L'enveloppe bactérienne Flashcards
Fonctions principales de l’enveloppe bactérienne
- Protection physique : L’enveloppe joue un rôle de barrière protectrice contre les agressions mécaniques, chimiques ou biologiques (ex. lyse, attaques par des enzymes, produits toxiques).
- Ingestion des nutriments et exclusion des toxines : Elle régule le passage des nutriments nécessaires à la bactérie tout en empêchant l’entrée de substances toxiques.
- Adhésion : Elle permet à la bactérie de s’attacher à différentes surfaces, ce qui est important dans la formation de biofilms ou dans l’infection des hôtes.
- Transfert de matériel génétique : Certaines structures de l’enveloppe facilitent l’échange d’ADN entre bactéries (ex. pilis sexuels).
- Perception de l’environnement : L’enveloppe contient des récepteurs qui détectent les changements de l’environnement, permettant à la bactérie d’adapter sa physiologie.
Importance génétique et taxonomique
- Environ un quart du génome bactérien est consacré à la synthèse, la maintenance, la régulation et l’insertion des composants de l’enveloppe. Cela souligne l’importance majeure de cette structure.
- L’enveloppe est une caractéristique spécifique à chaque espèce bactérienne. La taxonomie bactérienne (classification et identification) s’appuie beaucoup sur les différences dans la composition et la structure de l’enveloppe.
Différences entre bactéries à Gram positif et à Gram négatif
- La coloration de Gram est une méthode qui révèle deux grands types d’enveloppes bactériennes :
- Gram positif : possède une épaisse couche de muréine (peptidoglycane), qui donne à la cellule sa rigidité et sa forme.
- Gram négatif : possède une couche de muréine beaucoup plus fine, mais en plus une membrane externe supplémentaire, ce qui constitue une barrière supplémentaire.
Ces différences sont fondamentales car elles influencent la sensibilité aux antibiotiques, aux enzymes, aux agents chimiques, ainsi que la manière dont la bactérie interagit avec son environnement.
La membrane cellulaire (Page 67)
- La membrane cellulaire bactérienne est une membrane unitaire classique.
- Elle est composée d’une double couche lipidique dans laquelle sont insérées de nombreuses protéines.
- Les protéines « flottent » dans cette bicouche lipidique, ce qui correspond au modèle dit “mosaïque fluide”.
- Cette membrane constitue une barrière véritable entre l’intérieur de la cellule (cytoplasme) et le milieu extérieur, régulant ainsi les échanges.
Les protéines membranaires (Page 68)
- Les protéines intégrées dans la membrane jouent plusieurs rôles essentiels :
- Transport des molécules à travers la membrane (nutriments, ions, déchets).
- Sécrétion de protéines vers l’extérieur.
- Respiration (chaînes de transport d’électrons).
- Perception des variations du milieu environnant, permettant à la bactérie de réagir à son environnement.
- Synthèse des constituants de l’enveloppe (comme le lipopolysaccharide, la muréine).
- Structure (participation à la formation de flagelles, pili).
- Ségrégation des chromosomes lors de la division cellulaire.
- Il existe plus de 200 types différents de protéines membranaires, présentes simultanément à des quantités variables.
- Ces protéines représentent environ 70 % de la masse totale de la membrane cellulaire, une proportion bien plus élevée que chez les cellules eucaryotes.
Les lipides membranaires (Page 69)
- La membrane bactérienne est composée uniquement de phospholipides. Les bactéries ne synthétisent ni cholestérol, ni triglycérides.
- Têtes polaires des phospholipides sont variées : phosphoglycérol, phosphosérine, phosphoéthanolamine.
- Exemple de composition lipidique chez Escherichia coli à 37°C :
- 43% d’acide palmitique (C16:0, saturé)
- 33% d’acide palmitoléique (C16:1, un insaturé)
- 23% d’acide cis-vaccénique (C18:1, un insaturé)
- Les acides gras bactériens présentent pas plus d’une insaturation (une double liaison).
- Les phospholipides bactériens principaux incluent l’acide phosphatidique et le lipoteichoïque (chez Gram positif).
- Cette composition lipidique assure la fluidité et la fonctionnalité de la membrane.
Rôle de la paroi bactérienne
La paroi confère à la bactérie une très grande résistance mécanique et une rigidité importante, ce qui permet à la cellule de conserver sa forme même sous de fortes pressions (supérieures à 100 atmosphères). Elle protège aussi la membrane cellulaire contre la lyse osmotique, en particulier lors de la croissance en milieu hypotonique, ce qui est fondamental pour la survie et la croissance bactérienne
Composition et structure de la paroi
La paroi est constituée de muréine (ou peptidoglycane), une macromolécule unique par cellule, formant un sacculus qui entoure complètement la bactérie.
La muréine est composée d’une chaîne répétée de deux sucres : l’acide N-acétylmuramique (NAM) et la N-acétylglucosamine (NAG), reliés en alternance (liaison β 1-4). Ces chaînes sont transversées par des peptides (tétrapeptides) qui forment des ponts entre les chaînes de sucres. La nature et la composition des peptides varient selon les espèces bactériennes.
- Chez les Gram négatifs, les ponts peptidiques sont souvent des liaisons directes entre deux tétrapeptides.
- Chez les Gram positifs, les ponts sont souvent formés par des peptides intercalaires (exemple : pentaglycine chez Staphylococcus aureus).
Le degré d’interconnexion entre les chaînes varie selon l’espèce (par exemple, 100% chez S. aureus, 25% chez E. coli).
