MICRO-ORGANISMES PROCARYOTES PDF

MICRO-ORGANISMES PROCARYOTES : BACTERIES ET ARCHEES Introduction Cet est non enraciné, ça veut dire que ça nous donne juste une idée de la relation qu’il existe entre ces trois groupes d’organismes vivants mais on ne peut pas déterminer si l’un est arrivé avant l’autre. Cet arbre no...

MICRO-ORGANISMES PROCARYOTES : BACTERIES ET ARCHEES Introduction Cet est non enraciné, ça veut dire que ça nous donne juste une idée de la relation qu’il existe entre ces trois groupes d’organismes vivants mais on ne peut pas déterminer si l’un est arrivé avant l’autre. Cet arbre nous dit juste que les archées ont suffisamment de caractéristiques différentes pour former un groupe, pareil pour les eucaryotes et les bactéries. Ensuite Carl Woese est arrivé, il a fait beaucoup d’études et il a notamment analysé des séquences d’ARN qui codaient pour l’ARNr 16S chez les procaryotes et 18S chez les eucaryotes. Il les a comparé, il a aussi comparé des caractéristiques morphologiques. En faisant ces comparaisons il est arrivé à l’arbre ci-dessous. Cet arbre est enraciné, sa racine est LUCA, c’est le dernier ancêtre commun aux 3 branches qui a donné selon Carl Woese d’un coté les bactéries et de l’autre une deuxième branche qui donnera les archées et les eucaryotes. Les archées et le bactéries sont des procaryotes, leur gros point commun est qu’il n’ont pas de noyau, mais lorsque l’on regarde l’arbre phylogénétique de la vie on se rend compte que les archées ont plus de points communs avec les eucaryotes qu’avec les bactéries. On n’a pas beaucoup de données sur les archées parce que beaucoup d’archées vivent dans des environnements extrêmes. L’arbre phylogénétique a été un peu retravaillé depuis les travaux de Carl Woese. On n’ aurait pas un seul ancêtre commun mais plutôt un espèce de réseau d’ancêtres communs. Le terme LUCA est donc parti. D’autre part, on aurait bien 3 branches mais il y’a beaucoup de ligne qui rejoignent une branche à l’autre. Il y’a des transferts horizontaux d’information génétique. Les archées et les bactéries se seraient donc échangé plusieurs gènes et elles seraient le résultat de ces multiples transferts de gènes d’un organisme à l’autre. Les eucaryotes seraient issus à la fois du groupe archée et du groupe bactérie, ils auraient en plus acquis des organites. Mais surtout il n’y a plus qu’un seul ancêtre commun mais plutôt un réseau d’êtres vivants qui auraient pu être les ancêtres communs de cet arbre. Page 1 sur 48 Dates majeures dans l’histoire de la Microbiologie : On soupçonne l’existence des microbes depuis l’antiquité mais il a fallu attendre le 17ème siècle pour observer des micro-organismes. Les micro-organismes (animalcules) ont été découverts au milieu du 17ème siècle par Antoni Van Leeuwenhoek. Ces organismes sont : Des curiosités sans intérêt Des intermédiaires probables entre le monde minéral et le monde vivant Classés au sein des plantes ou au sein des animaux dans le groupe mal défini des vers On est arrivé relativement vite à l’aire moléculaire notamment à partir du moment où on a connu la structure de l’ADN. A ce moment là on a découvert beaucoup de choses au niveau moléculaire et on a pu séquencer des génomes. Le premier génome a été séquencé autour des années 90. Le problème que l’on a à l’heure actuelle, c’est un problème de gestion de données qui sont acquises par les séquençages, les caractérisation moléculaires etc.. Sur la frise on peut apercevoir le nom « Koch » en 1895. Ce monsieur a émis les postulats de Koch. Ces postulats sont relatifs au fait qu’un organisme soit responsable d’une pathologie. Pour déterminer qu’un micro-organisme est pathogène il faut suivre les postulats de Koch. Le premier postulat est qu’il faut arriver à isoler le micro-organisme chez la personne malade. Lorsque l’on réinjecte ce micro-organisme chez un patient sain, il doit développer les mêmes symptômes pour pouvoir affirmer que c’est bien ce micro-organisme qui est responsable de la maladie. Page 2 sur 48  Les structures dites obligatoires ne sont pas présentes chez toutes les bactéries, les structures obligatoires sont des structures qui ont un impact important. Quand elles sont présentes, c’est que les bactéries ou l’archée en a besoin. Puis on a les structures facultatives, ce sont des structures qui impactent de manière moins importante la bactérie. I. Les structures morphologiques principales Avant la taxonomie était beaucoup basée sur la morphologie. A) Morphologie cellulaires a. Bactéries Il existe différentes formes caractéristiques des bactéries. On a des bactéries rondes, allongées, en étoile etc… Cela permettait donc de les classer, le problème est que certaines bactéries prennent des formes différentes en fonction des conditions de culture. Les 3 formes majoritaires sont : La coque La bacille Le vibrion/spirille Il existe bien évidemment plusieurs autres formes. Remarque : une bactérie pédonculée signifie qu’elle est polarisée. b. Archées Les archées ont souvent des formes très géométriques. Page 3 sur 48  La taille des bactéries est environ de l’ordre de 1µm. Il est important pour une bactérie d’avoir une petite taille, en effet la taille d’un organisme a une incidence sur sa physiologie. La fait d’avoir une petite taille favorise le rapport volume/surface. Ainsi les bactéries peuvent avoir un volume à l’intérieur qui permettra de concentrer les molécules tout en ayant une surface d’échanges importante. Plus l’organisme est petit plus il optimise sa surface d’échange. Cependant comme la bactérie est petite, elle est aussi sujette aux prédateurs et il y’a des amibes qui mangent les bactéries. Mais les amibes ne peuvent ingérer que les bactéries qui ont la taille et la forme « Just right ». Les bactéries peuvent donc se protéger de cette prédation par modification de leur taille et/ou de leur forme. B) Taille Par définition un microbe est quelque chose que l’on ne peut pas voir à l’œil nu. Connaitre l’ordre de grandeur des principaux organismes II. Les structures obligatoires A) Cytoplasme a. Cytosquelette Cytosquelette des bactéries : Le cytosquelette n’est pas présent dans toutes les bactéries mais lorsqu’il est présent c’est qu’il a une fonction essentielle. Chez les bactéries il y’a des homologues de l’actine, de la tubuline et des filaments intermédiaires qui sont les éléments que l’on trouve chez les eucaryotes. Dans ce cours nous parleront uniquement des homologues de l’actine et de la tubuline. Page 4 sur 48  Chez les eucaryotes l’actine sert à maintenir la forme, à faire de l’endocytose etc.. La tubuline sert de transport et intervient également lors de la ségrégation des chromosomes. Les homologues de l’actine chez les bactéries sont des protéines qui s’appellent MreB et ParM. La protéine MreB peut aussi s’appeler actine-like. MreB et ParM sont capables de former des filaments, c’est-à-dire que l’on a polymérisation et dépolymérisation. Il y’a une extrémité qui polymérise et une extrémité qui dépolymérise, ça ressemble beaucoup à l’actine. La protéine MreB forme un cytosquelette qui va être responsable de la forme de la cellule ce qui est très important pour la bactérie. MreB n’est présente que chez les bactéries qui ont une forme non-sphérique. La sphère est la forme par défaut, si il n’y a pas de système de maintient de forme la bactérie devient ronde. L’homologue de la tubuline chez les bactéries s’appelle FtsZ. La différence entre les eucaryotes et les bactéries est que l’on a extrêmement peu de points de régulation de la polymérisation chez les bactéries. En effet, la polymérisation/dépolymérisation chez les eucaryotes est un phénomène qui est hautement régulé. Chez les bactéries, on a très peu de régulateurs. ParM et FtsZ vont intervenir dans la division à deux moments différents. Il y’a un premier stade qui correspond à la formation du septum et c’est FtsZ qui s’en charge. Ensuite il y’a la ségrégation des chromosmes qui est régit par ParM. Les fonctions du cytosquelette sont donc assurées par des protéines qui sont homologues chez les eucaryotes et les procaryotes et les fonctions sont également similaires. Le septum est composé de monomères de FtsZ qui s’associent sous la forme d’un cercle. Ce sptum se place au centre de la cellule mère et par constriction on va avoir séparation des 2 cellules filles. Lorsque le septum commence à se former on a les 2 chromosomes qui vont migrer vers les quarts cellulaires. Page 5 sur 48  MreB va former des petits filaments qui sont en contact avec la membrane et avec la machinerie de synthèse du peptidoglycane. Les enzymes impliquées dans la synthèse du peptidoglycane interagissent avec MreB et cette interaction détermine la forme de la cellule. Remarque : les peptidoglycanes constituent la paroi. MreB va guider la production des peptidoglycanes pour qu’ils puissent se produire en suivant la forme hélicoïdale et pouvoir ainsi allonger la bactérie. MreB est donc très importante puisqu’elle guide la synthèse de la paroi, on va donc considérer que MreB est un déterminant de la forme. Il y’a la possibilité de voir in vivo comment est organisé le cytosquelette de MreB et le cytosquelette de FtsZ. Pour ça on a prit une bactérie E.coli entrain de se diviser. On que MreB forme une hélice et cette hélice est double.On voit qu’en réalité on a une double hélice de MreB dans une cellule fille. On a également FtsZ qui a été marqué. On voit qu’il y’a un double filament hélicoïdal du coté des cellules files. Pour mieux voir, les chercheurs ont ajouté un antibiotique qui empêche la septation de la cellule c’est-à-dire la séparation des cellule fille, on va donc avoir une plus grande cellule ce qui nous permettra de mieux voir les interactions entre protéines. Comment la cellule fait pour savoir que FtsZ doit former un anneau de constriction au milieu ? En effet FtsZ ne doit polymériser qu’au milieu. Il est important pour la bactérie de former son anneau de constriction au centre de la cellule. On sait que dans la cellule E.coli, on a qu’un seul chromsome circulaire, il n’ya pas donc pas beaucoup d’ADN au niveau des pôles de la cellule. En revanche on retrouve des protéines spécifiques dans les pôles de la cellule, ce sont les protéines Min. FtsZ ne forme pas d’anneau là où il y’a des protéines Min. Les protéines Min semblent être inhibitrices de la polymérisation de FtsZ. On appelle l’endroit où l’ADN est très concentré : « l’occlusion du nucléoïde ». Au niveau de cet occlusion du nucléoïde il n’y a pas non plus de formation de FtsZ. FtsZ ne peut donc ni polymériser aux pôles ni à l’endroit où l’ADN est concentré. Lors de la première phase de la division on va avoir l’ADN