Chapitre 4 : La cellule bactérienne, paroi et structures

Chapitre 4 : La cellule
bactérienne, paroi et
structures
I. La paroi cellulaire
Les bactéries sont majoritairement divisées en deux groupes selon leur type de paroi,
les Gram+ et les Gram-. Le type de paroi d’une espèce peut en effet être défini par
l’observation des bactéries au microscope après une coloration de Gram (Fig.2), qui colore
les cytoplasmes des bactéries Gram+ en violet et des Gram- en rose. La différence de couleur
obtenue par la coloration de Gram s’explique par une différence structurelle au niveau de la
paroi des bactéries (Fig.1). Les bactéries Gram+ ont une paroi très épaisse, et une seule
membrane. Les bactéries Gram- ont une paroi globalement plus fine et plus fragile, mais
deux membranes lipidiques. Cette différence a une origine évolutive, puisqu’en effet ces
deux groupes sont éloignés au niveau évolutif ; l’identification du type de membrane d’une
espèce bactérienne permet donc de la classer dans l’un des deux grands groupes évolutifs
des bactéries.
Dans les deux cas, le peptidoglycane est un composant essentiel de la paroi
bactérienne. Ce complexe formé de sucres et de protéines forme un maillage régulier et
solide qui participe à la solidité de la paroi et donc à la résistance de la bactérie aux
changements environnementaux. Chez les Gram+, le peptidoglycane est épais (20 à 80
nanomètres) et situé à l’extérieur de l’unique membrane plasmique. Chez les Gram-, il est
plus fin (5 à 8 nanomètres) et situé entre les deux membranes interne et externe.
La membrane plasmique, qui est donc unique chez les Gram+ et double chez les
Gram-, est composée d’une bicouche lipidique, tout comme la membrane des eucaryotes.
L’espace située entre les deux membranes des bactéries Gram- est appelé le périplasme ;
leurs deux membranes sont appelées membranes interne et externe. Des protéines sont
ancrées sur les deux membranes des Gram- et celle des Gram+. Ces protéines peuvent avoir
des parties exposées vers le cytoplasme, le périplasme ou le milieu extérieur. Elles servent à
la communication entre les bactéries, la détection des conditions environnementales, la
prise de nutriments dans le milieu, le déplacement, ou encore la sécrétion de protéines vers
l’extérieur.
Les
bactéries
Gram-
possèdent
une
grande
molécule
externe
appelée
lipopolysaccharide (LPS). Celle-ci est composée d’une partie lipidique qui permet son
ancrage dans la membrane externe et d’une longue chaîne de sucres. Cette molécule
participe à la stabilisation de la paroi des Gram-. De façon intéressante, sa composition est
très différente entre les espèces et légèrement différentes entre les différentes souches
d’une même espèce. Quand deux souches d’une même espèce ont un LPS différent, on parle
de sérotypes différents. Le LPS est donc souvent utilisé comme marqueur d’identification
d’un échantillon bactérien. De plus, cette molécule est facilement reconnue par le système
immunitaire humain, et sa détection entraîne une inflammation et une réponse
immunitaire ; le LPS est, du point de vue humain, un élément important de la réponse
immunitaire face aux infections bactériennes.
Gram négatives
Gram positives
Milieu
extracel
lulaire
Milieu
extracel
lulaire
Membr
ane
externe
Péri
plas
me
Memb
rane
intern
e
Membr
ane
plasmiq
ue
Cy
top
las
me
Cy
top
las
me
Légende :
Protéines
Phospholipides
(membrane)
Peptidoglycane
LPS
Fig. 1 : Structure de la paroi des bactéries à Gram négatif et à Gram positif.
Violet : Gram+
Coloration au
cristal violet
Décoloration
à l’alcool 95°
Contrecoloration à
la safranine
Rose : Gram-
II.
Fig. 2 : Principe de la coloration de Gram.
L’étape dans l’alcool permet la décoloration des cellules, uniquement si elles sont Gram-,
l’alcool ne pouvant franchir la couche de PDG des Gram+. La contre-coloration à la safranine
marque les deux types de cellules mais ne se voit que sur les Gram- parce qu’elles ont été
décolorées ; le rose ne se voit pas sur le fond déjà violet des Gram+. La couleur des cellules
est déterminée par observation au microscope.
