Cours de Microbiologie: Anatomie Fonctionnelle et Structurale des Bactéries (PDF)

```markdown ## TC: MICROBIOLOGIE ### COURS 3: ANATOMIE FONCTIONNELLE ET STRUCTURALE DES BACTÉRIES 18/01/2023 2022-2023 --- ## I. Structure générale des bactéries ### Structures essentielles et facultatives des bactéries * La morphologie et les structures bactériennes sont variables en fonc...

```markdown ## TC: MICROBIOLOGIE ### COURS 3: ANATOMIE FONCTIONNELLE ET STRUCTURALE DES BACTÉRIES 18/01/2023 2022-2023 --- ## I. Structure générale des bactéries ### Structures essentielles et facultatives des bactéries * La morphologie et les structures bactériennes sont variables en fonction de l'espèce, du genre et de l'environnement. * Mais il existe des caractéristiques générales communes. * Le cytoplasme, incluant les ribosomes. * L'appareil nucléaire, nucléoïde: * Il renferme l'information génétique. * Il n'y a pas de noyau. La transcription et traduction se déroulent en même temps dans le cytoplasme, permettant le développement rapide des bactéries. * La membrane cytoplasmique, jouant un rôle d'enveloppe. Elle est assez similaire à celle des eucaryotes et renferme le cytoplasme. * La paroi bactérienne (sauf mollicutes) jouant également un rôle d'enveloppe autour de la membrane cytoplasmique * Les appendices filamenteux: pili, flagelle et fimbriae. * Les plasmide, constituant de l'information génétique complémentaire. * La capsule jouant un rôle d'enveloppe. * La couche S jouant un rôle d'enveloppe. * Les mésosomes et inclusions cytoplasmiques. *Illustration of a typical bacterial cell structure. Key components such as Pili, Capsule, Cell wall, Cytoplasmic membrane, Cytoplasm, Nucleoid, Ribosome, Plasmide, and Flagellum are labelled.* --- ## II. Paroi des bactéries ### A. Exploration de la paroi Comment explorer la nature de la paroi ? * Étude de la structure en microscopie électronique. * Étude de la structure chimique et moléculaire. * Coloration de Gram (mise en place par le médecin danois Hans Christian Gram), explorée grâce à de la microscopie optique (grossissement x 1000): | Etapes | Gram positif | Gram negatif | | :---------------------------------------------------------- | :-------------- | :-------------- | | Prélèvement par frottis | | | | ① Coloration au violet de Gentiane | Couleur violette | Couleur violette | | ② Passage au lugol (produit iodé) | Couleur violette | Couleur violette | | ③ Décoloration ménagée à l'alcool/acétone | Couleur violette | Incolore | | ④ Surcoloration ou Contre-coloration à la safranine ou à la fuschine | Couleur violette | Couleur rose | Les bactéries Gram + (notées G+) prennent la coloration de Gram et apparaissent en violet. Les bactéries Gram - (notées G- ou parfois Go) ne prennent pas la coloration de Gram et apparaissent en rose. --- ### B. Structure, composition et rôles de la paroi bactérienne * Structure essentielle retrouvée de façon constante chez les bactéries (chez les Bacteria). * Il s'agit d'une structure protégeant la membrane cytoplasmique. * Exception: Les Mycoplasma sont des bactéries dépourvues de paroi. * Elles sont fragiles et sensibles aux conditions hostiles du micro-environnement). * Détermine la forme, la taille, la morphologie des bactéries. * Protège la cellule grâce à sa rigidité. Elle constitue une couche externe solide protégeant contre les dégâts mécaniques, la lyse osmotique, les variations de pH, de température et les radiations. * Interface avec le milieu extérieur: c'est un tamis moléculaire agissant en barrière de perméabilité à certaines substances, en particulier les antibiotiques. Joue aussi un rôle actif dans la régulation de l'entrée et la sortie des ions et molécules. * Interface avec les cellules hôtes: composants pariétaux impliqués dans la physiopathologie des infections: Lipopolysaccharide des bactéries Gram-, adhésines, etc. * Cibles des antibiotiques: * Les ẞ-lactamines ciblent les enzymes impliquées dans la synthèse du peptidoglycane. * Certains antibiotiques pénètrent dans la bactérie au travers de