Cours 3 : Composition des bactéries (MCB 1) PDF

Cours 3: Composition des bactéries Structures internes La membrane plasmique La membrane plasmique est un composant essentiel mais très mince qui entoure toutes les cellules. Ses rôles comprennent : - Créer une perméabilité sélective qui permet à certaines substances d'entrer et de sortir...

Cours 3: Composition des bactéries Structures internes La membrane plasmique La membrane plasmique est un composant essentiel mais très mince qui entoure toutes les cellules. Ses rôles comprennent : - Créer une perméabilité sélective qui permet à certaines substances d'entrer et de sortir de la cellule (les nutriments entrent et les déchets sortent). - Site d'ancrage de diverses protéines responsables de diverses voies métaboliques telles que la respiration (chaîne de transport d'électrons) et la photosynthèse. Divers constituants de la paroi cellulaire sont produits et sécrétés via la membrane plasmique. Localisation de la synthèse lipidique. - Empêche le cytoplasme de s'échapper. La membrane plasmique est composée d'une bicouche phospholipidique. Les phospholipides sont des molécules amphiphiles avec une tête de phosphate hydrophile et des queues lipidiques (hydrocarbures) hydrophobes. Au centre de la bicouche de la membrane plasmique, les queues lipidiques se font face tandis que les têtes phosphates font face à l'extérieur et à l'intérieur de la cellule. Bien que les bactéries ne contiennent pas de cholestérol (comme les animaux), beaucoup d’entre elles possèdent des molécules appelées hopanoïdes, intégrées de la même manière dans leur membrane plasmique. Ceux-ci ont une fonction similaire à celle du cholestérol, à savoir stabiliser la membrane plasmique notamment face aux changements de température. Les bactéries possèdent également des protéines transmembranaires intrinsèques fortement ancrées dans leurs membranes plasmiques (souvent via des forces hydrophobes), ainsi que des protéines périphériques qui forment des liaisons non covalentes avec les protéines et lipides intrinsèques de la membrane. Les protéines intrinsèques remplissent diverses fonctions, telles que le pompage de substances dans et hors de la cellule, le transport d'électrons, la sécrétion, le transport, etc. La membrane plasmique contient également des glycolipides et des oligosaccharides. Certains antibiotiques ciblent la membrane plasmique des bactéries en provoquant des fuites. Le cytoplasme À l’intérieur de la membrane plasmique se trouve le cytoplasme. Il s’agit d’une substance riche composée principalement d’eau ainsi que de protéines, enzymes, ions, nutriments et autres molécules. À l’intérieur du cytoplasme se trouve le nucléoïde qui est l’emplacement du chromosome circulaire unique qui constitue le génome bactérien. L'ADN du nucléoïde est extrêmement condensé mais peut encore représenter jusqu'à 20 % du volume du cytoplasme lors de la réplication de l'ADN. Outre le chromosome, il existe également de petits fragments d'ADN appelés plasmides qui se répliquent indépendamment dans le cytoplasme. Jusqu'à 10 000 ribosomes sont également localisés dans le cytoplasme bactérien, ce sont des machines moléculaires composées d'ADN et de protéines qui sont responsables de la production de protéines via des brins d'ARN. Les ribosomes sont également présents dans toute cellule, ce qui indique qu’elle a probablement évolué très tôt. Malgré le fait que les ribosomes soient omniprésents dans toutes les cellules, de nombreux antibiotiques peuvent cibler sélectivement les ribosomes des bactéries uniquement. Des granules d'inclusion peuvent également souvent être trouvées dans le cytoplasme bactérien, ce sont des structures semblables à des roches qui sont utilisées pour stocker diverses substances en excès. Ils font office de garde-manger et la bactérie peut utiliser des granulés pour subvenir à ses besoins nutritionnels en cas de pénurie dans l'environnement. Certains sont entourés d'une membrane supplémentaire. Les types de granules d'inclusion comprennent - Le glycogène, qui est un polymère de glucose, pour stocker du carbone et de l'énergie - Le polyhydroxybutyrate (PHB), une variante des lipides, utilisé pour stocker du carbone et de l'énergie - Les vacuoles gazeuses, que les bactéries marines utilisent souvent pour réguler leur flottabilité. - Les granulés de phosphate