ERRATUM Certaines figures de l`ouvrage Biologie des micro
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. ERRATUM Certaines figures de l’ouvrage Biologie des micro-organismes ont été tronquées. Ce problème porte sur les pages 23, 73 et 98. Voici les pages dans leur intégralité. Nous vous prions de nous excuser pour cette erreur et vous remercions pour votre compréhension. L'Editeur 7209.book Page 23 Jeudi, 19. juillet 2007 5:14 17 2.1 Les structures cellulaires et virales 23 Nucléoïde micro-organismes eucaryotes comprennent les algues, les champignons et les protozoaires (voir figures 2.23 et 2.24). Tous les végétaux et animaux multicellulaires sont composés de cellules eucaryotes (voir chapitre 14 pour une présentation plus détaillée de ces cellules). Une des principales particularités des cellules eucaryotes (absentes des cellules procaryotes) est la présence de structures membranaires appelées organelles qui comprennent avant tout le noyau, mais aussi les mitochondries et les chloroplastes (ces derniers n’étant présents que dans les cellules photosynthétiques) (voir figures 2.1b et 2.2c). Le noyau possède l’information génétique de la cellule (ADN, « le génome ») et se trouve être le siège de la transcription dans les cellules eucaryotes. Les mitochondries et les chloroplastes interviennent de façon spécifique dans la production d’énergie, les premières par la respiration, les secondes par la photosynthèse. Ribosomes Plasmide 0,5 µm Membrane cytoplasmique Paroi cellulaire (a) Membrane cytoplasmique Réticulum endoplasmique Ribosomes Noyau Les cellules procaryotes Nucléole À la différence des cellules eucaryotes, les cellules procaryotes ont une structure interne plus simple dépourvue d’organelles (voir figures 2.1a et 2.2a, b). Les procaryotes sont composés des Bacteria et des Archaea. Bien que les différentes espèces d’Archaea et de Bacteria partagent la même structure cellulaire, l’histoire de leur évolution diffère considérablement. Dans cet ouvrage, le terme bactérie(s) écrit avec un b minuscule est synonyme du terme procaryote. À l’opposé, le terme Bacteria (écrit avec un B majuscule et en italique) fait référence au groupe phylogénétique des procaryotes, distinct de celui des Archaea (voir section 2.3). En général, les cellules microbiennes sont très petites, notamment les cellules procaryotes. Par exemple, un procaryote en forme de bâtonnet a une longueur caractéristique d’environ 1 à 5 µm et une largeur d’environ 1 µm (1 µm correspond à 10-6 mètres), dimensions qui le rendent invisible à l’œil nu. Pour donner une idée de la taille d’une bactérie, on Enveloppe nucléaire Appareil de Golgi Cytoplasme Mitochondrie Chloroplaste 10 µm (b) FIGURE 2.1 Structure interne des cellules microbiennes. (a) Schéma d’une cellule procaryote. (b) Schéma d’une cellule eucaryote. Remarquez les différences d’échelle et de structure interne. John Bozzola et M. T. Madigan Reinhard Rachel et Karl O. Stetter Membrane cytoplasmique (a) (b) Noyau Paroi Membrane interne (c) Mitochondrie S. F. Conti et T. D. Brock Cytoplasme FIGURE 2.2 Observation en microscopie électronique de coupes de cellules appartenant à chacun des trois domaines du vivant . (a) Heliobacterium modesticaldum (Bacteria) ; dimensions de la cellule : 1 × 3 µm. (b) Methanopyrus kandleri (Archaea) ; dimensions de la cellule : 0,5 × 4 µm. (Reinhard Rachel et Karl O. Stetter, 1981. Archives of Microbiology, 128:288–293. © Springer-Verlag GmbH & Co. KG). (c) Saccharomyces cerevisiae (Eukarya) ; diamètre de la cellule : 8 µm. 7209.book Page 73 Jeudi, 19. juillet 2007 5:14 17 4.7 Les systèmes de transport membranaire 73 système sont elles-mêmes alternativement phosphorylées et déphosphorylées en cascade, jusqu’à ce que la protéine transmembranaire, l’enzyme IIc, accepte le groupement phosphate et phosphoryle le sucre (voir figure 4.25). La petite protéine appelée HPr, l’enzyme qui la phosphoryle (enzyme I) et l’enzyme IIa, sont des protéines cytoplasmiques. À la différence, l’enzyme IIb est liée à la surface interne de la membrane et l’enzyme IIc est une protéine membranaire intégrale (voir figure 4.25). L’enzyme I et HPr sont des constituantes non spécifiques du système phosphotransférase et participent à l’entrée de différents sucres, alors que les enzymes II spécifiques existent pour chaque sucre transporté de manière individualisée (voir figure 4.25). L’énergie