protéines, les porines. | Bactéries Gram + | Bactéries Gram - | | :--------------------------------------------------------------------- | :---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- | | Une seule membrane, la membrane plasmique entourant le cytoplasme. | Deux membranes: | | C'est une bicouche lipidique, composée de deux feuillets: un feuillet interne et un feuillet externe. | \* Une membrane externe vers l'extérieur. | | La membrane est entourée d'une épaisse couche de peptidoglycane: entre 40 et 60 couches. | Une membrane plasmique entourant le cytoplasme. | | Le peptidoglycane et la membrane plasmique sont séparés par un espace périplasmique. | Ce sont deux bicouches lipidiques, chacune avec un feuillet interne et un feuillet externe. | | | Les deux membranes sont séparées d'un espace périplasmique au sein duquel se trouve une fine couche de peptidoglycane. | *Diagram of cell wall structure in Gram-positive and Gram-negative bacteria, showing components such as lipidic bilayer, peptidoglycan, acids, lipoproteins...* | | Gram + | Gram - | | :----------------------------------- | :------------------------------------------------------------------------------------------------------- | :----------------------------------------------------------------------------- | | Peptidoglycane | (+++) | Peptidoglycane. | | Acides téichoïques/acides teichuroniques. | Acides téichoiques/acides teichuroniques ni d'acides teichuroniques. | | | Acides lipotéichoïques. | Acides lipotéichoiques Pas d'acides lipotéichoiques. | | | Polysaccharides. | Polysaccharides | | | Il peut y avoir ou non des protéines. | Protéines. | | | Pas de lipides. | Lipides. | | | Pas de lipopolysaccharides. | Pas de lipoprotéines. | | | Pas de lipoprotéines | Polysaccharides. | | --- ### C. Le peptidoglycane ou muréine * Part importante dans la fonction de protection. * Responsable de la forme, de la rigidité, de la taille et de la solidité de la bactérie. * Protection de la membrane cytoplasmique. * C'est une macromolécule entourant et protégeant la bactérie. * Trois éléments de structure forment un réticulum ou un réseau réticulé plus ou moins dense: * Les chaines glycaniques. * Les chaines latérales tétrapeptidiques qui relient les chaines glycaniques. * Les ponts inter-peptidiques qui relient les tétrapeptides. * Composées de 10 à 65 sucres. Elles forment le squelette. * Unités répétitives de NAG (= N-acetylglucosamine) liées en $\beta$ 1-4 avec du NAM (= acide N-acetylmuramique). Ce sont des unités spécifiques du peptidoglycane. Ces chaînes sont dégradées par le lysozyme (sécrétions animales). * On parle aussi de tétrapeptide. Ils relient les chaines glycaniques. * C'est un oligopeptide de 4 acides aminés dont certains sont de la série D: * 1: souvent L-Ala * 2: souvent D-Glu * 3: souvent un Acide aminé diaminé: L-Lys ou mDAP (= acide mésodiaminopimélique). * AA4: TOUJOURS une D-Ala * Le tétrapeptide est fixé au résidu lactyl du NAM. * Remarque: la synthèse se fait sous forme d'un pentapeptide avant clivage de l'AA5. * Les tétrapeptides adjacents sont liés par des ponts inter-peptidiques = réticulation. * Liaison du $3^{e}$ acide aminé d'un tétrapeptide avec le $4^{e}$ acide aminé d'un autre. * Le pontage est direct ou par l'intermédiaire d'un oligopeptide (Gly, L-Ala, etc.). * Le nombre de pont est variable et explique la solidité ou non du peptidoglycane. *Illustration of the peptide chain in peptidoglycan, showing NAG, NAM, L-AA1, D-Ala, etc. and the bonds between them, with the text: Interpeptidic connection.