les parties transmembranaires de la protéine. Donc ça va soit fermer ou ouvrir le canal. Puis il y a un autre hypothèse, c’est que ces canaux possèdent une sorte de couvercle qui est lié à des parties du PDG. Quand il y a changement de pression, il y a un glissement de la membrane par rapport au PDG. Donc si le PDG glisse de gauche à droite, ça va permettre l’ouverture du canal pour laisser passer les composants.

Osmoadaptations microbiennes aux milieux à faible activité en eau Il y a deux types d’environnement à faible activité en eau : -

Milieux déshydratés (pain, cacahuètes, etc…) ou des milieux très riches en solutés organiques (confiture, miel, etc…). Milieux hypersalins, le soluté est le sel.

En fonction du degré de tolérance, on définit les organismes suivants :

Le suffixe «-tolérant» signifie que les organismes peuvent supporter une faible Aw, mais il n’y a pas de dépendance absolue. Quand il y a le suffixe «-phile», ça signifie qu’il y a une dépendance absolue d’une faible Aw donc quand on met trop d’eau, ils ne supportent pas. Pour les halophiles et les halophiles extrême, il y a une nécessité absolus d’avoir un Aw faible et une forte concentration en NaCl. Adaptation aux milieux déshydratés : osmophile, xérophiles Les milieux déshydratés sont sols, les aliments riches en sucres et protéines, fruits secs, confitures, miel, jus de fruits, sirops,… Quels sont les organismes osmophiles et xérophiles? On retrouve les bactéries, les levures et les moisissures. Les moisissures sont les plus xérophiles. Ces microorganismes sont inféodés en permanence à des milieux à très faible Aw. Il y a synthèse en permanence de solutés compatibles. Voici un tableau où on a l’Aw minimum inhibitrice pour la croissance des microorganismes :

On peut voir que les levures tolèrent mieux les milieux déshydratés et puis ce sont les moisissures qui arrivent à se développer à des Aw de l’ordre de 0,6 pour les plus extrêmes. Il y en a qui sont embêtant, c’est Staphylococcus aureus parce qu’en général les aliments déshydratés permettent une meilleure conservation sauf qu’il y a des bactéries qui résistent. C’est une bactérie multirésistante. Aussi, les milieux très concentrés en solutés ne permettent pas la croissance des microorganismes mais Staphylococcus oui. Au niveau des stratégies, les procaryotes vont faire des solutés compatibles comme la proline, le glutamate, thréalose, bétaine, glycine-bétaine et ectoine. Elles vont les synthétiser de manière constante, en grande quantité. Pour les eucaryotes, c’est un peu différents comme soluté compatible : glycérol, arabitol, sorbitol et mannitol. Ce sont plutôt des sucres. Il y a aussi expression permanente des gènes de synthèse de ces solutés. Adaptation aux milieux hypersalins : halophiles Les habitats sont les mers et les océans (salinité de l’eau de mer est de 0,6M), la mer morte (4,7M), les marais salins, les lacs sodiques et les saumures. Il va y avoir un aw faible et l’ion sodium est très toxique pour la cellule. Quels sont les organismes capables de vivre dans les milieux hypersalins? C’est un peu différents des cas précédents car non seulement le Aw est faible mais aussi il y a le sodium qui est toxique donc il y a une contrainte en plus. On retrouve des halotolérants, des halophiles et des halophiles extrêmes. Les halophiles et les halophiles extrêmes ont besoin de NaCl en grande quantité.

Ici on de très nombreux genre bactériens qui sont halotolérants, qui sont capables de supporter le sel. On retrouve des eucaryotes, des protozoaires, etc… Puis on retrouve des petits crevettes comme les ostracodes qui sont halotolérants. Maintenant quand la concentration en sel augmente, il a fallu que l’évolution a mis en route des processus pour supporter le sel. On retrouve les Eubactéries particulières qu’on appelle les Halobacteriaceae c'est-à-dire les bactéries qui aiment le sels et puis quelques Archae comme les algues. Pour les halophiles extrêmes, il n’y a que les Archae. Stratégies d’adaptation aux environnements salins Ici il y a nécessité absolue de mécanismes pour retenir l’eau et maintenir la pression de turgescence. Il y a 2 stratégies d’adaptations pour maintenir cela: -

1ère stratégie c’est l’accumulation de potassium. C’est quand même un mécanisme minoritaire chez les halophiles et les halophiles extrême. Ça représente quelques bactéries comme les Haloarchae. Le mécanisme principale c’est la synthèse et l’accumulation de solutés compatibles. Ça concerne la majorité des halophiles que ce soit procaryotes ou eucaryote. La concentration en potassium dans le cytoplasme va équilibre la pression osmotique. Il y a une nécessité absolue de forte concentration en sel. Le problème est qu’il faut que les protéines restent actives donc elles doivent fonctionner à de très fortes concentration saline. Il va y avoir énormément de sels dans la cellule donc il ne faut pas que les protéines précipitent. Donc la solution est que les bactéries vont faire des protéines acides donc il a fallu que ces organismes procèdent à une adaptation extensible du protéome. Un exemple : c’est la surface d’une protéine halophile à gauche par rapport à une non halophile à droi...