qui va se répliquer. A ce moment là le double brin d’ADN va s’ouvrir au niveau de l’origine de réplication puis on va avoir débobinage de la molécule d’ADN. Au fur et à mesure on va avoir 2 molécules d’ADN, il va y avoir un espace qui va se créer dû à la « décondensation du chromosome ». Au bout de Page 6 sur 48 2/3 d’avancement de la réplication on a déjà une séparation chromosmique. A partir de ces 2/3 de la réplication, l’espace laissé libre entre les 2 chromosomes va permettre la polymérisation de FtsZ. FtzS va donc pouvoir former un anneau qui permettra à ParM d’intervenir pour séparer les 2 ADN, ensuite on va avoir constriction de FtsZ et séparation des 2 cellules filles. Si on mute la protéine MreB chez E.coli on va se rendre compte que FtsZ va continuer de faire un septum même en l’absence de MreB mais on va se retrouver avce une bactérie en forme de coque. En effet FtsZ arrive à former des anneaux mais ce sont des anneaux qui sont incorrects, FtsZ fera des séparations de cellules filles qui sont asymétriques et très souvent on va se retrouver avec des diplocoques. Maintenant si on mute FtsZ ce qu’il va se passer c’est qu’on aura pas de septation, on va obtenir de très très grands filaments qui ne seront pas viables. Cytosquelette des archées : Chez les archées on a également les homologues de l’actine, de la tubuline et des filaments intermédiaires. Les fonctions de ces homologues sont similaires. Les homologues de l’actine chez les archées est la Crénactine. Les homologues de la tubuline est CetZ. CetZ serait impliqué à la fois dans la division et dans le maintient de la forme. La crénactine serait impliquée dans la division. Ce serait donc l’inverse par rapport aux bactéries. Ici aussi on a donc des filaments qui polymérisent et qui dépolymérisent avec une extrémité – et une extrémité +. On connait des régulateurs de la polymérisation de crénactine chez les archées, chose que l’on avait pas chez les bactéries. Chez les eucaryotes il y’a un régulateur très important de la polymérisation de l’actine qui s’appelle la profiline. La profiline active la polymérisation de l’actine eucaryote c’est-à- dire le passage de l’actine G (globulaire) à la forme filamenteuse (F). Page 7 sur 48  Il y’a des chercheurs qui ont étudié les archées et qui ont découvert une séquence similaire de la profiline eucaryote. Et lorsque l’on prend de la profiline d’archée on arrive à polymériser de l’actine eucaryote. Donc la profiline dans ces archées est capable de réguler la poymérisation de l’actine et de la crénactine. La proximité entre profiline chez les archées et les eucaryotes renforce l’idée d’une proximité entre archées et eucaryotes. Il y’a un arbre phylogénétique qui est construit grace aux séquences de protéines des différentes profilines. Les séquences de profiline des archées sont très proches de celles qui sont présentes chez les eucaryotes. Si on compare les séquences des différentes molécules d’actine cette fois-ci, on va voir que l’on va construire un dendrogramme de ce type : On voit que la protéine MreB est assez loin de toutes les autres. En revanche la crénactine chez les archées est très proche de l’actine chez les eucaryotes. En revanche la MreB des archées est très loin des eucaryotes mais est très proche de la MreB des bactéries. L’archée partage donc des traits avec les bactéries et avec les eucaryotes. Cytosquelette des micro-organismes : Nous avons donc vu que le cytosquelette est présent chez les bactéries, les eucaryotes et les procaryotes. Le cytosquelette des archées est proche du cytosquelette des eucaryotes puisque tous les deux présentent des facteurs de régulation similaires. Le cytosquelette des archées renforce l’hypothèse que la cellule eucaryote est issue d’une endosymbiose d’une archée et d’une bactérie grâce à leur cytosquelette. Page 8 sur 48  b. Corps d’inclusion Toutes les cellules n’ont pas de corps d’inclusion mais ces dernières sont très importantes car elles permettent la survie dans des conditions défavorables. Les corps d’inclusion sont des granules de matière organique ou inorganique dans le cytoplasme libres ou entourés d’une membrane. Si le corps d’inclusion est organique, il y’aura forcément un emembrane. Corps d’inclusion inorganiques : Granules libres de polyphosphate : réservoir de phosphate en cas de besoin d’ATP, de polymérisation d’ADN etc.. Granules de soufre avec membrane : sulfure d’hydrogène donneur d’électrons pour la photosynthèse Granules de fer sous forme de magnétite avec membrane : magnétosome ou living magnet Corps d’inclusion organiques (toujours avec membrane) : Glycogène : polymère de glucose Poly-β-hydroxybutyrate (PHB) : réserve de carbone pour la production d’énergie et la biosynthèse On voit ici une cyanobactérie photographiée en microscopie électronique avec différents corps d’inclusion. Comme la bactérie est photosynthétique on retrouve un corps polyédrique qui est fait de rubisco. On a aussi des corps de polyphosphate libres, il n’y a pas de membrane autour. On voit également un autre corps d’inclusion qui s’appelle la cyanophycine, c’est un dimère d’acides aminés qui est utilisé comme source de carbone et d’azote, ces corps d’inclusins la présentent une membrane. Essayer de cacher la légende et de la retrouver sans regarder : déjà tombé à l’examen Pour rappel : Des photosynthèse non oxygéniques existent dans le groupe des bactéries photosynthétiques. L’exemple ci-dessous montre le cas des bactéries sulfureuses, qui utilisent l’énergie lumineuse pour oxyder de l’hydrogène sulfuré H2S et non pas de l’eau H2O. Ces bactéries produisent donc du soufre solide S qui se dépose sous forme de granules à l’intérieur des cellules. Page 9 sur 48  Nous allons maintenant parler des bactéries magnétotactiques. Ces bactéries sont capables de se diriger et de ressentir le champ magnétique. Cela est du au fait que ces bactéries contiennent des granules de fer mais c’est granules de fer ne sont pas n’importe où dans la cellule, ils sont polarisés. Si on regarde une bactérie magnétotactique on va voir que les granules de fer (magnétite) sont alignées à proximité de la membrane. On est capable d’isoler une chaîne de granules de fer à coté de la membrane, on appelle cela un magnétosome. Si on regarde de près on se rend compte que ces vésicules sont non seulement collées à la membrane mais en plus il y’a des filaments qui semblent les disposer de manière linéaire. Les bactéries ont donc un coté avec du fer et un coté sans fer. Les vésicules sont disposées le long de la membrane sur un seul coté. Le filament qui semble être là où les vésicules se disposent est un filament actine- like. Donc chez les protéines magnétotactiques on a une protéine qui est actine-like et qui s’appelle MamK. NB : actine-like veut dire homologue de l’actine. Si on mute MamK, on va voir que les granules se retrouvent dispersées dans la cellule donc il n’y a plus de polarité. Si on restaure le gène MamK chez l’individu à qui on l’avait muté, on voit que les granules sont à nouveau organisées. On en conclut que c’est bien MamK qui est responsable de l’organisation des granules de fer. MamK est le support du magnétosome. Pour former le magnétosome, on a internalisation du fer. En présence de fer, la bactérie va invaginer du fer jusqu’à former une vésicule et toutes les vésicules formées vont se disposer de manière alignée sur le filament MamK. Si il n’y a pas de fer à l’extérieur, la bactérie fait de l’internalisation de rien donc on se retrouve avec des vésicules vides. Les bactéries magnétitactiques vivent notamment dans les sédiments, le problème de ces bactéries magnétotactiques c’est qu’elles peuvent survivre et se multiplier que lorsque le taux d’oxygène n’est pas trop fort ni trop bas. La bactérie magnétotactique doit être capable de s’enfoncer dans les sédiments jusqu’à avoir le bon taux d’oxygène. Pour faire ça la bactérie va tout simplement se fier au champ magnétique terrestre, c’es grâce aux granules de fer que la bactérie va être capable de ressentir le champ magnétique terrestre et de s’orienter pour aller vers la bonne zone. Le problèmes est qu’il va ya avoir de plus en plus de couches de sédiments donc les bactéries ne seront plus bien placées et ils va falloir qu’elles se déplacent, donc soit elles vont suivre le champ magnétique terrestre pour aller se Page 10 sur 48 repositionner à la bonne profondeur, soit elles vont sentir le taux d’oxygène et elles vont se diriger vers l’endroit où le taux d’oxygène est correct. La capacité de s’orienter par rapport au champ magnétique est la magnétotaxie. La capacité de s’orienter en fonction du taux d’oxygène est l’aérotaxie. c. Nucléoïde : structure et fonctions Le nucléoïde est tout ce qui comprend le « paquetage » de l’ADN. Chez les bactéries il contient 60% d’ADN surenroulé, 30% d’ARN et 10% de protéines. On dit toujours qu’il n’y a pas d’histones chez les procaryotes, ce qui est vrai et faux à la fois puisqu’on n’a pas des histones à proprement parlé mais on a des histones-like chez les procaryotes. C’est-à-dire que l’on a des petites protéines qui vont avoir des rôles très proches du rôle des histones chez les eucaryotes. Les histones-like n’ont pas de relation de séquence avec les histones eucaryotes mais elles ont des fonctions similaires. Toutes les fonctions eucaryotes ne sont cependant pas retrouvées chez les bactéries. Les histones-like vont compacter l’ADN, introduire des surenroulements ou au contraire dérouler l’ADN. Le génome chez les bactéries se définit comme un chromosome par cellule mais le génome compte également des plasmides, le génome total est donc composé d’un chromosome + éventuellement des plasmides. Le chromosome correspond à un double brin d’ADN circulaire qui peut être attaché à la membrane plasmique par endroit. Il faut des protéines pour pouvoir compacter l’ADN bactérien. L’ADN d’une bactérie a une longueur qui est d’environ 1 mm, soit mille fois plus grand que la taille de la bactérie. Il est donc évident que l’ADN soit compacté pour être Page 11 sur 48 contenu par la cellule. De plus, cet ADN doit rester accessible pour la transcription, la réplication et d’autres fonctions. L’ADN bactérien est donc condensé (associé à des protéines) et surenroulé pour former le nucléoïde. Les topoisomérases ont pour rôle de réguler le surenroulement positif ou négatif de la molécule d’ADN. De cette structure émergent des boucles d’ADN qui partent d’une partie plus condensée. Le niveau de condensation est fonction de l’état actif (exprimé) ou inactif (silencieux) des gènes. Sur l’image de droite ci-dessus on voit un ADN observé au microscope électronique. Les petits points