* * Il existe une variabilité entre les bactéries G+ et G-dans: * Les acides aminés constitutifs du tétrapeptide. * Les ponts inter-peptidiques reliant les tétrapeptides. * La fréquence de réticulation (grandes différences entre espèces). * Exemple : La paroi de Staphylococcus aureus est très réticulée, et donc très rigide. * La quantité de peptidoglycane et le nombre de couches. | Paroi des bactéries Gram + | Paroi des bactéries Gram - | | :----------------------------------------------- | :--------------------------------------------- | | Grande richesse en peptidoglycane. | Moins riche en peptidoglycane. Its represents the 10% of the cell wall.. | | Il représente 50 à 80% de la paroi. | Represents the 10% of the cell wall. | | Nombreuses couches de peptidoglycane (40 à 60). | Peu de couches de peptidoglycane (1 à 3). | | Le peptidoglycane est très réticulé. | Le peptidoglycane est moins réticulé. | --- | Exemples de peptidoglycanes | | :------------------------------- | | Exemple de bactérie Gram +: Staphylococcus aureus | | Exemple de bactérie Gram - Escherichia coli | *Graphic diagram of the examples of peptidoglycan of the Gram + Staphylococcus aureus and the Gram - Escherichia coli bacterium.* ### Synthèse du peptidoglycane Le peptidoglycane est une structure dynamique: il se détruit et est synthétisé en continu. Ce caractère dynamique permet une multiplication rapide des bactéries. Par exemple, dans de bonnes conditions, *E. coli* présente un temps de génération de 20 minutes (il faut 20 minutes pour que la population double). Les autolysines ont un rôle primordial, réalisant une dégradation ménagée du peptidoglycane pour réintégrer les blocs dans la synthèse et ainsi faire des économies d'énergie, en particulier lors de la division. La synthèse du peptidoglycane se déroule en trois étapes. 1. Etape cytoplasmique * Synthèse d'un précurseur UDP-NAM-Pentapeptide dans le cytoplasme bactérien. 2. Etape membranaire * Undécaprényl-phosphate: c'est un transporteur permettant de franchir la barrière phospholipidique. * Undécaprényl-pyrophosphate-NAM-(Pentapeptide)-NAG, également un autre transporteur * Grâce à ces transporteurs, il y a externalisation des précurseurs. * Deux enzymes sont essentielles à cette étape: * La transpeptidase: établit les ponts inter-peptidiques. * La carboxypeptidase: produit l'énergie nécessaire pour rompre la liaison D-Ala et passer d'un pentapeptide à un tétrapeptide (coupure entre D-Ala (4) et D-Ala (5)). Remarque: ces enzymes vont être les cibles des beta-lactamines et leurs modifications par mutation peut conduire à une apparition de résistances. 3. Etape pariétale ### Antibiotiques agissants sur la paroi La synthèse du peptidoglycane est la cible de nombreuses familles d'antibiotiques. * Fosfomycine * Elle inhibe la synthèse de NAM. * Cible les G+ et G- * Glycopeptides * Se fixent à la région D-Ala-D-Ala des précurseurs du peptidoglycane et inhibent la synthèse pariétale par encombrement stérique. * $\beta$-lactamines * Agissent sur les transpeptidases et les carboxypeptidases → inhibent la synthèse du peptidoglycane. * Elles agissent à la fin de l'étape pariétale. --- ### D. Composants spécifiques de la paroi des bactéries Gram + ### Les acides téichoiques * Ils n'existent que chez les bactéries Gram +. * Ce sont des polymères riches en phosphates enchâssés dans le peptidoglycane : * Polyglycérolphosphates (PGP). * Polyribitolphosphate (PRP). * Ils sont liés au peptidoglycane. * Ils peuvent être substitués avec un D-Glu ou un D-Ala (formation d'une liaison ester). * 5 à 10% des acides téichoïques sont liés au C6 d'un NAM par l'intermédiaire d'un triglycérol-P-glucosamine. * Les acides téichoïques sont enchâssés dans le réseau réticulé. * Ils n'atteignent pas la membrane plasmique. * Ce sont des structures antigéniques car ils dépassent du peptidoglycane et peuvent ainsi être en contact avec les cellules eucaryotes. * La synthèse est complexe et il existe une diversité importante dans la nature des acides téichoïques. *Illustration of the acids of teichoic and the plasmatic membrane in Gram + bacteria.