le monde du vivant

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le monde du vivant

• Chez tous les organismes vivants, les cellules sont formées d’organites qui remplissent des fonctions spécialisées comme les organes d'un être complexe.

• Les organismes eucaryotes (plantes, animaux, protistes...etc.) ont un noyau individualisé (noyau-vrai) qui contient l’ADN; une enveloppe nucléaire sépare le noyau du cytoplasme.

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• Chez les bactéries et les archaebactéries, aucune compartimentation ne sépare le matériel nucléaire (nucléoïde) et le cytoplasme : ce sont des organismes procaryotes.

• Les virus, ou acaryotes, sont des entités acellulaires (et non des cellules) qui ne possèdent ni noyaux ni cytoplasme et ne peuvent vivre qu’au dépend de la machinerie cellulaire de l’hôte qu’ils parasitent.

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Place des bactéries dans le monde vivant

•Depuis leur mise en évidence à la fin du XVIIème siècle, la place des bactéries dans le monde vivant a beaucoup varié.

• En 1866, E. Haeckel divise le monde vivant en trois règnes, le règne animal, le règne végétal et le règne des protistes qui rassemble les algues, les protozoaires, les champignons et les bactéries.

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• En 1938, H.F. Copeland sépare le règne des bactéries (ou

"Monera") de celui des protistes et en 1959, R.H.

Whittaker individualise celui des champignons.

• La proposition de R.H. Whittaker (Animalia, Plantae, Fungi, Protista et "Monera") a été largement acceptée par la communauté scientifique.

Ce schéma donnait le même rang taxonomique à ces cinq règnes alors que, les différences entre les "Monera" et les quatre autres règnes sont plus importantes que celles qui opposent Animalia, Plantae, Fungi et Protista.

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Dès les années 1930, E. Chatton avait nettement opposé deux types de cellules au sein du monde vivant:

* la cellule eucaryotes dont le noyau est entouré d'une membrane et qui renferme un certain nombre

d'organites cellulaires

* la cellule procaryote dont le noyau ne possède pas de membrane et dont l'organisation est rudimentaire voir

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Quelques différences entre une cellule procaryote et une cellule eucaryote

Cellule procaryote Cellule eucaryote

Organisation génétique

Membrane nucléaire Absente Présente

Nombre de chromosomes Généralement 1 > 1

Chromosome circulaire Oui Non

Histones Absentes Présentes

Nucléole Absent Présent

Echange génétique Transfert unidirectionnel Fusion de gamètes

Premier acide aminé initiant la synthèse d'une chaîne polypeptidique Méthionine ou N-formylméthionine Méthionine

Structures cellulaires

Réticulum endoplasmique Absent Présent

Appareil de Golgi Absent Présent

Lysosomes Absents Présents

Mitochondries Absentes Présentes

Chloroplastes Absents Présents chez les plantes

Microtubules Absents Présents

Paroi cellulaire avec peptidoglycane Présente sauf chez les mycoplasmes et les archaeobactéries

Absente

Présence de stérols dans les membranes Non Oui

Endospores Parfois présentes Absentes

Taille des ribosomes 70 S 80 S (sauf mitochondries et chloroplastes)

Localisation des ribosomes Dispersés dans le cytoplasme Liés au réticulum endoplasmique

Constantes de sédimentation des ARN ribosomaux 16S, 23S, 5S 18S, 28S, 5,8S, 5S

Attributs fonctionnels

Phagocytose Absente Parfois présente

Pinocytose Absente Parfois présente

Flux cytoplasmique Absent Présent

Site du transport des électrons Membrane cellulaire Membrane des organelles

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• En 1968, R.G.E. Murray formalise les propositions de E. Chatton et divise le monde vivant en deux règnes, celui des "Eucaryotae" et celui des "Procaryotae" (ou "Monera").

• Au sein du règne des Procaryotae, N.E. Gibbons et R.G.E. Murray distinguaient 4 divisions :

• . La division des "Gracilicutes" regroupant les bactéries dont la paroi a la structure des bactéries à Gram négatif.

. La division des "Firmicutes" regroupant les bactéries dont la paroi a la structure des bactéries à Gram positif.

. La division des "Tenericutes" rassemblant les bactéries dépourvues de paroi.

. La division des "Mendosicutes" correspondant aux archaebactéries.

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• Les progrès réalisés en biologie moléculaire ont montré que cette division en deux règnes était simpliste. Tous les organismes vivants ont un génome qui dérive de celui de leurs ancêtres.

• mais, au cours du temps, des mutations apparaissent et s'accumulent. Cette accumulation de mutations permet de reconstruire l'histoire des organismes vivants:

• en postulant que plus deux génomes sont semblables plus les organismes sont apparentés.

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• Pour comparer des organismes très éloignés il faut

comparer entre elles des séquences génétiques qui ont été conservées durant des centaines de millions

d'années. Les gènes qui codent pour les ARN

ribosomaux (ARNr) ont des fonctions universelles, ils sont présents chez tous les êtres vivants et ils ont une structure bien conservée car une modification

structurale importante peut avoir des conséquences sur les synthèses protéiques.

• il existe même des portions d'ARNr dont la séquence est identique chez tous les êtres vivants.

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L'analyse des séquences des ARNr a permis à C.R.

Woese de séparer tous les organismes vivants en trois grands groupes appelés domaines (ou empires) dont la séparation remonte à plus de 2 milliards d'années :

• le domaine des "Bacteria" (ou "Eubacteria")

• le domaine des "Archaea" (ou "Archaeobacteria")

• le domaine des Eucarya.

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Les trois domaines du règne du vivant

(http://www.cours-pharmacie.com/biologie-cellulaire/cellules-procaryotes-et-cellules-eucaryotes.html)

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• Les procaryotes se répartissent au sein des domaines des "Bacteria" et des "Archaea :

• Les archéobactéries (généralement des

extrêmophiles) contenant les méthanogènes, les halophiles et les thermoacidophiles…etc.

• Les eubactéries (ou « vraies-bactéries»)

comprennent les bactéries, les mycoplasmes et

les cyanobactéries.

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• analyses phylogénétiques basées sur les

séquences des protéines conservées montrent que: les "Archaea" sont plus proches des

"Eucarya" que des "Bacteria

• Quelques différences entre les "Bacteria" et les

"Archaea" sont résumées dans le tableau

Morphologie

• Les cellules procaryotes contiennent un compartiment unique, le cytoplasme, contenant un chromosome ou une molécule d’ADN unique qui est le plus souvent circulaire et que l’on appelle le nucléoïde.

