Microbiologie et génie génétique D’après le cours de Laurence Dupont I) Le monde microbien 1) La diversité du monde microbien Les trois domaines du vivant : Eucaryotes (plantes, champignons, animaux) Archaea (Sulfolobus, Methanogènes, Halophiles) Bacteria Microorganismes : 4 grands groupes : - Procaryotes = BACTERIA + ARCHAEA - Champignons = Unicellulaires (levures) Pluricellulaires (moisissures) - Algues - Protozoaires = PROTISTES Ce sont les Archeobactéries que l’on trouve dans les milieux les plus hostiles. Leur ADN ne sera pas en fusion à 100°C, donc ce sont des organismes interessants à etudier d’un point de vue biotechnologique. Les virus ne sont pas vivants. Ils sont incapables de se procréer de manière autonome. Ce sont des parasites obligatoires. On trouve les bactéries surtout dans le sol et l’eau. Elles se retrouvent en grande concentration dans les organismes Eucaryotes, le corps humain est constitué de presque plus de bactéries que de cellules humaines. Les microorganismes sont les pionniers de la vie sur Terre. L’apparition de l’oxygène est due au fait que des bactéries deviennent aptes à effectuer la photosynthèse, les Cyanobactéries. Elles colonisent les milieux extrêmes. Ce sont les ancêtres des organites Eucaryotes. A l’origine des mitochondries, il s’agit d’une bactérie qui aurait envahit une cellule Eucaryote. Les chloroplastes de la même maniere. C’est la théorie endosymbiotique. 2) Caractères généraux des Procaryotes – Eucaryotes Points communs Cytoplasme (Cytosol) Matériel Génétique Eucaryotes oui oui Membrane (cyto)plasmique oui Procaryotes oui oui (masse fibreuse, un seul chromosome circulaire) oui Différences Noyau (+Membrane nucléaire) (Voir tableau 1.3) oui non Une bactérie fait environ de 0,5 à 1µm de long. Une cellule Eucaryote fait de 5 à 20µm. Les Procaryotes ont une reproduction de type asexué (clonale). Ils se divisent par scissiparité (division binaire). 3) La microbiologie d’hier et d’aujourd’hui Effet des maladies sur la civillisation : - 565 : Déclin de Rome : Peste bubonique, variole Moyen-âge : Epidémies de typhus, peste, variole, syphilis, choléra 1346 : Chine (Route de la Soie) : Epidémies de peste bubonique 1720-1722 : Epidémies de peste en France Défaites napoléoniennes : Moscou 1812 et Leipzig 1813 : Typhus, pneumonie, dysenterie Avant 1650 : période sombre (476-1000) Miasme, être suprême, magie, génération spontannée.. ? De 1650 à 1850 : remise en question des doctrines traditionelles (Période des lumières) 1) Les 1ers microscopes = 1650 - A. Van Leeuwenhoek (1632-1723) : 1ère description de bactéries. - R. Hooke (1635-1703) : notion de cellules individuelle. 2) Contestataires de la doctrine de la génération spontanée - F. Redi - L. Spallanzani - F. Schulze etc.. 3) La microbiologie apres 1850 : période moderne - Louis Pasteur (1822-1895) : Stérilisation, fermentation de la bière, maladies infectieuses (rage). - L’école de Koch (1843-1910) et Coll : Anthrax, notion de colonie, culture pure. Outils microbiologistes. Isolement de micro-organismes pathogènes responsables de nombreuses maladies. - Rôle des micro-organismes dans les cycles de la matière : M. Beijerinck (1851-1931). S. Winogradsky (1856-1953). Microbiologie = Organismes modèles en recherche fondamentale pour études de : Nutrition Métabolisme Génétique Biochimie Biotechnologie microbienne : Pour quels secteurs ? - Production d’aliments et de boissons (bière, vin, pain, produits laitiers,...) - Additifs alimentaires (alcools, acides aminés, acides, polysaccharides, vitamines,...) - Agriculture (plantes transgéniques, biopesticides) - Pharmaceutique (antibiotique, stéroïdes, vaccins, peptides, hormones,...) - Environnement (traitement de l’eau usée, de l’air et des sols pollués, bioextraction des minerais, biocapteurs,...) - Spécialités diverses : industrie de la pâte à papier, biotensioactifs, biocosmétiques, biomatériaux, biocapteurs,... II) Nutrition et croissance des micro-organismes Nutrition dans le règne du vivant : Plantes : Elles tirent l’energie de la lumiere et ont besoin de CO2 pour le carbone. Animaux : Ils tirent l’énergie et le carbone des molécules organiques (bactéries, animaux, végétaux). Micro-organismes : Photosynthétiques et/ou utilisation de molécules organiques. Ils ont une diversité métabolique différente des animaux et des végétaux. On pense que pour chaque molécule carbonée naturelle qui existe à la surface de la planète, il existe un micro-organisme capable de la métaboliser, même pour le cyanure, les hydrocarbures, le TNT (Trinitrotoluène), le benzène, ... Il y a une grande diversité métabolique d’une espèce à une autre. Certaines ne sont capables d’utiliser qu’un composé carbonné, tandis que d’autres peuvent en utiliser jusqu’à une centaine de différents. La nutrition chez les procaryotes est un processus par lequel les microorganismes puisent et utilisent les aliments pour produire à la fois de l’energie et des matériaux de structure. Voir tableau 5.1 Comment constituer un milieu adéquat à la culture d’un micro-organisme ? Il va être basé sur les éléments présents dans un micro-organisme. A 90% une bactérie est composée d’eau. Le reste est représenté sur le tableau. Il y a surtout C, O, N, H, le reste étant des sels minéraux. 1) Les besoins nutritifs courants a) Les macroéléments (95% du poids sec de la cellule). - C, H, O sous forme de glucose, N sous forme de (NH4)Cl, P sous forme de PO42-, S sous forme de (SO4)Mg en (g/L) - K+, Ca2+, Mg2+, Fe2+ (mg/L) b) Les microéléments (ou oligoéléments) - Mn, Zn, Co, Cu, Ni, Mg (µg/L) c) Les facteurs de croissance - Vitamines - Bases puriques et pyrimidiques - Acides aminés Les bactéries prototrophes de type sauvage poussent sans facteurs de croissance. Les bactérie auxotrophe de type mutant poussent seulement en présence de facteurs de croissance. Ex : Une bactérie auxotrophe vis à vis de la leucine (leu-) est incapable de synthétiser la leucine (mutation dans la voie de biosynthèse de cet AA). Cet élément doit être rajouté dans le milieu de culture. 