en noir sont des ribosomes. Quand il y’a plusieurs ribosomes accrochés les uns aux autres on appelle ça un polysome. Chez les bactéries un gène fait en moyenne 1kpb. E. coli a entre 4000 et 5000 gènes. Quelques ordres de grandeur : Saccharomyces cerevisiae (levure): 13 Mpb Homo sapiens (homme): 3 400 Mpb Arabidopsis thaliana: 157 Mpb Les bactéries ont un génome dont la taille est comprise entre 580 kpb et 10 Mpb. Page 12 sur 48  La taille du génome n’a rien à voir avec la complexité de l’organisme. Le chromosomes est le dépositaire majeur de l’information génétique. C’est lui qui code les fonctions vitales, il est le siège de l’expression génétique. La réplication de l’ADN chromosomique est : Semi-conservative Bidirectionnelle (1 origine OriC chez les bactéries, 1 (ou plus) origine(s) chez les Archées. Les origines sont riches en bases A et T). Semi-discontinue (avec les fragments d’Okasaki) Comment peut on arrêter les phénomènes de réplication et/ou de transcription bactérienne grâce à des antibiotiques ? Si on peut arrêter la réplication et/ou la transcription bactérienne on va pouvoir tuer des bactéries dans le cas d’une pathologie par exemple. La DNA gyrase : La DNA gyrase est une topoisomérase c’est-à-dire qu’elle est responsable du surenroulement de l’ADN chez les bactéries. On est capable de cibler cette gyrase en utilisant des quinolones. Les quinolones sont une famille d’antiobiotiques. Si on veut arrêter la réplication on peut attaquer cette DNA gyrase qui permet de dérouler l’ADN pour permettre la progression de l’ADN polymérase. Donc si on attaque cette DNA polymérase avec des quinolones il n’y aura plus de réplication car l’ADN ne sera pas déroulé et donc l’ADN polymérase ne pourra pas progresser. On aura donc inhibition de la réplication. Page 13 sur 48  La gyrase est une topoisomérase de type II. Les quinolones et fluoroquinolones agissent également sur les topoisomérase de type IV. Les gyrases sont des complexes moléculaires qui sont responsables de l’enroulement et du déroulement de l’ADN au moment de la réplication chez les bactéries. Les quinolones ou fluoroquinolones vont aller se fixer entre les sous-unités de cette gyrase et vont empêcher la topoisomérase d’être active. La rifampicine va aller bloquer l’ARN polymérase, l’inhibition va donc se faire au niveau de la transcription. La rifampicine va se lier directement sur l’ARN polymérase Chez la bactéries, beaucoup de gènes sont organisés en opérons (cf cours de biomol pour cette partie) Structure schématique d’un gène : Il n’y a pas d’introns dans les gènes bactériens, quelques introns ont été trouvé dans les gènes archéens. Pour 50% des gènes bactériens, la structure des gènes est en opéron. Cela permet une production concertée de protéines dont la fonction est reliée. Chez les bactéries la transription et la traduction se font en même temps, il y’a un couplage cytoplasmique. Page 14 sur 48 Structure de l’ARN polymérase chez les procaryotes : Chez les procaryotes l’ARN polymérase est constituée de 5 sous-unités. Il y’a une sous-unité qui est essentielle pour la liaison de cette ARN polymérase au niveau du promoteur. C’est le facteur σ qui va permettre à l’ARN polymérase de se lier au promoteur. L’ARN polymérase sans le facteur σ est le core enzyme, avec le facteur σ c’est l’holoenzyme. Chaque sous-unité a un rôle dans le complexe de l’ARN polymérase. Il y’a des sous-unités qui servent à l’assemblage du core, il y’a des sous-unités qui portent le site catalytique, il y’a des sous-unité qui lient les nucléotides. Le core-enzyme est capable de transcrire seul mais a besoin d’un facteur σ pour initier la transcription au bon endroit. Le facteur σ a un rôle de reconnaissance du promoteur. Il existe différents facteurs sigma qui permettent de reconnaitre différents promoteurs. Structure du promoteur bactérien : Le facteur sigma permet la reconnaissance du promoteur et se dissocie de l’ARN polymérase après l’initiation de la transcription. Le nombre de facteurs sigma varie selon les espèces bactériennes (7 chez E. coli). Ils permettent la transcription de gènes qui ne sont pas activés en temps normal (ex : réponse au stress thermique). Les ARN polymérases : Page 15 sur 48  On a des facteurs de transcription et des TATA binding proteins qui sont présents à la fois chez les eucaryotes et les archées. C’est un argument pour dire que les bactéries se sont différenciées des autres organismes, les autres organismes ont donné des archées et des eucaryotes et avant la différenciation entre les archées et les eucaryotes on a eu l’acquisition de certains facteurs. On a donc des protéines régulatrices qui sont intervenues avant la spéciation ebtre les archées et les eucaryotes et cette intervention des protéines régulatrices a eu lieu après la spéciation des bactéries. Inhibition de la synthèse des acides nucléiques : L’actinomycine est un antibiotique qui interfère avec l’élongation de l’ARN pendant la transcription. L’actonomycine est produite par des bactéries particulières que sont les actinomycètes. L’actinomycine va se fixer au voisinage du promoteur et va empêcher la fixation du complexe ARN polymérase sur le brin à transcrire. Tous les antibiotiques dont on vient de parler sont bactéricides, cela signifie qu’ils tuent les bactéries. Si on retire l’antibiotique les bactéries ne pourront rien faire puisqu’elles sont mortes. Il faut bien faire la différence avec les antibiotiques bactériostatiques qui arrêtent la division des bactéries mais si on enlève l’antibiotique bactériostatique les bactéries vont pouvoir continuer à se diviser. d. Les ribosomes : structures et fonctions Que ce soit chez les eucaryotes ou chez les procaryotes les ribosomes ont 2 sous- unités. Chez les eucaryotes le ribosome fait 80S tandis que chez les procaryotes il fait 70S. Les sous-unités ribosomiques sont composées d’ARN et de protéines. Chez les procaryotes on a une sous-unité de 30S et une sous-unité de 50S : Grande sous-unité 50S : ARNr 23S + 5S + 31 protéines ribosomales Petite sous-unité 30S : ARNr 16S + 21 protéines ribosomales Le ribosome est un complexe enzymatique que l’on appelle le ribozyme. Le chloramphénicol va inhiber les ribosomes bactériens. L’anisomycine va inhiber les ribosomes archées et eucaryotes. Le fait que le chloramphénicol n’inhibe que les ribosomes bactériens va permettre de traiter certaines infections bactériennes chez l’humain, en effet on n’a rien à craindre car le chloramphénicol n’inhibe pas les ribosomes eucaryotes. Le nombre de ribosome par cellule varie énormément en fonction de l’activité de la cellule. Dans certaines études on peut aller jusqu’à 55 000 ribosomes par cellule. Mais il est difficile de donner un nombre précis. Page 16 sur 48  Pour les quantifier on identifie un gène codant pour une protéine ribosomique, on modifie ce gène de manière à ce que la protéine qui en sera issue soit produite sous forme d’une protéine de fusion. C’est-à- dire que le gène a été couplé à un gène de fluorescence ainsi la protéine ribosomique produite va être fluorescente. On pourra donc plus facilement compter les spots de fluorescence à l’intérieur de la cellule. Il y’a plusieurs mécanismes d’action possibles pour inhiber la synthèse protéique. On peut agir sur la petite sous-unité ou sur la grande sous-unité du ribosome. On peut bloquer le site E et du coup les ARNt vont rester bloquées à l’intérieur du ribosome. On peut bloquer l’arrivée de l’ARNt au niveau de site A. Il y’a pleins de possibilités. Macrolides et apparentés : Liaison de façon réversible à la sous-unité 50S des ribosomes (site P) inhibant la transpeptidation et la translocation. Aminosides : Fixation sur la sous-unité 30S du ribosome. o A concentration subthérapeutique : erreurs de lecture o à concentration thérapeutique : inhibition de l’élongation de la chaîne peptidique en bloquant le complexe d’initiation Chloramphénicol : Attachement à la sous-unité 50S (au site A) empêchant l’attachement des aminoacyl-ARNt au site A du ribosome Tétracyclines : Fixation réversible à la sous-unité 30S des ribosomes empêchant l’attachement des aminoacyl-ARNt au site A du ribosome. Les quinolones, l’actinomycine et la rifampicine sont des bactéricides tandis que les macrolides, les aminosides, le chloramphénicol et les tétracyclines sont des bactériostatiques. Eléments de structures cellulaires en faveur de l’arbre phylogénétique du vivant proposé par Woese (1977) : aaARNt initiateur de la traduction = formylMet ARNt (bact.) vs Met ARNt (arch., euc.) ribosomes : sensibles au chloramphénicol (bact.) vs sensibles à l’anisomycine (arch., euc.) fixation du complexe ARN polymérase : facteur σ (bact.) vs TATA binding protéines (arch., euc.) nombre de sous-unités de l’ARN polymérase : 5 + facteur σ (bact.) vs 10 à 15 (arch., euc.) facteurs de régulation (profiline) des filaments du cytosquelette homologues entre archées et eucaryotes Page 17 sur 48  B) Enveloppes a. La membrane plasmique : composition, structure et fonctions Il y’a beaucoup de points communs entre la membrane plasmique des eucaryotes et la membrane plasmique des procaryotes. La membrane plasmique est composée de 50% de lipides (dont des phospholipides) et de 50% de protéines chez les bactéries. La membrane plasmique est en quelques sortes un océan de lipides dans lequel baignent des protéines. L’épaisseur de la membrane plasmique est d’environ 10 nm. Le lipide majoritaire dans la composition de la membrane plasmique est le phospholipide que ce soit pour les eucaryotes, les procaryotes, ou les archées. Les phospholipides sont composés d’une tête polaire. Il y’a un orthophosphate qui est greffé sur le groupement polaire. L’orthophostphate est lié au carbone 3 d’une molécule de glycérol. Les deux autres carbones du glycérol sont en liaison soit ester soir éther avec deux alcools gras ou deux acides gras. Chez les bactéries on a des acides gras liés au glycérol par des liaisons ester. Chez les archées on a des alcool gras (isoprénoïdes) ramifiés liés au glycérol par des liaisons éther. Il y’a une différence fondamentale entre les archées et les bactéries concernant la structure du phospholipide. Sur le schéma on peut voir le phospholipide des archées en haut et le phospholipide des bactéries en bas. Chez les archées on dit que les chaînes d’alcools gras sont branchées (ramifiées). Les chaînes ramifiées vont créer un encombrement stérique. Il y’a une résistance à beaucoup de réactions chimiques de la liaison éther par rapport à la liaison ester. La liaison ester est beaucoup plus réactive. La liaison éther va permettre une meilleure résistance dans des milieux hostiles d’un point de vue