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• L'étude de la morphologie bactérienne est le premier acte effectué par un laboratoire de diagnostic.

• elle est réalisée plusieurs fois au cours de l'identification d'une bactérie car elle est suffisamment spécifique pour permettre une orientation préliminaire du diagnostic et elle permet de vérifier la pureté d'une souche, préalable obligatoire à une identification.

• Les morphologies les plus typiques sont observées dans des cultures jeunes effectuées en milieu liquide.

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• Viendra ensuite la coloration de Gram qui permettra de faire la différence entre les procaryotes à Gram négatif et les procaryotes à Gram positif pourvus d'une paroi et les procaryotes dépourvus de paroi.

• Trois critères sont pris ensuite en compte : la taille, la forme et le mode d'assemblage.

On trouve donc:

• des bactéries « Gram + »

• des bactéries « Gram – »

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La taille

La taille s'exprime le plus souvent en micromètres (µm) et elle est excessivement variable au sein du monde

bactérien.

Les plus petites bactéries ont une taille de 0,1 à 0,2 µm (Chlamydiales, Haemobartonella, certains mycoplasmes, certains tréponèmes...)

Alors que les Achromatium sp. et les Macromonas sp. ont un diamètre supérieur à 10 µm.

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Thiomargarita namibiensis (la perle de souffre de Namibie) est la plus grosse bactérie jamais décrite.

Les cellules ont une forme sphérique et leur diamètre moyen varie de 0,1 à 0,3 mm.

Toutefois, certaines cellules ont un diamètre pouvant atteindre 0,75 mm si bien que Thiomargarita namibiensis est visible à l'oeil nu.

Le cytoplasme de cette bactérie est réduit à une

couche étroite entourant une vacuole centrale contenant des nitrates.

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"Epulopiscium fishelsonii", vivant dans l'intestin des acanthures bruns (Acanthurus nigrofuscus) de la mer rouge.

Cest une autre bactérie de grande taille puisque son diamètre Son volume est un million de fois supérieur au volume d'une bactérie classique telle que Escherichia coli.

Elle peut atteindre 80 µm et sa longueur 600 µm.

Cette espèce présente également la particularité de se

multiplier en donnant deux cellules filles d'abord incluses dans la cellule mère.

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La forme est également extrêmement diverse au sein du monde bactérien.

Si on exclut les bactéries dépourvues de paroi et qui peuvent être très polymorphes. On distingue principalement des formes sphériques, cylindriques et spiralées.

Une morphologie sphérique caractérise les coques qui peuvent être parfaitement sphériques (Staphylococcus sp.) ou présenter une face aplatie (Neisseria gonorrhoeae) ou légèrement

ovoïdes (Enterococcus sp.), voire effilés en flamme de bougie (Streptococcus pneumoniae).

Une morphologie cylindrique permet de définir des bacilles qui peuvent être droits ou incurvés ou ramifiés.

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Les bacilles rectilignes sont retrouvés dans de nombreux

genres bactériens. Ils peuvent avoir des extrémités arrondies (Enterobacteriaceae) ou être rectangulaires (Bacillus sp.) ou posséder une extrémité renflée (Corynebacterium sp.) ou posséder deux extrémités effilées (Fusobacterium sp.).

Les bacilles incurvés caractérisent certains genres comme les genres Vibrio, Campylobacter ou Arcobacter.

Les bacilles ramifiés (dont les ramifications peuvent être extrêmement discrètes et visibles uniquement à certains stades de la croissance) sont nombreux au sein de l'ordre des Actinomycetales.

Les formes spiralées caractérisent les Spirochaetales mais aussi d'autres genres comme les genres Helicobacter,

Spirillum, Aquaspirillum...

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Le mode de groupement, à condition de l'apprécier sur une culture jeune effectuée en milieu liquide et à condition de tenir compte de l'aspect prédominant, est également un élément important pour orienter le diagnostic.

Les streptocoques, les entérocoques et les lactocoques forment typiquement des chaînes, les staphylocoques des

amas asymétriques (grappes), les sarcines des amas cubiques réguliers, les corynébactéries des palissades ou des paquets d'épingles, les listéries des palissades ou des groupement en V ou en L...

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Staphylococcus aureus. Enterococcus faecalis Bacillus megaterium,

Clostridium botulinum, Vibrio cholerae

Rhodospirillum rubrum

Clostridium perfringens

Klebsiella pneumoniae Escherichia coli, Neisseria gonorrhoeae

Spirillum volutans Treponema pallidum

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La morphologie bactérienne semble correspondre à une adaptation des bactéries à leur niche écologique.

Les bactéries sphériques dont le rapport surface/volume est petit seraient avantagées dans des milieux riches en

nutriments.

Inversement, les bacilles, dont le rapport surface/volume est plus grand seraient mieux adaptés à une vie dans des

milieux pauvres.

La forme pourrait aussi traduire la capacité des bactéries à se déplacer.

D'une manière générale, les bactéries mobiles sont rarement des coques, les bactéries flagellées ou mobiles par

glissement sont principalement des bacilles et une

morphologie spiralée serait adaptée à un déplacement dans un environnement visqueux.

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Structure générale

La structure fine des bactéries a été mise en évidence

grâce à la microscopie électronique sur coupes ultrafines. Il est classique de distinguer des structures obligatoires,

présentes chez toutes les bactéries et des structures dont la présence est facultative et caractérise des groupes

bactériens^.

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Les composants obligatoires sont constitués par le cytoplasme qui a généralement une structure homogène et renferme

essentiellement des ribosomes et parfois des éléments supplémentaires comme les substances de réserve ou les magnétosomes.

Dans le cytoplasme, l'appareil nucléaire ("chromosome") a un aspect fibrillaire, il occupe une place importante et n'est pas entouré par une membrane.

La membrane cytoplasmique entoure le cytoplasme et possède la structure classique avec deux feuillets phospholipidiques

contenant des protéines.

À l'extérieur de la membrane cytoplasmique on trouve très généralement la paroi dont la structure est variable selon les groupes de bactéries et qui forme une enveloppe rigide.

