6- Taxonomie (b) bactéries utiles

Question 1

Rappels Sources d’énergie

Answer 1

• Soleil (lumière): photosynthèse
• oxydation de molécules organiques (substrat carbonés) ou inorganique (ion, azote, soufre etc…): chimiotrophes

Question 2

Rappels: Donneurs d’électrons

Answer 2

• molécule organique (ie substrat carbonés)
• molécule inorganique (ion, azote, soufre etc…)

Question 3

Rappels: Sources de carbone

Answer 3

• CO2 (autotrophe)
• molécule organique (hétérotrophe

Question 4

Rappels: Accepteurs d’électrons

Answer 4

• Choix de l’accepteur va conditionner la voie métabolique utilisée pour fabriquer l’Energie .
• 3 cas possibles :
• Respirations
  . aérobie (O2)
  . anaérobie (Fe3+, NO3-, SO42-, TMAO)
  rq: dans chaque cas la molécule accepteur est d’origine EXOGENE
• Fermentation
  rq: ici origine ENDOGENE de l’accepteur donc forcément une molécule organique
  => c’est le substrat énergétique (ex glucose) qui au cours de sa dégradation fabrique l‘énergie et va également fournir un intermédiaire qui servira
  d’accepteur final
• Photosynthèse :
  Rq: ici accepteur = molécule endogène NADH (anoxygénique) ou NADPH (oxygénique) mais au final le but est de transférer H+ et e- au CO2 (synthèse de Matière organique : (CH2O)n

Question 5

Rappels: Les 4 types nutritionnels

Answer 5

a) Les autotrophes photolithotrophes:
CO2 et photosynthétiques donc l’énergie lumineuse sert à arracher les e- et H+
à des molécules inorganiques réduites (H2O, H2S, H2, S)

b) Les autotrophes chimiolithotrophes:
CO2, chimiotrophes : oxydation de composés réduits
respiration avec ou sans O2 de molécules inorganiques réduites (H2S, NH4)

c) Les hétérotrophes photo-organotrophes:
C et e- : viennent de molécules organiques réduites (sucres, ac. gras, protéines etc…)
Photosynthèse à partir de molécules organiques

d) Les hétérotrophes chimio-organotrophes:
C, E et e- viennent de molécules organiques réduites
=> respiration (avec ou sans O2) ou fermentation

Question 6

Rappels Oxydoréduction

Answer 6

• oxydation = perte d’e- et/ou de proton (H+)
  => ex : H2→ 2H+ +2e-
• réduction = gain d’e- et/ou de proton:
  => ½ O2 + 2e- + 2H+ → H2O
• globalement réaction couplée => H2+ ½ O2 → H2O
• H2= réducteur = donneur d’e-
• O2= oxydant = accepteur d’e-
• Notion de potentiel réduction: E0’= exprimé en volt
  = potentiel d’un composé à être oxydé ou réduit
  => Ex: H2 (-0,421 v, donneur))
  => O2 (+0,816 accepteur)
• définis des couples redox : ox/red : 2H+/ H2 et O2/ H2O
• tour des électrons
  => e- auront naturellement tendance à descendre
  => ΔE0‘(ΔG0’ ): l’énergie libérée au cours de transfert successif d’e-
  => Chez les bactéries, la fabrication d‘énergie peut se résumer à un transfert
  d’énergie lors de réactions d’oxydoréduction
  Par : DH2 + A → D + AH2 + Energie

Question 7

Remarques sur la fourniture d’énergie

Answer 7

• Rq 1: respiration et photosynthèse nécessitent des chaînes de transporteurs d’e-
  membranaires .
  => plus l’écart sera grand entre le 1er donneur et l’accepteur final => plus il y aura d‘énergie libérée (ATP)
• Rq 2 : Inversement dans le cas de fermentations, peu d’écart entre 1er donneur
  et accepteur final => peu d’énergie libérée
• Rq3 : cas de la photosynthèse ou le point de départ = H2O (H2S, S)
  = molécule très réduite (mauvais donneur) qui est instantanément oxydée par
  l‘énergie lumineuse
  => c’est la formation de NADH + H+ qui est finale dans le but de pouvoir fournir
  des H+ et e- au réaction d’anabolisme

Question 8

Oxydation de molécules organiques : la glycolyse

Answer 8

• Rq: pour les sucres plusieurs voies existent chez les bactéries
  => La glycolyse (ou voie d’embden-meyerhoff):
  => La voies de pentoses (ou pentoses phosphate)
  => La voie du KDPG ou du gluconate ou d’Entner-Doudoroff

Question 9

Glycolyse voie haute (GVH)