chimique. C’est aussi plus résistant à la chaleur. De plus on retrouve le plus souvent les archées dans des milieux hostiles. Ces acides gras et ces alcools gras vont pouvoir différer en termes de longueur et de nombre d’insaturations. Généralement on trouve très peu d’insaturations chez les archées. Chez les bactéries on va avoir des acides gras qui peuvent être mono-insaturés ou poly-insaturés. Page 18 sur 48  Il y’a entre 14 et 20 carbones dans les chaînes d’acides gras des bactéries. Ce nombre correspond à la moitié de l’épaisseur de la membrane plasmique puisque cette membrane est une bicouche lipidique. La tête polaire des ohospholipides peut être : L’éthanolamine La sérine La choline La tête polaire la plus classique est la choline, elle va donner la phosphatidylcholine. La diiférence majeure entre ces têtes polaires est la charge. Par exemple chez la choline on a une charge + ce qui va nous donner un phospholipide zwitterionique c’est-à- dire que la charge globale est nulle, en effet il y’a une charge négative sur le phosphate et une charge positive sur la choline. Si on prend le glycérol on va avoir un phospholipide chargé négativement (il existe des phosphatidylglycérol). Il y’a 3 grands goupes de bactéries et 2 des 3 grands groupes de bactérie correspondent à des bactéries à gram + et des bactéries à gram -. Ces bactéries sont différentes pour pleins de caractéristiques, entre autres au niveau des charges des phospholipides. E.coli est la représentante des bactéries à gram-. Bacillus subtilis est le représantant des bactéries à gram+. On voit que E.coli contient beaucoup de phosphatidyl éthanolamine. L’éthanolamine confère des phospholipides qui seront zwitterioniques. Page 19 sur 48  Chez bacillius subtilis on voit qu’on a beaucoup de phospholipides anioniques et beaucoup moins de phospholipides zwitterioniques. Généralement les bactéries à gram positif ont une membrane qui est plus négative et les bactérie à gram positif ont une membrane qui est négative mais moins que chez les bactéries à gram positif. Il existe tout de même des exceptions à cette règle. D’un point de vue organisationnel on va se retrouver avec des membrane différentes chez les archées et chez les bactéries. Chez les bactéries on a une bicouche classique qui ressemble à celle des eucaryotes. Pour une fois il y’a plus de similarité sur la forme de la membrane entre eucaryotes et bactéries que entre eucaryotes et archées. Ce n’est donc pas une caractéristique en faveur de l’arbre phylogénétique. Chez les archées il y’a une grande différence d’organisation parce que l’on a des phospholipides qui ont des liaisons éther ainsi que des branchements sur les alcools gras mais en plus on a des phospholipides qui traversent carrément la membrane. On a donc des endroits de la membrane où on a bien 2 feuillets et on a des endroits où on a des phospholipides qui traversent. Et là on est plus dans le concept de la mosaïque fluide avec 2 feuillets. La fluidité va être diminuée dans les zones où on a des phospholipides qui traversent la membrane. En plus comme les chaînes d’alcool gras sont branchées cela va augmenter la rigidité de la membrane. Tout cela est en faveur d’une meilleure résistance vis- à-vis de l’environnement extérieur. Les phospholipides vont avoir différents mouvements au sein de la membrane. Le mouvement le plus rapide est un mouvement de balancelle des chaînes d’acides gras. On a la diffusion latérale, c’est-à-dire que les Page 20 sur 48 phospholipides vont bouger dans le plan latérale de la membrane plasmique. On a aussi des mouvements de constrictions de la membrane, cela permet à la bactérie de s’adapter à la taille des protéines qui vont être enchâssées dans la membrane. Le phospholipide peut aussi effectuer une rotation sur lui-même. Enfin il y’a le mouvement de flip-flop, ce mouvement est très rare et est plus lent que les autres mouvements. Thermodynamiquement ce mouvement est très défavorable car la tête polaire va devoir traverser une zone hydrophobe. Pour une membrane plasmique on peut définir une température de fusion (Tm= melting temperature). La température qui correspond à 50% de matière sous état solide et 50% de matière sous état fluide est la température de fusion Tm. Cette courbe peut être modulée avec du cholestérol, c’est ce que l’on appelle un tampon de fluidité. Avec le cholestérol on aurait une courbe qui va s’aplatir. Il est important pour la bactérie d’avoir un état fluide quelque soit la condition environnementale. L’état fluide permet le mouvement des protéines dans cette mer de lipides. Les protéines doivent pouvoir bouger et changer de conformation dans cet mer de lipides pour pouvoir assurer leurs fonctions. Par exemple E.coli peut vivre dans un environnement à 37°C comme dans un environnement à 20°C. Cela est possible grâce aux acides gras, plus on augmenter la longueur des acides gras plus on aura un effet important sur la fluidité. Plus on augmente le nombre de carbones de la chaîne d’acides gras plus la température de fusion diminue donc on passe plus facilement à un état fluide. De plus, le degrés d’insaturation va également avoir un effet sur la fluidité. On voit que l’oléate a une insaturation et sa température de fusion est extrêmement basse. E.coli va donc réguler la composition de sa membrane en augmentant ou en diminuant la proportion d’acides gras insaturés en fonction de la température extérieure. E.coli a un ratio saturé/insaturé égale à 1,6 à 42°C c’est-à-dire qu’à cette température il a plus d’acides gras saturés qu’insaturés. En revanche à 27°C ce ratio saturés/insaturés est égal à 1. Page 21 sur 48 Stérols ou Hopanes : renforcement de la membrane La plupart des bactéries n’ont pas de cholestérol, il y’en a seulement quelques-unes qui en possède, certains scientifiques disent même qu’une des différences entre les bactéries et les eucaryotes est que les eucaryotes ont du cholestérol et pas les bactéries. Les bactéries qui ont du cholestérol sont les suivantes : Méthanotrophes Spirochètes Mycoplasmes Quand la bactérie a du cholestérol, il est vital pour elle. C’est-à-dire que leur survie n’est pas possible en l’absence de cholestérol dans le milieu. Les stérols (ou équivalents) servent de tampon de fluidité (très important en absence de paroi) et servent également à rigidifier certaines zones de la membrane (solidité de la membrane). Il n’y a pas de cholestérol chez les archées, il n’y a pas non plus d’hopanoïde. L’hopanoïde est le composant le plus représenté chez toutes les bactéries qui n’ont pas de cholestérol, ça «remplace » le cholestérol chez les bactéries. On pense que l’hopanoïde pourrait jouer un rôle de tampon de fluidité chez les bactéries qui n’ont pas de cholestérol. Protéines membranaires : transport et métabolisme Il existe des protéines intrinsèques et des protéines extrinsèques. Protéines extrinsèques: Faiblement liées à la membrane Présentes sur 1 des 2 faces Protéines intrinsèques: Ancrées ou transmembranaires Fortement liées à la membrane Transmembranaires donc présentes sur les deux faces Les protéines sont essentiellement liées à la membrane par des liaisons de type hydrophobes et des liaisons de type électrostatiques. Page 22 sur 48  Lorsque l’on veut récupérer des protéines extrinsèques pour les analyser il suffit d’augmenter la concentration saline et les protéines se décrochent. Le sel va entrer en compétition avec les interactions électrostatiques. On peut aussi jouer sur le pH. Lorsque l’on a une protéine intrinsèque elle est soit transmembranaire soit ancrée. Dans les 2 cas on ne peut pas les défaire des lipides avec du sel ou en jouant sur le pH. Il faut absolument utiliser des détergents. Pour les protéines intrinsèques, la partie qui se trouve dans la bicouche lipidique aura un caractère hydrophobe et la partie qui sera à l’extérieur aura un caractère hydrophile. Ce sont des molécules amphiphiles c’est-à-dire qu’ils ont une partie hydrophobe et une partie hydrophile. Ancrage des protéines dans les membranes : Dans la membrane plasmique les protéines intrinsèques transmembranaires traversent pratiquement tout le temps avec une hélice alpha. Pour les protéines intrinsèques ancrées, elles sont essentiellement liées par une lipidation N-terminale de la protéine ce qui va permettre l’ancrage. Pour les protéines extrinsèques, ce sont des interactions de type électrostatiques ou de types hydrophobe. Soit on a une boucle de la protéine qui est hydrophobe et qui interagit avec les lipides du feuillet de la membrane, soit on a une hélice qui va avoir une particularité d’être à la fois hydrophile et hydrophobe, ce genre de protéines sont des protéines amphipathiques. Cela signifie que l’on a un eu un repliement secondaire qui a mis les acides aminés hydrophiles d’un coté et les acides aminés hydrophobes de l’autre. Alors que dans le cas des molécules amphiphiles les cotés hydrophobes et hydrophiles sont déjà séparés dans la structure primaire. Fonctions de la membrane plasmique chez les bactéries La membrane plasmique va avoir plusieurs fonctions : Contrôle de la perméabilité Transport Conversion énergétique Métabolisme Sécrétion des protéines Page 23 sur 48  Chez les bactéries la conversion d’énergie se fait dans la membrane plasmique alors que chez les eucaryotes cela se fait dans la mitochondrie, il faut se rappeler que la mitochondrie est une ancienne bactérie. Il y’a des transports actifs et des transports passifs, seuls les transports actifs nécessitent de l’énergie pour fonctionner. Les transports passifs font intervenir des transporteurs qui n’ont pas besoin d’énergie pour fonctionner. Il existe aussi une diffusion simple pour des petites molécules qui vont pouvoir traverser à travers la membrane sans passer par une protéine de transport. Cependant il n’existe que très peu de molécules qui traversent la membrane sans l’aide d’un transporteur. Parmis les transport passifs on a les canaux, on a également lestransporteurs carrier qui change de conformation lorsqu’ils sont liés à un ligand. Pour les transport actifs il y’a beaucoup de système différentes, on a des pompes ou encore des ABC transporteurs qui sont très courants chez les bactéries. Chez les ABC transporteurs on a une sous-unité qui fixe le ligands, et on a au moins deux autres sous- unités qui forment la perméase c’est-à-dire le canal dans lequel vont passer les molécules. Pour tranverser cet ABC transporteur il faut de l’énergie et le composé ne pourra être transporté que si il y’a de l’énergie et ce transport pourra être effectué contre le gradient de concentration. La membrane plasmique constitue une barrière perméable et sélective, elle