6- Taxonomie (b) bactéries utiles Flashcards
Rappels Sources d’énergie
- Soleil (lumière): photosynthèse
- oxydation de molécules organiques (substrat carbonés) ou inorganique (ion, azote, soufre etc…): chimiotrophes
Rappels: Donneurs d’électrons
- molécule organique (ie substrat carbonés)
- molécule inorganique (ion, azote, soufre etc…)
Rappels: Sources de carbone
- CO2 (autotrophe)
- molécule organique (hétérotrophe
Rappels: Accepteurs d’électrons
- 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
Rappels: Les 4 types nutritionnels
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
Rappels Oxydoréduction
- 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
Remarques sur la fourniture d’énergie
- 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
Oxydation de molécules organiques : la glycolyse
- 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
Glycolyse voie haute (GVH)
C6 −> C6-P −> C6-2P −> 2 C3-P
Bilan Voie haute: moins 2 ATP et C6−> 2 C3
GVH 1)
- Procaryotes:
Glc + PEP −> Glc-6-P + Pyruvate
=> Enzyme de la translocation de groupe - Eucaryotes:
Glc + ATP −> Glc-6-P + ADP
=> Enzyme: Hexokinase
GVH 2)
Glc-6-P −> Fructose-6-P
=> enzyme : Phospho-hexose-isomérase
GVH 3)
Fructose-6-P + ATP −> Fructose-1,6-BP +ADP
=> Enzyme: phosphofructo-kinase
GVH 4)
Fructose-1,6-BP −> Glyceraldéhyde-3-P + Dihydroxyacétone-P
=> Enzyme: Fructose-BP-aldolase
Glycolyse Voie basse
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
GVB 1)
Glyceraldéhyde-3-P et Dihydroxyacétone-P sont en équilibre
GVB 2)
Glyceraldéhyde-3-P + Pi + NAD−> glycérate-1,3-BP + NADH
=> Enzyme: Glyceraldéhyde-3-P déshydrogénase
GVB 3)
glycérate-1,3-BP + ADP −> glycérate-3-P + ATP
=> enzyme: Phosphoglycérate kinase
GVB 4)
glycérate-3-P −> glycérate-2-P
=> Enzyme: Phosphoglycérate mutase
GVB 5)
glycérate-2-P −> PEP
=> Enzyme: énolase
GVB 6)
PEP + ADP −> Pyruvate + ATP
=> Enzyme: Pyruvate kinase
Bilan global glycolyse
- 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)
La respiration
- 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
Cycle de Krebs (CK) 1)
Pyruvate + NAD(+) + CoA −> Acétyl-CoA + CO2 + NADH
CK 2)
Oxaloacétate (C4) + Acétyl-CoA (C2)+ H2O −> Citrate (C6)+ CoA-SH
=> Enzyme Citrate-synthase
CK 3)
Citrate(C6) −> Cis-aconitate (C6) +H2O
=> Enzyme: Aconitase Fe2+
CK 4)
Cis-aconitate (C6) −> Isocitrate (C6) + H2O
=> Enzyme: Aconitase Fe2+
CK 5)
Isocitrate (C6) + NAD −> Oxalosuccinate (C6) (instable) + NADH
=> enzyme isocitrate déshydrogénase
CK 6)
Oxalosuccinate (C6) (instable) −> alpha-cétoglutarate (C5) + CO2
=> Enzyme: Isocitrate déshydrogénase Mn2+
CK 7)
alpha-cétoglutarate (C5) + NAD + CoA-SH −> Succinyl-CoA (C4-CoA) + CO2 + NADH
=> Enzyme: alpha-cétoglutarate déshydrogénase
CK 8)
Succinyl-CoA (C4-CoA) + GDP −> Succinate (C4) + CoA + GTP
=> Enzyme: Succinyl-CoA ligase
CK 9)
Succinate (C4) + FAD −> Fumarate (C4) + FADH2
=> Enzyme: Succinate déshydrogénase
CK 10)
Fumarate (C4) −> L-malate (C4) + H2O
=> Enzyme: Fumarase
CK 11)
L-malate (C4) + NAD −> Oxaloacétate (C4) + NADH
Bilan Krebs
2C3 −> 2 C2 +2 CO2 + 2 NADH −> 4 CO2 + 6 NADH + 2 FADH2 + 2ATP
Bilan glycolyse + Krebs
C6 => 6 CO2 + 4 ATP + 10 NADH + 2 FADH2
Théorie chimio-osmotique de Mitchell:
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
Rendement global de la glycolyse en aérobiose
- 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
fermentation (définition)
- 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)
fermentation homolactique
- lactate > 80%
- Streptococcus (S. lactis) et certains lactobacillus
- le NAD est régénéré ainsi:
pyruvate + NADH −> lactate + NAD
=> Enzyme: Lactate déshydrogénase
fermentation acides mixtes
- Entérobactéries
(E. coli, S. enterica, Y. pestis) - Produits : éthanol, lactate, acétate, acide formique, CO2, H2
- Bilan : 8 ATP pour 3 Glc
fermentation acides mixtes mécanisme 1)
- Pour 6 Pyruvates :
2 Pyruvates (C3) + 2 NADH −> 2 Lactates (C3) + 2 NAD
=> Enzyme: Lactate déshydrogénase
fermentation acides mixtes mécanisme 2)
- Pour 6 pyruvates:
4 Pyruvates (C3) + CoA −> 4 HCOOH (C1) + 4 Acétyl-CoA (C2)
=> enzyme: Pyruvate formate lyase
fermentation acides mixtes mécanisme 3)
4 HCOOH −> 4 CO2 + 4 H2
=> enzyme: formate hydrogénolyase
fermentation acides mixtes mécanisme 4)
- Pour 4 Acétyl-CoA
2 Acétyl-CoA + 2 Pi −> 2 Acétyl-P + 2 CoA
=> enzyme: phosphate acétyl transférase
fermentation acides mixtes mécanisme 5)
2 Acétyl-P + 2 ADP −> 2 Acétate + 2 ATP
=> enzyme: acétokinase
fermentation acides mixtes mécanisme 6)
- Pour 4 Acétyl-CoA
2 Acétyl-CoA+ 2 NADH −> 2 Acétaldéhyde + 2 NAD + 2 CoA
=> enzyme: aldéhyde déshydrogénase
fermentation acides mixtes mécanisme 7)
2 Acétaldéhyde + 2 NADH −> 2 Éthanol + 2 NAD
=> enzyme: alcool déshydrogénase
Autres fermentations
-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.
le cas du Yaourt
- 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
Lactobacillus delbrueckii bulgaricus
- 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)
Streptococcus salivarius thermophilus
- 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)
protocoopération
- 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)