Answer 9

C6 −> C6-P −> C6-2P −> 2 C3-P

Bilan Voie haute: moins 2 ATP et C6−> 2 C3

Question 10

GVH 1)

Answer 10

• Procaryotes:
  Glc + PEP −> Glc-6-P + Pyruvate
  => Enzyme de la translocation de groupe
• Eucaryotes:
  Glc + ATP −> Glc-6-P + ADP
  => Enzyme: Hexokinase

Question 11

GVH 2)

Answer 11

Glc-6-P −> Fructose-6-P
=> enzyme : Phospho-hexose-isomérase

Question 12

GVH 3)

Answer 12

Fructose-6-P + ATP −> Fructose-1,6-BP +ADP
=> Enzyme: phosphofructo-kinase

Question 13

GVH 4)

Answer 13

Fructose-1,6-BP −> Glyceraldéhyde-3-P + Dihydroxyacétone-P
=> Enzyme: Fructose-BP-aldolase

Question 14

Glycolyse Voie basse

Answer 14

C3-P −> C3-2P + NADH −> C3-P +1 ATP −> C3-P −> C3-P - H2O −> C3 +1 ATP
=> Bilan Voie basse : 2C3-P => 2C3 + 2 NADH + 4ATP

Question 15

GVB 1)

Answer 15

Glyceraldéhyde-3-P et Dihydroxyacétone-P sont en équilibre

Question 16

GVB 2)

Answer 16

Glyceraldéhyde-3-P + Pi + NAD−> glycérate-1,3-BP + NADH
=> Enzyme: Glyceraldéhyde-3-P déshydrogénase

Question 17

GVB 3)

Answer 17

glycérate-1,3-BP + ADP −> glycérate-3-P + ATP
=> enzyme: Phosphoglycérate kinase

Question 18

GVB 4)

Answer 18

glycérate-3-P −> glycérate-2-P
=> Enzyme: Phosphoglycérate mutase

Question 19

GVB 5)

Answer 19

glycérate-2-P −> PEP
=> Enzyme: énolase

Question 20

GVB 6)

Answer 20

PEP + ADP −> Pyruvate + ATP
=> Enzyme: Pyruvate kinase

Question 21

Bilan global glycolyse

Answer 21

• Bilan:
  => Glycolyse : 1 C6 donne 2 C3 (pyruvate) + 2ATP + 2NADH
• Pyruvate => énergie (cycle de krebs) et/ou anabolisme (origine des AA)
  Rq : dans le cas des fermentations ce pyruvate va être accepteur final des e-
  ex: pyruvate => lactate
• NADH produit => régénérer le NAD+ (oxydation d’un nouveau sucre)
  => diverses stratégies possibles (respirations, fermentations)

Question 22

La respiration

Answer 22

• point de départ : pyruvate
• L’oxydation continue : car ici accepteur final d’e- est EXOGENE
  => formation de NADH supplémentaires
  => Régénération auprès d’une chaîne de transporteur membranaire d’e- et H+.

Pyruvate => deux voies possibles
=> Anabolisme = molécule départ de la biosynthèse nombreuses macromolécules
=> Catabolisme = production d‘énergie via le cycle de Krebs ou des acides tricarboxyliques ou cycle de l’acide citrique

Question 23

Cycle de Krebs (CK) 1)

Answer 23

Pyruvate + NAD(+) + CoA −> Acétyl-CoA + CO2 + NADH

Question 24

CK 2)

Answer 24

Oxaloacétate (C4) + Acétyl-CoA (C2)+ H2O −> Citrate (C6)+ CoA-SH
=> Enzyme Citrate-synthase

Question 25

CK 3)

Answer 25

Citrate(C6) −> Cis-aconitate (C6) +H2O => Enzyme: Aconitase Fe2+

Question 26

CK 4)

Answer 26

Cis-aconitate (C6) −> Isocitrate (C6) + H2O => Enzyme: Aconitase Fe2+

Question 27

CK 5)

Answer 27

Isocitrate (C6) + NAD −> Oxalosuccinate (C6) (instable) + NADH => enzyme isocitrate déshydrogénase

Question 28

CK 6)

Answer 28

Oxalosuccinate (C6) (instable) −> alpha-cétoglutarate (C5) + CO2 => Enzyme: Isocitrate déshydrogénase Mn2+

Question 29

CK 7)

Answer 29

alpha-cétoglutarate (C5) + NAD + CoA-SH −> Succinyl-CoA (C4-CoA) + CO2 + NADH => Enzyme: alpha-cétoglutarate déshydrogénase

Question 30

CK 8)

Answer 30

Succinyl-CoA (C4-CoA) + GDP −> Succinate (C4) + CoA + GTP => Enzyme: Succinyl-CoA ligase

Question 31

CK 9)

