CoursBiochimieMicrobienne

République Algérienne Démocratique et Populaire
Ministère de l’enseignement supérieur et de la recherche scientifique
Université Ferhat Abbas –Sétif1Faculté des sciences de la nature et de la vie
Département de Microbiologie
3ème année
Cours de
BIOCHIMIE MICROBIENNE
Réalisé par HAICHOUR NORA
Cours disponible en ligne:
http://cte.univ-setif.dz/moodle/
http://cte.univ-setif.dz/moodle/course/view.php?id=74
Table des matières
Métabolisme énergétique .......................................................................................................................... 1
1-Sources d’énergie et types trophiques ..................................................................................................... 1
1-1- Organismes phototrophes ................................................................................................................... 1
1-2- Organismes chimiotrophes .................................................................................................................. 2
2- Types respiratoires : destinée des électrons ............................................................................................. 3
2-1- Chaines de transport d’électrons ......................................................................................................... 3
2-2 Accepteurs finaux d’électrons ............................................................................................................... 3
2-2-1- Respiration aérobie ......................................................................................................................... 4
2-2-2- Respiration anaérobie ...................................................................................................................... 4
2-2-3- La fermentation .............................................................................................................................. 5
2-2-4- Fermentation oxydative ................................................................................................................... 5
Métabolisme des produits minéraux ........................................................................................................... 5
Catabolisme des glucides ........................................................................................................................... 7
1- Dégradation de l’amidon........................................................................................................................ 7
2- Dégradation de la cellulose .................................................................................................................... 7
3- Catabolisme du glucose ......................................................................................................................... 9
3-1- La glycolyse ou voie d’Embden-Meyerhof (EM) ou d’Embden-Meyerhof-Parnas (EMP) ............................. 9
3-2- Voie de l’hexose monophosphate (HMP) ou voie de Warburg-Dickens-Horecker .................................... 10
3-3- Voie du 2-céto-3-désoxygluconate ou voie d’Entner-Doudoroff ............................................................ 11
3-4- Fermentations dérivées de la voie de l’hexose monophosphate ............................................................ 13
3-5- fermentations gluconiques ................................................................................................................ 13
3-6- fermentation kojique ........................................................................................................................ 14
4- Métabolisme anaérobie du pyruvate ..................................................................................................... 15
4-1- Fermentation alcoolique ................................................................................................................... 16
4-2- fermentations homolactiques ............................................................................................................ 16
4-3- Fermentation hétérolactique fongique ............................................................................................... 17
4-4- Fermentation acide mixte et butylène-glycolique ................................................................................ 17
4-5- Fermentations butyriques et acétono-butyliques ................................................................................ 17
4-6- Fermentations propioniques ............................................................................................................. 18
5- Métabolisme aérobie du pyruvate ........................................................................................................ 19
5-1- cycle de Krebs (cycle des acides tricarboxyliques « TCA » ou cycle citrique) ............................................ 19
5-2- shunt glyoxylique ............................................................................................................................. 19
5-3- Fermentations dérivées du cycle de Krebs et du shunt glyoxylique ........................................................ 19
6- Dégradation des autres sucres .............................................................................................................. 21
6-1- catabolisme des pentoses ................................................................................................................. 21
6-2- dégradation du fructose .................................................................................................................... 21
6-3- dégradation du mannose .................................................................................................................. 21
6-4- dégradation du saccharose ................................................................................................................ 22
6-5- catabolisme du lactose et galactose ................................................................................................... 22
6-6- catabolisme du maltose .................................................................................................................... 23
Catabolisme des autres composés organiques ........................................................................................... 23
1- Dégradation des lipides........................................................................................................................ 23
2- Dégradation des protéines ................................................................................................................... 24
2-1- Protéolyse : protéases et peptidases .................................................................................................. 24
2-2- Catabolisme des acides aminés libérés ............................................................................................... 25
3-catabolisme des hydrocarbures ............................................................................................................. 27
3-1- hydrocarbures paraffiniques.............................................................................................................. 27
3-2- Catabolisme des hydrocarbures et autres composés aromatiques ......................................................... 28
4- Catabolisme du méthane et méthanol ................................................................................................... 31
i
5- Dégradation de l’éthanol ..................................................................................................................... 31
6- Dégradation du glycérol ....................................................................................................................... 32
Anabolisme : production de biomasse et de métabolites ............................................................................ 33
1-Production de biomasse et de protéines ................................................................................................ 33
2-Production d’acides aminés .................................................................................................................. 34
2-1- synthèse des acides aminés issus du glutamate et de l’α-cétoglutarate ................................................. 36
2-2- Synthèse des acides aminés issus de l’aspartate .................................................................................. 36
2-3- Synthèse de la leucine et de la valine ................................................................................................ 37
3- Biosynthèse des lipides ........................................................................................................................ 37
4-Biosynthèse des nucléotides ................................................................................................................. 38
5-Biosynthèse des vitamines .................................................................................................................... 39
6-Biosynthèse des polysacchrides ............................................................................................................. 39
7-Biosynthèse des hormones ................................................................................................................... 39
8-Biosynthèse des toxines ........................................................................................................................ 39
9-Biosynthèse des antibiotiques ............................................................................................................... 40
9-1-β-lactames : pénicillines et céphalosporines ........................................................................................ 40
10-Biosynthèse des enzymes.................................................................................................................... 42
Bioconversions ....................................................................................................................................... 42
1-Bioconversions des sucres .................................................................................................................... 43
2-Bioconversions des acides aminés ......................................................................................................... 43
3-Bioconversions des stéroïdes ................................................................................................................ 43
4-Bioconversions des antibiotiques ........................................................................................................... 43
ii
Biochimie microbienne
Introduction
Les micro-organismes sont capables d’effectuer une grande diversité de réactions
biochimiques se traduisant par la production de biomasse (corps cellulaires) et par la dégradation, la
transformation ou la production de substances organiques ou minérales.
Pour leur vie (entretien ou maintenance), pour leur développement (croissance et
multiplication), pour l’expression de leurs propriétés (mobilité, luminescence,…), les micro-organismes
ont besoin d’énergie et d’éléments nutritifs. L’énergie nécessaire est tirée du milieu, directement sous
forme d’énergie lumineuse ou indirectement sous forme d’énergie chimique par oxydation de
substances organiques ou minérales.
Le catabolisme est l’ensemble des réactions permettant la récupération d’énergie
biologiquement utilisable et la production de métabolites de base à partir de substrats organiques ou
de réserves cellulaires. Cette dégradation est plus ou moins complète et donne lieu à la formation de
métabolites (déchets du catabolisme).
L’anabolisme est l’ensemble de réactions de synthèses cellulaires à partir de métabolites de
base issus du catabolisme et d’éléments du milieu.
Les produits libérés par le métabolisme au cours d’une phase de croissance sont appelés
« métabolites primaires », quelle que soit leur origine, catabolisme ou anabolisme : il s’agit de produits
non spécifiques (acides aminés, nucléotides, vitamines, acides organiques, éthanol), le terme
« métabolite secondaire » est utilisé dans le cas de produits spécifiques de l’anabolisme, dont
l’apparition n’est pas liée à la phase de croissance proprement dite (antibiotiques, agents
immunosuppresseurs, agents hypocholestérolémiants, agents antitumoraux, bioinsecticides).
Le terme bioconversion est utilisé lorsque des microorganismes sont employés en tant que
moyen de transformation et jouent le rôle d’une enzyme ou d’un complexe multienzymatique. Dans
ce cas, la croissance (et parfois même la vie cellulaire) n’est pas nécessaire. Le terme biotransformation
doit être utilisé lorsque la réaction s’effectue avec croissance du microorganisme.
Métabolisme énergétique
1-Sources d’énergie et types trophiques
L’énergie nécessaire aux micro-organismes est fournie par la lumière (organismes
phototrophes) ou par l’oxydation de substances chimiques (organismes chimiotrophes). Dans les deux
cas, l’énergie est stockée sous forme d’énergie de liaison chimique biologiquement utilisable (il s’agit
de la liaison anhydride phosphorique de l’ATP). La formation d’ATP à partir de la source primaire
d’énergie est plus ou moins complexe selon le type trophique ou métabolique. Les réactions de
synthèse utilisent l’énergie libérée par la décomposition de l’ATP en ADP :
1-1- Organismes phototrophes
Les plantes tirent leur énergie de la lumière, celle-ci intervient également chez les algues vertes,
les Cyanophycées et quelques espèces bactériennes. Le processus de photosynthèse comprend deux
étapes : phase lumineuse et phase obscure.
1
La phase lumineuse ou photophosphorylation aboutit à la formation d’ATP, c’est une réaction
génératrice d’énergie utilisable par la cellule. Cette phase nécessite la présence de pigments de type
chlorophylle, la nature des pigments varie selon la nature de l’organisme phototrophe.
Il existe deux types de photophosphorylation : photophosphorylation cyclique ne produit que
l’ATP et la photophosphorylation non cyclique qui produit à la fois de l’ATP et du « pouvoir réducteur »
et nécessite la présence d’un donneur d’électrons (et de protons). Chez les plantes, algues et
cyanophycées, la substance donatrice de protons (et d’électrons) intervenant dans la phase de
synthèse est H2O, il y a donc libération de O2. Chez les bactéries il n’y a jamais libération d’O2 (H2O ne
peut être donneur). Le donneur d’électrons et de protons peut être un composé minéral comme H 2S
chez les Thiorhodaceae et les Chlorobacteriaceae (photolithotrophes ou photo autotrophes), ou un
composé organique comme l’acide succinique chez les Athiorhodaceae (photoorganotrophes ou
photohétérotrophes). La plupart des bactéries photosynthétiques peuvent aussi utiliser l’hydrogène
moléculaire. L’accepteur d’électrons et de protons est le NADP+ (il se transforme après réduction en
NADPH, H+).
