2-métabolisme 1-2022

Legssyer Bouchra
Introduction
 De nombreux aspects de notre vie quotidienne sont influencés d'une manière ou
d'une autre par les micro-organismes.
 personne ne peut nier le rôle des micro-organismes dans notre environnement,
ainsi que leur capacité à causer et à guérir les maladies infectieuses.
 En outre, ils sont :
 responsables de la production d'une grande partie de ce que nous mangeons
et buvons,
 synthétisent des produits chimiques utiles à l'échelle industrielle
 et peuvent même extraire des métaux précieux de la Terre .
 les activités des micro-organismes ont été exploitées au profit de l'homme et
développées à l'échelle industrielle.
Quelques applications des micro-organismes
 Produits alimentaires
Boissons alcoolisées, Produits laitiers , Vinaigre, Conserves au vinaigre
 Champignons, Protéines unicellulaires
Produits à partir de micro-organismes
 Acides aminés, Enzymes , Antibiotiques , Acide citrique…..
Industries extractives
 Extraction des métaux
 Désulfuration du charbon
Agriculture
 Pesticides microbiens
Environnement
 Biorestauration
 Traitement des eaux usées
 Fixation d'azote
 Compostage





Métabolisme bactérien
Partie I
• Métabolisme énergétique
1. Sources d’énergie
2. Types respiratoires
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3
Métabolisme énergétique
 Le métabolisme est constitué
Catabolisme:
dégradation, produit de
l’énergie, produit des
métabolites
intermédiaires
nécessaires aux chaines
de biosynthèse
Anabolisme:
biosynthèse, formation des
biomolécules, exige de
l’énergie, exige des
métabolites intermédiaires
produits lors du catabolisme
par la somme totale des
réactions chimiques qui se
produisent au niveau de
cette cellule ou de cet
organisme.
 Ces réactions interviennent
dans le sens de la
dégradation (catabolisme) ou
de la synthèse (anabolisme)
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4
Sources d’énergie

La biosynthèse cellulaire, la croissance et la multiplication microbienne
dépendent avant tout de l’énergie produite par la cellule.

Le métabolisme tend essentiellement à produire de l’ATP, quels que soit le
mode des réactions énergétiques, la priorité absolue est bien la synthèse de
l’ATP.

L’identification biochimique des bactéries repose sur la révélation de
certains aspects particulièrement significatifs et stables du métabolisme
des familles, genres ou espèces étudiées.
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5
Métabolismes énergétiques
 Le monde microbien présente une grande
diversité dans les sources d’énergies utilisables.
 Selon la nature de la source primaire d’énergie,
deux voies principales s’offrent aux microorganismes :
1. Les phototrophes (La photosynthèse) qui
convertissent l’énergie lumineuse en énergie
métabolique (ATP) et pouvoir réducteur
(NADPH). On distingue les photolithotrophes
(ou photoautotrophes) qui utilisent le CO2
comme source de carbone (bactéries
oxygéniques et anoxygéniques) et les
photoorganotrophes (ou photohétérotrophes)
qui utilisent comme source principale du
carbone un composé organique (bactéries
pourpres)
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6
Métabolismes énergétiques
 Le monde microbien présente une grande
diversité dans les sources d’énergies utilisables.
Les chimiotrophes (Oxydation de substrat)
qui utilisent l’énergie chimique et selon la
nature de la source du carbone on distingue
les
chimiolithotrophes
(CO2)
et
les
chimiohétérotrophes (substance organique).
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Métabolismes énergétiques
 La récupération de l’énergie est liée à un transfert
d’électrons par des chaînes de transport électronique
transmembranaire
 Création d’un gradient électrochimique de protons de
part d’autre de la membrane qui est à l’origine d’une
force proton motrice (véritable courant électrique)
pouvant être utilisée à diverses fins : transport actif,
production de molécules riches en énergie, mobilité,<
 Conversion du flux de protons en énergie de liaison
phosphate au niveau de l’ATP par une ATP synthétase
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6
L’énergie du gradient ou force proton
motrice