Answer 31

Succinate (C4) + FAD −> Fumarate (C4) + FADH2 => Enzyme: Succinate déshydrogénase

Question 32

CK 10)

Answer 32

Fumarate (C4) −> L-malate (C4) + H2O => Enzyme: Fumarase

Question 33

CK 11)

Answer 33

L-malate (C4) + NAD −> Oxaloacétate (C4) + NADH

Question 34

Bilan Krebs

Answer 34

2C3 −> 2 C2 +2 CO2 + 2 NADH −> 4 CO2 + 6 NADH + 2 FADH2 + 2ATP

Question 35

Bilan glycolyse + Krebs

Answer 35

C6 => 6 CO2 + 4 ATP + 10 NADH + 2 FADH2

Question 36

Théorie chimio-osmotique de Mitchell:

Answer 36

1 - série de transporteurs d'e- dans la membrane disposés de façon à permettre une augmentation de E'0 (de - vers +) (donc libération d‘énergie => ATP) 2- succession dans la membrane de transporteurs d'e- seul et de « H+ et e- » 3- => génération d'une force proton motrice en raison de séparation des charges + (H+) à l’extérieur (ou périplasme) donc augmentation de l’acidité et charges – à l’intérieur (OH-) donc alcalinisation (équivalence à une pile) => aboutit à une entrée massive de H+ par une ATPase de type F(ou ATP synthase ou synthétase) membranaire pour compenser => force proton motrice (énergie cinétique) convertie en énergie potentielle * résultats : régénération des NAD+ et production du molécules réduites H2O (O2) ou NO2, N2, H2S etc… anaérobie * Les H+ externalisés (= proton motrice) seront à origine de production d'énergie (ATP) via l’ATPase membranaire. => respiration aérobie = phosphorylation oxydative * Complexe I : NADH déshydrogénase * Complexe II : Succinate déshydrogénase * Complexe III: cytochome c réductase * Complexe IV: cytochome c oxydase * Bilan de ½ réactions sont: => NADH + H+ → NAD+ +2e- + 2H+ => ½ O2 + 2e- + 2H+ → H2O => NADH + ½ O2 → NAD+ H2O

Question 37

Rendement global de la glycolyse en aérobiose

Answer 37

* Voie glycolyse : => Phosphorylation au niveau substrat (voie basse) : 2 ATP => Phosphorylation oxydative de 2 NADH (3P/O): 6 ATP * Conversion 2 Pyruvate en 2 acétyl-coA : => Phosphorylation oxydative de 2 NADH : 6 ATP * Cycle acides tricarboxyliques (2 acétyl-coA): => Phosphorylation au niveau substrat (GTP) : 2 ATP => Phosphorylation oxydative de 6 NADH (3P/O): 18 ATP => Phosphorylation oxydative de 2 FADH2 (2P/O): 4 ATP ___________________ Total : 38 ATP

Question 38

fermentation (définition)

Answer 38

* Les réactions se font en absence totale d'O2 (peut être présent mais pas utilisé). * Point de départ = glycolyse ou voie des pentoses => la principale fourniture d’énergie * Donc ici la problématique est de régénérer le NAD+ utilisable pour assimiler d’autres sucres * Une molécule ENDOGENE (pyruvate) sera l’accepteur final des e- et H+ => faible écart de couple redox entre donneur primaire (sucre en C6) et accepteur final (composé en C3) <==> peu d‘énergie libérée *Grande variétés de fermentations utilisées par l’homme : => alcoolique (vin et bière) => lactique (yaourt, choucroute) =>acétique (vinaigre)

Question 39

fermentation homolactique

Answer 39

* lactate > 80% * Streptococcus (S. lactis) et certains lactobacillus * le NAD est régénéré ainsi: pyruvate + NADH −> lactate + NAD => Enzyme: Lactate déshydrogénase

Question 40

fermentation acides mixtes

Answer 40

* Entérobactéries (E. coli, S. enterica, Y. pestis) * Produits : éthanol, lactate, acétate, acide formique, CO2, H2 * Bilan : 8 ATP pour 3 Glc

Question 41

fermentation acides mixtes mécanisme 1)

Answer 41

* Pour 6 Pyruvates : 2 Pyruvates (C3) + 2 NADH −> 2 Lactates (C3) + 2 NAD => Enzyme: Lactate déshydrogénase

Question 42

fermentation acides mixtes mécanisme 2)

Answer 42

* Pour 6 pyruvates: 4 Pyruvates (C3) + CoA −> 4 HCOOH (C1) + 4 Acétyl-CoA (C2) => enzyme: Pyruvate formate lyase

Question 43

fermentation acides mixtes mécanisme 3)