constitués de volutin et des polyphosphate - Les granules de soufre qui sont souvent présents dans les bactéries violettes qui utilisent le soufre comme donneur d'électrons pour la respiration. Certaines bactéries peuvent également utiliser des granules d’inclusion constituées de fer pour détecter les champs magnétiques. En présence d’un tel champ, ils s’alignent et créent une structure appelée magnétosome. La paroi De nombreux organismes, y compris les bactéries, possèdent une paroi cellulaire solide autour de leur membrane plasmique. Cela donne de la rigidité à la cellule et lui permet de résister aux environnements hypotoniques (cela évite la rupture des cellules via la pression osmotique provoquant l'envahissement de l'eau dans la cellule). Les parois cellulaires des bactéries ont des structures très diverses et confèrent à chaque espèce sa forme/morphologie unique. De nombreux antibiotiques ciblent les parois cellulaires des bactéries. Les parois cellulaires bactériennes sont constituées de peptidoglycanes. Ceux-ci sont composés de variantes alternées de glucose appelées N-Acétylmuramique (NAM) et N-Acétylglucosamine (NAG) qui forment des chaînes parallèles liées entre elles par de courtes séquences peptidiques. Ces séquences peptidiques s'alignent également pour former des chaînes perpendiculaires aux chaînes NAM et NAG. Ils sont constitués de D-alanine, L-alanine, acide D-glutamique, acide diaminopimélique/DAP (analogue à la lysine) et L-lysine. Ces acides aminés de type D ne se trouvent que dans la paroi cellulaire et lui confèrent une résistance supplémentaire à diverses protéases. Les séquences peptidiques adjacentes sont liées entre elles par de courts ponts peptidiques qui peuvent être directs (c'est-à-dire que le groupe fonctionnel carboxyle d'une protéine dans une séquence peptidique est lié au groupe aminé dans la protéine dans une autre séquence) ou indirect lorsque le pont est médié via un petit pont peptidique composé d’acide aminé. Le pont indirect peut être composé d'un seul acide aminé (comme dans les ponts pentaglycine) ou de jusqu'à six acides aminés. La composition de ces ponts indirects varie considérablement selon les espèces. Le NAM et l’acide diaminopimélique (DAP) sont propres aux bactéries. Les lysozymes sont des enzymes spéciales présentes dans les larmes, la sueur et la salive qui hydrolysent les liaisons glycosidiques entre NAM et NAG. La pénicilline est un antibiotique célèbre qui agit en empêchant la formation de ponts peptidiques, ce qui affaiblit la paroi cellulaire des bactéries affectées, les rendant ainsi vulnérables à la lyse. Les bactéries peuvent être classées en deux types selon le type de parois cellulaires dont elles disposent : Gram positives et Gram négatives. Gram positif Les bactéries à Gram positif possèdent une couche très épaisse de peptidoglycanes (jusqu'à 40 % de la paroi cellulaire), elles possèdent également des ponts peptidiques indirects. Les parois cellulaires des bactéries à Gram positif sont entrelacées de manière covalente avec de l'acide lipotéichoïque et teichoïque qui, dans certains cas, s'étendent à l'extérieur de la paroi cellulaire. La différence entre l'acide lipotéichoïque et l'acide teichoïque réside simplement dans le fait que l'acide lipotéichoïque est lié aux lipides de la membrane plasmique, alors que l'acide teichoïque ne l'est pas. L’espace entre la paroi cellulaire et la membrane plasmique s’appelle le périplasme et est très fin, voire inexistant chez les bactéries à Gram positif. Gram négatif En comparaison, les parois cellulaires des bactéries à Gram négatif sont très complexes. Ils possèdent une fine couche (souvent moins de 10 %) de peptidoglycanes entourée d’une membrane bicouche lipidique secondaire. Cette bicouche lipidique est liée aux protéoglycanes par des lipoprotéines. Des protéines transmembranaires appelées porines sont intégrées dans la bicouche lipidique extérieure et lui permettent d'être sélectivement perméable. Le périplasme entre les peptidoglycanes et la membrane plasmique est très épais (20 à 40 % de la paroi cellulaire). Il contient une variété d’enzymes responsables de la dégradation des nutriments, du transport et des récepteurs chimiotactiques. Les lipopolysaccharides recouvrent la membrane extérieure et agissent comme une endotoxine, déclenchant une forte réponse