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Structure bactérienne
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Les bactéries se caractérisent par leur petite taille (0,1 à 2  µm de diamètre et 0,5 à 5  µm de long, exception faite de certaines bactéries filamenteuses) et l'étude de leur structure nécessite des moyens d'investigation particuliers.

 

1. MÉTHODES D'ÉTUDE

1.1. Observation de la cellule dans son ensemble

  • En microscopie optique, la 1ère fois en 1675, par Van Leeuwenhoek.
  • Observations avec différents types de préparations: état frais, coloration de Gram, coloration des cils, des spores...

1.2. Observation de la structure fine ou ultrastructure des bactéries

Elle nécessite l'utilisation du microscope électronique (augmentation du pouvoir de résolution par utilisation d'une radiation de longueur d'onde très faible) et la préparation du matériel cellulaire: le matériel bactériologique doit être extrêmement mince et est préparé, soit à partir de coupes ultra-fines, soit à partir de suspensions bactériennes:

  • Coupes ultra-fines
    • fixation de fragments de l'ordre du mm3 au glutaraldéhyde et au tétroxyde d'osmium (but=consolider les édifices cellulaires)
    • Déshydratation par passages successifs d'alcool de 50 à 100°
    • Inclusion dans des résines synthétiques capables de se polymériser sous l'action de catalyseurs (étuve à 60°C ou UV)

NB: déshydratation et inclusion permettent d'obtenir des "tranches" très fines.

    • Coupe réalisée sous contrôle d'une loupe binoculaire, grâce à des microtomes de précision munis de couteaux de verre ou diamant (on obtient des coupes de 60 nm d'épaisseur).
  • Suspensions cellulaires

Les cellules sont mises en suspension très diluée en eau physiologique, qui est ensuite séchée sous vide. Les préparations sont disposées sur un support très mince, perméable aux électrons (collodion, carbone), lui-même placé sur une grille porte-objet.

Pour augmenter le contraste, on peut pulvériser sous vide des métaux lourds (or, palladium, chrome) sous un angle bien déterminé. Le nuage métallique ombre les endroits où il s'accumule, faisant apparaître des différences de structure superficielle.

1.3. Séparation des constituants cellulaires

Elle est nécessaire pour l'étude plus précise d'un constituant cellulaire donné.

On libère d'abord le contenu cellulaire en rompant les enveloppes bactériennes (ultra-sons, lysozyme qui détruit la paroi, pression mécanique, cryolyse c'est- à dire congélations et décongélations successives).

Puis on peut séparer les constituants cellulaires en utilisant des méthodes de fractionnement par ultracentrifugation ou centrifugation en gradient de densité.

1.4. Autres méthodes d'étude

Autoradiographiques: pour localiser, par exemple, le site de synthèse d'une macromolécule.

Quand un métabolite renfermant un atome radioactif est fourni à une cellule vivante, celle-ci l'utilise comme l'isotope non radioactif pour ses synthèses. L'atome radioactif se trouve incorporé dans les constituants naturels de la cellule et sert de traceur. On utilise le plus souvent des précurseurs marqués au tritium (H3). On choisit comme porteur de cet atome radioactif une molécule susceptible de s'incorporer spécifiquement dans un édifice macromoléculaire (ex: uridine pour l'ARN, acides aminés pour les protéines...).

La détection de la radioactivité incorporée se fait par application d'une émulsion photographique sur la coupe: le rayonnement émis par les atomes radioactifs impressionne l'émulsion qui est ensuite révélée comme un film photographique. Les grains d'argent métalliques sont localisés au-dessus des structures ayant incorporé des atomes radioactifs.

Immunocytochimiques: pour localiser dans une cellule une substance ayant des propriétés antigéniques (protéine, glycoprotéine), on peut utiliser son aptitude à former des complexes avec des anticorps. La substance X est injectée à un animal (lapin); les anticorps formés anti-X sont extraits et purifiés. On leur associe une molécule opaque aux électrons (ferritine) ou une enzyme facilement détectable (peroxydase). Mis en présence de la substance X, l'anticorps marqué forme avec elle un complexe visible ou décelable au microscope électronique.

2. STRUCTURE GÉNÉRALE

Les techniques précédemment citées ont permis d'aboutir au schéma général suivant de la cellule bactérienne:

Structure générale d'une bactérie

La forme, caractéristique de l'espèce, est génétiquement déterminée. Cette forme est assurée par la paroi.

Rappels:

  •  Absence d'enveloppe nucléaire chez les bactéries qui appartiennent aux procaryotes
  • Absence de mitochondrie, réticulum endoplasmique, appareil de Golgi.