Elle se décompose en :
1. Différence de pH : la différence de concentration de
protons de part et d’autre de la membrane (2 unités
chez E. coli, l’extérieur plus acide)
2. Différence de potentiel : due à la charge électrique
portée par les protons et qui crée un champ
électrostatique (70 mV chez E. coli)
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9
Métabolismes énergétiques
 Toutes les bactéries présentent dans leur membrane une ATP
synthétase (analogue à celle des mitochondries et des
chloroplastes)
 c’est un complexe protéique transmembranaire assurant la
conversion du flux de protons en énergie de liaison
phosphate au niveau de l’ATP réalisant ainsi un couplage
entre les réactions productrices de protons et le stockage de
cette énergie sous une forme utilisable par la cellule.
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L’ATP synthétase
 Enzyme qui permet le
retour des protons à
travers la membrane en
assurant la synthèse d’ATP
 Amas globulaires saillants
à la surface de la
membrane formés de 2
parties
 F1 : protubérance à la
partie interne de la mb.
 F0 : dans la membrane
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11
L’ATP synthétase
 F1 : constituée de 5
polypeptides différents
(a,b,g,d,e) ; complexe
catalytique responsable
de la conversion de
l’ADP + Pi en ATP
 F0 : constituée de 3
polypeptides (a, b2 et
C12)
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12
L’ATP synthétase
 a : transport de proton à
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travers la membrane
 b : se prolonge à l’extérieur
de la membrane et forme
avec d le stator
 Quand les protons entrent,
la dissipation de la force
proton motrice entraine la
synthèse de l’ATP
 L’ATPase est reversible en
effet l’hydrolyse de l’ATP
entraine la formation d’une
force proton motrice
13
L’ATP synthétase
 Le nombre de protons
nécessaire pour la synthèse
d’un ATP semble dépendre de
l’organisme considéré :
1. Dans les mitochondries : 2 H+
2. Dans les chloroplastes et dans
la plupart des bactéries : 3 H+
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Rappels : Oxydation - réduction
 chimiquement :
 Oxydation : arrachement d’un électron (s) d’une
substance
 Réduction : ajout d’un électron(s) à une substance
 Biochimiquement :
 Transfert de l’électron et du proton
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15
Donneurs et accepteurs d’électrons
 H2 est le donneur d’électrons et de protons : il est oxydé (c’est un
réducteur)
 L’oxygène est l’accepteur des électrons : il est réduit (c’est un
oxydant)
 Formation d’une molécule d’eau
pH = 7
½ O2 + 2H+ + 2 e-
2H+ + 2 e-
H2O
E0’ = +0.816 V
H2
E0’ = -0.421 V
•2H+/H2 est un couple redox : la forme réduite (oxydante) est à gauche
•La substance oxydée (réductrice) (H2) d’un couple redox (2H+/H2 ) dont le
potentiel de réduction est plus négatif (-0.421 V) donne les électrons à la
substance oxydante (½ O2) du couple redox (½ O2/H2O) dont le potentiel est
positif (E0’ = +0.816 V)
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Rappels : Potentiel de réduction
 Les substances varient dans leur tendance à être
réduites ou oxydées
 Cette tendance est exprimée comme un potentiel
de réduction : E0’
 Il est exprimé en volts par apport à une
substance standart, H2
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La tour des électrons
(the electron tower)
 Les couples Redox sont arrangés
des plus réducteurs (potentiel de
réduction négatif) au sommet
vers les plus oxydants (potentiels
de réduction positifs) à la base.
Les électrons sont donnés à partir
du sommet de la tour, ils seront
captés par des accepteurs à
différents niveau
 Plus la différence dans le
potentiel de réduction entre le
donneur d’électrons et l’accepteur
d’électrons est grande et plus l’
énergie libérée est importante.
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Potentiel de réduction
 ΔE0’ est proportionnelle à Δ G0’
 différences dans l’énergie libérée
quand un seul donneur d’électrons,
H2, réagit avec 3 accepteurs d’électrons
différents, fumarate, nitrate, et
l’oxygène.
 G0 = -n*F* E0 avec F=96.48 Kj/V
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Métabolisme phototrophe
•
•
1.
2.
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Source d’énergie : la lumière
Sources de carbone pour la biosynthèse :
CO2 : chez les photoautotrophes
carbone/84 organique : chez les photohétérotrophes
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Organismes phototrophes
photosynthèse
les végétaux
les bactéries
le donneur d’électrons
le donneur d’électrons
l’eau
production d’oxygène
Chez
• composé organique
• l’hydrogène du soufre
(H2S)
pas de libération
d’oxygène
les Cyanobactéries
le processus est analogue à celui des végétaux. 21
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Organismes phototrophes et photosynthèse
Bactéries oxygéniques
Cyanobactéries
•Appareil
photosynthétique
•Pigments chlorophylliens
•Donneurs d’électrons
/84
Bactéries anoxygéniques
Bactéries vertes et
pourpres
•Appareil
photosynthétique
•Pigments chlorophylliens
•Donneurs d’électrons
•En anaérobiose
22
La photosynthèse