pour le système phosphotransférase vient d’un composé riche en énergie, le phosphoénolpyruvate. Cependant, il faut noter que, bien que de l’énergie, sous la forme d’un phosphate lié riche en énergie, soit consommée pendant le transport de la molécule de glucose (voir figure 4.25), dans tous les cas, la phosphorylation du glucose en glucose-6-P est la première étape de sa métabolisation intracellulaire (glycolyse – voir section 5.10). Ainsi, le système phosphotransférase prépare le glucose pour son entrée immédiate dans la voie métabolique principale. Les protéines périplasmiques et le système ABC Nous apprendrons un peu plus loin dans ce chapitre (voir section 4.9) que les bactéries Gram négatif contiennent un espace appelé le périplasme, situé entre la membrane cytoplasmique, et une membrane externe riche en lipides (voir figure 4.35). Le périplasme contient des protéines variées, dont de nombreuses sont impliquées dans des fonctions de transport. Celles-ci sont appelées protéines liées au périplasme. Les systèmes de transport de ce type utilisent trois composants : 1) les protéines liées au périplasme ; 2) les protéines transmembranaires et 3) les protéines hydrolysant l’ATP (kinases). Ces dernières fournissent l’énergie nécessaire. Les transporteurs de ce type s’appellent des transporteurs ABC, ABC signifiant ATP-binding cassette c’est-à-dire cassette de liaison à l’ATP (voir figure 4.26). Plus de 200 transporteurs ABC ont été identifiés chez les procaryotes et les études de structure ont montré qu’ils sont clairement liés à la même famille de protéines. Les transporteurs ABC existent pour le transport de nutriments tels que les sucres et les acides aminés, pour une variété de nutriments inorganiques tels que les sulfates, les phosphates et les métaux. Une des propriétés intéressantes des transporteurs ABC est la très grande affinité des protéines périplasmiques pour leurs substrats. Ces protéines peuvent bouger au sein du périplasme et se lier à leurs substrats même en cas de très faible concentration. Par exemple, les concentrations de substrat de 1 micromolaire (10–6 M) ou moins peuvent aisément être liées et transportées par les protéines périplasmiques. Une fois lié, le complexe interagit avec la protéine transmembranaire et le transport est conduit grâce à l’énergie fournie par l’ATP (voir figure 4.26). De manière intéressante, même si les bactéries Gram positif n’ont pas de périplasme, ce type de système de transport a été retrouvé. Mais, chez les bactéries Gram positif, les protéines de liaison au substrat ne sont pas mobiles et, au contraire, sont ancrées dans la membrane cytoplasmique. Néanmoins, comme chez les Gram négatif, une fois que ces protéines ont lié leur substrat, elles interagissent avec un composant transmembranaire qui, grâce à l’hydrolyse de l’ATP, permet leur transport à travers la membrane. L’export de protéines Jusqu’à présent, notre discussion a porté sur les petites molécules. Qu’en est-il des grosses molécules telles que les protéines ? Pour fonctionner correctement, de nombreuses protéines ont besoin d’être transportées hors du cytoplasme ou d’être insérées dans la membrane. La translocation de protéines se fait chez les procaryotes grâce à l’activité de protéines appelées les translocases ; le système Sec (pour sécrétion) en est un exemple majeur. SecYEG est ainsi une translocase de membrane qui exporte certaines protéines tout en insérant d’autres dans la membrane avec Intérieur Composants non spécifiques Extérieur Composants spécifiques Membrane cytoplasmique PEP Enz I HPr Enz IIa Enz IIb Pyruvate Enz IIc P P Glucose P Glucose 6_P Sens du transport FIGURE 4.25 Mécanismes du système phosphotransférase chez Escherichia coli . Pour l’entrée de glucose, le système comprend cinq protéines : l’enzyme (Enz) I ; les enzymes IIa, IIb et IIc, et HPr. Le phosphate est transféré successivement du phosphoénolpyruvate (PEP), via des protéines, jusqu’à l’enzyme IIc. Sur le schéma, cette dernière transporte (et phosphoryle) le sucre. Les protéines HPr et l’enzyme I sont non spécifiques et impliquées dans le transport de tous les sucres. Les composants de l’enzyme II sont spécifiques d’un sucre particulier. 