La phase obscure correspond à une phase de synthèse de composés organiques, elle aboutit à
la formation de réserves de nature glucidique en utilisant du CO 2 ainsi que le pouvoir réducteur et
l’ATP formés au cours de la phase lumineuse. Cette synthèse s’effectue par une suite de réactions ou
cycle de Calvin dont le bilan se résume par la formule :
1-2- Organismes chimiotrophes
Les levures, les moisissures et la plupart des bactéries, sont incapables d’effectuer la
photosynthèse. Ces microorganismes utilisent l’énergie libérée au cours de réactions chimiques
d’oxydation, ce sont les « chimiotrophes ». Les réactions d’oxydation s’effectuent de plusieurs façons :
Certains microorganismes (chimiolithotrophes) tirent leur énergie de l’oxydation de substances
minérales, alors que d’autres la tirent de substances organiques (chimioorganotrophes). Dans la
plupart des cas la perte d’électrons est couplée à une perte de protons. Ces électrons et protons
réduisent un accepteur final par l’intermédiaire d’une chaine d’oxydoréduction. La formation d’ATP
s’effectue en grande partie durant ce transport (d’électrons et de protons), elle est donc différée par
rapport à la réaction d’oxydation.
Il existe des mécanismes de formation d’ATP ne passant pas par une chaine d’oxydoréduction,
il y a phosphorylation d’un substrat organique par le phosphore inorganique avec oxydation par
déshydrogénation et génération d’une liaison riche en énergie, la déphosphorylation entraîne ensuite
la formation d’une molécule d’ATP.
2
2- Types respiratoires : destinée des électrons
2-1- Chaines de transport d’électrons
Le système de transport des électrons est plus ou moins complexe selon la nature du substrat
oxydé, et varie d’un organisme à l’autre. Il fait intervenir des enzymes (déshydrogénases, cytochromes
réductases,…) et des coenzymes (FAD, NAD, NADP, cytochromes,…) qui constituent des intermédiaires
à la fois accepteurs et donneurs d’électrons (et parfois de protons). Il s’agit d’une suite de réactions
couplées d’oxydoréductions. L’énergie libérée par les réactions d’oxydoréductions successives est
utilisée pour le transfert membranaire des protons (théorie de Mitchell), ce qui crée un gradient
électrochimique dont le rééquilibrage permet la genèse de l’ATP. Il y a souvent découplage entre le
transport des protons et celui des électrons, exemple :
Les H+ vont directement à l’accepteur tandis que les électrons sont transportés par une chaine
spécifique.
Le type classique de transport est celui de la « chaine respiratoire » ou « chaine des
phosphorylations oxydatives » des eucaryotes, cette chaine est localisée pour sa plus grande partie
dans les mitochondries. Sa présence et sa structure peuvent être mises en évidence par l’action de
différents inhibiteurs : cyanure, azide, antimycine A, roténone,…
Généralement, la longueur des chaines est plus ou moins grande selon les potentiels redox
respectifs du donneur initial et l’accepteur final d’électrons et il peut exister des voies branchées ou
des voies parallèles (voies alternes).
Chez les bactéries, la localisation est membranaire (membrane cytoplasmique) et il existe de
nombreuses variantes (voir figures).
En principe, le rendement énergétique des chaines longues est supérieur à celui des chaines
courtes. Le rendement énergétique maximal par couple d’électrons et de protons est de 3ATP (non
compris les ATP éventuellement formés par le mécanisme de phosphorylation du substrat), il est
souvent inférieur. Chez les bactéries, la présence d’ATPases gêne l’étude des rendements
énergétiques.
2-2 Accepteurs finaux d’électrons
Le comportement « respiratoire » du microorganisme et ses relations vis-à-vis de l’air sont
conditionnés par la nature de l’accepteur final d’électrons et de protons.
Il existe plusieurs définitions des termes respiration et fermentation. Au sens strictement
biochimique, le terme respiration, ou métabolisme oxydatif, est appliqué aux processus d’oxydation
dans lesquels l’accepteur final est une molécule minérale, alors que le terme fermentation, ou
métabolisme fermentaire, est appliqué au cas où l’accepteur final est un composé organique,
généralement endogène.
Il existe également un mécanisme d’élimination directe des électrons et protons. Ce mécanisme,
propre à de nombreuses bactéries anaérobies, entraine la formation d’hydrogène sous l’action d’une
hydrogénase. Ce système n’est énergétique que si l’hydrogénation est liée à une phosphorylation
directe du substrat.
Lorsqu’il y a métabolisme oxydatif, les produits carbonés (déchets du métabolisme) ont un degré
d’oxydation du carbone supérieur à celui du substrat. La respiration « classique » d’un substrat
organique conduit à la dégradation complète de son squelette carboné avec formation de CO 2 (forme
biologique la plus oxydée du carbone).
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En microbiologie, toute dégradation incomplète du substrat, donnant des métabolites carbonés,
est appelée fermentation, même s’il s’agit d’un métabolisme oxydatif (il est préférable dans ce cas de
parler d’une fermentation oxydative).
2-2-1- Respiration aérobie
Il existe divers mécanismes de respiration aérobie (l’accepteur final des protons est l’oxygène
de l’air), ils ne peuvent intervenir que dans des conditions d’aérobiose. Les microorganismes ne
possédant qu’un système de ce type sont des « aérobies strictes ».
La voie la plus couramment rencontrée chez les microorganismes aérobies est la voie classique
des cytochromes. L’enzyme terminale est la cytochrome oxydase, il y a formation de H 2O. Ce type de
respiration est habituellement lié à la dégradation complète du substrat. La formation de H2O peut se
faire sans intervention de la cytochrome oxydase ou être totalement cytochrome-indépendante. Des
cas de respiration « insensible au cyanure » ont été décrits chez des microorganismes eucaryotes. Ces
voies alternes peuvent présenter une part importante de la respiration et sont aussi localisées dans la
mitochondrie. Chez certaines levures, ces oxydations interviennent au niveau du coenzyme Q et sont
sensibles à l’action des acides hydroxamiques (acide salicylhydroxamique : SHAM). Il y a des systèmes
équivalents chez les bactéries.
Certains processus d’oxydation entrainent la production de peroxyde d’hydrogène (H 2O2). Ils
font intervenir des flavine oxydases fonctionnant avec l’oxygène moléculaire, ainsi qu’une superoxyde
dismutase (parfois qualifiée de « peroxydase ») :
Ce système est généralement court et peu, ou pas, énergétique. Le peroxyde d’hydrogène est
toxique pour la cellule sauf si elle possède la catalase, capable de décomposer le H2O2 en H2O et O2.
Lorsqu’un microorganisme possède ce système et pas de catalase, le contact avec l’oxygène de l’air
est toxique et il est donc anaérobie strict. Les microorganismes anaérobies aérotolérants dépourvus
de catalase ont des flavine oxydases ne réagissant pas avec O2 et ne possèdent pas de superoxyde
dismutase. Certains ont une croissance stimulée par des milieux contenant une catalase (sang). Chez
Peptococcus anaerobicus, microorganisme aérotolérant, la réaction est :
2-2-2- Respiration anaérobie
Il s’agit d’un processus où l’accepteur final d’hydrogène est une substance minérale oxydée. De
nombreux microorganismes sont capables d’oxyder complètement le glucose en l’absence d’air à
condition qu’il y ait du nitrate dans le milieu. Outre les nitrates, d’autres produits peuvent être utilisés :
nitrites, sulfates, soufre, CO2…
L’oxydation anaérobie de l’hydrogène (H2) chez les chimiotrophes fait intervenir le même type
de réaction :
Lors de la respiration anaérobie, la dégradation du substrat organique source d’hydrogène (H+,
e-) peut ne pas être complète et aboutit à d’autres substances (acides organiques).
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2-2-3- La fermentation
Une substance organique, généralement endogène et issue de la dégradation du substrat, sert
d’accepteur d’électrons (et de protons) : ce substrat est souvent l’acide pyruvique ou un produit dérivé
(acétaldéhyde, acétolactate…). La transformation fumarate /succinate est également fréquente :
rencontrée chez Escherichia coli, en anaérobiose sur glycérol, ou chez Bacteroides, à partir de substrats
comme H2 ou l’acide formique. De nombreuses fermentations peuvent s’effectuer en anaérobiose car
tous les électrons et protons issus de l’oxydation du substrat servent à réduire l’accepteur organique
(cas de la fermentation homolactique). Pour d’autres fermentations, une partie seulement des
électrons et protons est ainsi utilisée : l’oxygène intervient comme accepteur complémentaire, de
manière facultative (certaines fermentations hétérolactiques bactériennes) ou obligatoire
(fermentation des pentoses par certaines levures).
2-2-4- Fermentation oxydative
Les fermentations oxydatives donnent des produits plus oxydés que le substrat et nécessitent
habituellement la présence d’oxygène comme accepteur d’électrons et de protons (fermentation
gluconique, fermentation acétique…). Il s’agit de respirations « incomplètes ».