La photosynthèse bactérienne s’exerce selon 3
mécanismes principaux dont deux présentent de
grandes analogies avec la photosynthèse des
plantes vertes :
1.
Bactéries utilisant des dérivés soufrés
2.
Bactéries qui n’utilisent pas de dérivés soufrés
3.
Photosynthèse cyclique chez Halobacterium halobium
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23
Structures de la chlorophylle a et
bactériochlorophylle a
Tetrapyrolle de magnésium. Le ring II est réduit dans bactériochlorophylle
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24
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La chlorophylle a
430
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•cellule de l’algue verte Chlamydomonas
•Les pics à 680 nm et 430 nm sont dus à la chlorophylle a
•Les pic à 480 nm est dû aux caroténoides
680
25
Bactériochlorophylle a
Cellule de Rhodopseudomonas palustris (bactérie pourpre phototrophe)
Les pics à 870, 800, 590, et 360 sont dus à la bactériochlorophylle
Les pics à 525 et 475 nm sont dus aux caroténoïdes
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26
Photosynthèse non cyclique chez les végétaux au niveau des chloroplastes
(Chaîne de transporteurs : PQ (plastoquinone), Cyt (cytochrome b et F), PC
plastocyanine)
ADP + Pi
ATP
2H+
2H+
Fd
PQ
Ch 700
Cyt
b, F
Ch 680
NADPH + H+
NADP+
FAD
PC
2é
n H+
½ O2 + 2H+
hv
hv
H2O
Les électrons issus de l’eau sont grâce à l’énergie lumineuse captés par la
chlorophylle 680, transmis par une chaîne de transporteurs (PQ, cyt, PC) à la
2ème chlorophylle (ch 700) pour être transférés, grâce à une nouvelle
quantité d’énergie lumineuse via la ferredoxine et le FAD au NADP
formant ainsi un principe réducteur très puissant; les protons libérés à
l’intérieur de la membrane interne (Mi) (4 par cycle) retournent à l’intérieur
du chloroplaste via l’ATPase en formant un ATP pour 3 H+ transférés
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27
Photosynthèse non cyclique chez les végétaux au niveau des chloroplastes
Flux d’ électron dans la
photosynthèse (plantes
vertes), le schéma ‘Z ‘. deux
photosystèmes (PS), PSI et
PSII
Ph : Phéophytine;
Q, : quinone;
Chl : chlorophylle a;
Cyt : cytochrome;
PC : plastocyanine;
FeS : protéine fer-soufre
nonhemique
Fd : ferredoxine
Fp: flavoprotéine
P680 et P700 sont les centres
réactionnel de
chlorophylles de PS II et PS
I, respectivement.
/84
cyclique
non cyclique
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La photosynthèse non cyclique
 Les bactéries vertes sulfureuses (sulfobactéries) utilisent
l’énergie lumineuse pour transférer des atomes
d’hydrogènes de l’H2S vers NADP en réalisant un saut de
potentiel de 200 mV (contre 1140 mV chez les
chloroplastes utilisant l’eau comme donneur d’électrons)
avec une accumulation du soufre .
ATP
ADP + Pi
2H+
fd
BC
h
n H+ S + 2H+
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NADPH +
H+
NADP+
NADox
é
H2S
hv
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Photosynthèse chez les sulfobactéries (soufre extracellulaire) :
Chaîne de transporteurs : Fd (ferredoxine), NADox (NAD oxydase)
ATP
ADP + Pi
2H+
fd
BC
h
NADPH +
H+
NADP+
NADox
é
n H+ S + 2H+
H2S
hv
•Dans ce cas le soufre s’accumule à l’extérieur de la cellule
•D’autres bactéries accumulent le soufre à l’intérieur de la
cellule (cytoplasme) dans le cas où les réactions se déroulent
au niveau des chromatophores.
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30
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La photosynthèse cyclique
 Les bactéries vertes non sulfureuses créent un flux
électronique cyclique et font intervenir des transporteurs
électroniques membranaires du type de ceux de la chaîne
respiratoire (ubiquinone, cytochromes, c, c2),
 L’électron de la bactériochlorophylle est excité par le
photon et effectue un cycle qui le ramène à la
chlorophylle tout en assurant un pompage de protons
qui seront à l’origine d’une synthèse d’ATP .
/84
31
Photosynthèse cyclique chez les bactéries vertes
non sulfureuses
ADP + Pi
ATP
H+
é
BCh
Q
Cyt b, c
Cyt
c2
n H+
h
v
L’électron de la bactériochlorophylle excité par le photon
effectue un cycle qui le ramène à la chlorophylle tout en
assurant le transfert
de protons
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La photosynthèse chez Halobacterium
halobium
 Halobacterium halobium est une archaeobactérie (sous
forme de bâtonnet) qui vit dans les eaux salées.
 Absence de chaîne de transporteur,
 le transfert de protons est directement assuré par le
pigment (bactériorhodopsine) qui capte les photons par
le groupe rétinal et utilise cette énergie pour un pompage
des protons au travers de la membrane cytoplasmique
créant ainsi un gradient életrochimique qui est à l’origine
de la synthèse d’ATP .
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33
Photosynthèse chez Halobacterium halobium
ATP
ADP + Pi
H+
Brh
ret
n H+
hv
•Il n’y a pas de chaîne de transporteur, le transfert de protons est
directement assuré par le pigment (Brh : bactériorhodopsine).
•La lumière aux alentours de 570 nm convertit le groupement rétinal
protonné (ret) de la forme « trans » à la forme « cis » avec une translocation
d’un proton vers la surface externe de la membrane en établissant ainsi
une force proton motrice
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34
Organismes chimiotrophes
oxydations biologiques

Les micro-organismes dépourvus d’appareils et de pigments
photosynthétiques doivent pour leur synthèse utiliser l’énergie libérée
au cours des réactions chimiques.

Ce sont des réactions d’oxydations de substances organiques
(chimioorganotrophes) ou inorganiques (chimiolithotrophes).