3. LA PAROI

3.1. Méthodes d'étude

  • On isole la paroi des autres éléments cellulaires par:
  • Désintégration par broyage à l'aide d'abrasifs, par les ultra-sons, congélation et décongélation successives, action enzymatique.
  • Purification par centrifugation différentielle.
  • Examen en microscopie électronique.

3.2. Composition chimique

La paroi représente 20% du poids sec des bactéries.

 

Bactéries à Gram positif

Bactéries à Gram négatif

Osamines
-N-acétylglucosamine (NAG)
-acide N-acétylmuramique (NAM)
-galactosamine

+ + +

+

Acides aminés dont
acide diaminopimélique (DAP)

24 à 35 %
+ + +

50 %
+

Acides teichoïques
-polyribitol-phosphate
-polyglycérol-phosphate

+ + +

-

Oses : glucose, galactose, mannose, fucose, rhamnose…

20 à 60 %

20 à 60 %

Lipides*

1 à 2,5 %

  •  22 %

*Parmi les lipides, on trouve chez certaines espèces des acides gras à très longue chaîne ramifiée et méthylénée: les acides mycoliques. Ils sont présents chez les espèces acido-alcoolo-résistantes comme les mycobactéries.

Document 1 : quelques formules de constituants de la paroi bactérienne.

3.3. Architecture pariétale

                        3.3.1. Elément structural de base : le peptidoglycan (=muréine=mucocomplexe=mucopeptide)

C'est un polymère composé de :

  • Une partie glucidique
  • Un tétrapeptide
  • Des ponts interpeptidiques
Peptidoglycane

Organisation générale du peptidoglycane: structure en réseau

Organisation générale du peptidoglycane: structure en réseau

Cette structure en réseau assure rigidité et résistance mécanique de la paroi.

Document 2: composition et structure du peptidoglycane chez diverses espèces bactériennes

Remarque: l'acide muramique, la D-alanine, l'acide D-glutamique et l'acide diaminopimélique sont uniquement rencontrés chez les procaryotes. La composition de la paroi bactérienne est donc très caractéristique.

Malgré cet élément structural de base, commun à toutes les bactéries, la microscopie électronique révèle des différences importantes entre bactéries à Gram positif et à Gram négatif.

3.3.2. Paroi des bactéries à Gram positif

Elle mesure de 20 à 80 nm d'épaisseur et présente un aspect assez homogène en microscopie électronique.

Elle est composée essentiellement de peptidoglycane associé à des carbohydrates dont les plus connus sont les acides teichoïques (représentant alors jusqu'à 50% du poids sec de la paroi).

Organisation des enveloppes (dont la paroi) des bactéries à Gram positif

Organisation des enveloppes (dont la paroi) des bactéries à Gram positif

3.3.3. Paroi des bactéries à Gram négatif

Elle est moins épaisse que celle des bactéries à Gram positif (6 à 15 nm) et surtout beaucoup plus complexe.
En plus du peptidoglycane, on y trouve:
- une membrane externe, riche en lipopolysaccharides
- un espace périplasmique.

Organisation des enveloppes (dont la paroi) des bactéries à Gram négatif

Organisation des enveloppes (dont la paroi) des bactéries à Gram négatif

3.3.3.1. La membrane externe

 Elle a les caractéristiques fondamentales d'une membrane biologique:

  • Double couche de phospholipides
  • Protéines:
    • Majeures: protéines matricielles intrinsèques (70% des protéines membranaires). Elles sont étroitement associées au peptidoglycane et sont groupées pour former des pores (=porines).
    • Mineures: protéines intervenant dans le transport spécifique de petites molécules (vit B12, maltose...) ou pouvant servir de récepteur à des phages.
    • Lipoprotéines: liées au peptidoglycane ou libres (2/3). La partie lipidique est enchâssée dans la membrane externe par des liaisons hydrophobes avec les phospholipides. La partie protéique est liée par liaison covalente au peptidoglycane.
  • Certains phospholipides membranaires sont remplacés par des lipopolysaccharides (=LPS).

Le LPS est aussi qualifié d'endotoxine mais le terme d'endotoxine (PFEIFFER 1892) est impropre car le LPS peut aussi bien être retenu dans la paroi bactérienne qu'être libéré sans dommage pour la cellule bactérienne et jouer un rôle dans la pathogénicité.