immunitaire. La membrane extérieure des bactéries à Gram négatif est fortement chargée négativement et offre une protection supplémentaire contre les agents toxiques. Cela signifie que les bactéries Gram-négatives sont résistantes à un large éventail de substances qui tueraient rapidement les bactéries Gram-positives, notamment la pénicilline, les lysozymes, les métalloïdes et les détergents. Enfin, cela rend les bactéries moins vulnérables au système immunitaire. Coloration des gram La coloration Gram permet de distinguer les bactéries Gram positives et négatives, il s'agit donc d'un type de coloration différentielle :  - Tout d’abord, les bactéries sont fixées par la chaleur ou des produits chimiques. - Ensuite, les bactéries sont colorées au cristal violet pendant environ une minute. Cela fait que toutes les cellules deviennent violettes. - L'iode est ajouté pour former un complexe avec le cristal violet et le maintenir fermement dans la paroi cellulaire. - Les bactéries sont lavées à l'alcool pendant 10 à 15 secondes. L'alcool provoque le rétrécissement des peptidoglycanes, éjectant le cristal violet des parois cellulaires des bactéries à Gram négatif. Cependant, l’épaisse couche de peptidoglycanes des bactéries à Gram positif maintiendra le colorant en place. Cela signifie que seules les bactéries Gram positives conserveront leur coloration violette. - Enfin, l'échantillon est coloré à la safranine pendant une minute, colorant ainsi en rose les bactéries à Gram négatif. Composant externe à la paroi Lipopolysaccharides Les bactéries à Gram négatif possèdent des lipopolysaccharides (LPS) recouvrant leur membrane externe. Ceux-ci sont composés de trois sections. La première section appelée couche lipidique A est composée de lipides qui se lient aux lipides de la membrane externe. La deuxième couche est appelée couche centrale de polysaccharides ou noyau et composée de dix glucides, dont le KDO (qui a une structure inhabituelle), elle est chargée négativement. La dernière couche externe appelée chaîne O latérale de l’antigène est composée de polysaccharides qui se répètent. La composition et le nombre de répétitions de la chaîne latérale O de l'antigène sont très variables selon les espèces. La couche lipidique A est une endotoxine qui provoque une forte réponse immunitaire. Glycocalyx De nombreuses bactéries sécrètent des polysaccharides afin de s'entourer d'une enveloppe appelée glycocalyx. Ses rôles comprennent : - Permettre aux bactéries d'adhérer à différentes surfaces - Protéger les bactéries de la phagocytose - Empêcher les bactéries de se dessécher - Aider des groupes de bactéries à former des biofilms Il existe deux types de glycocalyx :  - Une capsule fait référence à une couche hautement organisée de polysaccharides difficiles à éliminer. - Une couche muqueuse fait référence à un simple arrangement de sucres facile à éliminer Certaines bactéries produisent une couche de protéines et de glycoprotéines appelée couche S. Cela donne à la cellule une rigidité et une protection supplémentaires. Les pili et les fimbriae Les fimbriae sont des structures fines ressemblant à des poils qui recouvrent la surface de nombreuses bactéries. Il peut y en avoir jusqu'à 1 000 par cellule. Ils jouent un rôle en adhérant aux surfaces et en formant des biofilms. Les fimbria sont extrêmement minces et ne peuvent être observées qu’au microscope électronique. Les pili, quant à eux, sont des structures tubulaires beaucoup moins nombreuses que les fimbria (une cellule peut en avoir jusqu'à 10) qui servent à échanger des plasmides entre bactéries et dans certains cas à transporter la cellule. Flagelles Les flagelles sont des structures extérieures hélicoïdales que les bactéries utilisent pour se propulser. Les flagelles comportent trois parties : - La partie la plus longue s’étendant loin à l’extérieur de la cellule est le filament. Il est fin, creux et rigide. Il est composé d'une protéine appelée flagelline. Le filament peut être réparé ou allongé grâce à un processus d'élongation, où la flagelline est synthétisée par les ribosomes et est ensuite sécrétée par le centre creux du filament afin de finalement s'ancrer à l'extrémité du filament. - Le filament est attaché au crochet, qui est courbé, plus épais que le filament et sert à lier le corps basal au filament. - Enfin le corps basal