Métabolisme des produits minéraux
Les produits minéraux peuvent être utilisés par les microorganismes dans un but strictement
nutritif mais ils peuvent également intervenir dans le métabolisme énergétique comme substrat
donneur d’électrons ou comme accepteur.
Quelques microorganismes autotrophes (capables de se développer sur milieu exclusivement
minéral) tirent leur énergie de l’oxydation de minéraux. Certains ont un rôle industriel (il s’agit de
bactéries utilisées biolixiviation ou dans le traitement des eaux).
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Catabolisme des glucides
Les glucides susceptibles d’être dégradés par les microorganismes sont nombreux et variés. Les
polyholosides comme l’amidon, la cellulose, l’inuline et parfois des plus petites molécules comme le
saccharose sont incapables de pénétrer dans la cellule. Ils doivent être au préalable découpés en
fragments de faible poids moléculaire par des enzymes hydrolytiques, excrétées par le microorganisme
dans le milieu. Les produits formés pénètrent ensuite dans la cellule. Dans la plupart des cas, la
transformation des macromolécules glucidiques, ainsi que de diverses autres substances organiques,
aboutit à la formation d’hexose (essentiellement glucose) ou de pentoses. Le glucose est le point de
départ des principales voies du catabolisme cellulaire.
1- Dégradation de l’amidon
L’amidon constitue la principale réserve glucidique végétale, il renferme deux
polysaccharides en proportions variables selon les cas : l’amylose (constituant majeur) et
l’amylopectine (constituant mineur).
L’amylose est une molécule flexible, de structure linéaire correspondant à plusieurs
centaines de résidus α D-glucopyranose unis par des liaisons 1-4.
L’amylopectine est aussi un polymère du glucose, composé de chaines linéaires similaires
à celle de l’amylose, mais reliées les unes aux autres par des liaisons α (1-6). Les points de branchement
sont distants d’environ 20 à 30 unités de glucose.
Les amylases microbiennes peuvent être classées essentiellement en deux grands groupes
en fonction de leur mode d’attaque :
- α-amylase ou α(1-4)-glucane glucanohydrolase (EC 3.2.1.1), dont l’action est toujours
de type endomoléculaire et conduit à la formation de D-glucose, de maltose et d’une petite quantité
de maltodextrines. Les α-amylases se rencontrent chez de nombreuses bactéries (des genres Bacillus
et Clostridium), de nombreuses moisissures (des genres Aspergillus et Rhizopus), ainsi que chez
quelques levures (des genres Candida, Pichia, Endomycopsis, lipomyces et Schwanniomyces).
- Glucoamylase ou α (1-4)-glucane glucohydrolase (EC 3.2.1.3), elle libère des unités de
glucose à partir des extrémités non réductrices des polymères. Elle hydrolyse l’amylopectine et
l’amylose complètement en D-glucose et est également capable d’hydrolyser les liaisons α (1-6) ainsi
que les liaisons α(1-4) et α(1-3). Elle hydrolyse aussi le maltose. L’amyloglucosidase (glucoamylase ou
γ-amylase) est rencontrée chez les moisissures (Aspergillus, Rhizopus), les levures (Endomyces,
Endomycopsis, Candida, Saccharomyces diastaticus…) et chez les bactéries.
Il existe des β-amylases (Bacillus subtilis, quelques moisissures), dont l’action est
exomoléculaire. Elle est répandue chez les végétaux et rare chez les microorganismes.
2- Dégradation de la cellulose
La cellulose est un polymère linéaire de D-glucose, les molécules de glucose sont liées
entre elles par des liaisons β (1-4).
Des microorganismes cellulolytiques sont rencontrés dans une grande variété de genres
bactériens (Acetivibrio, Bacillus, Cellovibrio, Cellulomonas, Clostridium, Cytophaga, Erwinia,
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Streptomyces…) et de moisissures (Aspergillus, Cladosporium, Penicillium, Fusarium…), qui jouent un
rôle de premier plan dans le cycle du carbone. Chez les levures ces enzymes sont rares.
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3- Catabolisme du glucose
La voie de dégradation des hexoses la plus anciennement connue est la glycolyse qui
conduit à la formation transitoire d’acide pyruvique.
Il existe des alternatives de la glycolyse chez une grande variété de microorganismes
aérobies ou anaérobies. Ces voies sont empruntées soit de façon exclusive, soit concurremment avec
la glycolyse.
3-1- La glycolyse ou voie d’Embden-Meyerhof (EM) ou d’Embden-Meyerhof-Parnas (EMP)
Cette voie dite de l’hexose diphosphate, est très largement répandue parmi les
microorganismes : levures, moisissures, bactéries aéro-anaérobies (Entérobactéries…). Pour certains,
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le glucose est dégradé exclusivement, ou presque, par cette voie (Streptomyces griseus 97%,
Trypanosoma 100%).
Les points importants de la chaine de la glycolyse sont :
- Activation du glucose sous forme de glucose-6P au moyen d’ATP, isomérisation et
seconde phosphorylation pour donner du fructose-1,6-diphosphate et deux ADP.
- Clivage du fructose-1,6 diP en deux molécules de triose-phosphate, sous l’action de
l’aldolase (enzyme caractéristique de cette voie métabolique).
-Isomérisation
3-phosphoglycéraldéhyde/dihydroxyacétone-phosphate
et
+
déshydrogénation avec réduction de NAD . Cette réaction s’accompagne d’une phosphorylation au
niveau du substrat et conduit à la formation de 1,3diphosphoglycérate (possède une liaison riche en
énergie).
- Transfert d’une liaison ester phosphorique du 1,3diphosphoglycérate à l’ADP.
- Transfert de la liaison ester phosphorique du phosphoénolpyruvate à l’ADP et formation
de pyruvate et ATP.
Le bilan est :
3-2- Voie de l’hexose monophosphate (HMP) ou voie de Warburg-Dickens-Horecker
Cette voie aérobie est très importante car elle fournit des pentoses, requis pour la
synthèse des acides nucléiques et des groupements prosthétiques contenant des nucléotides. Elle
fournit également les éléments nécessaires à la synthèse des acides aminés aromatiques et des
vitamines. La voie de l’hexose monophosphate ne produit pas directement de l’énergie, mais le
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NADPH2 formé est une source d’ATP lorsque les électrons sont transportés jusqu’à l’oxygène par
l’intermédiaire de la chaine respiratoire ; le NADPH2 peut être également utilisé par le métabolisme
lipidique.
Cette voie est présente, aux côtés de la glycolyse à des proportions variables, chez de
nombreux microorganismes. Elle est utilisée, au moins partiellement, par les levures et moisissures et
de nombreuses bactéries aéro-anaérobies comme Escherichia coli. Elle joue un rôle fondamental chez
les bactéries aérobies dépourvues de glycolyse (Pseudomonas, Xanthomonas, Acetobacter xylinum…).
Les premières étapes conduisent à la formation de gluconate-6P et sont communes avec
d’autres voies respiratoires et fermentaires. A partir du gluconate-6P, il y a formation de ribulose-5P,
point de départ du cycle oxydatif des pentoses-P.
L’équation globale est :
3-3- Voie du 2-céto-3-désoxygluconate ou voie d’Entner-Doudoroff
Cette voie possède des étapes communes à la fois avec la voie de l’hexose monophosphate et
avec la glycolyse. Elle a été découverte par Entner et Doudoroff en étudiant l’oxydation du glucose par
des espèces de Pseudomonas (microorganismes aérobies). Elle est rencontrée aussi chez Azotobacter
et certaines moisissures. Actuellement, il n’y a qu’une seule bactérie, Zymomonas mobilis, qui utilise
cette voie pour la fermentation anaérobie du glucose.
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Les étapes essentielles de cette voie sont :
- Activation du glucose par l’ATP.
- Oxydation du groupement aldéhyde du glucose-6P pour former le 6-phosphogluconate avec
réduction parallèle du NADP+.
- Déshydratation du 6-phosphogluconate et formation du CDPG ou KDPG (2-céto-3-désoxy-6phosphogluconate).
- Clivage par la CDPG-aldolase pour donner d’une part du glycéraldéhyde-3P et d’autre part du
pyruvate.
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- Transformation du glycéraldéhyde-3P en pyruvate au moyen de la glycolyse avec formation
de 2 moles d’ATP et 1 mole de NADH2 par mole de triose phosphate.
Pour une molécule de glucose, il y a formation de 1 ATP, 1 NADPH2 et 1 NADH2.
Chez les Pseudomonas, cette voie est utilisée conjointement avec celle de l’hexose
monophosphate.
3-4- Fermentations dérivées de la voie de l’hexose monophosphate
Le métabolisme des bactéries hétérolactiques en est un bon exemple « voie des pentosesphosphates ». Elle aboutit, en dehors du lactate, à la formation d’éthanol, de CO 2 et d’acétate. Les
bactéries hétérolactiques possèdent le système « glycéraldéhyde-P déshydrogénase », mais elles sont
en revanche dépourvues de fructose-6P kinase. Il existe plusieurs systèmes de fermentation
hétérolactique bactérienne.
Le plus courant est rencontré chez les Leuconostoc et les Lactobacillus hétérofermentaires.
Cette voie est anaérobie facultative et produit du CO2. La voie de Warburg-Christian conduit au xylose5P, puis la pentulose phosphocétolase, l’enzyme caractéristique, clive ce composé (C 5) en acétylphosphate (C2) et triose-phosphate (C3). Le même type de fermentation se rencontre chez
Microbacterium, Pediococcus, et certains Bacillus.