    • Extraction du LPS: le LPS peut être extrait de la paroi des bactéries à Gram négatif en faisant agir un mélange phénol/eau.
    • Structure du LPS:
Structure du lipopolysaccharide

Schéma simplifié du LPS

Schéma simplifié du lipopolysaccharide

LPS (lipopolysaccharide)

Chaînes latérales

Core

Lipide A

- Obtenues par hydrolyse acide du LPS ou des bactéries entières (souche S)
- Nature polyosidique: spécificité antigénique O

Chaînes latérales = antigènes O

Exemples de glucides: glucose, galactose, mannose, glucosamine, abéquose, tyvélose (=didesoxyhexose)

- Polysaccharide de base
- Caractérisé par la présence de:

  • N-acétylglucosamine
  • glucose, galactose
  • heptose
  • KDO (2-céto-3-désoxyoctonate)

Core = polysaccharide de base, variable d'une espèce à l'autre

- Glycophospholipide

 

Lipide A = support de la toxicité de la molécule

3.3.3.2. Espace périplasmique

Il renferme de nombreuses protéines (enzymes) qui peuvent être libérées par choc osmotique ou transformation des cellules en sphéroplastes.

De plus, il contient des "binding proteins" servant de transport au galactose et au maltose.

3.4. Propriétés de la paroi

                        3.4.1. Propriétés structurales et protectrices

On met en évidence les propriétés de la paroi en procédant à des expériences au cours desquelles on la détruit. On utilise pour cela une enzyme, le lysozyme, qui rompt les liaisons b1-4 des chaînes polyosidiques du peptidoglycane.

Expériences

Conclusions

1

  • On détruit la paroi d'un bacille à Gram positif (Bacillus subtilis) grâce au lysozyme

ð gonflement et éclatement de la cellule

  • On place la cellule sans paroi en milieu hypertonique

ðforme sphérique = protoplaste qui a perdu ses propriétés antigéniques, ne se divise plus, ne fixe plus les bactériophages

-Rôle de la paroi dans la forme de la cellule

-Rôle de la paroi dans la résistance à la pression interne

-Rôle du peptidoglycane des bactéries à Gram positif dans la division, les propriétés antigéniques et la fixation des bactériophages

2

  • On détruit la paroi d'un bacille à Gram négatif (Escherichia coli) grâce au lysozyme

ð gonflement et éclatement de la cellule

  • On place la cellule sans paroi en milieu hypertonique

ðforme sphérique = sphéroplaste qui a conservé toutes les propriétés initiales de la bactérie

-Rôle de la paroi dans la forme de la cellule

-Rôle de la paroi dans la résistance à la pression interne

-Le peptidoglycane ne semble pas intervenir dans la division et les propriétés antigéniques des bactéries à Gram négatif

                        3.4.2. Elément important de taxonomie: coloration de Gram

Coloration de Gram

On a montré que la différence entre bactéries à Gram négatif et bactéries à Gram positif repose sur une différence d'épaisseur et de richesse en lipides de la paroi.

Différence entre bactéries à Gram négatif et bactéries à Gram positif

Conclusion sur les rôles de la paroi

  • Forme de la bactérie
  • Résistance à la pression interne: rôle vital
  • Propriétés antigéniques
  • Fixation des bactériophages
  • Division bactérienne
  • Elément de taxonomie (coloration de Gram)

Remarque: la paroi peut être aussi responsable de l'acido-alcoolo-résistance de certaines bactéries (Mycobactéries) grâce aux acides mycoliques qu'elle renferme.

3.5. Biosynthèse de la paroi (du peptidoglycane)

La biosynthèse du peptidoglycane a été étudiée grâce à des marquages immunocytologiques ou radioactifs spécifiques de la paroi: l'acide diaminopimélique (DAP), acide aminé s'incorporant exclusivement dans les peptidoglycanes,  est un des marqueurs les plus utilisés.

La synthèse du peptidoglycane comporte 5 étapes:

La synthèse du peptidoglycane

Certains antibiotiques agissent sur la paroi bactérienne en bloquant la biosynthèse du peptidoglycane, à différents niveaux:

Antibiotiques

Etapes bloquées

Mode d'action

Fosfomycine

1

Bloque la formation de l'UDP-ANAM

Cyclosérine

2

Bloque la formation du dipeptide d'alanine

Bacitracine

3

Empêche le recyclage du bactoprénol (transporteur lipidique)

Vancomycine

4

Empêche la liaison des nouveaux éléments synthétisés avec le peptidoglycane existant (bloque la transglycosylation)

b-lactamines

5

Bloquent la transpeptidation

4. LA MEMBRANE CYTOPLASMIQUE

La membrane cytoplasmique limite le cytoplasme de la bactérie.

Elle présente sur coupes ultra-fines examinées en microscopie électronique l’aspect typique de toutes les membranes : deux feuillets denses limitant un feuillet interne clair, le tout mesurant 8 nm.
Membrane cytoplasmique

4.1. Composition chimique

  • 30 à 40 % de lipides
  • 60 à 70 % de protéines
  • Glucides : constituants mineurs quantitativement, liés de façon covalente aux protéines (glycoprotéines).

Différences entre membrane cytoplasmique bactérienne et membrane cytoplasmique de cellule eucaryote :

  • Absence de cholestérol dans les membranes bactériennes
  • Absence de glycolipides dans les membranes bactériennes
  • Protéines transmembranaires plus abondantes dans les membranes bactériennes.