2) Entrée des nutriments dans la cellule bactérienne Il n’y a pas d’endocytose chez les Procaryotes. On a une membrane cytoplasmique contituée d’une bicouche phospholipidique, comme chez les Eucaryotes. Elle est hydrophobe, donc hautement selective. L’eau s’y diffuse librement, ainsi que plus ou moins alcools et acides gras. Par contre, toutes les molécules polaires (ions, acides aminés, sucres..) ne diffusent pas. Dans la niche écologique, la concentration en nutriments dans le milieu extérieur est très faible. Il faut que cette concentration en nutriments soit 100 à 1000x supérieure à l’intérieur du procaryote pour permettre sa croissance. Plusieurs cas de figure pour y arriver : a) Transport passif (selon le gradient de concentration) Diffusion passive. La bactérie n’a pas besoin de dépenser d’énergie sous forme quelconque. Diffusion facilitée (perméase membranaire) A faible concentration, la diffusion facilité permet d’avoir une entrée plus importante que la diffusion passive. On arrive à une phase plateau, où on arrive à un équilibre : une protéine membranaire interne à la membrane cytoplasmique est utilisée, la perméase. Les interactions du substrat avec la perméase changent sa conformation et ceci va permettre la libération du nutriment à l’intérieur de la membrane. Il existe plusieurs perméases qui possèdent une spécificité d’affinité, qui sera plus ou moins grande en fonction du substrat. Lorsque que la concentration du substrat sera trop importante on va arriver à une saturation, car toutes les protéines seront occupées. b) Le transport actif (contre le gradient de concentration, nécessite de l’énergie) Lorsque la concentration en nutriments est plus importante à l’intérieur de la bactérie qu’à l’extérieur : Il permet, en consommant de l’energie, de faire passer un soluté du coté de la membrane où il est le moins concentré pour augmenter sa concentration de l’autre côté de la membrane. Des ions passent contre un gradient de concentration en utilisant de l’energie. ATP : Système de transport ABC (ATP Binding Cassette) Système de transport utilisant les protéines capables de lier l’ATP. Elles se trouvent dans différents endroits selon la bactérie. Chez les bactéries Gr+ elle est intrinsèque. Chez les Grelle est libre dans le périplasme. Les perméases membranaires sont en général présentes à deux copies. Elles sont hydrophobes. La protéine ATPase est coté cytoplasme mais intéragit avec la membrane. La différence de charge qui existe de part et d’autre de la cellule est due à un phénomène établi au cours du transport des électrons au travers de la membrane plasmique. Les organismes respirent de manière aérobie ou anaérobie. Le milieu extérieur est chargé positivement, le milieu intérieur est chargé négativement. Conséquence : ces forces électrochimiques et protomotrices vont servir à permettre la synthèse d’ATP, et à faire du transport de substrat. Force proton-motrice : indirecte : gradient électrochimique. Dans les systèmes antiport, ces systèmes vehiculent deux molécules différentes dans les sens opposés (exemple : antiport Na+/H+). directe : antiport H+/Na+, symport H+/sucre ou AA.Grace a ce syteme d’antiport, on va avoir un gradient de Na+. Le sodium va avoir tendance à rerentrer et les symports vont utiliser cette force. Ils déplacent deux substances différentes dans le même sens. Exemple : cotransporteur sucre/Na+. indirecte : gradient de Na+ du à l’antiport H+/Na+, symport Na+/sucre ou AA. c) La translocation de groupe : cas du système PTS (PhosphoTransféraseSystem) N’a pas son équivalent chez les Eucaryotes. Ces systèmes servent au transport des sucres. (Chez Escherichia coli, le glucose rentre par ce système). L’energie est amenée par la liaison hautement énergietique du phospho-énol-pyruvate. L’hydrolyse de cette liaison permettre de faire rentrer le sucre de l’extérieur vers l’intérieur de la membrane. Au cours du transport le glucose sera phosphorylé (glucose6P). Cette réaction fait appel à 4 enzymes différentes (E I et HPr, dans protéines solubles dans le cytoplasme, E III périphérique à la membrane cytoplasmique, et E II intrinsèque). La première enzyme va s’autophosphoryler, le groupement phosphate va se transferer de proche en proche jusqu’à la membrane et va conduire à la phoshorylation du sucre qui va pouvoir rentrer. d) Transport du fer via sidérophores Le fer est un composant essentiel des cytochrones et des protéines Fer-Soufre, servant au transport des électrons dans la respiration. Le fer naturel est Fe3+. Ainsi il est insoluble, donc intransportable. Les micro-organismes sécrètent des agents chélateurs de bas poids moléculaire appelés sidérophores dans le milieu extérieur lorsque leur concentration en fer va baisser. Ces sidérophores vont fixer le fer et se fixer sur un recepteur membranaire spécifique et faire rentrer le fer dans la cellule. Animations des transports sur http://www.ac-creteil.fr/biotechnologies/doc_transportmb.htm 3) Culture des micro-oganismes A) Les différents milieux de culture - Milieux synthétiques ou définis ou minimums : on connait tous les éléments (nature et concentration). Dans un milieu minimum vont pousser des bactéries peu exigeantes (prototrophes) : on met une seule source de chaque élément requis (C, N, S, P, Ca2+, K+, Mg2+ et oligoéléments). Ces bactéries vont synthétiser leurs acides aminés. - Milieux riches ou complexes : ni la composition ni la concentration ne sont connues. Dans ces milieux vont pousser les bactéries auxotrophes, qui exigent des facteurs de croissance (AA, vitamines, bases azotées). On peut rajouter des peptones (hydrolysat protéolytique de protéines) ou de la Trypsine (hydrolysat trypsique de protéines), de l’extrait de boeuf (AA, nt, Acides organiques, vitamines et minéraux) et/ou de l’extrait de levure de bière (C, N, vitamine B). Certaines bactéries recquierront du sang, du sérum... On met ces bactéries dans un milieu liquide ou solide (en ajoutant de l’agar à 15g/L) et on stérilise par autoclavage. B) Les types de milieux - Milieu sélectif ou d’enrichissement : enrichir la croissance de la bactérie recherchée parmi une population mixte très dense. Ex1 : Milieu Mc Conkey (sels biliaires, cristal violet) Gram- intestinales. Ex2 : Milieu minimum avec cellulose (au lieu de glucose, seule source de carbone) Bactéries hydrolysant la cellulose. Ex3 : Milieu + antibiotique (anti-G+ ou G-, anti-fongiques,...). - Milieu différentiel : distinction à l’oeil nu. Ex : Gélose au sang bactéries hémolytiques ou pas (destructrices de globules rouges). - Milieu de conservation : On peut conserver les souches de bactéries à -110°C. C) Isolement d’une culture pure : méthode des stries. On part d’un mélange et on obtient une souche pure. Animation sur http://www.accreteil.fr/biotechnologies/doc_streakplate.htm. 4) La croissance des micro-organismes a) Discontinu ou en bactch (système fermé, pas