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flagellum

flagellar motor

periplasmic space

DNA

ribosome

cell membrane cell wall,

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Les composant facultatifs sont des polymères de surface

comme la capsule, des structures protéiques externes comme la couche S, des appendices comme les flagelles et les pili ou des structures génétiques comme les molécules d'ADN

extrachromosomiques appelées plasmides et les éléments

génétiques transposables (en fait de très nombreuses bactéries possèdent des plasmides et des éléments génétiques

transposables).

On peut également considérer comme une structure facultative les endospores qui caractérisent quelques genres bactériens et qui ne sont élaborées que lorsque les conditions de vie sont

défavorables

.

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Cytoplasme et ces constituants

Le cytoplasme est un hydrogel colloïdal avec une phase dispersante composée de protéines et de sels minéraux et une phase dispersée

formée de ribosomes, de diverses inclusions et

parfois de magnétosomes.

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Les ribosomes sont de petites granulations sphériques, de 20 à 30 nm de diamètre, contenant environ 66 p. cent d'ARN ribosomal (ARNr) et 33 p.

cent de protéines et présents en grand nombre dans le cytoplasme (environ 18 000 chez Escherichia coli).

Les ribosomes bactériens ont une constante de sédimentation de 70S et, en l'absence de magnésium, ils se dissocient en deux sous-unités. La petite sous-unité, de constante de sédimentation 30S, est constituée par de l'ARNr 16S et par 21 protéines. La grande sous-unité, de constante de sédimentation 50S, contient de l'ARNr 23S, de l'ARNr 5S et 31 protéines.

Les ARNr forment le squelette de chaque sous-unité. Ils présentent des bases appariées responsables de structures secondaires en épingles à cheveux au niveau desquelles se fixent les protéines. Les ribosomes sont le lieu de traduction du message génétique en protéines.

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Les inclusions renferment des matières organiques ou inorganiques constituant des substances de réserve.

Les substances de réserve de nature polysaccharidique

(amidon ou glycogène) se forment dans des milieux riches en sucres et pauvres en protéines.

On trouve de telles inclusions dans les genres Acetobacter, Neisseria, Bacillus, Micrococcus, Arthrobacter, chez quelques clostridies et chez de nombreuses entérobactéries.

Des lipides neutres et des esters d'acides gras à longues chaînes sont stockés dans des vacuoles chez les

mycobactéries et les Nocardia sp.

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Le poly-bêta-hydroxybutyrate est formé chez des bactéries aéro- anaérobies (notamment chez les Vibrio sp.) en l'absence d'oxygène lorsque le métabolisme est fermentatif. En aérobiose, les bactéries utilisent ces réserves comme source de carbone et d'énergie au cours d'un métabolisme qui devient oxydatif. Des réserves de poly-bêta-

hydroxybutyrate sont également présentes chez les Pseudomonas sp.

et les microcoques.

Les granulations métachromatiques (colorées par exemple en rouge pourpre par le bleu de toluidine) sont également appelées volutines car elles ont été primitivement décrites chez Spirillum volutans. Elles sont constituées de phosphates inorganiques et leur mise en

évidence chez certaines bactéries pathogènes comme

Corynebacterium diphtheriae était considérée comme un critère important d'identification.

Le soufre, accumulé sous forme de globules, représente une source d'énergie chez des bactéries qui oxydent les composés réduits du soufre.

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Electron micrograph of Bacillus megaterium N; poly--hydroxybutyrate inclusion body, PHB Chromatium vinosum,

bacterium, with intracellular sulfur granules

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Les magnétosomes sont des particules magnétiques, visibles au microscope électronique, sont présents chez des bactéries mobiles, micro-aérophiles ou anaérobies et vivant dans les lacs, les étangs ou la mer (Aquaspirillum magnetotacticum = Magnetospirillum

magnetotacticum, Magnetospirillum gryphiswaldense, "Candidatus magnetobacterium"...).

La présence de magnétosomes permet aux bactéries de s'orienter dans le champ magnétique. Les bactéries de l'hémisphère nord nagent vers le nord et celles de l'hémisphère sud vers le sud.

Le champ magnétique n'est pas exactement parallèle à la surface mais il comporte une composante verticale. En orientant l'axe de la cellule le long des lignes du champ magnétique, ces bactéries

mobiles tendent à nager vers le fond où se trouve la matière organique en décomposition et donc une nourriture abondante.

Au niveau de l'équateur géomagnétique, le champ magnétique est horizontal et on trouve en quantité égale des bactéries de chaque polarité. La nage de ces bactéries ne leur permet plus d'atteindre le fond mais leur évite des excursions vers le haut des couches d'eau pauvres en nutriments et riches en oxygène.

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Magnetotactic Bacteria

the magnetotactic bacterium Aquaspirillum magnetotacticum

Isolated magnetosomes

Bacteria migrating in waves when exposed to a magnetic field.

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Appareil nucléaire

Le plus souvent, l'appareil nucléaire est constitué d'un unique filament

continu et circulaire formé d'une double chaîne d'ADN à laquelle semblent associées des protéines basiques comme la spermine.

La longueur de la chaîne d'ADN est très grande (1 360 mm chez Escherichia coli) et elle est pelotonnée dans la cellule bactérienne.

L'enroulement de l'ADN ne se fait pas au hasard.

L'ADN est couvert dans certaines régions par de nombreux polysomes. En effet, l'ARNm s'associe aux ribosomes et forme des polysomes dès le

début de sa synthèse, avant la fin de la transcription.

L'étude en cinématographie de bactéries en croissance montre que la forme de l'appareil nucléaire change constamment et il existe un mouvement des gènes.

Les gènes actifs ayant terminés leur transcription se replient à l'intérieur du chromosome alors que les gènes nouvellement déréprimés émergent vers l'interface appareil nucléaire - cytoplasme.

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The Bacterial Nucleoid.

A section of actively growing E. coli

Bacillus fastidiosus.

A large mesosome lies adjacent to the nucleoid.

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• La forme de l'appareil nucléaire reflète d'ailleurs l'activité de synthèse :

l'ADN est très compact chez des bactéries en phase stationnaire et de forme irrégulière et découpée chez les bactéries en croissance. L'absence de

membrane nucléaire conduit à parler d'appareil nucléaire ou de nucléoïde plutôt que de noyau.