II. Les structures de surface
Plusieurs types de structures peuvent être observables en surface chez certaines
espèces sous certaines conditions seulement. On parle de structures de surface
optionnelles. Les gènes correspondants peuvent ne pas être présents chez toutes les
espèces d’un même genre, voire même toutes les souches d’une même espèce. Ces gènes
peuvent aussi n’être exprimés que sous certaines conditions, comme par exemple le
manque ou l’abondance de nutriments dans le milieu, la présence d’un support d’adhésion,
ou encore les conditions d’humidité.
Le flagelle est une structure de taille importante, sa longueur pouvant atteindre le
double de la longueur de la cellule. Le flagelle sert à la motilité (avec un T !), c’est-à-dire la
capacité de la bactérie à nager en milieu liquide. Les bactéries peuvent avoir un ou plusieurs
flagelles. Leur disposition peut être différente selon les espèces : monotriche (à une seule
extrémité de la cellule), amphitriche (aux deux pôles de la cellule), péritriche (tout autour de
la cellule) ou lophotriche (en touffe à une extrémité). Les bactéries sans flagelles sont parfois
appelées atriches. Au sein d’une seule espèce, toutes les bactéries présentent la même
disposition flagellaire. Le flagelle peut être observé au microscope optique après coloration à
la fuschine de Leifson.
Monotriche
Lophotriche
Amphitriche
Péritriche
Fig. 3 : Représentation des différentes morphologies flagellaires possibles.
Le filament du flagelle est constitué d’une protéine appelée flagelline. La base du
flagelle assure son ancrage dans la paroi, à travers les membranes plasmiques et le
peptidoglycane. Le flagelle tourne sur lui-même à une vitesse importante (200 à 1000
tours/min). Cette propulsion est assurée par l’énergie tirée de la force protomotrice, c’est-àdire l’énergie créée par la sortie des électrons issus du métabolisme, hors de la cellule. La
vitesse qui peut être atteinte par les bactéries flagellées est extrêmement importante,
certaines espèces se déplaçant à 60 fois leur longueur par seconde. Par comparaison, Usain
Bolt atteint 6,2 fois sa taille par seconde, dans un milieu (l’air) beaucoup moins visqueux que
l’eau ; un guépard en pleine course peut atteindre 25 fois sa longueur par seconde.
Les pili (singulier : pilus) sont des structures de surface composés de protéines
assemblées en filaments, les pilines. On distingue d’abord les pili communs ou fimbriae,
courts, qui servent à l’attachement aux surfaces et aux déplacements en milieux semi-solide
(motilité par « swarming » ou « gliding »). Les pili communs recouvrent toute la surface de la
bactérie.
Les pili sexuels sont beaucoup plus longs, bien que composés aussi de pilines ; il n’y en a
généralement qu’un par cellule. Ils sont encodés par des gènes présents sur certains
plasmides, les plasmides conjugatifs (mécanisme de conjugaison). Les pilis sexuels sont
produits par les bactéries porteuses de ces plasmides (bactérie donneuse), et servent à
entrer en contact avec d’autres bactéries (bactérie receveuse). Lorsque le contact est établi,
les pilis sexuels servent de tunnel pour le transfert d’une copie du plasmide conjugatif vers la
bactérie receveuse. Le terme « sexuel » est donc un abus de langage puisqu’il ne s’agit pas
de
sexualité
mais
de
transfert
horizontal
de
gènes.
Les pili de transformation sont encore mal connus mais serviraient à capter de l’ADN libre à
l’extérieur de la cellule, afin de réparer le chromosome bactérien ou d’acquérir de nouveaux
gènes selon un mécanisme que l’on appelle la transformation naturelle.