Answer 43

4 HCOOH −> 4 CO2 + 4 H2 => enzyme: formate hydrogénolyase

Question 44

fermentation acides mixtes mécanisme 4)

Answer 44

* Pour 4 Acétyl-CoA 2 Acétyl-CoA + 2 Pi −> 2 Acétyl-P + 2 CoA => enzyme: phosphate acétyl transférase

Question 45

fermentation acides mixtes mécanisme 5)

Answer 45

2 Acétyl-P + 2 ADP −> 2 Acétate + 2 ATP => enzyme: acétokinase

Question 46

fermentation acides mixtes mécanisme 6)

Answer 46

* Pour 4 Acétyl-CoA 2 Acétyl-CoA+ 2 NADH −> 2 Acétaldéhyde + 2 NAD + 2 CoA => enzyme: aldéhyde déshydrogénase

Question 47

fermentation acides mixtes mécanisme 7)

Answer 47

2 Acétaldéhyde + 2 NADH −> 2 Éthanol + 2 NAD => enzyme: alcool déshydrogénase

Question 48

Autres fermentations

Answer 48

-Fermentation hétérolactique : certains Lactobacillus et Leuconostoc, point de départ = xylulose 5-P (pentose –P, absence d’aldolase) => Lactate (<80%), acétate, éthanol, CO2 -Fermentation butanediolique : entérobactéries (Serratia, Enterobacter, Erwinia) Production de molécules en C4 (acétoine) - La fermentation butyrique : anaérobies strictes : Clostridium butyricum et C. perfringens. (boîtes de conserve avariées) -La fermentation acétonobutylique réalisée par Clostridium acetobutylicum donne naissance à des substances comme l'acétone, le butanol. -La fermentation propionique réalisée par les Propionibacterium. base de la fabrication des fromages à pâte cuite (comté, gruyères, emmenthal) auxquels l'acide propionique donne le goût caractéristique piquant.

Question 49

le cas du Yaourt

Answer 49

* Streptococcus salivarius subsp. thermophilus et Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus * Principe : fermentation essentiellement lactique conduisant à la coagulation du lait, c’est-à-dire à la formation d’un gel ou coagulum par modification de la structure des protéines du lait (micelles de caséines) sans exsudation de lactosérum (synérèse). * Fermentation séquentielle (proto-coopération) * pH initial neutre voisin de 6-7 (6,6) * fermentation par S. thermophilus => diminution du pH à 5,5 * puis fermentation par L. bulgaricus => pH voisin de 4,2-4,5

Question 50

Lactobacillus delbrueckii bulgaricus

Answer 50

* Bacille * Gram positif * microaérophiles * non sporulés * mésophiles (température optimale : 42°C) * chimioorganotrophes * produisent acide lactique (LAB) (homo- ou hétérofermentaire) * pH 5,5 Biotechnologies : (GRAS = Generally Recognized As Safe) => L. delbruecki (yaourt) => L. plantarum (charcuterie) => L. acidophilus (comme B. bifidum : probiotiques)

Question 51

Streptococcus salivarius thermophilus

Answer 51

* Coques (en chaînette) * Gram positif * catalase - * anaérobies facultatifs * Homofermentaire : * Espèce GRAS * autres espèces = Pathogènes : => S. pyogenes (angine, scarlatine, etc…; β-hémolytique) => S. pneumoniae (pneumonie) => S. mutans (carie dentaire)

Question 52

protocoopération

Answer 52

* Substrat nutritif : le lait = sucre (lactose) + protéine (80% = caséine) (= source de C, N et sels divers mais aussi facteurs de croissance) * Le Lactose (49 g/L): hydrolysé en glc-6P (glycolyse) et gal (rejeté ou voie de Leloir) * pyruvate → lactate (LDH) pour régénérer le NAD+ métabolisme homofermentaire (+ de 80%) rôle : acidification = > coagulation des caséines (pH 4,9 final, conservation) * 10 à 20% restant de lactate: hétérofermentaire : diacétyle, acétoïne et acétaldéhyde, = flaveurs du yaourt * Caséines (34 g/L): => protéase PtrB de L. bulgaricus (très efficace) ou protéase PtrS de S. thermophilus (pas efficace) * Or : les deux espèces ont des auxotrophies => proto-coopération car : * Meilleure activité protéolytique de L. bulgaricus => fournit à S. thermophilus, des AA (histidine, glycine, leucine, isoleucine, valine, méthionine) * En échange S. thermophilus stimule la croissance de L. bulgaricus par la production de certains métabolites comme l’acide formique (intervient dans synthèse base puriques) et l’acide folique * De + : acidifient à 2 plus vite et plus fort => Synthèse accrue d’exopolysaccharides (onctuosité du yaourt)