                        4.1.1. Les lipides
Ce sont des phospholipides, constitués de : glycérol + 2 acides gras + groupement phosphate

Structure d’un phospholipide

Structure d’un phospholipide

4.1.2. Les protéines

Ce sont essentiellement des enzymes : enzymes de la chaîne respiratoire, enzymes impliquées dans la biosynthèse du peptidoglycane, perméases…

Membrane cytoplasmique bactérienne

4.2. Organisation moléculaire

                        4.2.1. Les lipides : base de la structure membranaire

Les phospholipides, du fait de leur caractère amphiphile, ont la remarquable propriété de s’organiser spontanément en 2 couches moléculaires (double couche) en milieu aqueux.

Dans cette double couche :

  • Les têtes hydrophiles se placent à l’extérieur de la double couche et baignent dans le milieu aqueux
  • Les queues hydrophobes se regroupent au centre de la double couche, loin des molécules d’eau.
Les lipides : base de la structure membranaire

Cette organisation en double couche engendre deux propriétés importantes de la membrane :

  • La membrane est imperméable à la plupart des molécules biologiques (acides aminés, sucres, protéines, acides nucléiques) puisque ces molécules sont fortement solubles dans l’eau. La partie médiane de la membrane, hydrophobe, réalise une barrière.
  • Une double couche de phospholipides naturels est un liquide, siège de mouvements aléatoires caractéristiques de liquides : ondulation des queues de phospholipides, déplacement des molécules dans la couche à laquelle elles appartiennent.

    4.2.2. Les protéines

Potéines membranaires

4.2.3. Organisation moléculaire de la membrane: modèle de la mosaïque fluide

Organisation moléculaire de la membrane: modèle de la mosaïque fluide

4.3. Les fonctions de la membrane cytoplasmique

                        4.3.1. Rôle dans la respiration cellulaire

La respiration cellulaire correspond à une chaîne de transport d’électrons et de protons. Cette chaîne se situe au niveau de la membrane cytoplasmique bactérienne, alors qu’elle se situe au niveau des mitochondries chez les cellules eucaryotes. Elle aboutit à la création d’un gradient protonique qui peut être utilisé de différentes façons, le rôle essentiel étant la production d’ATP.

                        4.3.2. Rôle de transport

La membrane cytoplasmique est une barrière semi-perméable qui permet aux bactéries de concentrer des substances dans leur cytoplasme et d’empêcher la pénétration de substances indésirables.

Le transport des molécules dans les cellules bactériennes présente certaines particularités par rapport au transport dans les cellules eucaryotes car :

  • Les bactéries sont souvent soumises à des milieux de composition très variable (contrairement aux cellules eucaryotes qui baignent dans un milieu de composition relativement constante)
  • Les bactéries doivent souvent concentrer des nutriments comme les glucides, les acides aminés, les vitamines, contre des gradients de concentration très élevés.
Rôle de transport de la mambrane cytoplasmique
Membrane cytoplasmique : transport actif et transport passif

Deux modalités de transport actif chez les bactéries :

  • Symport protonique

Exemple : le transport du lactose (bien étudié chez Escherichia coli). La perméase du lactose, utilise en symport le flux de protons contenus dans l’espace périplasmique. Le gradient de protons peut également entraîner l’exclusion du sodium par un système antiport, ce qui permettra d’utiliser un gradient de Na+ en symport pour incorporer un substrat dans le cytoplasme.

Symport protonique
  • Translocation de groupe

Ce processus permet de transférer une molécule en passant par une étape de modification chimique. La bactérie utilise alors l’énergie du métabolisme pour effectuer cette opération. Le système le plus connu est celui du PTS (système de phosphotransférase des sucres).
Exemple : translocation de groupe par le système PTS chez E. coli et Salmonella Typhimurium.

Translocation de groupe par le système PTS chez E. coli et Salmonella Typhimurium

Les bactéries aérobies strictes n’ont pas de système PTS. Escherichia, Salmonella, Staphylococcus et certaines bactéries anaérobies strictes comme Clostridium en possèdent. Ces systèmes sont utilisés dans le transport des sucres (mannitol, glucose, fructose, N-acetylglucosamine, cellobiose …).

Conclusion sur la membrane:

Outre la membrane cytoplasmique qui limite le cytoplasme de la bactérie, on avait observé des invaginations de cette membrane appelées mésosomes. Or, ces mésosomes deviennent rares et très petits quand on utilise des préparations congelées et cryodécapées (donc sans étape de fixation). Il semble donc que ces mésosomes soient des artefacts de préparation. De plus, leur rôle n'avait pas été clairement défini.