Le métabolisme comporte 3 étapes :
1.
Digestion des macromolécules à l’extérieur de la cellule
2.
Formation de métabolites intermédiaires (pyruvates, acétyl CoA) et de
l’énergie (ATP) par suite d’une dégradation des petites molécules
3.
Dégradation totale des métabolites intermédiaires en CO2 et H2O avec
production d’énergie
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Organismes chimiotrophes
oxydations biologiques
 Le transfert de l’hydrogène ou des électrons du substrat (donneur d’électrons
qui sera oxydé) sur l’accepteur (qui sera réduit) est assuré par une série
d’enzymes ou déshydrogénases qui forment une chaîne de transport
électronique.
 Dans ces conditions l’oxydation est une déshydrogénation alors que la
réduction est une hydrogénation
 Le transfert des électrons ou de protons est réalisé par une série de
déshydrogénase qui forment une chaine de transport électronique
 Le rôle d’intermédiaire (accepter l’hydrogène du substrat) est assuré par des
coenzymes de nature flaviniques (FMN, FAD) ou pyridiniques (NAD, NADP)
ou autres composés (CoA, vitamines, etc.) associés aux déshydrogénases.
 Les déshydrogénases sont des catalyseurs hautement adaptés à l’oxydation
d’un substrat et sont spécifiques du substrat
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Chaîne de transport électronique
Accepteur d’hydrogène
Donneur d’hydrogène
AH2
a
aH2
A
bH2
b
g
B
sH2
s
gH2
BH2
Déshydrogénase
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•l’oxydation du substrat AH2 est assurée parallèlement à la
réduction du produit B
•Les catalyseurs (a,b<) sont régénérés sous la forme oxydée
et libres pour intervenir dans une autre série de réactions
•L’énergie est libérée par petite étapes dans le but d’être
finalement transférée dans des liaisons chimiques riches en
37
ATP (liaison phosphate de l’ATP)
Exemple de système de transport d’électron
 Chez les organismes aérobies
(l’accepteur est l’oxygène) , les
coenzymes sont cytochromiques
(cytochromes et cytochromes
oxydases).
 Chaine fréquente chez les
eucaryotes et certaines bactéries
comme Paracoccus denitrificans
 Chez Escherichia coli, les
cytochromes c et aa3 sont absentes et
les électrons passent directement de
cyt.b vers cyt.o ou d (ce dernier a le
même potentiel de réduction que les
Cyt. Aa3)
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38
Les cytochromes
 Les cytochromes sont des protéines héminiques qui ont pour activité la
plus courante de transférer des électrons d'un donneur vers un
accepteur. Ils tirent parti de l'alternance du fer entre les états Fe(II) et
Fe(III), et sont des outils cellulaires omniprésents dans maintes
biodégradations.
 Leur intervention est pratiquement obligatoire chez les organismes
aérobies, mais de nombreuses espèces vivant en absence d'oxygène se
servent aussi de cytochromes pour des transformations importantes au
sein de l'environnement.
 Certains cytochromes ont même une activité enzymatique
intrinsèque, comme les cytochromes P450.
 D'autres ont une structure complexe associant divers cofacteurs
comme des ions métalliques, des noyaux fer-soufre et des flavines.
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39
Les cytochromes
 Les cytochromes qui réagissent avec des substrats tels que O2, NO,
NO2– sont facilement inhibés par CO, l'ion cyanure ou azoture
("azide"), qui prennent la place du substrat normal. Dans d'autres cas
(cytochromes b ou c), l'inhibiteur peut s'installer en déplaçant une des
liaisons de coordinence.
Différentes catégories de cytochromes en fonction du type d'hème
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40
Les cytochromes
 Les porphyrines se distinguent par la nature des chaines latérales qui entourent
la couronne azotée tetrapyrrolique. Une des plus importantes est la
protoporphyrine IX, porteuse de 4 methyle, 2 propionyle, 2 vinyle. L'insertion
du fer donne l'hème B (présent dans l'hémoglobine)
2 vinyle
2 propionyl
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41
Les cytochromes
 L'hème O dérive de l'hème B : un groupe vinyle est remplacé par une
longue chaine hydroxyéthyl-farnesyle (rectangle ombre).
 Une nouvelle transformation catalysée par une oxygénase sur un
méthyle engendre l'hème A.
une oxygénase
L'hème B
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L'hème O
L'hème A
42
Les cytochromes
 L'hème C est un hème B attaché à la protéine par deux liens covalents
établis par les chaines latérales vinyle et le soufre de la cystéine.
L'attachement se fait sur un fragment de séquence conservé Cys-x-xCys-His (ou Lys), l'histidine formant la sixième coordinence sur le fer.
La cinquième coordinence de l'autre côté est le plus souvent l'histidine
(la méthionine dans le cytochrome c mitochondrial).
 On distingue les cytochromes c en classes I, II et III. Certains
contiennent 2, 6, 8 hèmes C et davantage, formant des chaines de
transfert intramoléculaires.
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43
Les cytochromes
 Les cytochromes c* sont typiquement des transporteurs d’électrons extra-
cytoplasmiques, logés dans le périplasme des Gram-négatifs ou accolés à
la face externe de la membrane cytoplasmique, mais des espèces comme
le colibacille en sont dépourvues.
 L'hème D est un cas particulier rencontré dans une oxydase terminale de
E. coli et diverses espèces bactériennes. Il remplace l'hème O ou un
hème A dans certaines oxydases en fonction des conditions
physiologiques. Il est généralement facile à détecter grâce à sa bande
alpha exceptionnellement déportée vers le rouge (630 nm).
/84
44
Organismes chimiotrophes
 Une grande variété de types métaboliques est observée chez les chimiotrophes et
qui peut être définie en se basant sur la nature du composé donneur d’hydrogène et
la nature du produit accepteur d’hydrogène.
 l’énergie est tirée de réactions d'oxydation
et on peut classer les chimiotrophes
en fonction de 3 critères :
 types de réaction d'oxydation :