Une fermentation de type différent se rencontre chez les Bifidobacterium (ex. Lactobacillus
bifidus). Outre l’acide lactique, il se forme de l’acétate. Dans cette voie, il y a des étapes de la voie de
l’hexose monophosphate et de la voie des Lactobacillus. La pentulose phosphocétolase est présente,
le clivage du fructose-6P est dû à une fructose-6P phosphocétolase.
3-5- fermentations gluconiques
Une grande variété de microorganismes aérobies stricts, comme les moisissures (Aspergillus,
Penicillium), les Pseudomonas et les Acetobacter, oxydent le glucose en gluconate, sans
phosphorylation préalable de l’hexose. Le glucose est transformé en gluconolactone grâce à une
oxydation directe par l’oxygène, sous l’action d’une glucose oxydase (enzyme à cofacteur flavinique).
La gluconolactone est ensuite hydratée en acide gluconique. Le produit de la fermentation est en fait
constitué par un mélange d’acide gluconique et de δ- et γ-lactones. Cette fermentation nécessite une
aération importante.
L’acide gluconique peut être recueilli par précipitation sous forme de gluconate de calcium
(utilisé en médecine dans les déficiences calciques).
La glucose oxydase est utilisée pour éliminer le glucose de nombreuses préparations
alimentaires.
13
3-6- fermentation kojique
Diverses espèces d’Aspergillus (groupe flavus-oryzae) peuvent produire des quantités
importantes d’acide kojique à partir de glucose. La formation directe à partir de glucose sans rupture
de la chaine carbonée semble être la voie prépondérante. Cette biosynthèse s’effectue en aérobiose.
L’acide kojique peut être utilisé comme réactif d’identification chimique (fer ferrique), comme
précurseur d’agents aromatiques (maltol), comme précurseur dans la synthèse d’insecticides et
comme agent antimicrobien.
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4- Métabolisme anaérobie du pyruvate
Différents microorganismes, en particulier des bactéries anaérobies strictes ou facultatives,
métabolisent le pyruvate en anaérobiose par des voies variées.
15
4-1- Fermentation alcoolique
Il s’agit d’une fermentation très répandue chez les levures (Saccharomyces, Kluyveromyces,
Brettanomyces,…). Les bactéries capables de réaliser la fermentation alcoolique sont peu nombreuses
(Zymomonas mobilis).
La glycolyse constitue la première grande étape de la fermentation alcoolique des levures.
Dans le cas de Zymomonas mobilis, le glucose est dégradé par la voie d’Entner-Doudoroff. Les deux
voies aboutissent au pyruvate, celui-ci est décarboxylé en acétaldéhyde et CO2. La réduction de
l’acétaldéhyde engendre la formation d’éthanol. D’autres substances peuvent être produites en faibles
quantités (glycérol et acide acétique en particulier). La conversion d’une molécule de glucose en
éthanol, par les levures, se traduit par la synthèse de 2 molécules d’ATP.
En anaérobiose, les levures ne transforment pas tous le glucose en éthanol et gaz carbonique ;
de petites quantités de pyruvate et NADH2 sont utilisées pour assurer la maintenance cellulaire. La
réoxydation du NADH2 est indispensable pour que la fermentation alcoolique s’accomplisse. Ceci
s’effectue par l’intermédiaire de la réduction d’acétaldéhyde ; or celui-ci est initialement absent. Dans
ce cas la dihydroxyacétone-phosphate (PDHA) joue le rôle d’accepteur d’hydrogène en se
convertissant en L-α-glycérol-phosphate qui se transforme en glycérol. Ces réactions constituent la
fermentation glycéropyruvique qui prend toujours place au début de la fermentation alcoolique.
L’acétaldéhyde, plus facilement réductible que la PDHA, fixe préférentiellement l’hydrogène du NADH2
et, dès que sa concentration est suffisante, la glycolyse se met à fonctionner normalement. Ceci
explique la présence constante d’une certaine quantité de glycérol dans les liquides fermentés.
Théoriquement, la fermentation alcoolique permet d’obtenir une quantité d’éthanol
équivalente à 51.1% du glucose catabolisé. Toutefois, même si l’anaérobiose n’est pas favorable à la
synthèse de constituants cellulaires, il y a malgré tout une croissance correspondant à 2% des glucides
utilisés. L’éthanol et le gaz carbonique ne sont pas les seuls produits formés : outre le glycérol, il y a
aussi des acides organiques (acide succinique, acide acétique…), des alcools supérieurs, des aldéhydes,
des cétones. L’ensemble de ces composés représente environ 2.7% du sucre fermenté. Ainsi, la
quantité d’éthanol produite n’est que d’environ 47 à 48% au maximum, du poids de sucre converti.
Il s’avère que le taux de conversion du sucre en éthanol se situe entre 91 et 95% du rendement
attendu. Les variations observées peuvent être liées à certains facteurs du milieu comme la qualité et
la quantité des sources d’azote utilisables.
4-2- fermentations homolactiques
L’acide lactique est le produit essentiel de ce type de fermentation (>90% des produits formés),
contrairement à la fermentation hétérolactique (entre 25 et 90% d’acide lactique).
L’acide lactique provient de la réduction de l’acide pyruvique catalysée par la
lacticodéshydrogénase. Il peut être de forme D, L, ou DL, ceci dépend de la stéréospécificité de la
lacticodéshydrogénase et de la présence ou l’absence de racémase (le microorganisme peut posséder
une L- lacticodéshydrogénase, une D- lacticodéshydrogénase ou les deux).
La fermentation homolactique est effectuée par tous les membres des genres bactériens
Streptococcus, Pediococcus et Microbacterium, par beaucoup de Lactobacillus, par certains Bacillus et
certaines moisissures (Phycomycètes : Oomycètes).
L’acide lactique est utilisé comme additif alimentaire. Les fermentations homo- et
hétérolactiques interviennent également dans la fabrication de nombreux produits alimentaires
(fromages, choucroute, salaisons, saumure de légumes…).
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4-3- Fermentation hétérolactique fongique
Parmi les moisissures, Rhizopus oryzae constitue un cas particulier. Cultivé en aérobiose, il
produit un mélange d’acide lactique, de l’acide acétique et du CO 2, alors que dans des conditions
anaérobies, il produit un mélange d’acide lactique, d’éthanol, et de CO 2. Ces produits sont identiques
à ceux obtenus au cours de la fermentation hétérolactique des Leuconostoc mais le mécanisme de
formation est différent : la dégradation du glucose s’effectue par la voie de la glycolyse. En aérobiose,
une partie du pyruvate est transformée en acide lactique, l’autre est oxydée.
En anaérobiose, une partie du pyruvate est transformée en éthanol et CO 2, l’autre en acide
lactique. L’acide lactique formé dans les deux cas est de forme D.
4-4- Fermentation acide mixte et butylène-glycolique
La fermentation acide mixte est réalisée par des Entérobactéries appartenant aux genres
Escherichia, Salmonella, Proteus, Shigella, Yersinia. Elle est aussi rencontrée chez les Vibrio, certains
Aeromonas… Elle est caractérisée par la production d’éthanol et de plusieurs acides organiques :
acides lactique, acétique, succinique et formique. Certaines espèces (Escherichia coli, Proteus,
certaines Salmonella) possèdent l’hydrogène lyase formique et décomposent immédiatement l’acide
formique en H2 et CO2 à pH neutre ou acide :
La fermentation butylène glycolique est réalisée par les membres des genres Enterobacter,
Klebsiella, Serratia (entérobactéries), mais aussi par certains Aeromonas et Bacillus. Elle aboutit aux
produits de la fermentation acide mixte. Il y a en outre formation de 2,3-butanediol (ou 2,3-butylène
glycol), qui est avec l’éthanol la substance la plus abondante. Le 2,3-butanediol est formé par réduction
de l’acétylméthylcarbinol (ou acétoïne), produit issu du pyruvate par l’intermédiaire de l’acétolactate.
L’acétoïne et le diacétyle sont formés en aérobiose.
Généralement, les acides sont en faible quantité, bien que Serratia produise beaucoup d’acide
formique. Chez les autres Entérobactéries à fermentation butylène-glycolique, la présence
d’hydrogène lyase formique entraine la formation d’H2 et de CO2 ; ce dernier est plus abondant que
l’H2 car il est également formé au cours de la synthèse du 2,3-butanediol. A pH neutre ou basique, le
pourcentage des produits acides augmente.
4-5- Fermentations butyriques et acétono-butyliques
Certains Clostridium (C.butyricum, C.perfringens), les Butyribacterium, certaines Serratia et
Zymosarcina produisent de l’acide butyrique, ainsi que de l’acide acétique, du CO 2 et de l’hydrogène.
L’acide butyrique est formé par condensation de deux molécules d’acétyl-CoA en acétoacétate, lequel
est ensuite réduit en β-hydroxybutyrate puis en butyrate. Une partie de l’acétyl-CoA, formé à partir du
pyruvate, conduit à la formation d’ATP et d’acide acétique.
Chez les Clostridium, la décarboxylation du pyruvate se fait par réaction phosphoroclastique :
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Outre les produits de la fermentation butyrique, certains Clostridium peuvent donner des alcools
(butanol, éthanol, isopropanol) et de l’acétone.