se trouve à la base des flagelles, composé de plusieurs anneaux ancrés à la membrane plasmique et à la paroi cellulaire (il est donc différent selon les bactéries à Gram positif et négatif). Il agit comme un moteur qui transforme la descente des protons le long d'un gradient de concentration en force de rotation. Certains corps basaux peuvent subir jusqu'à 300 rotations par seconde. Généralement, il peut tourner dans les deux sens en fonction de la destination de la bactérie. Environ la moitié des procaryotes possèdent des flagelles, mais ceux-ci peuvent prendre des dispositions et des quantités différentes selon les espèces :  - Si un seul flagelle est situé sur une extrémité, la disposition est dite monotriche. - Si un faisceau de flagelles est situé sur un ou plusieurs flagelles, on l'appelle lophotriche. - S’il y a un seul flagelle aux deux extrémités, on l’appelle amphitriche. - Enfin, si les flagelles recouvrent la totalité de la cellule, l'arrangement est dit péritriche. Une des utilisations des flagelles est de permettre aux bactéries de remonter les gradients de nutriments et de s'éloigner des agents toxiques. C’est ce qu’on appelle la chimiotaxie. Se déplacer vers un stimulus est appelé chimiotaxie positive, tandis que fuir un stimulus est appelé chimiotaxie négative. Les endospores Lorsqu'elles sont soumises à un stress (agents toxiques, température élevée, manque de nutriments suffisants dans l'environnement), certaines bactéries peuvent produire une endospore et passer à un état dormant en attendant que les conditions environnementales s'améliorent. Les endospores résistent à la chaleur, aux désinfectants, aux U.V. rayons et séchage. Certaines endospores ont survécu des centaines de milliers d’années. Ils sont principalement composés d'acide dipicolinique lié au Ca++ (15% de la masse sèche). Les petites protéines acido-solutées (SASP) se lient à l'ADN et le protègent de la chaleur, des produits chimiques et des radiations. Les spores occupent des positions caractéristiques dans la cellule mère (appelée sporange) selon les espèces. Ceux-ci peuvent être visualisés par microscopie à champ clair utilisant des colorants spécialisés. - Si l’endospore est au centre de la cellule, sa position est dite centrale. - Si l'endospore se trouve à une extrémité éloignée de la cellule, sa position est appelée terminale. - Si l'endospore se situe quelque peu entre une extrémité et le centre, elle est appelée sous-terminale. - Enfin chez certaines espèces, l'endospore prend tellement de place que le sporange a un aspect gonflé. Structure d'une endospore Les endospores sont composées de différentes couches :  - Le protoplaste est au centre de l'endospore et contient ses informations génétiques ainsi que les ribosomes. Cependant, il est métaboliquement inerte. - Le cortex entoure le protoplaste et occupe la majeure partie de l'espace, il est composé de peptidoglycanes et comprend la paroi cellulaire de la spore. - Celle-ci est à son tour entourée d'une couche appelée tunique de l'endospore, composée d'épaisses couches de protéines qui contribuent à rendre l'endospore imperméable aux toxines. - Enfin, une fine couche de glycoprotéines et de lipides appelée exosporium sert d'extérieur à la spore chez certaines espèces. Sporulation La sporulation est un processus très organisé, qui se déroule en sept étapes sur une durée d'environ 15 heures : 1. L'ADN se réplique 2. Un septum de membrane plasmique sépare les deux chromosomes 3. Une deuxième couche de membrane plasmique se forme autour de l'un des chromosomes destinés à faire partie de la spore. 4. Les deux membranes plasmiques synthétisent des peptidoglycanes dans l'espace entre les deux membranes pour former le cortex. Un complexe d'acide dipicolinique et de calcium est incorporé dans l'endospore. 5. La tunique se forme autour du cortex. Il est composé de protéines similaires à la kératine. 6. L'endospore est presque mature. A ce stade, une couche de glycoprotéines et de lipides appelée exosporium peut se former autour de la tunique dépendant de l'espèce. 7. Finalement, il y à la lyse du sporange et l'endospore est libérée dans l'environnement. La germination est beaucoup moins bien comprise que la sporulation. Cependant, généralement la tunique se brise et l'endospore se gonfle d'eau, réactivant l'endospore et son métabolisme.