va permettre le transport des élements nutritifs et des déchets. La membrane plasmique est perméables aux : Petites molécules Molécules hydrophobes L’eau passe peu voir pas la membrane plasmique. Page 24 sur 48  La vitesse de diffusion d’une molécule est proportionnelle : Au gradient de concentration A l’hydrophobicité de la molécule La vitesse de diffusion d’une molécule est inversement proportionnelle à sa taille. Les molécules chargées ne peuvent pas diffuser à travers la membrane. Plus une molécule est hydrophobe plus elle passera facilement la membrane plasmique. Les protéines membranaires sont indispensables pour le transport des éléments nécessaires à la cellule. La membrane plasmique est le siège de processus métaboliques. Elle est le sièges de plusieurs activités enzymatiques (transporteurs, enzymes, etc…). Chez les bactéries la chaînes de transporteurs d’électrons qui va permettre de fournir de l’ATP se trouve dans la membrane plasmique. Il y’a une diversité dans les protéines qui constituent les chaînes de transfert d’électrons donc ça ne sert à rien de les apprendre parce que ça change d’une bactérie à l’autre. La membrane plasmique n’est pas assez spécifique chez les bactéries donc il n’y a pas d’antibiotiques qui visent spécialement la membrane plasmique bactérienne et qui ne seraient actifs contre les membranes plasmiques eucaryotes. Les seules antibiotiques qui agissent contre la membrane plasmique bactérienne vont avoir un effet aussi sur la membrane plasmique eucaryote. Ces antibiotiques ont des effets détergents, parmi ces antibiotiques détergents il y’a les polymyxines et la daptomycine. Ces deux antibiotiques ont une préférence pour les membranes plasmiques bactériennes que pour les membranes plasmiques eucaryotes mais on n’a pas un effet zéro sur les membranes plasmiques eucaryotes. Ce qui donne cette différence d’affinité pour ces antibiotiques est la présence de cholestérol dans la membrane eucaryote. La polymixine par exemple va agir essentiellement sur les membranes plasmiques qui n’ont pas de cholestérol. Page 25 sur 48  b. La paroi Structure des enveloppes des bactéries et des archées : Il y’a deux grandes classes de bactéries : Les bactéries à gram positif + Les bactéries à gram négatif – Il y’a cependant une troisième classe chez les bactéries qui correspond aux mollicutes. Chez les archées il y’a seulement les gram+ et les gram-. Comment différencie-t-on un gram+ d’un gram - ? Toutes les bactéries ont une membrane plasmique, c’est une structure obligatoire.Au- dessus de la membrane plasmique on a une paroi de peptidoglycanes uniquement chez les bactéries gram- et gram+, il n’y en a pas chez les mollicutes. Ce qui différencie les gram- des gram+ est le fait que les gram- ont une membrane externe par-dessus la paroi. Donc il y’a deux membranes séparées par une paroi pour les gram négatives et une seule membrane surmontée d’une paroi chez les gram positives. Néanmoins chez les bactéries à gram négatif la paroi est très fine et très lâche. Chez les mollicutes il y’a seulement une membrane. Le tout peut être recouvert de structures facultatives comme des capsules polysaccharidiques. On peut également trouver une couche pariétale composée de (glyco)protéines c’est ce que l’on appelle la couche S. Pour les archées c’est un peu différent. Les archées positives ont une membrane, une paroi et une couche pariétale de surface tandis que les archées négatives ont une membrane et une couche pariétale de surface. Page 26 sur 48 Coloration de Gram Monsieur Gram a mis au point une technique de coloration qui permet de classer les bactéries en gram+ ou gram-. Les bactéries gram+ prennent la coloration tandis que les bactéries gram- ne prennent pas la coloration. Pour cette coloration on prend un premier colorant qui est aspécifique qui est le crystal violet. Ce colorant va entrer dans toutes les bactéries qu’elles soient gram+ ou gram-. Ce crystal violet va colorer toutes les bactérie en violet. Ensuite on met une solution de iodine pour fixer la coloration. Ensuite on va mettre un décolorant, pour cela on va utiliser de l’éthanol, en effet l’éthanol va décolorer les bactéries mais pas toutes. Les bactéries gram+ ont une paroi très épaisses donc l’alcool ne va pas rentrer efficacement dans cette paroi donc l’alcool ne va pas réussir à décolorer les bactéries à gram positif. En revanche les bactéries à gram négatif ont une paroi lâche et fine donc l’alcool va pouvoir entrer aisément dans la bactérie et la décolorer. La dernière étape est une étape de contre-coloration, c’est-à-dire que l’on va ajouter un deuxième colorant qui n’est pas plus spécifique que le premier comme la safranine qui va colorer toutes les bactéries en rose. Cependant comme les gram+ n’ont pas été décolorées elles vont rester violettes et la coloration à la safranine ne se verra pas sur les bactéries à gram positif. Par contre les bactéries à gram négatif ont été décolorées donc elles vont devenir rose après la coloration à la safranine. A la fin on se retrouve avec les gram+ en violet et les gram- en rose. Le point de différence fondamental entre ces deux bactéries est leur enveloppe et pas réellement la coloration. En effet leur différence réside dans l’épaisseur de la paroi. 1ère partie : structure de la paroi bactérienne : peptidoglycane/ acides téichoïques/ LPS Page 27 sur 48  On voit sur l’image précédentes des schéma des enveloppes bactériennes des bactéries gram+ et gram-. On voit la membrane plasmique faite de phospholipides et de protéines transmembranaires. On voit des lipoprotéines qui sont ancrés dans la membrane plasmique. On voit que la paroi est épaisse chez les bactéries à gram+ et fine chez les bactéries à gram-. Et on a une membrane externe uniquement chez les bactéries à gram-. De plus on a la présence d’acides lipotéichoïques et d’acides téichoïques qui ne sont présents que chez les bactéries à gram +. Et on a des lipoprotéines qui sont ancrés dans le feuillet interne de la membrane externe des bactéries à gram-. La membrane externe des bactéries à gram- va porter des lipides très particuliers qui sont des lipopolysaccharides, les lipopolysaccharides sont spécifiques des bactéries à gram-. Nous allons voir de plus près les composants de la paroi de peptidoglycanes. La composante de base de cette paroi est donc le peptidoglycane que l’on appelle aussi la muréine. La paroi est faite de sucres et d’acides aminés. Elle est faite d’un enchaînement linéaire de sucres spécifiques que sont les NAG ou G (pour N-acétyl glucosamine). On a un deuxième sucre qui est le NAM ou M (pour acide N-acétylmuramique). Ces deux sucres sont reliés par une liaison β1-4. On trouve également des acides aminés dans la paroi de peptidoglycanes notamment les suivants : Glycine Alanine Lysine Acide glutamique Acide diaminopimélique (DAP) La paroi de peptidoglycane est donc faites de chaînes linéaires de sucres (un polymère de sucres) qui vont être cross-linkées par des chaînes d’acides aminés. Schéma de la paroi : Page 28 sur 48  On voit sur le schéma que l’on a une alternance de NAM et de NAG dans les chaînes de sucres. Au niveau des NAM on va avoir des tetrapeptides de 4 acides aminés. On remarque que tous les NAM ne vont pas forcément porter une chaîne tétrapeptidique. Cependant chez les bactéries à gram+ presque tous les NAM vont porter une chaîne tétrapeptidique. Chez les bactéries à gram- on a moins de chaînes linéaires de sucres et moins de ponts. En effet entre 2 chaines tétrapeptidiques issues de 2 chaînes de sucres adjacentes on a une liaison. Cette liaison peut être directe c’est-à-dire que l’on a un acide aminé d’une chaine de tétrapeptide qui est lié de manière covalente à un acide aminé de l’autre chaîne de tétrapeptide. On peut aussi avoir un pont interpeptide qui est composé d’acides aminés. Chez les bactéries à gram- la liaison entre 2 chaînes tétrapeptidiques est directe tandis que chez les bactéries à gram+ on va avoir un pont de peptides entre 2 chaînes térapeptidiques. Synthèse de la paroi de peptidoglycane : Il y’a 3 grandes étapes à la synthèse ce cette paroi. 1. La première étape est cytoplasmique, on va avoir besoin de synthétiser des précurseurs de la paroi. 2. Ensuite il va y avoir une étape membranaire, il faut que ces précurseurs traversent la membrane 3. Enfin il y’a une étape pariétale (dans la paroi) qui va permettre d’assembler les différents précurseurs La synthèse de la paroi a lieu quand la paroi d’une bactérie est endommagée ou bien lorsque la bactérie se divise. Page 29 sur 48  Dans le cytoplasme de la bactérie on a des gènes spécifiques de la synthèse de la paroi qui sont exprimés. Ces gènes vont permettre la production de 2 types de molécules. Soit du NAM donc le sucre lié avec une chaîne pentapeptidique c’est-à-dire qu’il y’a 5 acides aminés greffés sur le NAM, puis on a du NAG. La forme active de ces molécules précurseurs sont liées à de l’UDP. Ces deux molécules activées (donc liées à de l’UDP) vont être prises en charge au niveau de la membrane par des molécules transporteurs, ces molécules transporteurs sont des lipides. On a un lipide qui s’appelle le lipide 2 qui va prendre en charge les précurseurs et va permettre à ces précurseurs de traverser la membrane. Le lipide 2 va donc amener les précurseurs de coté intracellulaire vers le coté extracellaire de la membrane vers la paroi. Il va ensuite falloir des enzymes qui vont prendre les précurseurs et qui vont les lier à la paroi en cours de construction. Il y’a plusieurs types d’enzymes qui vont intervenir. On a une première enzyme qui va être une glucosyltransférase. Cette enzyme va s’occuper de faire les liaisons sucre-sucre. Il faut aussi des enzymes qui font le pontage, cela va être assuré par les transpeptidases qui vont lier un pentapeptide à un tétrapeptide. On a donc un pentapeptide qui va se retrouvé lié à un tétapeptide, il y’a un acide aminé en trop dans le pentapeptide qui va devoir être éliminé. Il y’a donc des hydrolases qui vont enlever cet acide aminé en trop. Les transpeptidases ont un autre nom qui est : peniciline binding protein (= protéines qui lient la péniciline). On les appelle comme ça car lorsque l’on traite une infection avec de la péniciline on inhibe l’étape de transpeptidation. La péniciline va se lier à la transpeptidase et va inhiber cette transpeptidase. A l’intérieur de la cellule ils se passent de nombreuses étapes de synthèse pour arriver aux précurseurs. Il y’a différents gènes qui sont impliqués dans la synthèse de la paroi. Ce sont les gènes MurA, MurB, MurC, etc.. qui interviennent dans la synthèse des précurseurs. La transglycosylase va lier les sucres