• Quelques espèces bactériennes possèdent deux appareils nucléaires de taille inégale. C'est le cas des Brucella spp. (à l'exception de Brucella suis biovar 3), des Leptospira spp. et de quelques espèces du genre Vibrio (Vibrio anguillarum, Vibrio cholerae, Vibrio fischeri, Vibrio fluvialis, Vibrio mimicus, Vibrio parahaemolyticus, Vibrio vulnificus, ...).

• Certaines bactéries (comme les Borrelia spp.) possèdent un chromosome linéaire dont les extrémités comprennent des séquences inverses répétées.

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Membrane cytoplasmique

• La membrane cytoplasmique est conforme au modèle unitaire. Elle contient principalement des phospholipides et des protéines ; les stérols sont absents sauf chez les mycoplasmes et il n'y a jamais de lécithine.

• La membrane exerce de nombreuses fonctions grâce à de

nombreuses enzymes qui lui sont associées : enzymes des chaînes respiratoires, perméases, ATPases, phosphotransférases, enzymes impliquées dans la synthèse de la paroi et des pili, ...

• Les mésosomes ou structures membranaires intracytoplasmiques semblent être des artefacts résultant des techniques de fixation utilisées.

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Plasma Membrane Structure

Integral protein

Peripheral protein Phospholipid

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Paroi

• La paroi bactérienne existe chez toutes les espèces du

domaine des "Bacteria" à l'exception des Mycoplasmatales. En revanche, chez les "Archaea", la présence d'une paroi est

inconstante et lorsqu'elle existe, elle ne présente pas de

peptidoglycane. Seule la paroi des "Bacteria" sera étudiée ci- dessous.

• La paroi est une structure rigide et résistante qui entoure le cytoplasme et sa membrane. Elle protège la bactérie et lui

donne sa forme. La paroi des Bacteria présente une structure variable selon les bactéries

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 . Chez les bactéries à Gram positif, à l'exception des mycobactéries, sa structure apparaît homogène, son épaisseur varie de 10 à 80 nm, elle est riche en

osamines mais pauvre en lipides (1 à 2 p. cent).

. Chez les bactéries à Gram négatif, sa structure est plus complexe, son épaisseur est de l'ordre de 10 nm, elle

est riche en lipides (10 à 20 p. cent) et contient moins d'osamines.

. La différence de structure entre la paroi des bactéries à Gram positif et la paroi des bactéries à Gram négatif est à l'origine de la coloration de Gram ("Principe de la

coloration de Gram").

 Malgré ces variations structurales, la paroi des

"Bacteria" présente une molécule originale, le

peptidoglycane. Le peptidoglycane existe chez toutes les

"Bacteria" pourvues d'une paroi à l'exception des représentants de l'ordre des Chlamydiales et de la classe des Planctomycea.

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Peptidoglycan

Plasma membrane Outer membrane

Peptidoglycan Plasma memb

Periplasmic space

The gram-positive envelope from Bacillus licheniformis

The gram-negative micrograph from Aquaspirillum serpens

Cell wall

Gram-Positive and Gram-Negative Cell Walls.

(45)

http://fr.slideshare.net/naturamedicatrix/cours-complet-du-drscleunis

(46)

Schéma de la paroi d'une bactérie à Gram positif

(47)

Schéma de la paroi d'une bactérie à Gram négatif

Figure 3 : Sché ma de la paroi d'une bactérie à Gram négatif

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Tableau 3 : Compar aison de l a par oi des bactéries à Gr am positif et des bactéries à Gr am nég atif

Bactéries à Gram positif Bactéries à Gram négatif

Aspect en microscopie électronique

Une couche épaisse et amorphe.

Deux couches séparées par un espace clair.

Présence d'une membrane externe

Non Oui

Présence d'un espace périplasmique

Non Oui

Peptidoglycane Épais (10 à 80 nm), représente 40 p. cent du poids sec, détermine la morphologie

bactérienne.

Mince (2 à 6 nm), représente moins de 10 p. cent du poids sec, détermine la morphologie

bactérienne.

Acides téchoïques Présents Absents

Présence de protéines Possible : liaisons covalentes avec le peptidoglycane, rôle

éventuel dans le pouvoir pathogène, rôle éventuel dans

l'antigénicité spécifique.

Fréquente

Présence de polysaccharides Possible : antigènes spécifiques de groupe pour

certaines espèces

Possible

Lipopolysaccharides Absents Présents

Comparaison de la paroi des bactéries à Gram positif et des bactéries à Gram négatif

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Peptidoglycane

• Le peptidoglycane forme autour de la cellule un filet à mailles plus ou moins serrées qui entoure la bactérie à la manière d'un sac. Ce réseau est composé de chaînes de glycanes reliées entre elles par des chaînons peptidiques

• La partie glycane est constituée de chaînes linéaires où alternent la N-acétylglucosamine et l'acide N-

acétylmuramique qui est l'ester lactique de la N-acétyl

glucosamine. Ces résidus, sous la forme pyranoside, sont liés par des liaisons bêta-1,4. La longueur des chaînes est

variable et elles sont constituées de 20 à 100 résidus de N- acétylglucosamine.

• Chez les staphylocoques, le carbone en position 6 de l'acide muramique est acétylé ce qui confère à ces bactéries une résistance au lysozyme.

(50)

Les chaînons peptidiques sont constitués d'unités tétrapeptidiques et de ponts interpeptidiques :

Les unités tétrapeptidiques s'attachent à l'acide N- acétylmuramique.

Le premier acide aminé lié à l'acide muramique est la L-alanine ou plus rarement de la glycine ou de la L-sérine.

L'acide D-glutamique constitue le deuxième acide aminé et il se fixe à la L-alanine par sa chaîne latérale.

Le troisième acide aminé a une structure variable selon les espèces .

Le dernier acide aminé est généralement la D-alanine.

(51)

Les ponts interpeptidiques unissent entre elles les unités tétrapeptidiques.

Ils s'établissent généralement entre le dernier acide aminé d'un tétrapeptide et le troisième acide aminé d'un tétrapeptide de la chaîne voisine (peptidoglycane de type A) mais ils peuvent

parfois s'étendre entre le dernier acide aminé d'un tétrapeptide et le deuxième acide aminé d'un autre tétrapeptide

(peptidoglycane de type B).

Selon les espèces, il existe des variations importantes d'une part dans la nature des ponts interpeptidiques qui peuvent être constitués d'une simple liaison directe ou constitués d'un

polypeptide de 1 à 6 acides aminés et d'autre part dans la

fréquence avec laquelle les unités tétrapeptidiques sont reliées entre elles.