7209.book Page 98 Jeudi, 19. juillet 2007 5:14 17 Composition et organisation de la cellule bactérienne cytoplasmiques régulant la rotation flagellaire. Le chimiotactisme est donc un système de réponse sensorielle à l’environnement chimique qui influe sur la fonction des flagelles. Le chimiotactisme est démontrable par l’immersion d’un fin tube capillaire en verre rempli d’une solution attractive dans une suspension de bactéries mobiles. Tandis que la substance attractive diffuse à partir du capillaire, formant un gradient chimique décroissant (voir figure 4.62a), les bactéries se rassemblent et nagent vers le tube (voir figure 4.62b). Quelquesunes migrent de façon fortuite dans le tube capillaire, même si celui-ci contient une solution de même composition que le milieu extérieur (voir figure 4.62c). Toutefois, en présence d’une substance attractive, la concentration de bactéries dans le tube capillaire peut être beaucoup plus élevée que la concentration extérieure. Si le tube capillaire contient une substance répulsive, le nombre de bactéries à l’intérieur du tube capillaire est nettement inférieur à celui des bactéries présentes à l’extérieur du tube (voir figure 4.62d). Les chimiorécepteurs spécifiques, détectant l’augmentation de gradient de la substance répulsive, modifient la rotation des flagelles pour entraîner la bactérie loin du répulsif (voir figure 4.62d). En utilisant la méthode du tube capillaire, il est possible de classer les molécules chimiques selon leurs propriétés attractive ou répulsive pour une bactérie donnée. Le comportement chimiotactique des bactéries peut être étudié au microscope, avec l’apport d’une caméra vidéo. L’enregistrement des positions instantanées de chaque cellule permet de tracer leur trajectoire (voir figure 4.62f). Cette méthode a été adaptée à l’étude des bactéries chimiotactiques en environnement naturel, où les substances attractives principales sont les nutriments excrétés par d’autres organismes (bactéries de plus grande taille, macro-organismes vivants ou morts). Les algues produisent, par exemple, des composés organiques et de l’oxygène (O2, provenant de la photosynthèse) attirant certaines bactéries chimiotactiques (voir figure 4.62f). (a) (b) (c) (d) Nombre de cellules bactériennes par tube 98 Chapitre 4 (e) Substance attractive Témoin Substance répulsive Temps De nombreux micro-organismes phototrophes sont attirés par la lumière. Ce phénomène est appelé phototactisme. Le phototactisme permet aux organismes phototrophes de s’orienter plus efficacement, de façon à recevoir l’intensité lumineuse maximale nécessaire à la photosynthèse. Le phototactisme est démontrable par l’observation de bactéries phototrophes mobiles déposées sur une lame de verre et exposées à un spectre de lumière visible. Ces bactéries se déplacent et s’accumulent aux longueurs d’onde correspondant à l’absorption de leurs pigments photosynthétiques (voir figure 4.63a et sections 17.2 et 17.3). Les procaryotes phototrophes révèlent deux types de tactisme différents. L’un d’eux, appelé scotophobotactisme, est observable seulement au microscope, lorsqu’une bactérie, traversant le champ lumineux de l’appareil, se trouve plongée dans l’obscurité. L’obscurité, défavorable à l’énergie cellulaire, déclenche un signal de culbute, suivie d’une course dans une nouvelle direction, ramenant la bactérie à la lumière. Chez Rhodospirillum centenum, organisme phototrophe très mobile, des colonies entières sont phototactiques et se déplacent collectivement vers la lumière (voir figure 4.63b). Nicholas Blackburn Le phototactisme (f) FIGURE 4.62 Chimiotactisme. (a-e) Techniques de mesure du chimiotactisme chez les bactéries. (a) Un capillaire est placé dans une suspension bactérienne, entraînant la formation d’un gradient de concentration. (b) Accumulation de bactéries dans le capillaire contenant une substance attractive. (c) Capillaire témoin contenant une solution salée, ni attractive, ni répulsive. La densité de bactéries est identique à l’intérieur comme à l’extérieur du capillaire. (d) Les bactéries s’éloignent d’une substance répulsive. (e) Courbes montrant les densités de bactéries dans les capillaires contenant différentes substances. (f) Trajectoires en eau de mer de bactéries mobiles autour d’une algue unicellulaire (tache blanche au centre), filmées à l’aide d’une caméra video couplée à un microscope. Les bactéries montrent un chimiotactisme positif à l’oxygène en se déplaçant vers l’algue qui en produit. La vitesse moyenne des bactéries est d’environ 25 µm/s. Diamètre de l’algue ; environ 60 µm.