* | | | | :------------- | :-------------------------------------------- | | Structural | Liaison et intrication dans le réseau du peptidoglycane. | | Charge négative | Présence d'ions $PO_4^{2-}$ captant les cations. | | Capture des cations | Forte affinité sélective pour le $Mg^{2+}$. | | | Implication des enzymes de la membrane cytoplasmique. | | Immunogène | Formation d'anticorps impliqués dans le diagnostic de certaines infections bactériennes. | | | Dégradation ménagée de la paroi. | | Adherence | Extrémité en contact avec les cellules eucaryotes. | | | Par exemple, les streptocoques adhèrent ainsi à la dentine. | ### Les acides lipotéichoiques * Plus longs que les acides téichoïques → traversent entièrement la paroi et sont enchâssés à la membrane cytoplasmique. * Présents chez certaines bactéries G+ ayant des acides téichoïques. * Ils sont constitués de 25 à 30 unités de PGP (PolyGlycérolPhosphates) liés par des liaisons 1-3 phosphodiesters. * Ils peuvent être substitués avec un D-Glu ou un D-Ala. * L'ion $Mg^{2+}$ assure la cohésion entre les acides lipotéichoiques et la membrane cytoplasmique. * Fixés à la membrane cytoplasmique par des glycolipides (diacylglycérol + sucres) insérés dans la membrane. * Ils jouent un rôle important dans l'adhérence des bactéries aux surfaces. * Exemple: *Streptococcus mutans* (cocci G+) adhère à la dentine et peut provoquer des caries dentaires *Illustration of the acids lipoteichoic and the plasmatic membrane in Gram + bacteria.* --- ### Polysaccharides neutres de la paroi des Gram + * Ce sont des structures facultatives et spécifiques des bactéries Gram +. * Ils sont neutres et non acides. * Les polysaccharides neutres se lient au carbone 6 (C6) d'un NAM du peptidoglycane. * Les polysaccharides neutres jouent un rôle structural et antigénique majeur. * Ils peuvent être caractéristiques de groupes de bactéries et permettre leur identification. * Exemple: Le groupage de Lancefield, aussi nommé typage de Lancefield, mis au point par Rebecca Lancefield permet de détecter et de classer les streptocoques sur la base de leur polyoside C. * Streptocoques de groupe A : ils présentent un L-rhamnose-N-acetylglucosamine. * Streptocoques de groupe C : ils présentent un L-rhamnose-N-acetylgalactosamine. * Cette classification a permis la mise au point du Docteur test: c'est un TDR (= test de diagnostic rapide) qui permet de savoir si une angine est d'origine bactérienne (20 % des cas) ou virale (80 % des cas). *Illustration of various tests for bacterial or viral infection recognition.* ### Protéines de la paroi des bactéries Gram + * Ce sont des protéines de structure ou des enzymes. * Elles sont de nature et de quantité variables en fonction de la bactérie. * Exemple: Protéine M des streptocoques du groupe A * C'est une protéine pariétale, détectée par un test EMM * Partie C terminale dans la paroi. * Partie N-terminale à l'extérieur de la paroi. * Rôle dans la virulence (= capacité à infecter un hôte et s'y multiplier) de *Streptococcus pyogenes*. * Elle protège la bactérie de la phagocytose. * Exemple: Protéine A du staphylocoque doré. * C'est une protéine fibrillaire avec une partie incluse dans la paroi et une partie à l'extérieur. * Elle est liée au peptidoglycane par l'extrémité C-terminale. * Elle se lie au fragment Fc des immunoglobulines G (ou IgG). * Le système immunitaire ne peut plus repérer la bactérie et celle-ci évite alors la phagocytose par opsonisation. ### E. La membrane externe, caractéristiques des bactéries Gram - | | | | :--------- | :------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ | | Généralités | La membrane externe est une bicouche lipidique à deux particularités: | | | Forte asymétrie et présence de Lipopolysaccharides (LPS). | | Feuillet externe | Contient entre autres du LPS .Les LPS sont spécifiques du feuillet externe de la membrane externe. | | Feuillet interne | il est composé de phospholipides. | *Illustration of the gram-negative bacteria outer membrane composed of components like LPS, proteins, and phospholipids.