d’apport de milieu frais). b) Culture continue ( système ouvert, remplacement continu du milieu). Physiologie de la croissance dans ces conditions est connue et cette croissance peut être décrite mathématiquement. A) Mesure de la croissance 1) Mesure du nombre de cellules On va mesure la division bactérienne. La croissance revient à dénombrer le nombre de cellules à la fin de la culture. Différentes façon : a) Titrage (nombre de cellules viables) On a un échantillon initial qu’on dilue par séries de 10 en 10 : On l’étale sur un milieu gélosé de dilutions appropriées (0.1 mL). On incube. Une cellule = une colonie = 106 b) Comptage direct Chambre de petroff-Hausser. Utilisé pour les levures car elles sont suffisament grosses pour le comptage. On a une lamelle creuse où on dépose un champ precis et on denombre les cellules observées. c) Compteur électronique Compteur de Coulter. On a un flux où les cellules passent une par une et un detecteur relié à un compteur va compter les cellules. 2) Mesure de la masse cellulaire Pour les mycètes, cultures de volume supérieur à 100 mL : * Poids sec (par deshydratation ou centrifugation) * Poids frais Absorbance ou Densité Optique (DO) : Dosage turbumétrique au spectrophotomètre. Les bactéries en fonction de leur taille et de leur densité vont diffracter la lumière. 3) Mesure de l’allongement du mycellium 4) Mesure indirecte : dosage de l’ATP, d’une activité enzymatique B) La croissance en culture discontinue : culture en batch 1) Paramètres cinétiques de la croissance - Temps de génération g Taux de croissance µ Nombre de générations n Biomasse M La croissance bactérienne se fait par division binaire. Si on part de X0 bactéries, à l’instant t on va avoir Xt = 2nX0. µ = nombre de générations ou divisions binaires par unité de temps. Cela traduit la vitesse de division. µ = n/t (en h-1) n = µt Xt = X02µt Temps de génération g : (h)g = t/n = 1/µ C’est le temps qui s’ecoule pendant un temps de génération n. Le temps de génération g chez quelques bactéries : Bacillus stearothermophilus : 0,13h (8min) Escheria coli 0,38h (23 min) Caulobacter crescentus 1,5h 2) Différentes phases de croissance en milieu non renouvelé Comme la DO est proportionelle au nombre de bactéries Xt, ca revient à peu pres au même de prendre l’une ou l’autre valeur. (Voir les 3 courbes du polycopié). La courbe la plus exploitable est celle avec les logarythmes. Elle se divise en 6 phases de croissance différentes : a, b, c, d, e et f. a : Phase de latence. X0 reste constant. Les bactéries ne se divisent pas. Donc µ = 0. b : Phase d’accélération. Le nombre de bactéries augmente. µ augmente. Etapes d’adaptation. Les bactéries ont besoin de s’adapter soit : - Parce qu’elles sont agées, leur métabolisme énergetique est au plus bas et il faut un certain temps pour que le métabolisme reparte. - Parce qu’elles proviennent d’un milieu différent au départ. Elles s’adaptent au nouveau milieu. c : Phase exponentielle de croissance (où s’appliquent les précédentes équations mathématiques). Cette phase est linéaire logarythmiquement. µ est maximum. Toutes les réactions métaboliques sont à l’équilibre les unes avec les autres. Le métabolisme est à son efficacité maximale. d : Phase de décélération. Les bactéries continuent à se diviser mais à un rythme moins important. µ diminue. e : Phase stationnaire. On est parvenu à un plateau. µ = 0. Les bactéries ne se divisent plus. f : Phase de déclin. Cette phase n’est pas toujours observable, on la voit surtout chez les bactéries. Elles vont lyser et libérer les contenu intracellulaire (elles meurent). µ < 0. Pourquoi les phases décélération et stationnaire la croissance s’arrête –t-elle pour arriver à 0 ? Car il n’y a plus de nutriments, plus de source de C et d’énergie. Ensuite le micro-organisme va rejetter des déchets toxiques. Et une variation de l’équilibre ionique du milieu va faire varier le pH. La biomasse (mg/L) = M = masse de microorganismes formés / litre de culture = rendement. La biomasse atteinte est fonction de la concentration initiale en substrat limitant dans le milieu de culture. Courbe lnX = f(t) pour différentes concentrations en glucose. Milieu minimum : Excès de tous les nutriments Un limitant en concentration dans le milieu. Y = Rendement de croissance : efficacité avec lequel un microorganisme va pouvoir pousser dans un substrat = Masse de microorganisme formé (mg/L)/ masse de substrat consomé (g/L) E : Les enzymes qui catabolisent le fructose sont déjà présence, contrairement aux enzymes qui interviennent dans la dégradation de l'arabinose. Elles sont synthétisées pendant la phase de latence. Tant qu’il y a du fructose dans le milieu, les enzymes catalysant l’arabinose ne sont pas synthétisées. 3) La croissance en culture continue des microorganismes Croissance et système ouvert : apport continu de nutriments + élimination des déchets. But : Maintien de la biomasse + maintien de la population microbienne en phase exponentielle de croissance. a) Chemostat : Un élément nutritif est limitant f = vitesse d’écoulement du milieu à travers la chambre de culture (mL/h) V = volume de la cuve Vitesse de dilution = D = f/V Temps de génération g et biomasse : D = f(V) b) Turbidostat - Pas de nutriment limitant D varie : réglage automatique de D pour maintien d’une densité cellulaire R prédeterminée. C) Influence de l’environnement sur la croissance 1) Pression osmotique * Non halophiles ou osmotolérants ([NaCl] = 0,5 à 3M). Elles vont tout faire pour rejetter le sel à l’extérieur « SALT IN ». * Halophiles modérés à extrêmes ([NaCl] = 2,8 à 6,2M). Le sel reste en concentrations très élevées à l’intérieur « SALT OUT ». Pression osmotique (Π) Pression de turgescence (P) Il faut une pression osmotique sur la membrane pour l’ allongement la paroi. Choc osmotique : La concentration en NaCl exterieure sera plus élevée. Par osmose la cellule va avoir tendance à diluer le milieu extérieur : l’eau va sortir. Son cytoplasme va se deshydrater. La replication de l’ADN va s’arrêter ainsi que la synthèse d’ATP, la respiration, les éléments nutritifs ne vont plus pouvoir entrer, les protéines vont se dénaturer et le volume du cytoplasme va beaucoup diminuer, donc les molécules toxiques seront en concentration plus grandes. Plus de pression exercée sur la paroi. L’alongement ne se fait plus. Arrêt de la croissance Mais la bactérie est osmotolérante et ne va pas mourir. Elle va être capable de faire rentrer l’eau dans le cytoplasme pour revenir dans des conditions standard. Pour cela elle va accumuler des solutés couplables au transport de l’eau (K+), quelques nanosecondes après le choc osmotique. Réponse primaire. Mais cette accumulation de potassium est à long terme toxique pour la bactérie. Des solutés compatibles s’accumulent et sont non toxiques (sucres, acides aminés, bétaines, ...) Réponse secondaire. Retour de la croissance lors d’une contrainte osmotique par accumulation d’osmoprotectant (bétaine). 