transferts d'électrons
Fe ++ - Fe +++ + Energie (E)
pertes de protons et d'électrons
R CH20H - R - CHO + 2H+ + 2e + E (ou 2H+ + 2e = 2H)
(alcool) (aldéhyde) sous l'action d'une enzyme déshydrogénase
réactions amenant un gain d'oxygène
R - CHO + H2O - R-CO2H + 2H+ + 2e + E
 nature des accepteurs d'électrons : respiration (aérobie et anaérobie) ou
fermentation
 nature des donneurs d'électrons : minéral ou organique
45
Bactéries chimiolithotrophes
Parmi les bactéries chimiolithotrophes on distingue :
1- Les chimioautotrophes obligatoires qui oxydent un substrat minéral
(bactéries nitrifiantes, bactéries oxydant le soufre, bactéries du fer, les
carboxybactéries< )
2- Les méthophiles qui oxydent le méthane ou d'autres composés
monocarbonés (chimiolithotrophes facultatifs selon certains auteurs ou
chimioorganotrophes selon d’autres). Dans ce groupe on distingue :
 Les méthylotrophes qui ont un métabolisme varié car ils sont capables
de se développer sur de nombreux substrats carbonés (diméthyléther,
méthylamine, méthanol, formate, monoxide de carbone…) mais pas sur
le méthane.
 Les méthanotrophes possèdent une méthane mono-oxygénase qui
leur permet d'oxyder le méthane en méthanol. Les méthanotrophes ont une
physiologie très différente, mais oxydent un peu d'ammoniac parallèlement au
méthane, et renferment d'ailleurs comme les bactéries nitrifiantes une
oxydoréductase capable de transformer l'hydroxylamine en nitrite.
Les mono-oxygénases de ces deux séries de germes se ressemblent sur le plan
fonctionnel.
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46
Lithotrophes aérobies
 Ces bactéries tirent leur énergie de l’oxydation de substrats inorganiques.




C’est l’oxygène qui est l’accepteur final d’électrons.
Certaines peuvent oxyder également des composés organiques.
Elles utilisent le CO2 comme seule source de carbone pour synthétiser leurs
constituants cellulaires
La plupart sont des bactéries du sol
Rôle très important dans les cycles biologiques
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/84
47
Oxydations minérales



L’ammonium, l’hydrogène, le fer, le cyanure sont autant de substrats très
simples dont l’oxydation fournit aux organismes spécialisés toute
l’énergie nécessaire { leur développement
Certains sont autotrophes (CO2 comme seule source de carbone)
Ils contribuent au nettoyage de l’environnement en limitant
l’accumulation de produits indésirables
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/84
48
Chimiolithotrophes
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Thiobacillus
H2S + 2 O2
/86
G0 = -798 kj/réaction
S0+ H2O + 3/2 O2
SO42-+ 2H+
SO42- + 2H+
S2O32- + H2O + 2 O2
2 SO42- + 2H+
G0 = -818 kj/réaction
G0 = -587kj/réaction
49
Bactéries nitrifiantes
 Strictement aérobies (nombre réduit d’organismes)
 se développent dans les couches superficielles des
terres meubles et dans les eaux polluées où elles
participent activement à l’épuration biologique.
 Conversion de l’ammoniac en nitrate
 NH4 ----> NO2
 NO2 -----> NO3
Nitrosomonas (Nitrosococcus, Nitrosolobus)
Nitrobacter (Nitrococcus, Nitrospira)
 d’autres genres (mycètes)
 Dans les sols aérés humides, pH neutre, 20-35°C, la
/86
nitrification plus rapide que l’ammonification
 Possèdent des systèmes membranaires internes
complexes contenant l’enzyme clé dans l’oxydation
de l’ammoniaque ; ammonium mono-oxygénase 50
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La nitrification
La nitrification se fait en deux étapes :
 La première est la




/86
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Le cycle d’azote
transformation de NH3 (ou
NH4+) en nitrite (NO2-) chez
Nitrosomonas par l'ammoniac
mono-oxygénase (1) et
l'hydroxylamine
oxydoréductase (2 ) :
NH3 + O2 + NADH + H+ ⎯→
NH2OH + NAD+ + H2O (1)
NH2OH + H2O ⎯→ NO2- + 4 e+ 5 H+ (2)
La seconde étape transforme
le nitrite en nitrate chez
Nitrobacter :
NO2- + O2 + NADH + H+ ⎯→
NO3- + H2O + NAD+ (3)
51
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Importance de la nitrification
 dans les sols, le nitrate est la forme préférée de N de la plupart des
plantes (et la plupart des plantes agricoles), mais le nitrate est facilement
lessivé des sols
 Beaucoup de plantes cultivées peuvent utiliser indifféremment ces deux
sources azotées.
 le riz, les bruyères et les conifères se contentent de sols enrichis en
ammonium et matières organiques, et résistent bien à la toxicité
ammoniacale. Cette question a une grande importance en économie
forestière.
 Des arbres comme les épicéas croissent mieux sur ammonium que sur
nitrate. Ils se contentent donc facilement de sols où la nitrification est
faible. Par contre si celle-ci augmente à la suite d'un changement des
conditions, la montée des nitrates peut gêner la ré-implantation de ces
arbres.
/86
52
La nitrification
 La nitrification est un facteur de fertilisation des milieux
naturels pour de nombreuses plantes, mais contribue à
régler la répartition des espèces en fonction de l'apport
azote et du rapport NH4+/NO3–.
 La nitrification peut être inhibée par les phénols,
tannins..(taux plus élevés sous les arbres à feuilles
caduques que sous les conifères)
 La nitrification sensible aux pesticides, aux UV
 dans les lacs, la nitrification mène à la consommation de
O2 surtout en hiver, mais aussi dans les eaux profondes
/86
Legssyer Bouchra
53
Bactéries oxydant le soufre