(52)

Figure 4 : Structure schématique du peptidoglycane

Structure schématique du peptidoglycane

(53)

Peptidoglycane et Taxonomie

Le peptidoglycane présente donc des constituants originaux : l'hétéropolymère formant la partie glycane et des acides

aminés non retrouvés dans les protéines.

La structure du peptidoglycane est importante pour la

taxonomie des bactéries et notamment des actinomycètes. Un système de classification des peptidoglycanes repose donc sur la position des ponts interpeptidiques (type A ou B), sur la

nature des ponts interpeptidiques (désignés par les chiffres 1, 2, 3, 4 ou 5) et sur la nature du troisième acide aminé des

unités tétrapeptidiques (désignés par les lettres grecques a, b, g ou d). Un signe prime ' indique que le premier acide aminé est de la glycine ou de la sérine et non de l'alanine.

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Exemples :

. Staphylococcus aureus et Renibacterium

salmoninarum possèdent un peptidoglycane du type A3a.

. Escherichia coli, les Brevibacterium sp., les

Dermatophilus sp., les Mycobacterium sp. possèdent un peptidoglycane du type A1g.

. Les Arachnia sp. ont un peptidoglycane du type A3g'.

. Les Micromonospora sp. possèdent un peptidoglycane du type A1g'.

. Les Microbacterium sp. possèdent un peptidoglycane du type B1b.

. Les Erysipelothrix sp. ont un peptidoglycane du type B1d.

. Les Clavibacter sp. possèdent un peptidoglycane de type B2g.

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 Le peptidoglycane constitue une structure très rigide, c'est un véritable exo-squelette qui est responsable de la forme des bactéries et qui leur permet de résister à la forte pression

osmotique intracytoplasmique.

 Une bactérie dont on a détruit le

peptidoglycane, se gonfle puis éclate lorsqu'elle est placée dans de l'eau distillée.

 En revanche, une bactérie privée de

peptidoglycane et placée dans un milieu dont la

pression osmotique est supérieure ou égale à la

pression du milieu intracellulaire ne se lyse pas

mais elle prend une forme sphérique.

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 Les bactéries à Gram positif dépourvues de

peptidoglycane forment des sphères limitées par la seule membrane cytoplasmique et elles deviennent des

protoplastes.

 Les bactéries à Gram négatif donnent des formes

sphériques limitées par la membrane cytoplasmique et la membrane externe et elles deviennent des

sphéroplastes.

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• Les antibiotiques inhibant la biosynthèse du peptidoglycane (comme les bêta-lactamines) conduisent à la formation de protoplastes et de sphéroplastes.

• On connaît également des mutants dépourvus de paroi que l'on appelle des formes L.

• Les protoplastes, les sphéroplastes et les formes L peuvent se diviser et sont capables de reverser vers des formes

bactériennes normales.

• Cette dernière caractéristique les oppose aux "Tenericutes"

qui sont totalement dépourvus de paroi et incapables de donner naissance à des bactéries pourvues d'une paroi.

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Paroi des bactéries à Gram positif

• La paroi des bactéries à Gram positif est principalement constituée de peptidoglycane mais il s'y ajoute d'autres constituants

(schéma 2).

• Les acides teichoiques sont quantitativement le deuxième

composant. Ce sont des polymères constitués d'unités glycéro- phosphate ou d'unité ribitol-phosphate ou d'unités plus complexes dans lesquelles le glycérol ou le ribitol sont associés à des sucres (glucose, galactose, ...). De plus, ils contiennent souvent de la D- alanine liée au glycérol ou au ribitol. Les acides téchoïques sont associés au réseau de peptidoglycane, ils atteignent la surface externe et constituent des antigènes importants.

• Les acides lipotéchoïques, liés par des liaisons covalentes aux

lipides de la membrane, traversent le peptidoglycane de part en part pour émerger à la surface.

• De nombreux autres constituants sont également présents chez

certaines espèces : protéines, polysaccharides... et ils peuvent jouer un rôle important dans les propriétés antigéniques ou dans le

pouvoir pathogène.

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Paroi des mycobactéries

• Les mycobactéries sont considérées comme des

bactéries à Gram positif mais leur paroi a une structure très spéciale. Au microscope électronique, on distingue trois couches, une couche basale dense aux électrons de 3 à 13 nm d'épaisseur, une couche transparente aux électrons (ETL : électron transparent layer) de 8 nm

d'épaisseur et une couche externe (OL : outer layer).

• La couche basale est composée de peptidoglycane dans lequel l'acide N-glycosylmuramique remplace l'acide N- acétylmuramique. Au peptidoglycane est associé un polymère formé de l'alternance d'arabinose et de

galactose, l'arabino-galactane.

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• La couche transparente aux électrons est composée d'acides mycoliques qui estérifient l'arabino-galactane. Les acides

mycoliques sont de grosses molécules d'acides gras.

• La couche externe contient des sulfolipides, des

phospholipides, du lipo-arabinomannane (composé d'un squelette d'unités D-mannose sur lequel se fixe de courtes

chaînes latérales de mannose et d'arabinose et sur lesquelles se fixent des acides palmitiques et tuberculostéariques) et du mycolate de tréhalose (chaînes de tréhalose sur lesquelles sont fixées des acides mycoliques). En fait la structure de la couche externe est variable selon les espèces et, notamment, seules les souches virulentes possèdent du mycolate de tréhalose appelé également cord factor.

(61)

• La structure particulière de la paroi des mycobactéries, très riche en lipide, explique, en grande partie, la

résistance des mycobactéries à de nombreux

antibiotiques (antibiotiques hydrophobes) qui ne peuvent atteindre leurs sites d'action.

• Le rôle des composants pariétaux dans la virulence des mycobactéries a fait l'objet de nombreux travaux mais leur importance individuelle est encore mal comprise.

• Le cord factor inhibe le chimiotactisme des cellules

phagocytaires et il est toxique pour les leucocytes. Les sulfolipides inhibent la fusion des phagosomes avec les lysosomes et évitent aux bactéries phagocytées l'action des enzymes hydrolytiques.

• Les acides mycoliques constituent une barrière

hydrophobe autour de la cellule s'opposant à l'action d'agents chimiques.