2) pH Acidophile : Neutrophile : Alcalophile : Alcalophiles extrêmes : 3) Température pH 1 – 5,5 pH 5,5 – 8 pH 8,5 – 11,5 pH > 10 mycètes et algues bactéries (gamme de 0 à 75°C mais aussi de -20 à 100 °C) Psychrophile : 0 – 20°C (opt = 15°C) (Antarctique et Arctique) Mésophile : 15 - 45°C (opt = 30°C) Thermophile : 45 – 100°C (opt = 65°C) 4) L’Oxygène Dans une gélose molle on fait des cultures de différentes bactéries. 1. Aérobie obligatoire: O2 = Accepteur final de la chaîne transporteuse d’électrons. Les bactéries sont visibles en surface. 2. Microaérobie [O2] = 2 à 10% au lieu de 20% atm. Poussent en présence de faibles concentrations d’ O2. 3. Anaérobie aérotolérant : Enterococcus faecalis. Poussent qu’il y ait de l’O2 ou pas. 4. Anaérobie stricte : Clostridium pasteurianum. L’O2 est toxique. 5. Anaérobie facultatif : bactéries comme E. Coli, beaucoup de levures. Poussent en présence ou en absence d’O2. Elles se sont bien adaptées. Certaines bactéries ont des équipements enzymatiques qui permettent de détoxyfier l’ O2. Ex : Catalase du peroxyde d’hydrogène: 2H2O2 2H2O + O2 Ex : Superoxyde disnutase du superoxyde: O2- + O2- + 2H+ H2O2 + H2 5) Pression - Barotolérance. Barophile : 400 à 500 atm et même jusqu’à 600 à 1100 atm pour microorganismes des grandes profondeurs. III – Structure de la cellule bactérienne Observation au microscope Microscope optique à fond clair = L’ensemble du champ de vision (objet + fond) est illuminé. - Etat frais (cellules vivantes) entre lame et lamelle. Frottis (cellules mortes) : 1. Etalement d’une suspension bactérienne sur lame de verre. 2. Fixation à la chaleur. 3. Ajout d’un colorant (pour augmenter le contraste ou spécifique de structures internes de la cellule). 4. Lavage de la lame. 5. Observation au microscope Microscope électronique sur coupe fine 1) Principales formes bactériennes a) Bactéries unicellulaires - - - - Forme sphérique = Coque ou coccus : PHOTO Selon l’axe de division de la bactérie au cours de sa croissance, et si les cellules ne se séparent pas : on va pouvoir donner un nom à la bactérie. - Diplocoques - Streptocoques - Tetrades - Sarcines - Staphylocoques Forme cylindrique = bâtonnet ou bacille PHOTO - Bacille simple - Diplobacille - Streptobacille - Coccobacille Forme hélicoïdale PHOTO - Vibrion (hélice ≤ 1 tour) - Spirille (hélice longue et rigide) - Spirochète (hélice longue et flexible) Bactéries à prosthèque PHOTO b) Bactéries pluricellulaires - Actinomycètes. Cyanomycètes ( bactéries photosynthétiques ) comme Oscillatoria ou Anabaena. 2) Division cellulaire des bactéries Reproduction asexuée - Division binaire transversale le plus courant Bourgeonnement peu répandu Fragmentation chez les bactéries à forme mycélienne 3) Structure fine, composition et fonction de la cellule bactérienne a) Structures internes - L’ADN : - Molécule hélicoïdale bicaténaire circulaire - Aspect fibreux en microscopie électronique - ADN dans le cytoplasme = nucléoïde, non délimité par une membrane. - Molecule d’ADN relâché = 1mm. ADN super-enroulé dans la cellule. Chromosome bactérien - Masse moléculaire d’ADN = 109 à 1010 Da. - Nombre de copies = 1 copie de chromosome unique circulaire. - Taille du génome de 0,65 mégabase à 10Mb (moyenne à 4 Mb). - Séquençage systématique des génomes : Ex : Escherichia coli : 4,6 Mb – 4600 gènes. Plasmide - ADN circulaire double-brin extra-chromosomique. - Rôle dans l’adaptation mais non-essentiel au développement. - Les ribosomes : - Libres ou en polysomes. - Rôle dans la traduction de l’ARNm en protéine. - Les vésicules à gaz : - Structure protéique rencontrée dans des espèces aquatiques. - Rôle dans la flottabilité en fonction de la lumière, de l’H2S, de l’O2, ... - Les substances intracellulaires de réserve - Glycogène et amidon (polymère de glucose α-1,4) dans le cytoplasme. - Poly-β-hydroxybutyrate (PHB) et polymères d’acides. - Cyanophycine = seul polymère d’azote stocké par les cyanobactéries. - Composés inorganiques : polyphosphate, soufre. b) La membrane cellulaire ou membrane cytoplasmique * Composition chez Escherichia coli : - Phospholipides (7 différents). Protéines (jusqu’à 200 protéines différentes). Pas de stérols. Cations divalents. Rôle de la membrane cytoplasmique : - Barrière physique entre le cytoplasme et l’environnement extra-cellulaire. Perméabilité selective aux substances chimiques. Diffusion libre (H2O). Ou transporteur. Système énergétique cellulaire. Réplication de l’ADN néosynthétisé. c) Les parois Paroi + membrane de la cellule = ENVELOPPE CELLULAIRE Paroi : Constituant cellulaire le plus externe des procaryotes, indispensable à la survie du micro-organisme qui le produit (pas le cas de la capsule). Rôle de la paroi : intégrité membranaire en empêchant la lyse cellulaire. Remarque : Il existe des bactéries sans paroi = « Mycoplasmes » mais possèdent des stérols dans la membrane cytoplasmique pour sa stabilisation. Constituants et structure de la paroi (peptidoglycane, mucocomplexe, muréïne) : - 2 Osanines : - N-acétyl glucosamine NAG. - N-acétyl muramique NAM. Glycane : NAG – NAM – NAG – NAM ---//---NAM Glycane : NAM – NAG – NAG... - Le pont peptidique ( 4 AA de série L ou D ). Le groupement lactate se connecte à la chaîne petidique au niveau du groupement NH2 de l’Alanine. INDIRECT (Chez les bactéries à G+) - Pontage DIRECT (Chez les bactéries à G-). Rôle important des di-aminoacides (2 fonctions amine) dans le pontage petidique : deux liaisons peptidiques possibles. Selon l’espèce, la nature des ponts peptidiques est extrêmement variable (jusqu’à 100 structures de peptidoglycanes différentes). Comparaison des parois des bactéries Gram-positives et Gram-négatives : Le règne des Bacteria est divisé en deux groupes selon la réaction à la coloration de Gram : - Gram+ : violet. - Gram- : rose. 1) 2) 3) 4) 5) Frottis Coloration au cristal violet « Mordre » au lugol (iode) Décoloration à l’alcool Contre-coloration à la fuschine (ou safranine) La