1.
2.
/86
qui appartiennent à deux groupes très différents.
Le premier comprend les Beggiatoa et les Thiothrix,
organismes très proches des cyanobactéries mais non
photosynthétiques (pH neutre)
le second est celui des Thiobacillus qui sont de petits
bacilles à cils polaires caractérisés par leur résistance trop
élevée à l’acidité (supportent un pH voisin de 1). Ils
oxydent les diverses formes de soufre réduit et assurent la
formation des sulfates. Ce sont de redoutables agents de
corrosion (peuvent utiliser le fer ferreux (FeS2) comme
donneur d’électrons). Ils interviennent également dans la
biolixiviation des minéraux (cobalt, cuivre, uranium..) qui
est un procédé demandant des pH très acide (2 à 3) qui
peuvent être obtenu par le métabolisme microbien lors de
l’oxydation des sulfures ou du soufre en acide sulfurique.
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54
Bactéries filamenteuses oxydant le soufre Thioploca : bactérie filamenteuse
engainée chimiolithotrophe
marine. Les granulations jaunes
représentent le soufre
 Oxydation anoxique de H2S
couplée à la réduction des nitrates
en N2
 40—50 µm de large.
/86
/84
 Beggiatoa isolée à partir d’une station de
traitement des eaux usées
 Ce sont des bactéries filamenteuses
 La majorité mixotrophe (exige une
source du carbone organique)
 Les granulations abondantes
représentent le soufre
 Provoquent le « bulking » dans les
stations d’épuration (boue activée)
 S’associent aux racines des plantes et
assurent un rôle bénéfique pour les
plantes par oxydation de H2S
(détoxification)
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55
Bactéries filamenteuses oxydant le soufre Cellules en rosette du





/86
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Thiothrix.
Bactéries filamenteuse
Sulfuroxydante
Mixotrophe aérobique
globules du soufre issues
de l’oxydation du soufre.
H2S+1/2O2----->S+H2O
56
Bactéries non filamenteuses oxydant le soufre
•Achromatium isolé d’un petit lac
•Les petites structures à côté de
la périphérie sont du soufre
élémentaire alors que les grandes
granules sont constituées du
carbonate du calcium (CaCO3).
•Diamètre : 25 µm.
/86
/84
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57
Bactéries non filamenteuses oxydant le soufre
Le genre Thiobacillus renferme toute une gamme d'espèces exclusivement
autotrophes, mais qui se distinguent par leurs caractères physiologiques.
CO2 assimilé par le cycle de CALVIN, s'accompagne d'inclusions caractéristiques
appelées carboxysomes
 Une autre série du genre
 Thiobacillus thioparus, T.
Thiobacillus rassemble des espèces
neapolitanus et T. denitrificans
se développant à pH acide
se développent de préférence à
(optimum de 2 à 4 : T. acidophilus,
un pH proche de la neutralité.
T. thiooxidans, T. ferrooxidans) ou
 T. denitrificans a la faculté de
même très acide (jusqu'a 1, T.
réduire le nitrate en nitrite et N2,
prosperus).
(dénitrification) et fonctionnant
 T. ferrooxidans peut se développer
en absence d'O2. (respiration
en tirant son énergie de l'oxydation
anaérobie sur nitrate)
du fer ferreux.
 le substrat oxydé : sulfure, soufre,
thiosulfate…
Legssyer Bouchra
/84
58
Bactéries non filamenteuses oxydant le soufre
 Thiobacillus neapolitanus. cellule
de 0.5 µm de diamètre.
 Des corps polyhédrique
(carboxysomes) sont distribués
dans la cellule (flèches).
carboxysomes
/86
/84
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59
Lithotrophes facultatifs
 Ce sont facultatifs car ils peuvent croitre en présence de
matière organique comme source de carbone
 Ces bactéries oxydent l’hydrogène moléculaire :
Microcyclus aquaticus, Azospirillum lipoferum, Pseudomonas
facilis, Pseudomonas hydrogenovora, Xanthobacter
autotrophicus, Nocardia autotrophica<)
 Les bactéries oxydant l’oxyde de carbone (Pseudomonas
carboxydovora, Alcaligenes carboxydus, Bacillus schelegelii<)
 Certaines bactéries comme certaines espèces du genre
Beggiatoa peuvent obtenir l’énergie à partir de l’oxydation
de substances minérales sulfureuses mais sont
dépourvues d’enzymes du cycle de Calvin et donc
exigent des composés organiques comme source de
carbone, ce sont des mixotrophes.
/86
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60
Lithotrophes anaérobies
 Les donneurs d’hydrogène peuvent être l’hydrogène
gazeux ou des composés soufrés (les sulfures ou les
thiosulfates).
 L’accepteur d’électrons est un composé inorganique
(nitrate ou sulfates).
 Bactéries anoxygéniques (vertes et pourpres) et certaines
bactéries lithotrophes
/86
/84
61
Métabolisme chimioorganotrophe
Source d’énergie : composé organique
Source du carbone : composé organique
donneurs d’électrons : composé organique
Accepteurs d’électrons : soufre, sulfates, nitrates, oxygène, composé organique
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62
Organotrophes aérobies
 Le donneur d’hydrogène est un composé organique et
l’accepteur est l’oxygène.
 Ce type métabolique est très répandu.
 La nature du substrat et du produit formé par oxydation
doit être pris en considération pour les établir.
 Substrat oxydable : certaines espèces sont capables
d’oxyder quelques substrats organiques comme
Diplococcus glyginophilus qui n’utilise que le glycocolle
 alors que d’autres peuvent dégrader des dizaines de
substrats (Pseudomonas)
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63
Organotrophes aérobies
 D’une façon générale, l’oxydation du substrat est
complète et aboutit à la formation de CO2.
 En revanche, certaines bactéries ne possèdent pas
les enzymes nécessaires à toutes les étapes de la
dégradation ce qui provoque une accumulation
d’un produit qui sera caractéristique de ce type de
bactéries comme les bactéries acétiques (Acetobacter)
qui accumulent l’acide acétique au cours de leur
croissance.
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64
Bactéries réduisant le soufre ou les sulfates
 Le sulfate est la forme la plus oxydée du soufre, est l’un des anions