(62)

Paroi des bactéries à Gram négatif

• Au microscope électronique la paroi des bactéries à Gram négatif apparaît hétérogène et on distingue une couche interne et une couche externe ou membrane externe, séparées par un espace appelé espace

périplasmique

• La couche interne contient du peptidoglycane qui

recouvre la membrane cytoplasmique et dont la structure est comparable à celui des bactéries à Gram positif.

Toutefois, il ne contient jamais d'acides téchoïques et il ne représente que 10 p. cent du poids de la paroi.

Comme pour les bactéries à Gram positif, il est le

squelette de l'enveloppe et il joue un rôle essentiel pour l'intégrité cellulaire.

.

(63)

• L'espace périplasmique contient des lipoprotéines ou lipoprotéines de Braun qui relient la membrane externe au peptidoglycane et qui participent à la cohésion de la paroi. Elles sont constituées d'un polypeptide d'une

soixantaine d'acides aminés portant à son extrémité N- terminale des constituants lipidiques. Ces lipoprotéines sont quantitativement très importantes et certaines

d'entre elles sont libres dans l'espace périplasmique.

• La couche externe est constituée d'une double couche phospholipidique dans laquelle flottent des

lipopolysaccharides et des protéines.

• Les lipopolysaccharides sont des molécules complexes jouant un rôle important dans les propriétés antigéniques (antigène O) et dans le pouvoir pathogène (endotoxine).

• Les protéines de membrane externe sont nombreuses, elles peuvent être impliquées dans la virulence ou dans la perméabilité

(64)

Structures facultatives

Polysaccharides de surface: Capsule

Les bactéries peuvent s'entourer d'enveloppes supplémentaires plus ou moins structurées ou diffuses.

Historiquement, on a décrit, sous le nom de capsule, une

couche muqueuse généralement polysaccharidique, au contour bien défini et caractérisant certaines espèces ou souches

pathogènes.

En réalité de très nombreuses bactéries sont capables de synthétiser des polysaccharides de surface qui peuvent, éventuellement, être libérés dans le milieu. Leur étude est cependant difficile pour deux raisons majeures :

(65)

• Ces polysaccharides sont très fortement hydratés (plus de 99 p. cent d'eau) ce qui rend leur étude difficile au microscope électronique notamment parce que leur structure s'altère lors de la déshydratation des

échantillons.

• Ces polysaccharides sont élaborés de manière optimale lorsque les bactéries sont dans un milieu hostile car ils apportent une protection ou un moyen de coloniser

l'environnement. Lors d'une culture in vitro, sur des

milieux riches, la synthèse des ces poysaccharides qui représente une dépense énergétique n'est plus

indispensable et les bactéries peuvent ne plus les élaborer.

(66)

• En 1981, Costerton a proposé le terme de glycocalyx pour

désigner tous les composants liés à la membrane externe des bactéries à Gram négatif ou au peptidoglycane des bactéries à Gram positif.

• Le terme de glycocalyx désigne donc à la fois les

polysaccharides de surface et les protéines ou glycoprotéines formant la couche S.

• D'autres auteurs préfèrent utiliser le terme de substances polymérisées extracellulaires (EPS : Extracellular Polymeric Substances).

(67)

Capsule et Slime

Parmi les polysaccharides de surface, on peut distinguer de manière un peu arbitraire, la capsule et les couches

muqueuses ou slime.

La capsule correspond à une structure bien organisée, facilement mise en évidence par des techniques simples alors que le slime correspond à des constituants

polysaccharidiques plus ou moins libérés dans le milieu et ne constituant plus une véritable entité morphologique.

(68)

Capsule

A l'exception de certaines espèces de Bacillus dont la capsule est constituée de polypeptides formés d'un seul acide aminé (acide D-glutamique).

la capsule bactérienne est constituée de polysaccharides localisés autour des acides téchoïques chez les bactéries à Gram positif ou autour des lipopolysaccharides chez les

bactéries à Gram négatif.

Pour une même espèce, la nature des sucres et leur mode de liaison peuvent être différents ce qui confère aux bactéries des spécificités antigéniques différentes:Les antigènes capsulaires.

La capsule ne joue pas un rôle vital pour la bactérie et en l'absence de sa synthèse, la bactérie est capable de se multiplier.

En revanche, la capsule joue un rôle important dans le pouvoir pathogène car elle s'oppose à la phagocytose.

(69)

Bacterial Capsules. (a) Klebsiella pneumoniae with its capsule . (b) Bacteroides glycocalyx (gly).

Bacterial Glycocalyx.

Bacteria connected to each other and to the intestinal wall, by their glycocalyxes.

(70)

^Slime

Les polysaccharides de surface peuvent être libérés sous forme de slime dans le milieu où se produit la multiplication bactérienne.

La production de slime est fréquente avec les bactéries

aquatiques et particulièrement intense avec les bactéries du genre Zooglea et conduit à la formation de masses gluantes auxquelles adhèrent des matières en suspension.

Les slimes élaborés par d'autres bactéries sont produits

industriellement et servent d'agent gélifiant dans les industries alimentaires.

(71)

Couche de surface cristalline ou couche S (S layer)

• Les couches S sont de connaissance relativement

récente car elles ne peuvent être mises en évidence que par microscopie électronique. Elles sont constituées de protéines ou de glycoprotéines généralement d'un poids moléculaire élevé (40 à 200 kDa).

• Disposées régulièrement sous forme d'un assemblage paracristallin organisé selon un système géométrique carré, hexagonal ou oblique.

• Une couche S a été identifiée chez plusieurs centaines d'espèces appartenant aux domaines des "Archaea" et des "Bacteria .

(72)

• Chez les "Archaea" dépourvues de paroi, la couche S constitue la seule enveloppe appliquée sur la face externe de la

membrane cytoplasmique (par exemple, Methanococcus sp.).

Chez les "Archaea" possédant une pseudoparoi, la couche S est située à la périphérie (Methanothermus sp.).

• Chez les "Bacteria" à Gram positif, la couche S est située à la périphérie du peptidoglycane et chez les bactéries à Gram

négatif elle est étroitement associée à la membrane externe.

(73)

• Outre son rôle en tant que squelette, la couche S pourrait être impliquée dans l'adhésion, dans la résistance aux protéases des macrophages (Campylobacter fetus subsp. fetus,

Aeromonas salmonicida).