* --- ### 1. Les porines * Les porines sont des protéines enchâssées dans la membrane externe. * Elles permettent le passage de divers composés au travers de la membrane externe. * Ces canaux sont également utilisés pour faire pénétrer des antibiotiques. * Par conséquents, les mutations de ces protéines sont au cœur de l'apparition de résistances aux antibiotiques. * Exemple: *Pseudomonas aeruginosa*: c'est une bactérie très présente dans les milieux hospitaliers. Elle est pigmentée et de couleur verte. Sur l'antibiogramme, le disque fléché montre que l'antibiotique est inefficace. Ceci est dû au fait qu'à cet endroit, la porine D2 de *Pseudomonas aeruginosa* est mutée: l'antibiotique ne peut donc pas entrer dans les bactéries. * Antibiogramme: les antibiotiques sont imprégnés en certaines concentrations sur des disques de papier buvard. La diffusion se fait en milieu gélosé. ### 2. Le Lipopolysaccharide (LPS) ou endotoxine * Le LPS est une macromolécule spécifique composée de lipides et de polysaccharides. * Constituant majeur du feuillet externe de la membrane externe * Ils incluent l'antigène O des bactéries G-. * Les LPS constituent l'endotoxine des bactéries G-. *Diagram of the Lipopolysaccharide (LPS), showing external lateral, Core, Lipid A side* * Le lipide A: hydrophobe et proximal (à l'intérieur). * Le core polysaccharidique: zone intermédiaire de jonction avec une partie interne et une partie externe. * Les chaînes latérales polysaccharidiques = antigène O situées en position distale (vers le milieu extérieur). *Illustration of the Lipid A* * Il est assez conservé entre les espèces mais il existe tout de même une certaine diversité dans la structure. * Le lipide A contient de nombreux groupements chargés, surtout anioniques (charges négatives). * Chez *Escherichia coli*: * 2 glucosamines phosphorylées liées en $\beta$ 1-4 (mais $\beta$ 1-3 et $\beta$ 1-6 aussi possibles). * Acides gras substituant au nombre de 6 ou 7. * Acides gras courts à 14 C, saturés et hydroxylés en C3. * Il y a donc une certaine variabilité. * Rôle structural très important. * L'activité toxique du LPS est liée au lipide A (= endotoxine). * Il agit par l'intermédiaire du macrophage qui produit, sous son action, des médiateurs cellulaires: * Protéiques: interleukines-1, 6, 8; TNF (= Tumor Necrotizing Factor). * Radicaux libres oxygénés: $O_2$, $H_2O_2$, NO. * Lipidiques: prostaglandines E2, thromboxane, FAP (= Facteur Agrégeant les Plaquettes). * Si la production de médiateurs est faible → effets bénéfiques. * Si la production de médiateurs est forte → effets néfastes. --- ### Le core polysaccharidique * Il est bien conservé chez les bactéries G-. * C'est une courte séquence qui présente des sucres spécifiques dans sa partie interne: * KDO: acide 3-désoxy-D-manno-octulosonique. * Heptose: L-glycérol-D-mannoheptose. * Sucres divers. * Le core contient de nombreux groupes chargés, surtout anioniques (négativement). * Il existe une variabilité inter-espèces et intra-espèces au niveau des chaînes latérales. * Il y a donc de la diversité au sein d'une même espèce, avec notamment des sucres non habituels. * Ce sont des chaînes hydrophiles qui couvrent la surface bactérienne externe. * Elles sont: * Plus longues que le core. * Formées d'unités oligosaccharidiques répétitives. * Formées de tri-, tétra-, penta-saccharides linéaires ou ramifiés. * Les polysaccharides apportent le caractère hydrophile. * Lâches et sont donc très efficaces pour maintenir à distance les composés hydrophobes. *Diagram of the o antigen the more external layer, the inner an outer core, and the Lipid A layer.* * Rôle dans la virulence des bactéries G-: * La perte partielle ou totale des chaînes latérales O conduit à: * Une virulence moindre chez la bactérie. * Des colonies d'aspect rugueuses, alors qu'elles sont lisses habituellement: ce sont des mutants rugueux. *A side by side representation of two stains of bacteria, one rugueuse, the other lisse* * Chaînes hydrophiles: peu perméable aux antibiotiques et autres composés hydrophobes (maintien à distance par un encombrement stérique). * Antigénicité du LPS: réactions antigène - anticorps utilisés des maladies infectieuses, reposant sur une agglutination sur lame. * Identification et typage bactérien = diagnostic direct. * Diagnostic sérologique des infections = diagnostic indirect. * Les anticorps sont recherchés pour prouver la présence de l'antigène