La capsule est une couche épaisse de sucres (jusqu’à plusieurs micromètre, soit la
longueur moyenne d’un bacille !), retrouvée chez quelques espèces seulement. Ces sucres
sont sécrétés à l’extérieur de la paroi cellulaire et forment un maillage épais autour de la
cellule. Ils peuvent la protéger des conditions environnementales, des virus (bactériophages)
et du système immunitaire. Cette structure est principalement retrouvée chez les bactéries
pathogènes. La capsule peut être observée par une coloration à l’encre de chine ou à la
nigrosine, des colorants sombres capables de marquer l’environnement de la bactérie mais
pas la capsule ni la cellule.
III. Les spores et endospores
Certains bacilles Gram positifs (Bacillus, Clostridium…) ont développé une stratégie de
résistance très efficace face aux changements environnementaux. Confrontées à un stress
(manque de nutriments, baisse de température, dessiccation…), ces espèces développent à
l’intérieur du cytoplasme une structure qui englobe le matériel génétique, et sous l’action de
pompes protéiques, l’assèchent complètement. Cette structure est appelée endospore, tant
qu’elle est dans la cellule. Le processus de formation de l’endospore entraîne par la suite
l’éclatement du reste de la cellule et le relargage de l’endospore, qu’on appelle alors
simplement spore. Cette spore n’est pas active métaboliquement et ne se déplace pas
activement. Elle ne sert qu’à assurer la survie de la bactérie jusqu’à ce que les conditions
environnementales s’améliorent. A ce moment-là, la spore va se gorger d’eau, reprendre son
métabolisme et redevenir un bacille.
Ces spores sont extrêmement résistantes aux stress (températures >80°C,
antibiotiques, détergents) et pourraient rester sous cette forme plusieurs dizaines d’années.
Elles représentent donc un véritable danger lors de la stérilisation de matériel à des fins
médicales. Afin de déterminer si un échantillon bactérien contient des spores ou s’il s’agit de
coques d’une autre espèce, il faut réaliser un marquage au vert de Malachite (marquage de
Schaeffer–Fulton), qui est capable de marquer les spores et endospores.
QCM
1. La coloration de Gram :
A. Permet de marquer le LPS
B. Permet de déterminer le type de paroi
C. Colore les Gram+ en rose et les Gram- en violet
D. Utilise de la safranine et du vert de Malachite
2. La paroi des bactéries Gram+ :
A. Est épaisse du fait de sa couche de LPS
B. Comporte deux membranes
C. Est épaisse du fait de sa couche de PDG
D. A une seule membrane faite d’une monocouche lipidique
3. La paroi des bactéries Gram- :
A. Est globalement moins épaisse que celle des Gram+
B. Contient du PDG entre la membrane externe et le milieu extracellulaire
C. Est dépourvue de protéines
D. Est moins fragile que celle des Gram+ du fait des deux membranes
4. Le LPS :
A. Empêche l’alcool de rentrer dans la cellule lors de la coloration de Gram
B. Protège les bactéries des détergents
C. Permet aux bactéries d’échapper au système immunitaire
D. Est ancré dans la membrane externe par une partie lipidique
5. Le flagelle :
A. Est toujours présent en plusieurs exemplaires
B. Sert à l’adhésion aux supports
C. Permet la motilité des bactéries
D. Participe à la conjugaison
6. Les bactéries ayant une touffe de flagelles sont appelées :
A. Amphitriches
B. Lophotriches
C. Péritriches
D. Situchercheslaréponsedansletextetutriches
7. Les fimbriae sont :
A. Les flagelles polaires
B. Les pili sexuels
C. Les pili communs
D. Les pili conjugatifs
8. La capsule sert à :
A. Echapper au système immunitaire
B. Echapper aux amibes
C. Augmenter la motilité
D. Remplacer le PDG
9. Les endospores sont présentes :
A. Chez certains coques gram-négatifs
B. Chez certains bacilles gram-négatifs
C. Chez certains coques gram-positifs
D. Chez certains bacilles gram-positifs
10. Les endospores :
A. Sont visibles par marquage au vert de Machalibe
B. Se forment autour du noyau des bactéries
C. Sont capables de motilité
D. Permettent la survie dans le sol pendant l’hiver
Correction
: 1.B 2.C 3.A 4.D 5.C 6.B 7.C 8.A 9.D 10.D