On suppose actuellement que la membrane mésosomique existe, mais que sa conformation dans la bactérie vivante ne correspond pas exactement aux structures qui apparaissent sur coupes.

5. LE CYTOPLASME

C'est un gel dans lequel baignent les différents éléments cellulaires.
NB: cytosol = fraction non particulaire du cytoplasme.

5.1. ARN et ribosomes

Les ribosomes sont de petites granulations sphériques de 10 à 30 nm de diamètre qui sont très abondantes dans le cytoplasme des bactéries en croissance.

                        5.1.1. Composition

Les ribosomes sont constitués d'ARN (63%) et de protéines (37%). Ils sont constitués d'une grande sous-unité 50S et d'une petite sous-unité 30S (dont la cohésion n'est maintenue qu'en présence d'ions Mg++), comme les ribosomes des cellules eucaryotes mais les constantes de sédimentation diffèrent.

Ribosomes

5.1.2. Rôle

Les ribosomes jouent un rôle fondamental dans la biosynthèse des protéines. C'est à leur niveau que les acides aminés s'unissent les uns aux autres par liaison peptidique pour former une protéine (sites P et A de la sous-unité 50S déterminés par des associations particulières entre ARN et protéines L).

Certains antibiotiques perturbent la synthèse des protéines à leur niveau (tétracyclines).

5.2. Granulations et substances de réserve

Certaines bactéries accumulent au cours de leur croissance des produits de réserve qui forment des granulations, parfois visibles au microscope. Ces dépôts ne sont en général pas limités par une membrane formant une vacuole mais correspondent à des granules en contact direct avec le cytoplasme (sauf fer des magnétosomes).

D'une façon générale, chaque groupe bactérien synthétise une seule catégorie de substance.
Les substances de réserve peuvent être:

                        5.2.1. Le glycogène (ou l'amidon, moins fréquent)

Ce sont des polymères du glucose, ramifié (glycogène) ou non ramifié (amidon).
Leur présence peut être mise en évidence à l'aide d'une solution iodo-iodurée qui colore en bleu foncé l'amidon et en brun rougeâtre le glycogène.
Ce type de réserve est fréquent chez les entérobactéries, les Clostridium...

                        5.2.2. Le ß-hydroxybutyrate

C'est un composé qui est utilisé pendant la maturation de la spore. On le rencontre donc en particulier chez les bactéries sporulantes comme Bacillus megaterium.
Il peut être mis en évidence par des colorants spécifiques des graisses comme le noir Soudan.

                        5.2.3. Les polyphosphates inorganiques

Ce sont des polymères linéaires d'orthophosphate. Ils constituent les granulations métachromatiques qui prennent une coloration pourpre en présence de colorants basiques comme le bleu de toluidine (cf AT: étude des corynébactéries).

Granulations métachromatiques

Autrefois, leur recherche était effectuée dans un but diagnostic pour l'identification de bactéries pathogènes telles que Corynebacterium diphtheriae ou pour la différenciation des genres de la famille des Neisseriaceae.

                        5.2.4. Le fer et le soufre

On trouve des inclusions de:

  • Fer chez les sidérobactéries: le fer peut être sous forme d'hydroxyde de fer ou d'oxyde de fer (bactéries magnétiques, car pouvant être déplacées dans un champ magnétique).
  • Soufre chez les thiobactéries qui tirent leur énergie de l'oxydation de H2S.

5.3. Chromatophores et pigments

Chromatophore des bactéries photosynthétiques ≈ chloroplaste des plantes supérieures.

Ils contiennent des pigments photosynthétiques appelés bactériochlorophylles qui assurent la conversion de l'énergie lumineuse en énergie chimique. Ils se forment le long de la membrane plasmique par invagination de celle-ci.

D'autres types de pigments peuvent être rencontrés:

  • Pigments responsables de la couleur des colonies:
  • Pyocyanine bleue et pyoverdine bleu-vert chez Pseudomonas aeruginosa
  • Dérivé pyrolique rouge chez Serratia marcescens
  • Zeaxanthène, pigment jaune chez Staphylococcus aureus (staphylocoque doré),...
  • Vitamine K2 chez Bacillus subtilis et Bacillus cereus
  • Caroténoïde protecteur anti-UV chez les corynébactéries...

5.4. Vacuoles à gaz

Elles sont rencontrées chez les procaryotes photosynthétiques: bactéries pourpres, bactéries vertes, algues bleu-vert.

Elles permettent à ces micro-organismes aquatiques de flotter et de remonter à la surface de l'eau.

NB: L'appareil nucléaire sera étudié en 2ème année dans le cadre de la génétique bactérienne (après acquisition des bases biochimiques concernant les acides nucléiques). 