adjacents entre eux. Page 30 sur 48 Les antibiotiques qui ciblent la synthèse de la paroi : Β-Lactamines (Pénicilines, céphalosporines, carbapénèmes, monobactam) : fixation qux PLP « protéines liant la péniciline », enzymes (transpeptidase) de la membrane cytoplasmique impliquées dans la phase terminale de l’assemblage du peptidoglycane. Inhibition de la transpeptidation Glycopeptides (Vancomycine, Teicoplanine) : inhibition de la synthèse du peptidoglycane en formant des complexes avec les résidus peptidyl-D Ala-D qui sont des précurseurs du peptodoglycane. Lorsque ces deux précurseurs émergent de la membrane cytoplasmique il y’a l’antibiotique qui va former un complexe avec ces précurseurs et ces derniers ne vont pas pouvoir être intégrés à la paroi qui est en cours de synthèse. Fosfomycine : interfère avec l’étape de synthèse des précurseurs. Elle va interférer avec l’enzyme qui permet de fixer le pentapeptide sur le sucre NAM. Ces antibiotiques sont des antibiotiques bactéricides pour les bactéries qui sont en train de synthétiser de la paroi. Ces antibiotiques ne fonctionneront pas pour les bactéries qui sont en phase stationnaire de croissance et qui ne fabriquent donc pas de paroi. Il existe un antibiotique naturel qui est le lysosyme. Il est présent dans la salive ou les larmes par exemple. Cet antibiotique va interférer avec les liaisonS β 1-4. Le lysozyme va lyser la liaison entre le NAM et le NAG qui sont liés par une liaison β 1-4. C’est une action qui ne nécessite pas que la bactérie soit en pleine synthèse de paroi pour que l’antibiotique soit efficace. La paroi de peptidoglycane va conférer une fonction de résistance à la cellule bactérienne, une résistance mécanique vis-à-vis de la pression osmotique. Si on met la bactérie dans une solution hypotonique il est possible que de l’au rentre dans la bactérie et la paroi va contenir la membrane de manière à ce que la bactérie n’éclate pas. Si on met la bactérie dans une solution hypertonique il y’a une perte d’eau possible et dans ce cas la paroi va permettre de retenir la membrane pour ne pas qu’elle s’affaisse. Page 31 sur 48 Les fonctions de la paroi : Résistance mécanique (pression osmotique etc…) Morphologie cellulaire : maintien de la forme Fixation phage (virus) et adhésion (gram+) Composants spécifiques de la paroi des bactéries à Gram positif : les acides (lipo-) téichoïques : Ces acides téichoïques sont spécifiques des bactéries à gram+. Ces acides sont des polymères qui peuvent porter une châine lipidique ou non. Ce polymère est fait d’un sucre de phosphate et de molécules d’alcool répétés n fois, sur l’alcool il y’a des résidus qui sont liés qui peuvent être soit des acides aminés soit d’autres sucres. Et ce motif est répété n fois. Ce polymère peut être lipidé ou pas. Fonctions des acides téichoïques : maintien et régulation de la concentration en cations (due aux charges négatives présentes dans le phosphates et aux charges positives présentes dans certains des acides aminés), les cations vont pouvoir se fixer à des endroits précis dans la paroi. C’est un moyen de réguler la concentration en cations aux alentours de la cellule bactérienne. ancrage du peptidoglycane à la membrane plasmique étant donné qu’ils traversent tout le peptidoglycane (acides lipotéichoïques) adhésion aux surfaces (biofilms et cellules hôtes) fonction d’antigène (reconnaissance par macrophages) reconnaissance et fixation des phages Page 32 sur 48 Composants spécifiques de la paroi des bactéries à gram négatif : Chez les bactérie à gram négatif on a une membrane externe qui est une bicouche phospholipidique. Il y’a des protéines transmembranaires de cette membrane externes donc on ne retrouvera pas ces protéines en question dans la membrane interne, c’est le cas des porines par exemple. On a des lipoprotéines qui se trouvent dans le feuillet interne de la membrane externe. On a aussi la présence de lipides particuliers que sont les lipopolysaccharides (LPS). On a ici le schéma d’un LPS. Il faut retenir que la membrane externe est faite essentiellement de phospholipides. Le LPS est fait de beaucoup plus de chaînes d’acides gras que ce que l’on a vu dans la membrane plasmique classique. Chez E.coli par exemple on a 6 chaînes d’acides gras. Ces chaînes d’acides gras sont reliées à des sucres plus complexes que le glycérol. Après cette couche de phosphoglycosamine acide gras on a une suite de sucres qui est assez conservée d’une espèce à l’autre, c’est ce que l’on appelle le cœur polysaccharidique (core saccharide). Il y’a un sucre particulier qui n’est retrouvé que chez les bactéries dans le cœur saccharidique qui est le KDO (pour 2-keto-3-deoxy-octonate). La chaîne latérale O est spécifique à chaque souche bactérienne. De plus cette chaîne latérale O a de fortes fonctions antigéniques. NB : bien connaitre les 2 images de cette page, surtout la première avec les légendes et tout. Page 33 sur 48  Il faut retenir que le lipide A est une toxine responsable des chocs anaphylactiques. Lorsque la bactérie est lysée elle va libérer plein de LPS et en particulier le lipde A qui va avoir un effet toxique (anaphylactique). Le lipide A n’est toxique que lorsque la bactérie est lysée. Le lipide est est ce que l’on appelle une endotoxine. Choc anaphylactique: Le choc anaphylactique est une réaction allergique immédiate, grave et généralisée qui affecte l'organisme dans son ensemble. Fonctions des LPS : feuillet externe de la membrane externe fonction d’antigène 0 (reconnaissance par macrophages) reconnaissance et fixation des phages endotoxine (lipide A) chez bactéries à Gram négatif productrices de toxines, c’est-à- dire qu’il y’a un composant de la bactérie qui est toxique que lorsqu’il est libéré par la lyse de la bactérie adhésines dans la formation de biofilm chez les bactéries à Gram négatif Les fonctions des LPS sont finalement très proches des fonctions des acides téïchoiques chez les gram+. Les porines : Dans la membrane externe on a la présence de porines. Les porines vont permettre la diffusion de différents composés. Ces porines sont des protéines qui ont des structures très particulières en trimères qui forment un pore au milieu un peu comme un tonneau. Les paroies du tonneau sont des feuillets β. Le trimère traverse toute la membrane externe et au centre on a un canal, ce canal va être spécifique à un composé. Par exemple on a des porines qui laissent passer des antibiotiques. Il faut bien comprendre que la membrane externe des bactéries à gram négatif n’est pas la barrière de perméabilité majeure. C’est la membrane plasmique interne qui a ce rôle là. Tout ne passe pas cette membrane externe pour autant. Il y’a toute une diversité de composés qui sont transportés par les porines. Chaque porine va avoir une spécificité. Page 34 sur 48 Diversité de fonctions de la membrane externe : Les siderophores sont des composés qui sont excrétés par la bactérie et qui captent le fer à l’extérieur pour le ramener à la cellule. Il existe aussi des porines qui permettent l’évacuation des molécules toxiques pour la bactérie. Hormis ces fonctions de transport on a aussi des fonctions catalytiques notammentd es activités hydrolytiques. Il y’a des porines qui sont des nucléases, des lipases, des peptidases, etc… Parfois la porine peut assurer une fonction hydrolytique ET une fonction de transport. Une dernière fonction de certaines porines est leur implication dans l’adhésion. En effet certaines porines permettent l’adhésion aux cellules de l’hôte, on parle ici évidemment des bactéries qui colonisent des hôtes. Une fois qu’une molécule est passée à travers par la porine il faut encore que cette molécule diffuse à travers la paroi de peptidoglycane puis arrive au niveau de la membrane plasmique et ait son transporteur spécifique pour pouvoir être intégrée du côté cytoplasmique. On a donc un couplage des transports entre la membrane externe et la membrane plasmique. Par exemple la porine LamB peut permettre la diffusion du glycérol et du maltose (donc un alcool et un sucre). Une fois que le maltose passe par exemple, il est prit en charge par une protéine qui est présente dans la paroi qui est la protéine MalE. La protéine MalE est finalement une sorte de transporteur dans la paroi. MalE va donc transporter le maltose jusqu’à la membrane plasmique. Dans la membrane plasmique on va avoir un transporteur dédié au maltose. Dans le cas du maltose, ce transporteur est de type ABC. Les transporteurs de type ABC sont très spécifiques et demandent de l’énergie sous forme d’ATP. Pour ce qui est du glycérol, il traverse à travers LamB mais il diffuse tout seul dans la paroi. Il va ensuite être transporté par des transporteurs de type perméase dans la membrane plasmique. Le glycérol est donc transporté de manière passive. Page 35 sur 48 En résumé : NB : bien connaitre ce tableau Exceptions : La paroi est présente chez les gram+ et les gram-. Mais il y’a une 3ème classe de bactéries que sont les mollicutes qui sont ni gram+ ni gram-. Si on faisait une coloration de gram sur ces mollicutes elles apparaitraient en rose, en effet les mollicutes n’ont pas de paroi donc on arriverait à les décolorer. Selon la coloration les mollicutes seraient donc des bactéries à gram négatif sauf que phylogénétiquement ça n’a aucun sens car les mollicutes dérivent de bactéries à gram positif. Les mollicutes sont des bactéries très simples mais très évoluées, c’est la ligne d’évolution la plus longue chez les bactéries. Les mollicutes sont issus d’une voie d’évolution de simplification contrairement à nous les humains qui nous sommes complexifiés en évoluant. Chez les mollicutes les génomes se sont réduits donc ils ont perdus pleins de voies de biosynthèse dont celle de la formation de la paroi de peptidoglycane. Mais à l’origine l’ancêtre du mollicute est une bactérie à gram positif. Nous savons que une des fonctions de la paroi est de maintenir la forme des bactéries. Si jamais on inactive les gènes de synthèse de la paroi chez E.coli par exemple, la cellule va devenir ronde. La paroi est donc le déterminant majeur de la morphologie cellulaire. Le cytosquelette est aussi un déterminant de la morphologie cellulaire. Chez les mollicutes on a pas de paroi mais il y’a certains mollicutes qui ont une forme bien définie avec ce que l’on appelle un type, ils ont une sorte de forme de poire. Chez ces mollicutes on a des cytosquelettes qui sont très spécifiques comme chez le mollicute ci-contre. Page 36 sur 48  Dans ce cytosquelette il n’y a pas une seule MreB. Il n’y a pas de rapport d’homologie avec les cytosquelettes d’actine, c’est un autre système. Néanmoins il existe certains mollicutes qui contiennent de l’actine-like. Remarque : le nombre de gènes nécessaires à la survie d’une bactérie se trouve entre 400 et 500 gènes, mycoplasme pneumoniae n’est pas loin de se nombre. ( un gène représente environ 1000 pb) Chez les mollicutes on a une membrane plasmique et éventuellement une capsule. La plupart des mollicutes n’ont même pas de capsule. La composition de la membrane plasmique des mollicutes est très proche de la composition de la membrane plasmique des cellules eucaryotes. En effet les mollicutes ne savent pas faire leur acides gras, ils ne savent que très peu faire des lipides ce qui fait qu’ils pompent tout chez leurs hôtes qui sont les cellules eucaryotes. Les mollicutes sont des parasites d’eucaryotes. Les molliutes sont naturellement insensibles à la péncilline et au lysozyme étant donné que les mollicutes n’ont pas de paroi. 