4-6- Fermentations propioniques
Diverses bactéries anaérobies strictes ou facultatives (Propionibacterium, certains Clostridium,
Corynebacterium, Neisseria, Veillonella…) produisent par fermentation l’acide propionique, l’acide
acétique, CO2 et l’acide succinique. L’acide propionique est formé par réduction du pyruvate (l’acide
lactique étant l’intermédiaire), mais il peut l’être aussi produit par décarboxylation de l’acide
succinique (Propionibacterium pentosaceum).
La fermentation propionique peut s’effectuer aussi à partir du lactate avec le pyruvate comme
intermédiaire, sauf chez Clostridium propionicum où l’intermédiaire est l’acide acrylique.
Les Propionibacterium jouent un rôle important dans le tube digestif des ruminants.
Propionibacterium intervient dans la fabrication des fromages à pâte cuite.
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5- Métabolisme aérobie du pyruvate
5-1- cycle de Krebs (cycle des acides tricarboxyliques « TCA » ou cycle citrique)
En présence d’air, les microorganismes aérobies stricts ou facultatifs assurent l’oxydation
complète du glucose. Le pyruvate formé est oxydé par le cycle de Krebs et le shunt glyoxylate. Le cycle
de Krebs est la voie d’oxydation aérobie de l’acétate provenant non seulement de la glycolyse ou du
shunt de l’hexose monophosphate, mais encore de la β-oxydation des acides gras. Ses composantes
enzymatiques participent directement ou indirectement à la dégradation du squelette carboné de la
plupart des aminoacides. Le cycle fournit les composés de départ des réactions de synthèse. Il existe
des différences sensibles entre organismes : dans le cycle « classique », le malate est oxydé en
oxaloacétate par la malate déshydrogénase NAD-dépendante (E. coli), chez Serratia ou Pseudomonas,
il existe une déshydrogénase directement liée aux cytochromes. Chaque tour du cycle produit, à partir
de l’acétate, deux molécules de CO2 et 8 (H+, e-), sous forme de 2 NADH2, 1NADPH2 et 1 FADH2. Ces
électrons et protons sont transportés vers l’oxygène par la chaine respiratoire. Il y a formation au
maximum de 3 molécules d’ATP par paire d’électrons transportée entre les NAD et l’oxygène. Le
rendement global par mole de glucose oxydé par l’intermédiaire de la glycolyse et du cycle de Krebs
est donc au maximum de 38 ATP. Chez les bactéries, il est difficile de connaitre le nombre réel d’ATP
libérés, la présence d’ATPase gênant la mise en évidence de l’ATP formé. Des mesures indirectes
suggèrent que le bilan est identique à celui des organismes supérieurs alors que les mesures directes
ne permettent de mettre en évidence que 16 ATP par mole de glucose.
Le cycle de Krebs ne peut fonctionner en conditions anaérobies car la succinate déshydrogénase
et l’α-cétoglutarate déshydrogénase sont inactives. Cependant, il peut encore se produire des
réactions à partir de l’oxaloacétate vers le succinate (branche réductrice « à contre-sens » avec
intervention d’une fumarate réductase) et vers l’ α-cétoglutarate (branche oxydative) : cas
d’Escherichia coli.
Le cycle peut entièrement fonctionner à « contre-sens » de manière réductrice pour la fixation
autotrophique du CO2 (chez de nombreuses bactéries photosynthétiques et des archéobactéries, en
particulier les méthanogènes).
5-2- shunt glyoxylique
Certains microorganismes (E. coli et de nombreuses espèces de moisissures et de Pseudomonas)
sont capables de se développer à partir de l’acétate comme seule source de carbone et d’énergie. Ces
organismes ont toutes les enzymes du cycle de Krebs mais ont en plus :
- l’isocitrase lyase, coupe l’isocitrate en succinate et glyoxylate.
- la malate synthétase condense le glyoxylate avec l’acétyl-CoA pour former le malate.
Le shunt glyoxylique ne fournit aucune énergie biologiquement utilisable. Il ne fonctionne que
lorsque le micro-organisme est cultivé sur acétate car le glucose réprime ces deux enzymes.
Lors de la croissance sur acétate, les cellules décarboxylent l’oxaloacétate pour fournir du
phosphoénolpyruvate, point de départ de la biosynthèse des hexoses et des pentoses.
5-3- Fermentations dérivées du cycle de Krebs et du shunt glyoxylique
Ce sont des fermentations aérobies essentiellement réalisées par des moisissures. Elles
aboutissent à la formation de divers acides organiques (métabolites directement issus du cycle de
Krebs ou du shunt glyoxylate ou des produits de leur transformation). Ces acides sont accumulés
lorsque le fonctionnement du cycle est interrompu. Cette interruption peut être obtenue par variation
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des conditions du milieu : pH, présence d’inhibiteurs des enzymes transformant normalement le
produit formé. Elle peut être également obtenue par une mutation portant sur les gènes contrôlant
ces enzymes.
Le point de départ de la synthèse des acides organiques du cycle de Krebs est l’oxaloacétate, ce
dernier est normalement réobtenu dans la phase finale du cycle. Une abondante formation d’acides
nécessite la présence d’un apport différent d’oxaloacétate. Il peut être formé par l’intermédiaire du
succinate issu du shunt glyoxylique (2 molécules d’acétate donnent le succinate). Il peut aussi être
formé par carboxylation du pyruvate. L’enzyme malique catalyse la réaction de carboxylation pour
former le malate, lequel est transformé en oxaloacétate par la malate déshydrogénase. L’oxaloacétate
peut être issu de la carboxylation du phosphoénolpyruvate (précurseur du pyruvate).
Les acides organiques obtenus par ces fermentations sont très variés (acide citrique, acide
itaconique, acide fumarique, acide oxalique, acide malique, acide glutarique, acide succinique, acide
époxysuccinique,…)
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6- Dégradation des autres sucres
6-1- catabolisme des pentoses
La dégradation des pentoses a été très bien étudiée chez les Entérobactéries et les Lactobacilles.
Quel que soit le pentose métabolisé, sa dégradation aboutit à la formation de D-xylulose-5P, lequel est
ensuite métabolisé soit par la voie de l’hexose monophosphate (cycle des pentoses) soit par celle des
pentoses-phosphates (voie des bactéries hétérolactiques) avec intervention de la phosphocétolase.
Selon le pentose de départ, il y a intervention d’isomérases, transcétolases et transaldolases, avant
d’aboutir au xylulose-5P.
L’assimilation du xylose chez les bactéries fait intervenir une isomérase :
Alors que chez les levures, il y a une étape intermédiaire :
6-2- dégradation du fructose
Le fructose peut être soit oxydé en 5-céto-D-fructose par la D-fructose-NADP-5oxydo-réductase
(Acetobacter cerinus, bactérie aérobie stricte), soit phosphorylé en fructose-1P (Escherichia coli,
Zymomonas, Clostridium) ou plus rarement en fructose-6P. La première phosphorylation est suivie
d’une seconde qui aboutit au fructose-1,6-diphosphate, celui-ci est ensuite dégradé par la voie de la
glycolyse.
6-3- dégradation du mannose
Le mannose peut être catabolisé par deux mécanismes différents : un mécanisme cyclique et un
mécanisme non cyclique. Les deux mécanismes existent pour l’isomère D, alors que l’isomère L semble
n’être catabolisé que par le mécanisme non cyclique.
Dans le mécanisme cyclique (Aerobacter aerogenes), le D-mannose est phosphorylé en
mannose-6P, qui est ensuite transformé en fructose-6P (métabolisé ensuite par la glycolyse). La
phosphorylation du mannose se fait par transfert du phosphate du glucose-6P au mannose. Le glucose21
6P est ensuite régénéré soit par isomérisation du mannose-6P en fructose-6P, soit par phosphorylation
directe du glucose, grâce à une glucokinase.
L’utilisation du L-mannose fait intervenir le mécanisme non cyclique. Le L-mannose est d’abord
converti en L-fructose par une isomérase. Il y a ensuite phosphorylation du fructose en fructose-1P,
lequel est coupé en dihydroxyacétone-phosphate et en L-glycéraldéhyde, dont la métabolisation
s’effectue par la glycolyse.
6-4- dégradation du saccharose
Le saccharose est d’abord hydrolysé en glucose et fructose par l’invertase présente chez de
nombreuses levures (Candida utilis, Saccharomyces cereviciae…), de nombreuses moisissures
(Aspergillus niger, Penicillium chrysogenum…) et de nombreuses bactéries (Clostridium pasteurianum,
Streptococcus…). Le glucose et le fructose sont dégradés par les voies précédemment décrites.
Le saccharose est hydrolysé à l’extérieur de la cellule chez les levures et moisissures. Chez de
nombreuses bactéries (bactéries lactiques, Bacillus subtilis), le saccharose est transporté à l’intérieur
de la cellule sous forme de saccharose-P et ensuite hydrolysé en glucose-6P et fructose.
Chez diverses bactéries (Bacillus subtilis, Zymomonas), il existe en outre une levane saccharase
qui contribue à la synthèse des levanes :
6-5- catabolisme du lactose et galactose
De nombreux microorganismes possèdent une β-galactosidase : des levures (Kluyveromyces,
Candida…), des moisissures (Aspergillus…), des bactéries (E. coli, Lactobacillus, Bacillus…). Après
hydrolyse du lactose, le glucose formé est dégradé par l’une des voies précédemment décrites. Quant
au galactose, il est dégradé, notamment chez les levures, par la voie de Leloir-Kalchar. Il est d’abord
phosphorylé puis transformé en glucose-1P, métabolite directement utilisable par la cellule après
isomérisation en glucose-6P. Les réactions d’isomérisation font intervenir l’uridine diphospho-glucose
(UDPG) et l’uridine diphospho-galactose (UDP-Gal) :
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Chez Escherichia coli, le métabolisme du lactose dépend d’une perméase spécifique et utilise la
voie de Leloir comme chez la levure.