6. LES ÉLÉMENTS INCONSTANTS

6.1. Cils ou flagelles

                        6.1.1. Structure

Les flagelles sont les organes de locomotion des bactéries. Leur nombre varie de 1 à 30 selon les espèces.

Lorsqu'il y en a plusieurs, ils peuvent être:

  • Fixés sur toute la surface de la bactérie: ciliature péritriche.
  • Rassemblés à un ou deux pôles: ciliature polaire.

 

Ciliature péritriche

Ciliature polaire

Entérobactérie mobile
Ex : entérobactérie mobile
Ciliature polaire des bactéries

Ciliature polaire monotricheEx : Pseudomonas aeruginosa, Aeromonas spp, Vibrio spp

Ciliature polaire multitriche
Ex : Pseudomonas fluorescens

Ciliature amphitriche et multitricheEx : Plesiomonas, Helicobacter

Ils sont formés d'un filament de plusieurs µm de long (6 à 20  µm et de 25 nm de diamètre) qui présente des ondulations régulières. Ils sont invisibles en microscopie optique sur des cellules vivantes: leur mise en évidence nécessite des techniques particulières qui consistent à augmenter leur diamètre (imprégnation argentique: on utilise le nitrate d'argent ammoniacal comme colorant).
On peut également les observer en microscopie électronique.
 
Ce filament est constitué d'une protéine appelée flagelline: cette protéine se dépolymérise en sous-unités à 60°C en milieu acide; ces sous-unités peuvent se réassocier à 30°C et à pH neutre, et donner naissance à des flagelles sans l'aide d'enzyme ni source d'énergie. Il s'agit donc d'un auto-assemblage.

Leur croissance a lieu sur leur partie distale: les sous-unités viennent se fixer à l'extrémité des flagelles (on ne sait pas comment les sous-unités de flagelline, formées à l'intérieur de la cellule, atteignent l'extrémité du flagelle; il est probable qu'elles migrent à travers le canal central du flagelle.

Le flagelle est fixé à la bactérie par un "crochet" constitué par un autre type de protéine que la flagelline. Ce crochet porte des disques formant le granule basal ou corps basal: une paire chez les bactéries à Gram positif fixés à la membrane; 2 paires chez les bactéries à Gram négatif, l'une fixée à la membrane, l'autre à la paroi.

Document 3 : Flagelle des  bactéries à Gram négatif

La fixation du flagelle à la membrane est mise en évidence chez les bactéries à Gram positif par le fait que les protoplastes conservent leurs flagelles.

                        6.1.2. Rôles des flagelles

  • Mobilité

Mise en évidence:
- examen microscopique à l'état frais
- envahissement des géloses (culture en nappe)
- en gélose molle, ensemencée en piqûre centrale (les bactéries mobiles envahissent toute la gélose, les bactéries immobiles cultivent seulement le long de la piqûre).

Modalités:
Le mouvement serait initié à partir du granule basal (disques membranaires): l'un des disques étant mobile (rotor), l'autre étant fixe (stator).
L'énergie nécessaire provient du gradient de protons créé lors du transfert des électrons le long de la chaîne respiratoire.

  • Chimiotactisme

Le mouvement du flagelle qui engendre le déplacement de la bactérie dans une direction donnée est produit par la rotation du crochet dans un sens ou dans l'autre. La bactérie est capable de choisir le sens de rotation puisqu'elle est capable de se diriger vers certaines substances (sucres, acides aminés) ou d'en éviter d'autres (acides, bases): notion de chimiotactisme (réalisé grâce à des récepteurs chimiques plus ou moins spécifiques).

  • Antigénicité

Les flagelles confèrent aux bactéries des propriétés antigéniques: la spécificité repose sur le nombre et la séquence en acides aminés dans la flagelline.
La mise en évidence des antigènes flagellaires (Ag H) se fait par des réactions d'agglutination sur lame en présence d'anticorps spécifiques (agglutination de type floconneux).
Elle est mise à profit pour l'identification des sérotypes de salmonelles (classification de Kauffmann-White).

6.2. Les pili ou fimbriae

Les pili ne sont pas des organes de locomotion.
Plus fins que les flagelles, rigides et cassants, ils sont éliminés de la surface bactérienne si on agite vigoureusement la culture.
On les a observés chez les bactéries à Gram négatif, ils sont beaucoup plus rares chez les bactéries à Gram positif.
Ils sont composés par une seule protéine : la piline.

On distingue 2 types de pili, différant par leur diamètre (de 3 à 8 nm) et leurs fonctions:

  • Les pili communs (en grand nombre): ils ont un rôle dans l’adhésion des bactéries aux cellules hôtes et dans les propriétés hémagglutinantes des bactéries.
  • Les pili sexuels (en petit nombre): ils jouent un rôle dans la conjugaison bactérienne (transfert de plasmides d'une bactérie à une autre). Seuls les "mâles'' possèdent des pili qui permettraient, en quelque sorte, l'accouplement avec une bactérie "femelle". Il semble que l'ADN à simple brin passe par le canal central du pilus et pénètre dans la bactérie femelle grâce à la rétraction du pilus et à sa dépolymérisation.