2ème partie : Structure de la paroi archéenne Quand on fait une coloration de gram sur les archées on va avoir archées qui seront colorées en rose qui seront à gram- et des archées qui seront colorées en violet qui seront donc à gram+. Les archées à gram- n’ont pas de paroi. Mais elles ont une S-Layer. La S-layer est une couche pariétale de surface. Chez les archées gram+, on a une paroi et cette paroi n’est pas faite également de la même structure que celle des bactéries. Chez les bactéries on a vu que la paroi était faite de muréine, chez les archées la paroi est faite de pseudo-muréine. Ni les archées gram+ ni les archées gram- n’ont 2 membranes. Mais on a une S-layer chez quasiement toutes les archées. Chez les archées à gram négatif il y’a un grand espace entre la S-layer et la membrane plasmique alors que cet espace est comblé chez les archées à gram positif par une pseudo- muréine qui est une paroi. S-layer : composition La S-layer est une couche de surface qui est faite de protéines OU (pas « et ») de glycoprotéines, il n’y a pas de lipides. Ces protéines OU glycoprotéines sont souvent ancrés dans la membrane surtout chez les archées à gram négatif (cf schéma un peu plus haut). L’ancre est également protéique. Page 37 sur 48  Si on regarde une archée en microscopie on voit que sa surface est quasi cristaline. En fait ce sont les complexes protéiques qui sont très fortement attachés les uns aux autres pour former une sorte de coque qui est la couche S. La couche S s’autoassemble à partir des monomères protéiques et forme une structure quasi- cristalline à la surface des archées. Cette structure est relativement résistante et contribue à la capacité à coloniser des environnements hostiles. On voit qu’il y’a quand même des petits trous qui correspondent à différents types de pores dans cette structure. Ces pores permettent de laisser passer les nutriments essentiels à la cellule. Pseudomuréine (ou pseudopeptidoglycane) : composition et structure La pseudomuréine est composée de NAG, par contre il n’y a plus de NAM, à la place il y’a un acide acétyltalosaminuronique. Dans cet acétyltalosaminuronique on a l’amine qui est greffé sur le carbone 4 et la liaison entre les deux sucres est une liaison de type β1-3. Le lysozyme n’aura donc aucun effet sur cette liaison. Une des différences notables entre les bactéries et les archées est que le lysozyme n’a pas d’action sur les archées. Dans cette pseudomuréine on a également une chaîne d’acides aminés qui est greffée sur le sucre qui remplace le NAM. La composition de cette pseudomuérine est très proche de la composition de la muréine mais il y’a un sucre qui diffère et les acides aminés ne sont pas les mêmes. NB : il est très fréquent que l’on demande de dessiner la formule de la paroi des bactéries avec NAM, NAG etc… Fonctions de la paroi archéenne : Résistance mécanique (pression osmotique,…) Morphologie cellulaire: maintien de la forme Adhésion aux surfaces (biofilms et cellules hôtes) Page 38 sur 48  III. Les structures facultatives Toutes les bactéries n’ont pas de structures facultatives mais c’est structures sont tout de même très importantes pour la survie des bactéries, la colonisation de certains environnement, la protection de la bactérie, la défense ou encore la mobilité. On a ici le schéma d’une cellule végétative c’est-à-dire la cellule bactérienne classique. Il existe de nombreuses structures facultatives : les carboxysomes les pigments les chromatophores la capsule les plasmides les grains de réserve la spore les flagelles les pili les vacuoles les molécules de mobilité Dans ce cours nous traiteront seulement le cas de la spore et du flagelle. Nous parlerons rapidement des pili car ils ont la même origine que les flagelles. A) La spore (ou endospore) La spore n’a rien à voir avec la cellule végétative. Une grande différence entre les champignons et les bactéries est que chez les bactéries la spore est une spore de résistance. En effet chez les bactéries les spores vont permettre de résister à des conditions hostiles pendant un certain moment, c’est une sorte de vois d’hibernation. Chez les champignons les spores sont un moyen de reproduction. On trouve la majorité des spores chez les bactéries à gram positif mais il y’a quelques bactéries à gram négatif qui en font quand même. La plupart des bactéries qui font des spores sont des bactéries en bâtonnet mais il y’a des exceptions. En gros ceux qui sont le plus de spores sont les bactéries à gram+ en bâtonnet. Les spores vont permettre de résister à des conditions sévères (ex : chaleur, radiations UV, agents biocides ou biostatiques). On peut identifier une bactérie rien qu’en regardant où est la spore quand elle est en train de se former dans la bactérie. Page 39 sur 48  On dit que la spore peut être : Terminale Subterminale Centrale Déformante ou non La bactérie va former une spore à l’intérieur de son cytoplasme. La bactérie qui est entrain de fabriquer une spore est appelé un sporange. Sporange = cellule mère + spore En microscopie il est compliqué de voir les spores si elles ne sont pas déformantes. Lorsque l’on fait une coloration de gram on ne colore pas la spore car cette dernière est entourée de plusieurs couches très résistantes et le colorant ne passe pas à travers toutes ces couches. Pour faire une coloration de spores il faut utiliser des colorants qui vont avoir une affinité pour l’intérieur de la spore, c’est le cas par exemple du vert de malachite ou de la coloration de Wirtz. Spore (ou endospore) : composition chimique La spore est un cytoplasme particulier qui est entouré de pleins d’enveloppes de résistance. Si on regarde dans ce cytoplasme on voit qu’il est déshydraté. On a de très fortes concentrations en calcium qui sert à garder le cytoplasme en forme d’hibernation. On a également une forte concentration d’acide dipicolinique qui permet d’augmenter la concentration en calcium ce qui permet d’avoir une thermorésistance. On a également beaucoup de protéines acido-solubles (SASP), ces dernières se mettent autour de l’ADN et le protège contre la dégradation. Dans ce cytoplasme on a donc un nucléoïde qui est très protégé par des petites protéines acides qui sont liées autour de ce nucléoïde. La spore contient quand même un peu d’eau mais cette eau se trouve dans certaines des enveloppes notamment le cortex qui est composé de 80%. Mais il y’a moins de 20% d’eau dans le cytoplasme de la spore. Le fait qu’il y’ait peu d’eau dans le cytoplasme de la spore permet à la spore d’avoir une plus grande résistance à la chaleur. Spore : structure Exosporium : lâche, fragile, non présent chez toutes les espèces sporulantes Tunique : formée de plusieurs couches protéiques, épaisse et imperméable. Elle confère à la spore sa résistance aux produits chimiques. Page 40 sur 48  Cortex : peut occuper plus de la moitié de la spore, contient un peptidoglycane particulier, entoure les structures classiques comme la membrane plasmique, les ribosomes et le nucléoïde La paroi des spores est une barrière infranchissable aux antibiotiques NB : apprendre le schéma de la spore Formation de la spore : sporulation A gauche on a le cycle végétatif c’est-à-dire lorsque la cellule ne forme pas de spore. La cellule se divise par fission binaire. A droite on a le cycle de formation de la spore. L’ensemble du phénomène dure environ 7 à 10 heures. C’est un mécanisme de différenciation qui fait intervenir plus d’une cinquantaine de gènes. Ce cycle va être activé notamment lorsqu’il va y avoir des conditions défavorables comme un manque de nutriment, une chaleur extrême ou la présence d’antibiotique par exemple. La sporulation commence par une duplication de l’ADN, dans ce cas là on est en présence d’une spore terminale. Il y’a un chromosome qui va aller au niveau de la spore et on va avoir la formation d’un septum qui va séparer la future spore du reste de la cellule mère. Une fois que l’on a formation du septum on va avoir une invagination qui va permettre le dépôt de cortex autour de la future spore. On va ensuite avoir maturation de cette future spore avec le dépôt des tuniques. Lorsque la synthèse de la spore est terminée on va avoir une lyse de la cellule mère. A ce moment là la spore va être libérée et quand les conditions seront à nouveau favorables la spore va à nouveau donner une cellule végétative qui va repartir dans un cycle végétatif. Une spore peut rester endormie pendant plusieurs années pour certaines espèces et être capable de repartir dans un cycle végétatif même après une période aussi longue. Page 41 sur 48 Endospore : germination La germination correspond à la levée de la dormance lorsque les conditions sont favorables. Il y’a 3 grandes étapes à cette germination : 1. Activation : Lyse de la tunique sporale par agent mécanique (choc, abrasion), physique (chaleur huminde), ou chimique (acidité). 2. Initiation : Elimination du cortex et hydratation. Pour cela il faut que le milieu soit riche en métabolites effecteurs : alanine, adénosine, magnésium. 