Chez Lactobacillus casei, le lactose est phosphorylé par un système phosphotransférase en
lactose-P qui est scindé dans la cellule en glucose et en galactose-6P ; la métabolisation a lieu par la
voie du tagarose :
La voie du tagarose est également utilisée chez Staphylococcus aureus pour le métabolisme du
lactose et du galactose.
6-6- catabolisme du maltose
Il est généralement hydrolysé en 2 molécules de glucose par une maltase (ou glucoamylase).
Chez E. coli, il est métabolisé avec intervention d’une transglycosylation :
Catabolisme des autres composés organiques
1- Dégradation des lipides
Les triglycérides sont hydrolysés en acides gras et glycérol, grâce à des lipases ou à des estérases
moins spécifiques, souvent exocellulaires. Ces lipases se rencontrent chez les moisissures (Aspergillus,
Penicillium, Rhizopus, Geotrichum…), les levures (Candida, Torulopsis, Saccharomyces,
Saccharomycopsis…) et les bactéries (Serratia, Pseudomonas, Xanthomonas, Chromobacterium,
Alcaligenes, Staphylococcus…).
Le glycérol entre dans la glycolyse au niveau de la dihydroxyacétone-P. les acides gras, quant à
eux, sont d’abord activés par l’ATP en présence de coenzyme A pour former un acyl-CoA, lequel est
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oxydé en β-céto-acyl-CoA. Après hydrolyse, il se forme de l’acétyl-CoA et un acyl-CoA possédant deux
carbones de moins. Les réactions d’oxydation se poursuivent autant qu’il est nécessaire selon la
longueur de la chaine carbonée. L’acétyl-CoA formé peut être incorporé dans le cycle de Krebs et le
shunt glyoxylique.
2- Dégradation des protéines
Les protéines sont des composés organiques de haut poids moléculaire, constituées d’acide
aminés liés entre eux par des liaisons peptidiques. Leur dégradation comporte les étapes suivantes :
2-1- Protéolyse : protéases et peptidases
Il existe de nombreuses protéases microbiennes (généralement exocellulaires) plus ou moins
spécifiques : collagénases, gélatinases… Elles agissent aussi bien sur les protéines que sur les
oligopeptides. Elles scindent la molécule protéique en fragments polypeptidiques, constitués de
quelques acides aminés seulement. Les espèces protéolytiques les plus connues appartiennent aux
genres bactériens Clostridium, Bacillus, Proteus, Streptomyces, Pseudomonas, Aeromonas… ainsi qu’à
de nombreux genres fongiques.
Les peptidases hydrolysent les polypeptides et les transforment en leurs sous-unités
constitutives, les acides aminés. De petits polypeptides pénètrent dans les cellules : chez la levure, il
s’agit essentiellement de di- et tripeptides. L’entrée des acides aminés dépend de la présence de
systèmes « perméase» nombreux et variés.
Les peptidases sont de deux types, les endopeptidases et les exopeptidases, en fonction de leur
mode d’attaque de la chaine polypeptidique. Les exopeptidases sont elles-mêmes subdivisées en deux
catégories :
- Les aminopeptidases commencent leur action par l’extrémité –NH2 libre du polypeptide et leur
activité dépend souvent de la présence d’ions métalliques.
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- Les carboxypeptidases débutent leur attaque par l’extrémité –COOH libre du polypeptide.
L’activité de ces différentes enzymes conduit à la libération de di- et tripeptides qui sont ensuite
hydrolysés en acides aminés.
2-2- Catabolisme des acides aminés libérés
Il existe deux voies principales : la désamination et la décarboxylation.
Les aminoacides désaminases sont à la fois des enzymes oxydatives et des enzymes non
oxydatives.
La désamination oxydative conduit à la formation d’un imino-acide qui est ensuite hydrolysé en
ammoniaque et en acide α-cétonique : elle fait intervenir des coenzymes flaviniques (FAD).
La désamination non oxydative peut être de trois types :
La désamination désaturante produit l’ammoniaque et un acide insaturé ex. :
La désamination par déshydratation est particulière aux acides aminés hydroxylés (serine), elle
est exclusivement microbienne. Il y a formation d’ammoniaque et d’un acide cétonique. La
dégradation de la cystéine se fait par une réaction voisine mais il y a libération de SH 2 (cystéine
sulfhydrase).
La désamination réductive consiste en une réduction de l’acide aminé en acide saturé
correspondant, avec formation d’ammoniaque.
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Il existe un dernier type de désamination, appelé :
Désamination couplée (réaction de Stickland). Il s’agit d’une réaction d’oxydoréduction couplée
entre deux acides aminés, l’un jouant le rôle d’accepteur d’hydrogène, l’autre de donneur :
La réaction de Stickland est réalisée par un grand nombre de bactéries anaérobies strictes
sporulées (Clostridium) : elle fait intervenir un coenzyme à NAD.
Les Clostridium qui ne réalisent pas cette réaction dégradent les acides aminés grâce à un
processus catalytique de transamination proche de celui des animaux supérieurs.
Les acides issus de la désamination intègrent les voies du métabolisme glucidique : pyruvate
(alanine, glycine, sérine, cystéine…), acétyl-CoA(leucine, isoleucine, lysine…), oxaloacétate
(aspartate)…
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Les décarboxylases agissent sur les aminoacides pour former du CO2 et une amine :
Cette réaction est effectuée par un grand nombre de microorganismes protéolytiques ou non.
Les amines sont des composés nauséabonds, parfois toxiques (histamine).
La manière de dégrader un aminoacide est contrôlée en partie par le pH du milieu. Un milieu
acide favorise la formation de décarboxylases alors que le milieu alcalin stimule celle de désaminases.
3-catabolisme des hydrocarbures
Beaucoup de Pseudomonas, d’autres groupes bactériens (Micrococcus, Actinomycètes), de
levures et des moisissures sont capables d’utiliser comme seule source de carbone la quasi-totalité des
hydrocarbures paraffiniques et aromatiques.
3-1- hydrocarbures paraffiniques
Les hydrocarbures paraffiniques sont oxydés par des étapes successives grâce à des
déshydrogénases à NAD via l’aldéhyde et l’acide carboxylique. Une acyl-CoA synthétase permet
d’activer cet acide monocarboxylique en acyl-CoA qui subit la β-oxydation génératrice de molécules
d’acétyl-CoA par scissions successives. Il y a intervention d’une ω-hydroxylase NADP-dépendante,
elle existe chez divers microorganismes et notamment chez Pseudomonas oleovorans cultivé sur
Hexane.
Chez les levures, le passage
se fait dans les microsomes et
peroxysomes. Le passage de l’acétyl-CoA vers les mitochondries fait intervenir la carnitine sous forme
transitoire d’acétylcarnitine. La régénération des FADH2 et NADH2 n’est pas directement couplée à la
chaine respiratoire. Une partie du FADH2 entraine la formation d’H2O2 ensuite dégradé par la catalase.
Le NADH2 passe par le système PGA/PDHA avant d’aboutir au FADH2 mitochondrial.
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3-2- Catabolisme des hydrocarbures et autres composés aromatiques
Certains microorganismes, notamment des Pseudomonas (P. aeruginosa, P. putida…) sont
capables de croitre en utilisant des composés aromatiques. Leur oxydation aboutit, dans un premier
temps, à des composés à un seul cycle aromatique (catéchol, protocatéchuate, gentisate,
homogentisate). Ensuite, il y a clivage du cycle, soit entre deux carbones portant les hydroxyles
(orthofission), soit entre un carbone portant un hydroxyle et un carbone n’en portant pas
(métafission).
Les composés aromatiques halogénés peuvent aussi être dégradés biologiquement : cas
d’épuration des sédiments contenant des polychlorobenzènes. Après la déchloration anaérobie, il se
produit une dégradation aérobie des produits phénoliques qui en sont issus.
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4- Catabolisme du méthane et méthanol
Les microorganismes capables de croître sur méthane et méthanol, comme seule source de
carbone, (ex. Pseudomonas) oxydent le méthane selon la chaîne :
Ces microorganismes sont dits « méthylotrophes ». Ils peuvent être méthylotrophes stricts (ne
dégradant que le méthane ou méthanol), ou méthylotrophes facultatifs (capables de dégrader, outre
le méthane et méthanol, de nombreux composés à un ou plusieurs atomes de carbone).
5- Dégradation de l’éthanol
L’éthanol peut être dégradé totalement en CO2 et H2O comme chez certaines levures
(Brettanomyces, debaryomyces, Hansenula, Pichia…) comme il peut être transformé en acide acétique
(Acetobacter, Gluconobacter). Dans les deux cas, la première étape conduit à la formation
d’acétaldéhyde :
Dans le cas des levures, l’acétaldéhyde est incorporé dans le cycle de Krebs par oxydation en
acétyl-CoA.
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Cette dégradation est aérobie.
Dans le cas des bactéries acétiques, l’acétaldéhyde est transformé directement en acide
acétique.