D'autre part, ces pili sexuels peuvent permettre la fixation de certains bactériophages qui injectent alors leur matériel génétique par le canal du pilus.
Voir cours de génétique.

            6.3. Le glycocalyx

Les bactéries peuvent s'entourer d'enveloppes supplémentaires plus ou moins structurées ou diffuses.

                        6.3.1. Composition du glycocalyx

Il est de nature polysaccharidique.
De très nombreuses bactéries sont capables de synthétiser des polysaccharides de surface qui peuvent, éventuellement, être libérés dans le milieu. Leur étude est cependant difficile pour deux raisons majeures :

- Ces polysaccharides sont très fortement hydratés (plus de 99% d'eau), ce qui rend leur étude difficile au microscope électronique, notamment parce que leur structure s'altère lors de la déshydratation des échantillons.
- Ces polysaccharides sont élaborés de manière optimale lorsque les bactéries sont dans un milieu hostile car ils apportent un moyen de coloniser l'environnement. Lors d'une culture in vitro, sur des milieux riches, la synthèse des ces polysaccharides (qui représente une dépense énergétique) n'est plus indispensable et les bactéries peuvent ne plus les élaborer.

En 1981, Costerton a proposé le terme de glycocalyx pour désigner tous les composants liés à la membrane externe des bactéries à Gram négatif ou au peptidoglycane des bactéries à Gram positif. Le terme de glycocalyx désigne donc à la fois les polysaccharides de surface et les protéines ou glycoprotéines de surface. D'autres auteurs préfèrent utiliser le terme de substances polymérisées extracellulaires (EPS : Extracellular Polymeric Substances).

Parmi les polysaccharides de surface, on peut distinguer de manière un peu arbitraire, la capsule et les couches muqueuses ou slime. La capsule (voir paragraphe suivant) correspond à une structure bien organisée, facilement mise en évidence par des techniques simples alors que le slime correspond à des constituants polysaccharidiques plus ou moins libérés dans le milieu et ne constituant plus une véritable entité morphologique.

                        6.3.2. Rôles du glycocalyx

  • Il est responsable de l'attachement des bactéries aux cellules (cellules buccales, respiratoires......) ou à des supports inertes (plaque dentaire sur l'émail dentaire, biofilms sur les cathéters, ou encore les prothèses dans le cas de bactéries d'intérêt médical).
  • Il protège les bactéries de la dessiccation et les rend résistantes aux antiseptiques, désinfectants, antibiotiques.

6.4. La capsule

Certaines bactéries sont capables, dans certaines circonstances, d'élaborer une couche gélatino-muqueuse entourant la paroi : la capsule.

6.4.1. Mise en évidence de la capsule

Levures et bactéries capsulées

Les bactéries capsulées donnent des colonies typiques, à aspect muqueux, filantes : colonies de type M.

6.4.2. Composition chimique de la capsule

La plupart des capsules sont composées de polysaccharides (quelquefois polypeptides, composés d'acide D-glutamique, comme chez Bacillus subtilis, Bacillus anthracis).
Exemple: capsule du pneumocoque, composée d'acides aldobioniques (ose + acide uronique associés par liaison osidique).
Oses et acides uroniques diffèrent selon les souches et permettent des spécificités antigéniques différentesclassification sérologique du pneumocoque).

6.4.3. Rôles de la capsule

Contrairement à la paroi, la capsule n'est pas vitale: une bactérie peut vivre sans capsule.

  • Rôle de protection vis à vis:
  • Des agents extérieurs: protozoaires. bactériophages, agents physico­chimiques (dessiccation)... La capsule constitue donc un agent de survie et de sélection naturelle des espèces qui la possèdent.
  • Des phagocytes: des pneumocoques encapsulés, injectés par voie intrapéritonéale à la souris, tuent l'animal en 24h. Les pneumocoques sans capsule en sont incapables.

 La capsule constitue donc un facteur de virulence, elle protège les bactéries de la phagocytose.

De plus, elle semble exercer un chimiotactisme négatif vis-à-vis des leucocytes.

  • Propriétés antigéniques:

L'injection de substances capsulaires chez l'animal entraîne la formation d'anticorps.

  • Spécificité sérologique:

Classification sérologique en fonction de la nature et de l'enchaînement des polyholosides.

7. LES SPORES BACTÉRIENNES

La plupart des bactéries ne présentent pas de cycle évolutif. Elles se multiplient exponentiellement tant que de la nourriture est à leur disposition, et entrent en phase stationnaire quand les ressources sont épuisées. Elles peuvent résister plus ou moins longtemps en phase stationnaire, mais finissent par se lyser et mourir.