structure de l’enveloppe cellulaire est beaucoup plus complexe chez les Gram- que chez les Gram+ : - Paroi épaisse et uniforme. - Paroi composée de 40 à 80% de PG et d’Acides teichoïques et teichuroniques. Gram + - Paroi complexe et non-homogène. - Présence d’une membrane externe. - Paroi composée de 5% de PG (une couche ou faire PM). - Pas d’acides teichoïques ni teichuroniques. Gram - Animation sur http://www.ac-creteil.fr/biotechnologies/doc_bacteriacellwall.htm Les acides teichuroniques : Constitués d’un Acide uronique + un dérivé uronique d’AA. Chez les Gram+ la présence de ce constituant dans l’enchaînement des PG va rigidifier la paroi. Différence dans la structure du peptidoglycane : Structure de la membrane externe des bactéries à Gram- : - Récepteurs aux phages. Phospholipides. Protéines : - Majeures (70% des protéines totales de la membrane externe) : porines (OmpC, OmpF). - Mineures (20% à 30%) : LamB (transport maltose), récepteurs phagiques... - Lipoprotéines : 58 AA + lipides en N-terminal (2/3 libre – 1/3 lié au PG). - LPS : Lipopolysaccharide. LPS toxique : endotoxine de certaines SP pathogènes animale et humaine. - Périplasme : espace entre la membrane cytoplasmique et la paroi (pas d’espace périplasmique chez les G+). - Lieu d’une intense activité enzymatique. - Lieu de différentes étapes de synthèse de la paroi. - Localisation de chimiorecepteurs (pour la mobilité). Fonction de la paroi : Empêcher la lyse cellulaire par osmose dans un envirronement le plus souvent hypotonique. d) La capsule : structure extracellulaire La capsule ou glycocolyx est un élément inconstant et non essentiel. Elle a un rôle de protection et/ou de virulence. Certaines bactéries sont capables de faire des capsules (ex : Bacillus subtilis). - Sert à protéger le microorganisme de l’attaque des phages (barrière physique). - Ralentit la deshydratation, le stress osmotique. - Rôle dans la virulence des bactéries pathogènes. - Augmente la probabilité de développement d’une maladie. (souche S avec capsule mort de la souris. Souche R survie de la souris). - Rôle dans l’attachement de Streptococus mutans dans l’émail des dents ( caries). Streptococcus mutans Saccharose acide caries Composition de la capsule : - Polysaccharides majoritairement (homopolymère, hétéropolymère). - Polypeptides. e) Les appendices cellulaires - Les pili et « fimbriae » Structure protéique. Fréquents chez les G-, rares chez les G+. Fimbriae (jusquà plusieurs centaines par cellule) : rôle dans la pathogènicité (adhesion aux muqueuses). - Pili sexuel ou F- pili (un à deux par cellule) : rôle dans la conjuguaison bactérienne. Les flagelles - Rôle dans la mobilité en milieu aqueux. - 10 à 20 nm de diamètre. - 5 à 20 µm de long. Disposition des flagelles chez les microoganismes : - Polaire monotriche (ex : Pseudomonas). - Polaire lophotriche. - Amphitriche. - Péritriche. Structure de la flagelle : - Energie chimique transformée en énergie mecanique grâce à la force proton motrice (environ 1000 protons par tour de flagelle). - Vitesse de rotation de 200 à 1000 tours/min = 10-20 µm/sec = 65 km/h. - La longueur d’onde des ondulations est spécifique à chaque espèce. Une bactérie péritriche (E. coli) se déplace grâce à l’alternance nage/culbute (sens horaire, anti-horaire). Tachisme : déplacement de la bactérie suite à un stimulus attractif ou répulsif, de nature chique (chimiotachisme) ou lumineuse (phototachisme). La capture et la transduction du signal se font grâce aux MCP : protéines du chimiotachisme acceptrices de méthyle. Un mutant mob- sera un mutant de strcture sur la flagelle soit : - Au niveau du filament. - Du crochet. - Du corps basal. La mobilité chez les spirochètes se fait grâce à la présence d’un filament axial. f) Les endospores Phénomène unique aux bactéries et seulement chez certaines G+. Ces endospores se forment lorsque la bactérie rencontre une carrence nutritionnelle, ce qui lui confère une résistance extrème : - à des substances chimiques - à des rayonnements - à l’absence d’eau - au gel - à la chaleur On a retrouvé des endospores de 7500 ans. 1) 2) 3) 4) Duplication du chromosome et invagination de la membrane plasmique. Septum transversal double membrane autour = prespore. Couche de peptidoglycane accumulée entre les 2 membranes. TUNIQUE SPORALE à l’exterieur de la membrane externe. La cellule est à l’état dormant, pas de métabolisme. Spores deshydratée = dormance. Ceci peut durer de quelques jours à 1000 ans. On y trouve : - De l’ADN chromosomique - Des ions Ca2+ - De l’ARN - Des ribosomes - Des enzymes - De l’acide dipicolinique Enprésence de milieu nutritif on a levée de la dormance (germination) et lésion de la tunique sporale. H2O entraîne la dégradation de couches protectrices. IV) Métabolisme bactérien Métabolisme = Ensemble des réactions biochimiques qui se déroulent dans un organisme vivant et visant au maintien de l’équilibre énergétique. Deux catégories : Catabolisme (réactions exergoniques) : dégradation de composés organiques complexes (polysaccharides, lipides, protéines). Réactions de classe 1 souvent liées à des réactions d’hydratation. On part d’un composé qui va devenir oxydé. ATP libéré. Anabolisme (réactions endergoniques) : souvent réactions de déshydratation qui consistent à produire des matières organiques complexes. Réactions de biosynthèse de classe 2, donnant des composés simples. Ex : synthèse d’AA. Réactions de polymérisation de classe 3, donnant des composés plus complexes. Ex : synthèses de protéines. Ces réactions contribuent à la croissance bactérienne. ATP consommé. Il existe des réactions de couplage entre catabolisme et anabolisme. 