Cette fermentation (base de la fabrication du vinaigre) est aérobie. Certaines bactéries acétiques
peuvent ensuite transformer l’acide acétique en CO2 et H2O par l’intermédiaire de l’acétyl-CoA.
Le vinaigre, fabriqué traditionnellement par une culture de surface (procédé d’Orléans) ou par
ruissellement sur des copeaux de bois sur lesquels sont adsorbées les bactéries (procédé de
Schutzenbach), est actuellement fabriqué par culture agitée fortement aérée (acétator, cavitator…).
6- Dégradation du glycérol
Le catabolisme du glycérol a été étudié chez les Entérobactéries, les lactobacilles, les bactéries
acétiques et chez Clostridium butyricum.
Le glycérol est dégradé, en particulier chez les bactéries acétiques, par deux voies (figure).
Acetobacter suboxydans, qui ne possède pas de cycle de Krebs, peut cependant métaboliser le glycérol.
Cette bactérie est utilisée pour la production de dihydroxyacétone, intermédiaire de la dégradation du
glycérol. La dihydroxyacétone est employée comme agent tannant et en cosmétologie.
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Les Entérobactéries catabolisent le glycérol en le transformant en dihydroxyacétone ou en
glycéraldéhyde-3P, lesquels sont ensuite dégradés par la voie de la glycolyse. Le processus est
uniquement fermentaire.
Le catabolisme du glycérol chez Escherichia coli fait intervenir une glycérol kinase qui donne
naissance à l’α-glycérophosphate, qui est encore transformé en dihydroxyacétone-phosphate.
Anabolisme : production de biomasse et de métabolites
Les réactions anaboliques ont pour but la synthèse des constituants cellulaires.
1-Production de biomasse et de protéines
Au cours de la synthèse de la biomasse, il y a formation de composés glucidiques par une
gluconéogénèse qui résulte de l’activité de différentes voies métaboliques : il s’agit de voies inverses
(« réverses ») issues du pyruvate si le microorganisme est cultivé sur des substrats autres que des
sucres (acides, alcools…). Cependant la pyruvate kinase et la phosphofructokinase ne sont pas
réversibles :
Applications
La production de biomasse constitue souvent le but de nombreuses « fermentations »
industrielles :
Production de « biomasse-aliment » et plus particulièrement production de protéines (Single
Cell Proteins = Protéines d’Organismes Unicellulaires), essentiellement de levures, plus rarement de
bactéries, moisissures ou algues. Lorsque la biomasse est produite dans ce but, les protéines ne sont
que rarement extraites et purifiées et le produit, en contenant environ 50%, est habituellement utilisé
tel quel (alimentation animale).
Production de levure diététique
Production de levains pour les industries de fermentations
Production d’agents biologiques pour bioconversion (cellules utilisées libres ou immobilisées,
comme catalyseur)
Production pour des applications particulières comme la lutte biologique (action insecticide).
Pour obtenir de bonnes productions de biomasse, il est nécessaire de se placer dans des
conditions où le rendement énergétique est le meilleur, c'est-à-dire lorsqu’il ya oxydation complète du
substrat par l’oxygène de l’air et que toute l’énergie potentielle est libérée et utilisée pour les
synthèses. Il est donc préférable, lorsqu’il est possible, d’utiliser des germes aérobies ne possédant pas
de métabolisme fermentaire ou d’orienter le métabolisme d’un germe ayant plusieurs voies
énergétiques vers la voie oxydative. Pour obtenir les meilleurs résultats, il faut fournir une quantité
d’oxygène pour permettre l’oxydation complète et tenir compte des mécanismes de régulation.
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2-Production d’acides aminés
Les acides aminés synthétisés dans la cellule sont utilisés, pour la plus grande partie d’entre eux,
pour la formation de protéines car de nombreux systèmes de régulation sont présents dans la cellule.
De nombreux mutants ont été isolés pour augmenter la production d’acides aminés.
Les acides aminés les plus intéressants du point de vue industriel sont les acides aminés
« indispensables ».
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La synthèse des acides aminés s’effectue à partir de produits intermédiaires du métabolisme
des glucides : érythrose-P, trioses-P (phosphoénolpyruvate, phosphoglycérate), pyruvate, acétyl-CoA,
oxaloacétate, α-cétoglutarate.
La forme d’azote la plus facilement utilisée est la forme ammoniacale, mais d’autres formes
peuvent être intégrées, y compris la forme moléculaire N 2. Les nitrates et les nitrites sont utilisés sous
forme d’ammonium grâce à l’existence des réductases correspondantes. L’utilisation de l’azote
moléculaire n’est possible que chez un nombre limité de microorganismes (Azotobacter,
Achromobacter, Klebsiella, Bacillus, Enterobacter, Actinomyces, certains Clostridium, bactéries
photosynthétiques, Cyanophycées…), dont certains sont symbiotiques(Rhizobium, Frankia).
L’incorporation du NH3 fait intervenir deux systèmes :
2-1- synthèse des acides aminés issus du glutamate et de l’α-cétoglutarate
Le L-glutamate est formé par amination de l’α-cétoglutarate (produit du cycle de Krebs).
Le L-glutamate est préparé par fermentation, en présence d’un excès de NH 3, d’une bactérie
ayant perdu l’enzyme capable de former le succinate à partir du cétoglutarate. Micrococcus glutamicus
est l’espèce la plus utilisée (classée parfois comme un Corynebacterium).
A partir du glutamate s’ouvrent les voies de synthèse de la glutamine, de l’ornithine, de
l’arginine et la proline.
La proline est synthétisée par cyclisation du 5-phosphoglutamate (elle a peu d’intérêt industriel).
L’ornithine peut être produite par des mutants de Micrococcus glutamicus auxotrophes pour la
citruline ou l’arginine.
Chez les levures et moisissures, la lysine est produite à partir de l’α-cétoglutarate alors que chez
les bactéries, elle est issue de l’aspartate.
2-2- Synthèse des acides aminés issus de l’aspartate
Le L-aspartate est formé par amination du fumarate (produit du cycle de Krebs).
A partir de l’aspartate, s’ouvrent les voies de la biosynthèse de la lysine (bactéries), de la
méthionine, de la thréonine et de l’isoleucine.
L’accumulation de lysine peut être obtenue chez des mutants auxotrophes pour la méthionine
et la thréonine. La thréonine peut quant à elle, être accumulée par des mutants d’Escherichia coli
auxotrophes pour la lysine et la méthionine.
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L’isoleucine (la L-isoleucine est l’un des acides aminés les plus chers) peut être préparée à partir
de milieux riches en thréonine par Streptomyces rimosus ou Serratia et à partir de milieux contenant
de l’α-ABA (acide α-aminobutyrique) par des souches de Bacillus subtilis, Pseudomonas, E.coli… L’αABA et l’isoleucine exercent un effet stimulant sur l’accumulation d’homosérine par des mutants
auxotrophes pour la thréonine.
2-3- Synthèse de la leucine et de la valine
La voie de biosynthèse de ces deux acides aminés se rattache au pyruvate et utilise des enzymes
communes à la voie de transformation de la thréonine en isoleucine.
La valine peut être accumulée par des mutants de certains Aerobacter ou de Micrococcus
glutamicus auxotrophes pour l’isoleucine et la leucine.
3- Biosynthèse des lipides
Les lipides microbiens sont constitués essentiellement de glycérides. Il peut y avoir aussi
présence de stérols (en particulier chez les organismes eucaryotes) mais aussi des glycolipides, des
phosphoglycérides, des alkyl-1-ényl éthers, parfois des alkyls éthers… La composition en lipides et en
acides gras est une caractéristique qui dépend, outre de l’espèce et de la souche, du stade
physiologique de croissance et surtout des conditions de culture : paramètres physiques (température,
aération) ou chimiques (constituants du milieu, rapport C/N) qui peuvent modifier des activités
biologiques.
Les glycérides sont synthétisés à partir de glycérol et d’acides gras (mono, di et surtout
triglycérides). Le glycérol est un produit intermédiaire du métabolisme des glucides et les acides gras
sont synthétisés à partir d’acétyl-CoA. Les bactéries contiennent en général peu d’acides gras à plus de
19 atomes de carbone. L’acide gras le plus abondant est généralement l’acide palmitique (acide gras
saturé à 18 C), les principaux acides gras insaturés sont monoéniques. Il y a aussi des acides gras
banchés ou contenant un cycle. Chez la levure, l’acide gras prédominant est l’acide palmitoléique
(acide gras monoinsaturé à 16 C).
Les stérols sont synthétisés selon une voie commune à celle des terpènes. Par condensation de
deux acétyl-CoA, il ya formation d’acide mévalonique, qui évolue en isopentényl-pyrophosphate ou en
diméthylallylpyrophosphate, produits de base des chaines terpéniques (géranyl C 10, farnesyl C15,
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géranylgéranyl C20, géranylfarnesyl C25…), d’où dérivent les terpènes, stéroïdes, carotènoides,
ubiquinones… Les stéroïdes sont formés à partir de deux farnesyl-pyrophosphate par l’intermédiaire
du squalène (C30). Il y a dans les stéroïdes microbiens de l’ergostérol et divers autres composés
(fucostérol, lanostérol,…). La formation des stérols et de certains acides gras insaturés n’est parfois
possible que dans des conditions aérobies (levures). En anaérobiose, ces produits doivent se trouver
dans le milieu pour permettre la croissance.
La production de lipides microbiens s’effectue toujours par production de biomasse puis
extraction et purification.