majeurs dans la mer et il est utilisé par les bactéries sulfato-réductrices.
Le produit final de la réduction du sulfate est H2S qui est un produit très
important dans les cycles biogéochimiques.
Plusieurs organismes comme les plantes supérieures, les algues, les
champignons et la majorité des procaryotes utilisent les sulfates comme
source de soufre dans la biosynthèse.
La capacité d’utiliser les sulfates comme accepteur d’électrons dans les
processus de production d’énergie est restreint aux bactéries sulfatoréductrices.
Il faut distinguer entre la réduction assimilative et dissimilative.
 Réduction assimilative : H2S formé est immédiatement converti en soufre
organique sous forme d’acide aminé
 Réduction dissimilative : excrétion de H2S
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65
Bactéries réduisant le soufre ou les sulfates
Sous conditions anoxiques, les sulfates (SO4- - ) et le soufre (S0) servent
d'accepteurs d'électrons pour ce groupe qui utilise les composés
organiques ou l'H2 comme donneurs d'électrons.
Ces bactéries réduisent les sulfates (SO4) et le soufre S0 en hydrogène de
soufre (H2S).
Ce sont donc des bactéries anaérobies strictes.
Les bactéries sulfato-réductrices sont très répandues dans les milieux
aquatiques et terrestres qui deviennent anoxiques suite à une
décomposition microbienne de la matière organique.
Elles tirent leur énergie de l'oxydation des composés organiques (lactate,
pyruvate, éthanol et certains acide gras). On distingue 2 groupes suivant le
substrat oxydé :
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66
Bactéries réduisant les sulfates ou le soufre
 Le groupe I : utilisent lactate, pyruvate, éthanol ou certains acide gras
pour réduire les sulfates en hydrogène sulfureux.
 Le groupe II oxyde les acides gras et particulièrement l'acétate pour
réduire les sulfates.
 Elles peuvent être des cocci (Desulfococcus, Desulfosarcina) ou des bâtonnets
(Desulfuromonas) ou des vibrions (Desulfovibrio).
 Le genre Desulfovibrio est très fréquent dans les eaux riches en matière
organiques et en sulfates
 Mobiles par flagelles polaires ou lophotriches.
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67
Bactéries réduisant les sulfates ou le soufre
 Les bactéries sulfatoréductrices sont responsables des phénomènes de
corrosion des métaux ferreux.
 L’espèce type est Desulfomonas desulfuricans de forme incurvée et
responsable de la réduction des sulfates en H2S. C’est une espèce
anaérobie stricte qui peut se développer dans des zones voisines de
l’aérobiose car elle a une capacité exceptionnelle de résistance à
l’oxygène.
 Ces bactéries sont capables de vivre en hétérotrophie en oxydant des
substrats organiques comme le lactate ou le pyruvate et peuvent
oxyder l’hydrogène gazeux c’est pour cela elles peuvent être des
chimioorganotrophes ou chimiolithotrophes.
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68
Cycle du soufre
DMSO
DMS
Réduction
Oxydation
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69
Réducteurs des nitrates
 La réduction des nitrates en nitrites ou en ammoniac est
effectuée par un grand nombre d’espèces
 Le groupe des dénitrifiants au sens strict (réduction des
nitrates en N2) est plus restreint.
 En couplant les bactéries nitrifiantes (qui transforment
l’azote organique en nitrate) avec des bactéries
dénitrifiantes (qui transforment les nitrates en azote) on
réalise la base biologique d’une station d’épuration
d’effluents organiques.
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70
Cycle d’azote
Réduction
Oxydation
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71
Bactéries du fer et du manganèse
 Ce sont des bactéries engainées très fréquentes dans les eaux douces riches