1) La production d’énergie a) Rôle des réactions d’oxydoréduction L’énergie n’est pas stockée sous forme d’ATP. Lorsque les nutriments sont dissociés en éléments plus simples, l’energie dégagée va être transférée sous une autre forme. Ared + NAD+ Aox + NADH + H+ Le NADH est une molécule hautement énergétique. Elle est utilisée dans la chaîne respiratoire chez certaines bactéries. Par chimioosmose elle servira à synthétiser de l’ATP. b) La production d’ATP L’ATP contient des liaisons riches en énergie : AMP–P–P à différents niveaux : - La phosphorylation au niveau du substrat (cytoplasme). Transfert direct d’un groupement phosphate à partir d’une molécule carbonée sur une molécule d’ADP. Exemple (glycolyse) : PEP + ADP Pyruvate + ATP - La phosphorylation oxydative (membrane plasmique Procaryotes). (membrane mitochondriale Eucaryotes). Lorsqu’un substrat va être oxydé, il va rétrocéder des électrons au NAD+, au FAD, qui vont les transmettre à une chaîne de transfert d’électrons au niveau de la membrane, et par chimioosmose les électrons vont être expulsés à un accepteur final synthèse d’ATP. - La photophosphorylation (cellules photosynthétiques). Les types trophiques : Besoins Energie Substrat énergétique Source de C Facteurs de croissance Lumineuse Chimique Minéral Organique CO2 Composé organique Indispensable Non indispensable Type trophique Phototrophe Chimiotrophe Lithotrophe Organotrophe Autotrophe Hétérotrophe Auxotrophe Prototrophe On peut ainsi trouver des organismes chimio-lithotrophes ou chimio-organotrophes, tout en étant autotrophe ou hétérotrophe. Les procédés liés à l’énergie sont donneurs d’électrons. Elements nécessaires à la production d’ATP : Source d’énergie (donneurs d’électrons) Soleil et pigments photosynthétiques Glucose, soufre, ammoniac ou hydrogène à ensemble l’état gazeux Phototrophes Chimiotrophes Chimioorganotrophes (donneur d’électron : composé organique) Chimiolithotrophe (donneur d’électron : composé inorganique réduit) | Electrons | | ATP | v Transporteurs d’électrons NADP+ NAD+ FAD+ | | ATP | v Accepteurs d’électrons finaux O2 NO3-, SO42Composé organique (respiration aérobie) (respiraction anaerobie) (fermentation) 2) Le catabolisme des glucides 2 grands processus de production d’ATP à partir du glucose : - La repiration cellulaire : aérobie (acc. final d’électrons = O2) ou anaérobie (acc. final d’électrons ≠ O2). - La fermentation. a) La respiration cellulaire aérobie Etapes du catabolisme : Schéma général p.9. La glycolyse est un processus qui se déroule en aérobiose comme en anaérobiose. Glucose + 2ADP + 2Pi + 2NAD+ 2 pyruvates + 2ATP + 2NADH + 2H+ Cycle de Krebs : Schéma p.9. Bilan de l’oxydation du glucose en CO2 (glycolyse et cycle de Krebs) : * Glycolyse (glucose 2 pyruvates) : 2 ATP 2 NADH * Entrée dans le cycle de Krebs (pyruvate AcétylCoA) x2 : 2 NADH * Cycle de Krebs ( AcétylCoA CO2) x 2 : 2 GTP = 2 ATP 6 NADH 2 FADH2 4 ATP formés ! Transport des électrons et phosphorylation oxydative (chimiosmose). Schéma p.10. Selon l’organisme considéré, la nature des cytochromes ne sera pas forcément la même. Bilan de l’oxydation du glucose en CO2 (glycolyse et Cycle de Krebs) lors de la respiration aérobie (après chimioosmose) : - Ré-oxydation du NADH 6 H+ expulsés 3 ATP formés (1 ATP/ 2H+) Ré-oxydation du FADH2 6 H+ expulsés 2 ATP formés (1 ATP/ 2H+) * Glycolyse (glucose 2 pyruvates) : 2 ATP 2 NADH soit 6 ATP * Entrée dans le cycle de Krebs (pyruvate AcétylCoA) x2 : 2 NADH soit 6 ATP * Cycle de Krebs ( AcétylCoA CO2) x 2 : 2 GTP = 2 ATP 6 NADH soit 18 ATP 2 FADH2 soit 4 ATP 4 ATP formés + 34 ATP = 38 ATP. b) La respiration cellulaire anaérobie Accepteur d’électrons = molécule inorganique autre que O2. Tableau p.4. Exemple : Bactéries nitrifiantes (Cycle de N). Nitrate reductase NO3- + 2e- + 2H+ (nitrate) NO2- + H2O (nitrite) NO2- NH3 N2 Exemple de chaîne de transport des électrons (Escherichia coli) : Flavoprotéines Quinone Cytochromes D-lactate L-lactate Succinate NADH Pyruvate Glycérol-P Cyt b562 Cyt b562 cyt o (O2 non limitant) Q Aerobiose ; Anaerobiose Cyt b558 Cyt b595 cyt d (O2 limitant) Cyt b556 NO3- reductase Bilan de l’oxydation du glucose en CO2 (glycolyse et une partie du cycle de Krebs) lors de la respiration anaerobie (pas de chimioosmose) : * Glycolyse (glucose 2 pyruvates) : 2 ATP 2 NADH soit 6 ATP * Entrée dans le cycle de Krebs (pyruvate AcétylCoA) x2 : 2 NADH soit 6 ATP * Cycle de Krebs ( AcétylCoA CO2) x 2 : Pas de GTP 2 ATP formés selon la chaîne de transporteurs d’électrons membranaires. c) La fermentation Accepteur d’electron = molécule organique. Fermentations : molécules organiques « oxydées » servent d’accepteurs finaux d’electrons. Schémas p.10. Les bactéries lactiques hétérofermentaires produisent toujours de l’acide lactique et autres acides + alcools. Certains microorganismes produisent de l’ethanol (levures). Voir schéma p.10. Bilan de la fermentation (pas de chaîne respiratoire) : * Glycolyse (ex : glucose 2 lactate) : 2 ATP * Phosphorylation oxydative au niveau du substrat (bactéries fermentaires acéto-butyriques): 2 ATP 2 ATP formés selon la chaîne de transporteurs d’électrons membranaires. Exemple : E. Coli (enterobactéries) effectue la fermentation formique Identification de germes Acides mixtes (EtOH + Acides) (butanediolique EtOH + butanediol + acides). Produits de la fermentation mixte chez E. coli : Centrifugation à pH8 : Rendement (µM de produit/100µM glucose). EtOH 50µM Acide formique 86µM Acide acétique 39µM Acide lactique 70µM Acide succinique 15µM 3) Le catabolisme des lipides et des protéines Les organismes construisent toutes leurs molecules carbonnées soit à partir d’un lipide soit à partir d’une protéine. a) Les lipides Les lipides ne passent pas les membranes. Donc les microorganismes synthétisent des lipases extracellulaires qui les hydrolysent dans le milieu extérieur en acides gras + glycérols. Le glycérol va être transformé en dihydroxyacétone-phosphate puis en 3P-glycéraldéhyde, puis en acide pyruvique qui se transformera en Acetyl-CoA et rentrera dans le cycle de Krebs. Les acides gras subiront la β-oxydation pour se tranformer en Acetyl-CoA et rentrer dans le cycle de Krebs. b) Les protéines Les protéines ne passent pas la membrane plasmique. Les microorganismes synthétisent des protéases-peptidases excrétées dans le milieu extérieur. Les protéines seront catalysées en AA ( symport ou système ABC transport ) ou dipeptides ou oligopeptides ( systèmes ABC transport). Les AA sont dégradés selon différentes voies : - Desamination NH4. - Decarboxylation CO2. - Déshydrogénation. 4) Tests biochimiques et identification des bactéries - Detection d’enzymes du catabolisme d’acides aminés : Glucose + indicateur de pH + 1 AA. L’indicateur vire au jaune à pH acide et au violet à pH basique. On fait pousser la culture bactérienne et selon la couleur on en déduit : Jaune : Glucose Acide Violet : AA decarboxylation Produit alcalin. - Test de fermentation : Sucre + indicateur de pH + 1 protéine. On fait pousser la culture bactérienne et selon la couleur on en déduit : Violet - : mannitol Violet + : mannitol Jaune - : mannitol + Jaune + : mannitol + - Galleries API On compare la production ou non de gaz, d’enzymes... 