3. Excroissance (ou émergence) : phase active de biosynthèse d’ADN, de protéines, etc… On va donc avoir une émergence d’une nouvelle cellule végétative et reprise de la croissance végétative. Certaines boites de conserves ou certains produits laitiers peuvent contenir des spores ce qui peut être un problème. Il faut donc être capable de stériliser à la fois les cellules végétatives et les spores. La tyndallisation est le seul procédé efficace pour éliminer les spores. Il s’agit d’un processus de stérilisation qui est discontinu et modéré puisqu’il va falloir chauffer 30 minutes à 60°C toutes les 24H au moins 3 fois. Lorsque l’on chauffe la première fois à 60°C on tue uniquement les cellules végétatives, ce moment là on n’a pas tué les spores. Ensuite lorsque l’on arrête de chauffer, les spores vont trouver que le milieu est favorable et vont germer pour donner des cellules végétatives, on va donc pouvoir les tuer lors du 2ème chauffage. On le fait au mois 3 fois pour être sur. B) Le flagelle : appendice de motilité Motilité bactérienne : capacité physiologique de certaines bactéries à effectuer des mouvements. Chimiotactisme : Mouvement en réponse à des molécules attractives ou répulsives. Les différents types de motilité : Glissement social = glissement à plusieurs Page 42 sur 48 1ère partie : flagelle bactérien En fonction du nombre et de la disposition des flagelles on distingue différentes classes de bactéries. On distingue 4 classes différentes de bactéries en fonction des flagelles : o Monotriche o Amphitriche (amphi = de part et d’autre) o Lophotriche (lopho = quelques) o Péritriche (péri = autour) « triche » veut dire poil. Flagelle bactérien : architecture, caractéristiques Il y’a une différence de structure du flagelle entre les bactéries à gram+ et les bactéries à gram-. En effet le flagelle va être ancré dans la membrane plasmique il va donc devoir traverser la paroi. Comme les enveloppes sont différentes entres les bactéries à gram+ et les bactéries à gram-, on va avoir une différence de structure du flagelle au niveau de la traversée de l’enveloppe. Néanmoins la forme générale du flagelle est assez similaire chez les bactéries à gram+ et chez les bactéries à gram-. On a un grand filament et un crochet qui est relié à un corps basal. Le corps basal correspond à ce qui permet de traverser l’enveloppe. On a un crochet qui permet d’avoir l’orientation du flagelle et on a le filament qui va permettre la propulsion. Ensuite il y’a des anneaux qui permettent l’ancrage du flagelle au niveau de l’enveloppe. Page 43 sur 48  Dans le cas de la bactérie gram- on va avoir 4 bagues qui permettent l’ancrage du flagelle au niveau de l’enveloppe. Une première bague est au niveau de la paroi (anneau P) et une autre est au niveau de la membrane externe (anneau L). Les 2 autres bagues se trouvent au niveau de la membrane plasmique (anneaux MS et C). Chez les bactéries à gram+ on ne va avoir que 2 bagues au niveau de la membrane plasmique (anneaux MS et C). Le flagelle est un appendice extracellulaire creux de plusieurs dizaines de micromètres. Il a un diamètre de 20nm et est composé de 3 parties : le corps basal, le crochet et le filament. On ne voit pas les flagelles en microscopie optique car ils sont trop fins. Il faut observer en miscroscopie électronique pour voir correctement les flagelles. Flagelle bacérien : composition Si on faisait une coupe transversale du flagelle on verrait ce type de structure. On voit qu’il y’a 11 protofilaments et ces 11 protofilaments forment le flagelle. Chaque protofilament est fait de flagelline. Les protofilaments peuvent avoir 2 grandes configurations et en fonction du nombre de chacune de ces deux configurations d’un coté ou de l’autre on va avoir une torsion plus ou moins importante de la structure hélicoïdale. Flagelle bactérien : assemblage Il y’a 2 gènes importants qui sont les gènes FliC et FliD. Le gène FliC code pour la protéine qui s’appelle FliC mais qui s’appelle aussi flagelline. Donc FliC est la flagelline. Le gène FliD va coder pour la protéine qui s’appelle FliD mais qui s’appelle aussi protéine K ???. Le flagelle est formé de 3 grandes parties : - La zone basale qui enchasse le système dans l’enveloppe bactérienne - Le crochet - Le filament qui est la structure longue et creuse qui permet de flageller Le gène FliD va être important pendant la synthèse du filament. Tout au bout du flagelle il y’a une protéine, cette protéine c’est FliD. Pendant la synthèse d’un filament il va falloir assembler tous les monomères de flagelline pour en faire un protofilament. C’est FliD qui se situe au sommet de la structure de filament qui va permettre d’arranger et de conformer les monomères de flagelline au fur et à mesure qu’ile arrivent.La protéine FliD a une activité chaperonne, elle permet en tournant de bien positionner les nouveaux monomères qui arrivent au fur et à mesure. Page 44 sur 48  La protéine FliD a une forme globulaire avec 5 pattes. Ces 5 pattes ne suffisent pas pour bien s’intégrer en haut du filament, il reste un trou. Lorsque le monomère de flagelline arrive au niveau de ces 5 pattes il va être forcé de passer par ce trou qui reste. Au fur et à mesur on va ainsi pouvoir former le filament. La protéine FliV va tourner et un autre monomère de flagelline va passer par le nouveau trou formé. La vitesse de formation du flagelle est de 50 monomères de flagelline par seconde. FliD a donc une activité importante dans la synthèse du filament et en même temps que FliD place correctement les monomères de flagelline elle les replie correctement. Les gènes FliD et FliC sont essentiels à la motilité. Remarque : la formation de ce flagelle ne nécessite pas d’ATP Flagelle bactérien : fonction Le flagelle peut tourner grâce à sa base. Le filament est accroché à la base par un crochet. Le crochet va donner une orientation au filament. Au niveau de la base il faut que ça tourne donc on a un moteur. Ce moteur est fait de 2 parties : un stator et un protor. Le stator est formé des bagues qui permettent l’ancrage et le protor est formé par les protéines mot. Ces protéines mot sont essentielles pour que le stator puisse tourner. Ces protéines mot vont transformer l’énergie du gradient de protons en énergie de rotation de la base du flagelle. Ce n’est pas l’ATP qui est responsable de la rotation de la base du flagelle, en effet c’est la force protomotrice qui l’est. En revanche dans les cellules eucaryotes les flagelles sont mobiles grâce à l’énergie de l’ATP (exemple : spermatozoïde). La nage de la bactérie est beaucoup due au hasard. La bactérie va avoir des periodes de nage et des périodes de culbute. Les cultubes vont permettre à la bactérie de changer de direction. Les bactéries peritriches ont des flagelles un peu partout autour de la cellule. Ces flagelles vont se rejoindre à l’arrière de la bactérie pour former un faisceau et ce faisceau de flagelles va avoir une forme hélicoïdale. Lorsque ce faisceau tourne dasn le sens inverse des aiguilles d’une montre le faisceau avance. Si ça tourne dans le sens inverse des aiguilles d’une montre Page 45 sur 48 tous les flagelles vont se séparer les uns des autres et on n’aura plus de faisceau, c’est ce qui va provoquer le mouvement de culbute de la bactérie et donc le changement de direction. C’est le hasard qui règle le mode de nage des bactéries. Chez les bactéries qui sont monotriches on a qu’un seul flagelle, si ce flagelle tourne dans le sens des aiguilles d’une montre la bactérie va vers l’avant et si le flagelle tourne dans le sens inverse des aiguilles d’une montre la bactérie va vers l’arrière. Pendant le temps d’arrêt entre les deux la bactérie a changé de direction. La bactérie est capable grâce au chimiotactisme d’aller vers des sources de molécules attractives ou au contraire de s’éloigner de sources de composés répulsifs. C’est ce que l’on appelle le chimiotactisme. Le problème c’est que la nage bactérienne est beaucoup due au hasard. On remarque néanmoins que si on est dans un milieu isotrope les parties linéaires de nage sont assez courtes, la bactérie change assez fréquemment d’orientation. Par contre quand on met une source à la droite de la bactérie on va voir que cette dernière va augmenter la longueur des parties linaires. La bactéries va quand même faire des culbutes mais moins souvent. Les mouvements de culbutes vont quand même être utiles puisqu’ils vont permettre à la bactérie de préciser la zone d’où vient le gradient de substrat atractif. Dans son enveloppe la bactéries a des récepteurs qui acceptent des méthyls. Ces récepteurs vont capter soit des molécules répulsives soit des molécules attractives. Il existe des senseur dans l’enveloppe qui sont capables de lier des molécules soit attractives soit répulsives. Une fois que ces récepteurs lient un ligand, cela va entrainer une phosphorylation du récepteur et il est capable de transférer sa phosphorylation à des effecteurs qui sont dans le cytoplasme. Ici ces effecteurs s’appellent CheA et CheW. Page 46 sur 48 Che pour chémotaxie. Ces Che vont induire, après plusieurs étapes de signalisation, la rotation du flagelle. Il y’a toute une cascade de signalisation qui va aboutirau sens de rotation du flagelle. Il y’a ensuite un mécanisme de feed back, ici c’est CheB et CheR, qui vont pouvoir déméthyler le récepteur. Le niveau de méthylation dépend du nombre de récepteurs saturés par le ligand. Cela signifie que l’on peut relier les niveaux de méthylation du récepteur avec la quantité de ligands qu’il y’a à l’extérieur et c’est comme ça que la bactérie sait si la concentration est plus forte ou moins forte que la fois précédente. Le niveau de méthylation du récepteur est dépendant de la saturation des récepteurs à la surface. La bactérie va être capable en fonction du niveau de méthylation d’avoir une idée de la concentration extérieure en nutriment en question. La régulation se fait au niveau du niveau de méthylation qui permet d’avoir une image comparative par rapport à la fois d’avant. Il y’a des récepteurs chez les bactéries qui peuvent ressentir le taux d’oxygène ou la lumière (phototaxie). Des systèmes de sécrétion au flagelle : On a ici différents complexes de sécrétion de molécules. Il y’a des structures qui permettent le transfert d’ADN, de sécréter des toxines, des enzymes etc… A gauche on a les structures qui dépendent du système sec, c’est-à-dire que l’on a un système commun à toutes ces structures de sécrétion. A droite on a ceux qui sont indépendants su système sec. Page 47 sur 48  On s’est rendu compte que le type III a globalement la même structure que le flagelle. Donc d’un point de vue évolutif le flagelle dérive vraisemblablement d’un système de sécrétion de type III. Sur l’image ci-dessous on a une comparaison entre un système de sécrétion de type II d’une salmonelle et un flagelle. On voit que globalement on a une structure similaire malgrés quelques différences. Donc d’un point de vue évolutif le flagelle dériverait d’un sstème de sécrétion de facteur de virulence qui est le type III des facteurs de virulence. 2ème partie : flagelle archéen ou archaellum Chez les archées le flagelle est plein à la différence du flagelle bactérien qui lui est creux. Ce flagelle fait 10 à 12 nm. L’énergie qui est nécessaire à la rotation du flagelle archéen est l’ATP. Le flagelle archéen ne ressemble pas non plus au flagelle eucaryote. Page 48 sur 48