• Chez Campylobacter fetus subsp. fetus, les repiquages

successifs d'une souche font apparaître des variations dans le poids moléculaire de la protéine majeure de la couche S et un phénomène identique est également observé in vivo au cours d'une infection.

Il en résulte une variabilité antigénique permettant aux

bactéries d'échapper aux mécanismes de défense spécifiques, ce qui favorise la virulence.

• La couche S protège également les bactéries de certains bactériophages.

(74)

Flagelles et mobilité

• La mobilité s'observe chez de nombreuses bactéries

appartenant aussi bien au domaine des "Bacteria" qu'au

domaine des "Archaea". D'une manière générale, la mobilité s'observe chez les bacilles et seuls quelques coques sont

mobiles . Plusieurs type de mobilité peuvent être observés : La mobilité par glisements, la nage, l’essaimage.

• La mobilité par glissement sur des surfaces solides ne se

rencontre que chez des bacilles à Gram négatif Elle consiste en un déplacement lent sur une surface solide.

• La nage est le type de mobilité le plus fréquent qui s'observe soit dans des milieux liquides soit dans des milieux semi-

solides. La nage résulte de la présence de flagelles.

(75)

• L'essaimage est une alternative à la nage qui est observée lorsque des bactéries flagellées sont présentes sur un milieu solide. Ce phénomène est bien connu chez certaines espèces du genre Proteus mais il semble exister chez de nombreuses souches mobiles.

• L'essaimage nécessite une transformation morphologique des bactéries. En milieu liquide, les bactéries sont courtes et

portent quelques flagelles mais, en milieu solide, les bactéries s'allongent et présentent de très nombreux flagelles.

• Chez Vibrio parahaemolyticus et chez Azospirillum brasiliense, les cellules possèdent soit un unique flagellaire polaire

responsable de la nage soit de multiples flagelles responsables de l'essaimage.

(76)

Structure des flagelles

Les flagelles sont des structures fines (environ 10 à 20 nm de diamètre), observées soit au microscope électronique soit au microscope optique après des colorations spéciales qui ont toutes pour effet d'épaissir les flagelles afin de les rendre visibles.

Le nombre et la position des flagelles est un caractère important à prendre en considération pour le diagnostic

Le cas le plus simple est constitué par les bactéries ne possédant qu'un seul flagelle situé à une extrémité ou à proximité d'une extrémité de la cellule : l'appareil flagellaire est qualifié de monotriche et de polaire (ou subpolaire).

Lorsqu'une touffe de flagelles est présente à une extrémité on parle de flagellation multitriche et polaire.

Lorsque des flagelles sont présents à chacune des extrémités de la cellule, la flagellation est qualifiée de bipolaire ou d'amphitriche et elle peut être

monotriche ou multitriche.

Enfin, lorsque des flagelles sont disposés sur toute la surface de la bactérie, la flagellation est péritriche.

(77)

Figure 5 : Arrangement des flagelles chez les bactéries

Arrangement de flagelles chez les bactéries

(78)

Spirillum Spirillum volutans

Pseudomonas Proteus vulgaris

(79)

Les flagelles sont constitués de trois parties, un filament hélicoïdal, un crochet et un corpuscule basal :

• Le filament dont la longueur peut atteindre 10nm est formé de

l'assemblage de sous-unités protéiques formées généralement d'une seule protéine, la flagelline dont le poids moléculaire varie de 15 à 70 kDa. Le filament est hélicoïdal et se compose de onze fibrilles

disposés comme les torons d'une corde et parcouru par un fin canal axial. Chez certaines espèces, le filament est entouré par une gaine.

Cette gaine est constituée d'un prolongement de la membrane externe ou d'une structure protéique.

• Le crochet est très court, incurvé et flexible et présente une structure protéique.

• Le corpuscule ou corps basal correspond au lieu d'insertion du

flagelle dans la cellule. Son architecture est complexe et comprend une partie mobile et une partie fixe.

(80)

• Le filament et le crochet se prolongent par un cylindre axial qui constitue l'arbre de transmission.

• Autour du cylindre axial on trouve des anneaux ou disques.

Chez toutes les bactéries deux disques internes sont localisés dans la membrane cytoplasmique, le disque M (membrane) et le disque S (supramembrane).

• Chez les bactéries à Gram négatif, se surajoute un disque P (périplasmique) localisé dans le peptidoglycane et un disque L (lipopolysaccharide).

• Les disques S, P et L seraient fixes et le disque M mobile.

• Plusieurs protéines membranaires interviennent pour la rotation et le sens de rotation du moteur

(81)

Ultrastructure du flagelle bactérien. Corps basal et crochet chez les bactéries:

(a) gram-négatives (b) gram-positives

(82)

The Ultrastructure of Gram-Negative Flagella

(83)

chimiotactisme

• Les bacteries ne nagent pas toujours sans raison mais peuvent être attirées par les element nutritifs present dans le milieu ou repoussées par des substances

nuisibles ou des déchets bacteriens on parle de chimiotactisme

• Ce chimiotactisme peut être positif ou negatif selon que la bactérie est attirée ou repoussée par les éléments du milieu

• Les bactéries peuvent répondre à des concentrations très faibles de substances attractives ou répulsives l’ampleur de cette réponse augmente avec la

concentration de la substance

(84)

Positive Bacterial Chemotaxis Negative Bacterial Chemotaxis

(85)

Pili et fimbriae

• La microscopie électronique a révélé la présence de structures filiformes, différentes des flagelles, non impliquées dans la mobilité et appelées pili ou fimbriae. Il existe une certaine confusion dans la nomenclature de ces

appendices et on peut parler de:

• pili pour désigner les appendices qui jouent un rôle dans la conjugaison (pili sexuels ou pili F)

• fimbriae pour désigner les appendices impliqués dans des phénomènes d'adhésion. Le terme d'adhésine est beaucoup plus général puisqu'il recouvre les fimbriae mais aussi de nombreuses autres molécules

(notamment des protéines) jouant un rôle dans l'attachement des bactéries aux cellules eucaryotes.

• Les fimbriae peuvent avoir deux aspects. Ce sont soit des bâtonnets rigides de 5 à 7 nm de diamètre soit des filaments flexibles de 2 à 3 nm de

diamètre.

• Ces fimbriae semblent être présents chez de nombreuses bactéries à Gram négatif et ils semblent plus rares chez les bactéries à Gram positif.