en matière organique comme les cours d’eau pollués, et les boues activées.
Dans les habitats où le fer et le manganèse sont présents, la gaine peut être
imprégnée d'hydroxyde ferrique (Sphaerotilus : précipitation du fer) ou
d'oxyde de manganèse (Leptothrix (oxydation du manganèse)).
Ils se présentent sous forme de très longues chaînes de cellules entourées
d'une gaine rigide et transparente de nature organique qui s'imprègne
d'oxyde de fer ou de manganèse d'où le nom de bactéries ferrugineuses.
La gaine qui est un complexe lipido-protéino-saccharidique (qui ressemble
à la structure de la capsule de certaines bactéries gram-) permet une
fixation aux surfaces solides et une résistance aux courants
Les Sphaerotilus sont les principaux représentants rencontrées dans les eaux
de surface riches en matière organiques où ils forment de longs filaments
floconneux flottant en surface. Ils sont incapables d'assurer l'oxydation du
manganèse
Legssyer Bouchra
72
Bactéries du fer et du manganèse
 En automne, apparaissent des blooms de Sphaerotilus dans les cours
d'eau suite à une augmentation de la matière organique sous l'action de
la chute des feuilles.
 Les Sphaerotilus ne sont pas des lithotrophes car ils oxydent les substrats
organiques et ils participent activement à l’autoépuration des eaux
usées.

Dans le cas de traitement des eaux usées par les boues activées, les
Sphaerotilus peuvent empêcher le processus d’épuration (« bulking »)

La formation de mucus par les filaments de Sphaerotilus et d'autres
bactéries (Beggiatoa alba et Zoogloea ramigera) est responsable du
processus nommé "non floculation ou bulking".

Les filaments de Sphearotilus augmentent la floculation des eaux usées
ce qui empêche la sédimentation des boues et la clarification de l'eau
traitée au niveau71des stations d'épuration
73
Bactéries du fer et du manganèse
 Sphaerotilus natan est connue d'une partie du monde industriel pour causer
des problèmes tels que le colmatage de canalisations, ou de filtres (en raison
d'une part de sa capacité à former d'épaisses fillasses de bactéries
enchevêtrées, et d'autre part à former des films très adhésifs en collant
l'extrémité de ses filaments sur divers substrats, même lisses (verre, inox,
PVC…). Pour ces raisons, elle a pu provoquer des dysfonctionnements
(localement graves) dans certaines stations d'épuration d'eaux résiduaires (de
papeteries et cartonneries notamment)
Le processus de dépôt de fer : l'ion
ferreux (Fe2+) se comporte comme
chélateurs de substances organiques
comme les acides tanniques et
humiques. Les bactéries engainées
peuvent prendre ces chélateurs solubles,
oxydent les composés organiques
libérant les ions ferreux, ces ions
s'oxydent spontanément et précipite
dans la gaine.
Filasse bactérienne essentiellement
74
constituée de bactéries Sphaerotilus natans
Bactéries du fer et du manganèse
2.
bactéries pédonculée : Les bactéries du genre
Gallionella
3.
Certains Thiobacillus.
Gallionella ferrugina
cellules en forme de haricot excrètent une matrice organique dans laquelle les
hydroxydes de fer précipitent, formant des filaments torsades de 50 nm de diametre.
Legssyer Bouchra
75
Bactéries du fer et du manganèse
 Gallionella ferruginea et Leptothrix ochracea sont
des habitants communs des sources ferrugineuses,
oxydent aussi les sulfures et le soufre et font
d'importants dépôts d'hydroxyde de fer grâce à la
réaction (1). Les réactions sont représentées par :
Legssyer Bouchra
/84
76
Bactéries du fer et du manganèse
 Ces organismes sont souvent adaptés à des eaux très
pauvres en éléments nutritifs.
 Les Gallionella ont une Rubisco indicatrice d'un cycle
de CALVIN assurant l'autotrophie. Ils sont en fait
mixotrophes (CO2, glucose, fructose, saccharose).
 Ce sont des espèces difficiles à cultiver.
 En culture aérée contenant du sulfure, les bactéries
peuvent tirer tout leur carbone de CO2.
 Les premières cultures de G. ferruginea ont été
obtenues à 20-25°C par une technique dite de KUCERA
et WOLFE.
77
Bactéries du fer et du manganèse
 Leur développement est très lent au-dessous de 12°C
et leur croissance est arrêtée au-dessus de 30°C
(comme il arrive souvent pour les bactéries du sol).
 Ces bactéries sont micro-aérophiles et croissent à un
pH optimum de 6.5
 Leptothrix et Sphaerotilus n'assimilent pas CO2 et
vivent en stricte hétérotrophie.
Legssyer Bouchra
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78
 Isolement en présence du formol
Culture de
Gallionella
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79