Des algues, levures et moisissures peuvent être des sources importantes de lipides. Il est
possible d’augmenter la production (plus de 20% de lipides en masse de la matière sèche) en
effectuant des cultures carencées en azote ou en certains éléments minéraux.
4-Biosynthèse des nucléotides
Les nucléotides, composants de base des acides nucléiques sont synthétisés :
A partir de l’inosine-monophosphate, provenant du ribose-phosphate pour les nucléotides
puriques.
A partir de l’aspartate et du cabamyl-phosphate par un intermédiaire commun, l’acide
uridylique, pour les nucléotides pyrimidiques.
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Leur production est obtenue par perturbation des systèmes de régulation.
5-Biosynthèse des vitamines
Les microorganismes prototrophes sont capables de synthétiser tous les facteurs de croissance,
et en particulier toutes les vitamines dont ils ont besoin ; certains en libèrent dans le milieu des
quantités intéressantes. Il est possible, par perturbation du métabolisme, de faire préparer par des
microorganismes la plupart des vitamines ou provitamines (panthoténate, pyridoxine, biotine,
thiamine, acide folique, acide lipoїque, nicotinamide, riboflavine, cyanocobalamine, précurseurs des
vitamines A, C, D, vitamine K, coenzyme Q, inositol…). Certaines de ces productions ont un grand
intérêt industriel, comme la vitamine B2 ou riboflavine et surtout la vitamine B12 ou cyanocobalamine
dont la seule source est microbienne. En outre, le β-carotène, précurseur de la vitamine A, est souvent
préparé par voie microbiologique.
6-Biosynthèse des polysacchrides
Divers microorganismes produisent des polysaccharides d’importance industrielle comme les
dextranes, les levanes, les gommes « xanthanes », alginates…
7-Biosynthèse des hormones
Des molécules jouant un rôle de type hormonal ont été découvertes chez des microorganismes
eucaryotes. Certaines étant de nature stéroïde.
8-Biosynthèse des toxines
Certaines bactéries et moisissures excrètent des toxines. Dans certains cas, la production
industrielle de ces toxines présente un grand intérêt car elles sont utilisées pour la fabrication
d’antigènes, de vaccins et antitoxines utilisés en médecine.
Chez les bactéries, il y a deux types de toxines :
Les exotoxines: de nature protéique, très actives mais thermolabiles, excrétées généralement
pendant la croissance et rencontrées essentiellement chez des bactéries à Gram positif.
Les principales sont la toxine diphtérique (Corynebacterium diphteriae), les entérotoxines
staphylococciques (Staphylococcus aureus), la toxine tétanique (Clostridium tetani), les toxines
botuliniques (Clostridium botulinum), les toxines de Clostridium perfringens. Elles sont utilisées comme
source d’antigènes mais surtout comme source d’anatoxines (vaccins).
Les endotoxines: de nature plus complexe (glucidolipidoprotéiques), moins actives et
thermostables, libérées par lyse des cellules et rencontrées surtout chez les bactéries à Gram négatif.
Les principales sont l’entérotoxine cholérique (Vibrio cholerae) et l’endotoxine typhoїdienne
(Salmonella).
Certains produits peuvent jouer un grand rôle dans la lutte biologique (insecticide).
Diverses moisissures excrètent aussi des substances toxiques :
Alcaloїdes de l’ergot de seigle : ces substances sont produites par Claviceps purpurea et sont
dotées de propriétés pharmacologiques et ont un intérêt médical.
Aflatoxines et autres mycotoxines : les aflatoxines dérivées de la coumarine sont produites par
Aspergillus flavus. De nombreuses autres moisissures produisent des mycotoxines. L’intérêt de la
production de ces mycotoxines est faible.
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9-Biosynthèse des antibiotiques
Les antibiotiques sont des substances produites par des microorganismes et ayant le pouvoir
d’inhiber ou de détruire d’autres microorganismes. Leur intérêt économique provient de l’utilisation
médicale pour lutter contre les maladies infectieuses.
Ce sont des substances spécifiques, ils n’ont pas une distribution généralisée parmi les
microorganismes et ne sont produits que par un nombre limité d’espèces. Le genre Streptomyces
contient une grande partie des microorganismes producteurs d’antibiotiques.
La production d’antibiotique fait appel à des souches améliorées par mutation, par
recombinaison et par génie génétique. Le génie génétique permet, par exemple, le transfert du gène
de l’acyl-transférase (pénicilline acylase) de Penicillium dans diverses souches. Le gène de la résistance
aux aminoglycosides peut aussi être transféré, ce qui se traduit par la possibilité d’une hyperproduction sans inhibition.
Il existe divers types d’antibiotiques selon leur structure chimique. Leurs voies de synthèse sont
différentes.
9-1-β-lactames : pénicillines et céphalosporines
-Pénicilline
Les pénicillines naturelles (G et V) sont des substances à hétérocycle β-lactame-thiazolidine
produites par Penicillium chrisogenum. Des pénicillines semi-synthétiques sont préparées par voie
chimique ou enzymatique à partir des pénicillines naturelles : par hydrolyse chimique ou action d’une
acylase microbienne (Escherichia coli, Bacillus megaterium, Kluyvera citrophila, Pseudomonas
melagenum, Streptomyces sp…) pour donner des composés actifs nouveaux (phénéticilline,
méthicilline, oxacilline, ampicilline, azidocilline, carbenicilline, ticarcilline,…).
Les pénicillines sont capables d’inhiber la synthèse de la paroi bactérienne. Elles agissent sur les
bactéries Gram positives (Stapylococcus, streptococcus…), quelques bactéries Gram négatives
(Neisseria) et sur Treponema (agent de la syphilis). La plupart des pénicillines peuvent être
décomposées par des germes dotés d’une pénicillinase (E. coli, Bacillus…) qui les transforment en acide
pénicilloїque inactif.
-Céphalosporine
Les céphalosporines sont des molécules très voisines des pénicillines. Les céphalosporines agissent
surtout sur les bactéries Gram+ par inhibition de la synthèse de la paroi. La céphalosporine N est
également active sur Salmonella. La céphalothine est un dérivé très actif et à large spectre, obtenu par
modification chimique de la céphalosporine.
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10-Biosynthèse des enzymes
De nombreuses enzymes peuvent être produites par culture microbienne (souvent grâce à des
mutants hyper-producteurs et hyper-excréteurs) : il s’agit aussi bien d’enzymes recueillies dans le
milieu de culture, que d’enzymes à localisation interne qu’il faut ensuite extraire du corps microbien.
Elles sont utilisées comme agent de transformation sous forme libre ou immobilisée, sous forme
d’additifs, de biocapteurs… Les enzymes de grande importance industrielle sont : les cellulases, les
pectinases, les amylases, les lipases, les protéases, l’invertase, la glucose oxydase, la glucose
isomérase, la dextrane sucrase, la pénicillinase, la catalase.
Bioconversions
Les bioconversions sont réalisées soit au moyen d’enzymes libres ou fixées, soit au moyen de
cellules entières libres ou fixées. L’immobilisation des cellules ou des enzymes permet leur
réutilisation, le microorganisme joue le rôle d’un complexe enzymatique. L’intérêt des bioconversions
réside dans le fait que les transformations catalysées s’effectuent dans des conditions expérimentales
(pH et température) douces et que les molécules sont modifiées de façon spécifique et le plus souvent
sans réactions secondaires.
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1-Bioconversions des sucres
Production de fructose : le fructose est un sucre possédant des qualités diététiques et
industrielles intéressantes (faible cariogénicité, non insulinodépendant, pouvoir sucrant plus élevé que
celui du glucose, faible aptitude à la cristallisation…). De plus, les sirops à haute teneur en fructose
sont indispensables à de nombreuses industries alimentaires.
Le fructose peut être obtenu par conversion du glucose sous l’action de la glucose isomérase. Il
est aussi obtenu par hydrolyse de l’inuline par des inulinases. L’invertase agit sur le saccharose et
produit aussi du fructose. Ces bioconversions sont réalisées par des enzymes ou des cellules libres ou
immobilisées.
Les autres réactions de bioconversion des sucres sont de différents types : hydrolyse, oxydation,
réduction, isomérisation.
2-Bioconversions des acides aminés
Les bioconversions conduisant aux acides aminés combinent la synthèse chimique d’un ou
plusieurs précurseurs au moyen d’un système enzymatique microbien.
3-Bioconversions des stéroïdes
Il s’agit d’un domaine (chimie pharmaceutique) où les applications des bioconversions sont très
nombreuses. Il y a différents types : oxydation, réduction, hydrolyse, réactions de condensation,
introduction d’hétérofonctions, isomérisation, formation de nouvelles liaisons C-C.
4-Bioconversions des antibiotiques
Un grand nombre d’antibiotiques peuvent être modifiés par des microorganismes. Ces
transformations ont un grand intérêt car elles permettent d’essayer d’apporter une solution au
développement de la résistance à de nombreux antibiotiques anciens (β-lactames et antibiotiques
aminoglycosidiques).
Ces biotransformations sont effectuées soit par les cellules libres, soit par les enzymes ou les
cellules immobilisées. Il existe 11 types de ces réactions : hydrolyse ou désacylation, acylation,
phosphorylation, nucléotidylation (adénylylation), oxydation, réduction, amination ou désamination,
glycosidation, méthylation ou déméthylation, isomérisation, hydratation.
De nombreux autres composés peuvent subir des bioconversions.
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