(86)

Flagella and Fimbriae. The long flagella and the numerous shorter fimbriae are very evident in this electron micrograph of Proteus vulgaris

(87)

Endospore

• L'endospore ou spore est un organite facultatif qui se forme au sein du cytoplasme de certaines bactéries et qui diffère de la cellule végétative par sa forme, sa structure, son équipement enzymatique et par sa résistance aux agents physiques et chimiques ce qui lui permet de survivre dans des conditions très défavorables.

• La sporulation est le phénomène de différenciation qui conduit de la forme végétative à la spore. La transformation inverse est appelée la germination.

• À l'exception des Desulfosporosinus spp., des Caminicella spp., de quelques espèces du genre Sporomusa, de Coxiella burnetii (qui pourrait former une spore) et de Serratia

marcescens subsp. sakuensis, les endospores ne sont présentes que chez des bactéries à Gram positif.

(88)

Au microscope en contraste de phase, la spore apparaît

comme un espace clair très réfringent et limité par un contour net et régulier. Elles sont rondes ou ovales, d'un diamètre

variant de 0,2 à 2 nm.

Si le diamètre est supérieur à celui de la cellule végétative la spore est qualifiée de déformante, dans le cas contraire elle est non déformante. Sa situation à l'intérieur de la cellule permet de reconnaître des spores centrales, subterminales ou terminales.

Sauf exception (par exemple Clostridium disporicum), on ne trouve qu'une seule spore par bactérie.

(89)

La spore est constituée par un cytoplasme de texture homogène, pauvre en ARN, en enzymes et en eau mais contenant une quantité d'ADN proche de celle de la cellule végétative.

La membrane cytoplasmique, analogue à celle de la cellule végétative, est entourée de la paroi sporale et du cortex.

Le cortex, très transparent aux électrons, contient la quasi totalité d'un constituant spécifique des spores, l'acide dipicolinique sous forme de dipicolinate de calcium.

Appliqué contre le cortex on trouve la ou les tuniques (appelées alors intine ou tunique interne et exine ou tunique externe) formées de protéines riches en ponts disulfures puis, éventuellement, l'exosporium.

(90)

Figure 8 : Morphologie et structure des endospores

Morphologie et structure des endospores

(91)

Bacillus anthracis endospore

Spore of Bacillus cereus

Spore of Clostridium botulinum

(92)

Rôle de la spore

• A l'état de déshydratation, la présence de dipicolinate de calcium et la richesse en ponts disulfures des tuniques expliqueraient les propriétés de résistance des spores.

• Les spores sont en effet douées d'une longévité et d'une

résistance importante. La longévité est difficile à apprécier mais elle pourrait atteindre plusieurs milliers d'années pour certaines espèces de Bacillus. La thermorésistance est très variable

selon les espèces et même selon les souches, selon l'âge des cultures et selon les conditions de culture.

• Les spores résistent également aux radiations, aux pressions, aux antibiotiques, aux antiseptiques et aux désinfectants.

(93)

Tablae u 4 (A e t B )Thermorésistance des endospores

D'après LA RPENT (J.P.) et LA RPENT -GOURGA UD (M.) : Mé mento technique de microb iologie. Lavoisier, Technique & Documentation, 3è me éd ition, Paris, 1997, 1039 pages.

A : Ther morésistance de di verses espèces :

Espèces

D120 (temps en minutes pour détruire 90 p. cent des spores chauffées à 120 °C)

Clostridium tetani 5

Bacillus subtilis 5 à 10

Clostridium thermosaccharolyticum 4 à 5

Bacillus stearothermophilus 4 à 5

Desulfotomaculum nigrificans 2 à 3

Bacillus coagulans 0,1

Clostridium sporogenes 0,1 à 0,5

Clostridium botulinum A ou B 0,1 à 0,2

Bacillus anthracis 1 à 6

Exemples de thermorésistance de quelques espèces bactériennes

(94)

Conditions de sporulation

La sporulation est provoquée par l'épuisement du milieu en substrat nutritif et elle peut nécessiter des conditions particulières.

Le processus de sporulation débute à la fin de la phase de croissance exponentielle et il se déroule en 6 étapes.

Le stade I ou stade du filament axial se caractérise par la présence d'un matériel nucléaire qui s'étend sur toute la longueur de la cellule et qui correspond à 2

génomes.

Au stade II, les deux génomes se séparent et en même temps la membrane cytoplasmique s'invagine près d'un pôle de la cellule pour former un septum de sporulation qui partage la cellule en deux parties inégales.

Ce septum de sporulation va envelopper le cytoplasme de la plus petite partie pour former une préspore caractéristique du stade III.

Entre les deux membranes limitant la préspore se forme la paroi sporale puis apparaît rapidement le cortex dont la présence est caractéristique du stade IV.

Aux stades V et VI, les tuniques sont élaborées et, après maturation, la cellule mère se lyse et libère la spore mature.

(95)

Figure 9 : Les principaux stades de la sporulation chez Bacillus subtilis D'après RYTER (A.) : Structure et anatomie fonctionnnelle. In : L. Le M inor et M. Véron, Bactériologie médica le, 2è me éd., Fla mma rion, Paris, 1990, pp. 3-22.

Les différents stades de sporulation

(96)

Processus de germination

• Placée dans des conditions favorables (eau, glucose, acides aminés) la

spore va donner naissance à une nouvelle cellule végétative et on distingue trois stades dans ce processus de germination. Activation, initiation,

émergence d’une nouvelle cellule.

• L'activation est un stade souvent indispensable correspondant à une lésion des enveloppes sporales par des agents physiques ou chimiques. En

l'absence de cette activation, même placées dans un environnement favorable, les spores sont incapables de germer. L'activation peut être provoquée par des agents mécaniques (choc, abrasion), des agents physiques (choc thermique) ou chimiques (lysozyme, acides...).

(97)

• L'initiation débute en présence de conditions favorables

d'hydratation et en présence de métabolites effecteurs (alanine, adénosine, magnésium, ...) qui pénètrent à travers les

enveloppes endommagées et déclenchent un processus autolytique.

• Des enzymes hydrolytiques dégradent de nombreux

constituants de la spore et notamment le cortex qui libère le dipicolinate de calcium.

• Après l'élimination de la barrière corticale, la spore s'imbibe d'eau, se gonfle et perd ses propriétés de résistance.

(98)

le monde du vivant