Il existe cependant quelques espèces capables de se différencier en une cellule plus résistante au moment où leur croissance n'est plus possible : c’est la sporulation.

Sporulation bactérienne

La sporulation existe chez 3 principaux genres bactériens: Bacillus, Clostridium et  Sporosarcina (bactéries à Gram positif).

7.1. Mise en évidence des spores

Voir activités technologiques : EF, coloration de Gram, colorations spécifiques au vert malachite.

Mise en évidence des spores des bactéries

La position de la spore dans le corps bactérien est recherchée dans un but taxonomique.
On notera également la forme de la spore, la déformation ou non du bacille :

Forme des spores des bactéries

7.2. Les stades de la sporulation

Le processus de sporulation se déclenche à la fin de la croissance exponentielle et dure de 7 à 10 heures. On distingue, d'un point de vue morphologique, 6 stades principaux:

Stades morphologiques de la sporulation

Remarque: le septum de sporulation est différent du septum de division, toujours situé au centre et constitué de membrane + paroi.

Formation de l'endospore

7.3. La physiologie de la spore

Une spore se développe à l'intérieur d'une cellule végétative en croissance, sous forme d'une endospore (cellule à l'intérieur d'une cellule), dont la structure, la composition chimique et enzymatique, sont particulières.

  • L'endospore est recouverte d'une enveloppe formée de plusieurs couches de protéines et de glycoprotéines entourant le cytoplasme de la spore.

Structure d’une spore bactérienne

Structure d’une spore bactérienne
  • Composition chimique
  • Contenu en eau très faible par rapport à celui des cellules en croissance: 15 à 20% contre 75 à 85%.
  • Présence d'acide dipicolinique absent des cellules en croissance (10 à 15% du poids sec): les mutants de Bacillus subtilis qui ne peuvent synthétiser l'acide dipicolinique sont incapables de produire des spores résistantes à la chaleur.
  • Le déclenchement du processus de sporulation est irréversible.

3 heures après un transfert d'un bacille en croissance dans un milieu nutritif pauvre, le processus de sporulation est engagé et ne peut plus être arrêté.
Certains éléments génétiques spécifiques déclencheraient le mécanisme de la sporulation de manière irréversible. Il existe plusieurs dizaines de gènes commandant la sporulation, non exprimés pendant la croissance (répression des gènes par des catabolites azotés) et qui sont susceptibles d'intervenir à chacune des étapes du phénomène.

  • Germination de la spore

Elle se produit quand la spore est à nouveau placée dans des conditions favorables. C'est la transformation en une nouvelle cellule végétative, qui comprend 3 étapes:

Germination de la spore

7.4. Propriétés de la spore

Au cours de la formation des enveloppes, la préspore devient tout d'abord résistante à divers solvants puis à la chaleur.

7.4.1. Thermorésistance

Les spores de certaines espèces résistent à des températures de 80 à 120°C (en général, résistance à 70-80°C pendant 10 min). Cette résistance pose un problème important dans l'industrie alimentaire: les conserves ne subissant qu'une cuisson très courte, les spores ne sont pas éliminées et peuvent ensuite germer et contaminer la nourriture. Les contaminations les plus redoutables sont celles des Clostridium qui se multiplient en anaérobiose et produisent des toxines extrêmement dangereuses, entre autres, celle responsable du botulisme.

Cette résistance à la chaleur est due:

  • A la présence du cortex contenant du dipicolinate de calcium
  • A l’état déshydraté de la spore maintenu grâce à l’imperméabilité des enveloppes.

7.4.2. Résistance aux agents physicochimiques

Résistance aux agents physiques: rayons ultraviolets (UV), rayons X, fortes pressions.
Résistance aux agents chimiques: antiseptiques, désinfectants, antibiotiques (légèrement sporostatiques).

7.4.3. Synthèse d'antibiotiques

De nombreuses bactéries sporulées sont capables de synthétiser des antibiotiques; cette synthèse a lieu en fin de phase exponentielle de croissance, au moment de l'engagement irréversible dans le phénomène de sporulation.
Ex: synthèse de bacitracine par Bacillus licheniformis, synthèse de polymyxine par Bacillus polymyxa.

CONCLUSION

La structure des bactéries est très complexe. La composition chimique des différents constituants est à mettre en relation avec leurs rôles. En effet, ils sont responsables des propriétés des bactéries : forme, mobilité, colorations, résistance, pouvoir pathogène, échanges avec le milieu extérieur, métabolisme…
Les variations de structure sont à l’origine de la diversité bactérienne.

 

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Par Brigitte VERON - Collectif Photo-Reims