5) Oxydation de molécules inorganiques réduites : les chimiolithotrophes Ils utilisent comme donneur d’electron un composé chimique inorganique qui va être oxydé. Parfois hétérotrophes (le composé organique est la source de carbone). Le plus souvent autotrophes (le CO2 est la source de carbone, fixé via le cycle de Calvin). Grande quantité de matière inorganique est nécessaire à ces bactéries pour se développer (impact écologique). Bactéries Alcaligenes et Pseudomonas Nitrosomonas Nitrobacter Thiobacillus dentrificans Thiobacillus ferroxidans Donneur d’électrons réduit H2 Produit final oxydé H2O Accepteur final d’électrons O2 NH4+ NO2- (nitrite) S0, H2S NO2NO3- (nitrate) SO42- O2 O2 NO3- Fe2+, S0, H2S Fe3+, H2SO4 O2 « Nitrification » Voir bilan page 11. 6) La photosynthèse : conversion de l’énergie lumineuse en énergie chimique. Photoautotrophes (plantes, algues, cyanobactéries) : photosynthèse oxygénique. 6 CO2 + 12 H2O + ε lumineuse C6H12O6 + 6O2 + 6H2O A) Phase lumineuse (synthèse d’ATP) B) Phase sombre [CO2 sucre (réaction de Calvin-Benson)] A) La photophosphorylation - Les électrons impliqués dans la photochimie sont extraits de l’H2O (oxygénique) ou de substrats réduits comme S, H2, H2S, ... (non oxygénique). Un quantum d’énergie excite un électron présent dans un composé photoabsorbant : L’energie lumineuse absorbée par la chlorophylle : Chlorophylle a (plante verte, algue, cyanobactérie) Bactériochlorophylle (autres bactéries photosynthétiques) absorbe à les longueurs d’ondes plus grandes que celles captées par la chlorophylle a. (voir cours sur la photosynthèse) B) Réactions du cycle de Calvin-Besson (Phase sombre) 6CO2 + 18ATP + 12NADPH Glucose C) Organismes photosynthétiques procaryotes a) Photoautotrophes Cyanobactéries : Les atomes d’H de l’H2O servent à réduire le CO2 Production d’oxygène (aérobie) = Photosynthèse oxygénique. Localisation du système photosynthétique (PSI et PSII) - Structures spécialisées. Bactéries vertes sulfureuses (ou bactéries vertes sulfo-reductrices) et bactéries pourpres sulfureuses (ou bactéries vertes sulfo-réductrices) : Bactéries incapables d’utiliser H2O pour réduire le CO2 pas de production d’oxygène (anaérobie) = photosynthèse anoxygénique. Utilisent S, H2, ou H2S pour réduire le CO2 et oxydation en SO42-, H2O. Bactéries pourpres et vertes ??? b) Photohétérotrophes Utilisent la lumière comme source d’énergie Incapables de convertir le CO2 en sucre Source de C = composé organique (alcool, AG, Acide carboxylique, glucides, ...) Photosynthèse anoxygénique Bactéries vertes et pourpres non sulfureuses Centre réactionnel des bactéries pourpres non-sulfureuses (photohétérotrophes). 7) Rôle des bactéries dans les cycles biogéochimiques 2ème partie : l’anabolisme Réactions de classe II (endergoniques) - Biosynthèse des polysaccharides Biosynthèse des lipides Biosynthèse des acides aminés Biosynthèse des purines et pyrimidines Réactions de classe III : synthèse des macromolécules (endergoniques) (voir cours d’ ABM) Interaction entre l’Homme et les microorganismes : - Flore microbienne Bactéries pathogènes Microflore normale : - Le mutualisme : sorte de symbiose à l’echelle humaine, association bénéfique pour les deux partenaires. (Ex : bactéries du côlon qui apportent des vitamines essentielles au métabolisme cellulaire. Les nutriments de l’homme aideront à la croissance des bactéries.) - Le commensalisme : association dans laquelle un seul des deux organismes tire un bénéfice. (Ex : dans la bouche on a des bactéries non pathogènes qui tirent un bénéfice grâce aux nutriments.) - L’opportunisme : bactéries de la microflore normale qui se retrouvent dans un compartiment normalement stérile, ou que l’hôte modifie sa réactivité et devient immunodéprimé, et qui deviennent pathogènes. La pathogénie (= étude du processus par lequel une maladie se développe) : - Infection : en fonction de la pathogénécité de l’agent infectieux et de la résistance de l’hôte. - Virulence : capacité d’un microorganisme à provoquer des dommages et à echapper au système de défense de l’homme. La resistance ou non à l’infection dépend de la condition physiologique, de l’âge, de l’alimentation, de l’envirronement et des troubles de santé mentale, des éléments génétiques, d’une autre maladie (asthme, ...), de la prise de médicament, des partenaires multiples/toxicomanie. I – La flore microbienne normale de l’Homme Un adulte contient 1014 bactéries par 1013 cellules somatiques. Donc on a presque autant de cellules que de bactéries dans notre corps. - Peau : 106 bactéries/cm² (zone humide comme les aisselles, les pieds, les cheveux). ex : Staphylococcus epidermidis, Propionibacterium, Micrococcus, Acinetobacter, Bacillus. Ces bactéries se nourissent des nutriments contenus dans la sueur sécrétée par les glandes sudoripares, des composés lipidiques sécrétés par les glandes sébacées. - Appareil respiratoire : 108 bactéries/ml de salive. La bouche, le nasopharynx et la gorge sont colonisés par les microorganismes. ex : Staphylococcus pneumoniae, Haemophilus influensae, Corynebacterium, Streptococcus salivarius. - Appareil digestif : 10 bact./ml dans l’estomac. On n’y trouve que des bactéries qui se développent à pH acide : Lactobacille, Candida albicans, Helicobacter pylori (pathogène). 1011 bact./g de matière dans le colon. On y trouve surtout des bactéries G+ : Duodenum, Jejunum, Ileum. Lactobacille. Bactéries aérobies : Bifidobacterium, Lactobacille, Escherichia coli, Clostridium. Ce sont ces bactéries, dans le colon, qui synthétisent les vitamines nécessaires à l’hôte : Vitamine B12, riboflavine, biotine, Vitamine K. 30% de la matière fécale excrétée par jour est composée de microorganismes. - Appareil urogénital : Vessie, rein, et urètre doivent être stériles. La partie inférieure est colonisée par des bactéries. L’appareil de la femme est plus complexe : evolution de la flore en fonction du cycle menstruel. Notament au niveau du vagin : levures (candida albicans, des bactéries qui reistent à un pH acide, et des germes qui produire de l’acide lactique pour maintenir le pH ambiant à 4,5. Il existe jusqu’à 350 espèces différentes de bactéries dans l’intestin. Après la naissance, la colonisation des bactéries va avoir lieu au niveau du sysème respiratoire, du tractus gastro-intestinal, de la peau, et de l’appareil uro-génital. Mais certains organes doivent rester exempts de microorganismes : le sang, le coeur, le foie, la trachée, les bronches et les poumons, le pancréas doivent rester stériles. II – Défenses innées de l’hôte 1) Principales barrières de défense contre l’infection Dans les conditions normales, les barrières constituées par la peau, les muqueuses, sont quasiinfranchissables par les microorganismes. Un moyen naturel de rejeter les microorganismes : - Au niveau des membranes de l’oeil, du poumon, de l’intestion et de l’appareil urinaire sont en permanence nettoyées par les liquides qui entrainent les corps non fortement attachés à leurs surfaces: peristaltisme intestinal. Ex : les mouvements naturels des cils de l’appareil intestinal sont tels qu’ils ont tendance à faire remonter et expulser les microorganismes. Au niveau de la peau, la desquanation est un moyen de faire tomber la peau et d’éliminer les microorganismes. - L’acidité de la peau de l’estomac et du vagin empeche la prolifération de microorganismes. - Effet barrière ou antagonisme microbien: la colonisation par la microflore normale empeche par competition l’invasion de microorganismes pathogènes. 2) Défenses chimiques - Le lysozyme est une enzyme presente dans les larmes, la salive, les secretions nasales et le sang. - La lactoperoxidase transforme l’H2O2 en O2. toxique pour les bactéries (lait maternel, .. - La b-lysine (plaquettes) a un effet anti-bactéricide dans les lieux d’infection. 3) La réponse inflammatoire (réponse non spécifique) Il y a une porte d’entrée pour les microorganismes due à l’ateration des tissus, lors d’une coupure/piqûre. Dans ces cas là une réaction inflammatoire se met en place : dilatation immediate des capillaires, irigation de la zone lésée activation au niveau de la paroi des capillaires qui entraîne la synthèse de sélectine par chimiotachisme, des cellules phagocytaires seront recrutée sur le site inflammé. Symptômes : rougeurs, douleurs, voire augmentation locale de la température. - Les leucocytes polynucléaires (granulocytes ou globules blancs circulants). Ce sont essentiellement les neutrophiles qui sont solicités. On a formation par endocytose du microorganisme etranger d’un phagosome. Les lysosomes sont des granules qui contiennent des enzymes hydrolytiques qui vont dégrader les cellules bactériennes, mortes, ou des débris. Ils vont rentrer dans le phagosome et former le phagolysosome : là seront activés plus de 60 systèmes enzymatiques (protéases, lipases, DNAses, RNAses, ... Ensuite arrivent les monocytes qui se différencient en macrophages. - Les lymphocytes controlent en permanence les tissus. III – Mecanismes de la pathogénèse - porte d’entrée - fixation du pathogène - multiplication du pathogène - production de toxines Pathologie de la maladie. 3 types d’organismes infectieux : - Pathogènes obligatoires (virus) Pathogènes accidentels Pathogènes opportunistes (microorganismes de la flore normale qui entraînent des infections dans un tissus endommagé ou un individu immunodeprimé) 1) Adhésion Les facteurs d’adhésion (fimbriae et adhésine) et la spécificité vis-à-vis d’un épithélium donné constituent un facteur de virulence. Mais certaines bactéries infectieuses n’ont pas d’adhésine. Parfois, une fois que la contact a eu lieu, une deuxième étape se passe : on a pénétration dans les épithéliums, ce sont des bactéries intracellulaires invasives. Parfois on a transport vers d’autres organes (listeriose, salmonellose, shigellose, méningite, ...). Ex : Listeria monocytogenes : Entrée dans la cellule par une vacuole qu’elle lyse, multiplication intracellulaire, mouvement intracellulaire par poussée des bactéries dans un certain sens, passage de cellule en cellule, puis lyse de la vacuole à 2 membranes. S’il n’y a pas d’adhesion, ce sont des bactéries non invasives qui exercent leur toxicité à l’extérieur de la cellule hôte. (coqueluche, diphtérie, choléra, ulcère, ...). Ex : Helicobacter pylori (ulcères de l’estomac). Elle resiste au pH acide et produit une uréase qui neutralisera localement le pH et degradera le mucus protégeant les cellules du l’epithélium. 2) Colonisation et facteur de virulence La multiplication de l’agent pathogène se fait lorsque les défenses de l’hôte vont être débordées. Il faut éliminer le maximum de corps étrangers avant que la multiplication ait lieu. Parmi les enzymes produites par le pathogène pour la destruction des cellules de l’hôte : - Collagènase - Elastase - Hyaluronidase - Lécithinase Perforation de la cellule hôte Virulence : capacité d’un microorganisme à provoquer une maladie (invasion + lésions). - Sidérophores et transport du fer. Si la bactérie fait compétition dans la captation du fer, l’hôte aura du mal à faire la respiration cellulaire. - Changement de phase (reconaissance entre gènes de fimbriae). - Présence de plasmides (résistance aux antibiotiques). 3) Interaction entre microorganismes pathogènes et cellules phagocytaires Les facteurs anti-phagocytaires : Facteur Leucocidine Hémolysine Capsule Agent pathogène Pneumocoque Streptocoque Staphylocoque Listeria Bordetella Pneumocoque Méningocoque Action Destruction des lysosomes Formation de pores Protection contre la phagocytose IV – Les toxines 1) Les endotoxines - Partie lipide A du LPS : toxique à haute dose, peu spécifique d’ un site, thermostable, peu immunogène. Chez les G-. Quand le lipide A va être libéré dans le milieu, l’effet toxique se fera sentir. Mode d’action : - Altération de l’épithélium endothélial des vaisseaux sanguins : Interleukine 1 (IL-1) Facteur de coagulation de Hegaman Entraine thrombose (obturation des vaisseaux sanguins) et fibrinolyse. Coagulation généralisée du système vasculaire qui entraine un risque d’hemoragie de tous les organes. La pression arterielle va chuter, detresse respiratoire, perte de conscience, chute de la pression sanguine puis mort. 2) Les exotoxines - protéine libérée dans le milieu extérieur thermolabile - diffusion vers d’autres régions du corps - parfois mortelle à faible dose - spécificité de l’espèce - mode d’action et structure propre à l’exotoxine - thermolabile - très immunogène 3) Toxines et fièvre ? Les endotoxines et la réaction pyrogène. Un macrophage ingère une bactérie G-. Toutes les endotoxines produisent les mêmes signes et symptomes, quelles que soit l’espèce des bactéries. Classification en fonction du mode et site d’action des exotoxines : - entérotoxine neurotoxine cytotoxine toxine pyrogénique Majoritairement les exotoxines sont composées de 2 sous-domaines : Domaine A responsable de la toxicité. Domaine B responsable de l’interaction avec la cellule hôte.