La paroi des bactéries à Gram positif
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Épaisseur :
La paroi est très épaisse (20 à 100 nm), essentiellement constituée de muréine associée à des acides téichoïques, lipotéichoïques et téïchuroniques. Ces acides représentent jusqu’à la moitié de la masse de la paroi. -
Acides téichoïques :
Ce sont des polymères de phospho-polyols (phospho-ribitol ou phospho-glycérol) qui peuvent être substitués par divers groupes (glucose, N-acétylglucosamine, alanine). Ils sont liés à la muréine via la N-acétylglucosamine.
Ils jouent un rôle dans la structuration de la paroi, l’adhésion des bactéries, ainsi que dans leurs propriétés antigéniques. -
Acides lipotéichoïques :
Ces acides sont liés par liaison ester aux phospholipides de la membrane cellulaire, assurant ainsi un ancrage de la paroi à la membrane cytoplasmique. -
Acides téïchuroniques :
Similaires aux téichoïques mais composés d’acides glucuroniques, aminoglucuroniques et mannuroniques. -
Fonctions :
La paroi polaire (due aux groupes phosphate des acides téichoïques) agit comme une barrière contre les toxiques hydrophobes. Le réseau de muréine est perméable aux petites molécules hydrophiles (acides aminés, sucres, ADN), ce qui permet des échanges et le transfert génétique. -
Résistance à la lyse osmotique :
La muréine protège contre la lyse osmotique, ce qui peut être démontré expérimentalement par la formation de protoplastes (cellules sans paroi) ou la lyse en présence de lysozyme et de solutions à forte osmolarité (saccharose, NaCl).
La paroi et la membrane externe des bactéries à Gram négatif (Page 75)
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Structure :
Chez les Gram négatifs, la paroi est beaucoup plus fine (2 à 3 couches de muréine).
Cette fine couche de muréine ne suffit pas à protéger la membrane cellulaire interne. Pour compenser, une membrane externe est présente, séparée de la membrane cytoplasmique par un espace appelé périplasme. -
Membrane externe :
C’est une bicouche lipidique asymétrique :- La face interne contient principalement des phospholipides (plus de 90% de phosphoéthanolamine).
- La face externe contient du lipopolysaccharide (LPS), une molécule complexe jouant un rôle protecteur essentiel.
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Fonctions :
Cette membrane externe confère aux bactéries à Gram négatif une résistance accrue à de nombreux agents toxiques, qu’ils soient hydrophobes ou hydrophiles.
Elle protège également la muréine sous-jacente.
Composition du LPS
- lipide A
- noyau (core)
- antigène O
lipide A
- Partie hydrophobe du LPS, ancrée dans la membrane externe.
- C’est également l’endotoxine du LPS, responsable de nombreuses réactions immunitaires chez l’hôte.
- Structure chimique : deux molécules de glucosamine liées en bêta-1,6, substituées par plusieurs acides gras (principalement C12, C14, C16), certains ramifiés.
- Le lipide A peut être modifié par l’ajout ou le retrait de groupes comme l’arabinosamine ou la phosphoéthanolamine, ce qui influence sa toxicité et son immunogénicité.
noyau (core)
- Partie hydrophile composée de plusieurs sucres spécifiques, dont des sucres rares tels que l’heptose (L-glycéro-D-mannoheptose) et le KDO (acide céto-désoxy-octanoïque).
- Cette région est relativement conservée mais peut aussi porter des substituants phosphates ou phosphoéthanolamine.
- Le noyau joue un rôle de liaison entre le lipide A et l’antigène O.
L’antigène O
- Partie la plus externe et la plus variable du LPS.
- Formé de chaînes répétées de sucres variés (ramnose, galactose, glucose, abéquose, mannose, etc.).
- La longueur et la composition des répétitions varient selon les souches et les espèces, pouvant atteindre plus de 40 monosaccharides.
- Cette variabilité confère une spécificité antigénique utilisée en taxonomie bactérienne et permet à la bactérie d’échapper à la reconnaissance immunitaire.
Rôle fonctionnel du LPS
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Protection :
- Le LPS forme une barrière contre l’entrée de nombreux composés toxiques, qu’ils soient hydrophobes ou hydrophiles, protégeant ainsi la membrane cellulaire et la muréine sous-jacente.
- Il contribue à la résistance aux peptides antimicrobiens de l’hôte.
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Interaction avec l’hôte :
- Le lipide A est reconnu par le système immunitaire de l’hôte et peut déclencher une forte réponse inflammatoire.
- Les modifications structurelles du LPS, notamment dans le lipide A ou le noyau, permettent aux bactéries pathogènes (exemple : Salmonella enterica) de moduler cette réponse, en évitant ou en atténuant la détection immunitaire.
- Par exemple, Salmonella peut modifier son LPS en ajoutant ou retirant des groupes chimiques (arabinosamine, phosphoéthanolamine, phosphate, acides gras) ce qui affecte la résistance aux défenses de l’hôte et la virulence.
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Flexibilité et couverture :
- Le LPS forme une structure flexible qui recouvre la cellule bactérienne, jouant un rôle de protection physique et chimique.
− Le LPS n’est présent que chez les Gram négatives
Localisation et structure des protéines de la membrane externe
Ces protéines sont insérées dans la membrane externe, qui est une bicouche lipidique asymétrique propre aux bactéries à Gram négatif. Elles sont souvent constituées de feuillets β (bêta-feuillets), une structure secondaire protéique typique qui forme des pores ou canaux dans la membrane.
Rôles principaux des protéines de la membrane externe :
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Transport non spécifique (porines) :
- Ces protéines forment des canaux permettant le passage de petites molécules hydrophiles (masse moléculaire inférieure à 600 Da) à travers la membrane externe.
- Exemples : OmpF, OmpC.
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Transport spécifique (récepteurs) :
- Certaines protéines agissent comme des récepteurs spécifiques pour le transport de molécules plus grosses ou spécifiques (masse moléculaire supérieure à 600 Da).
- Elles reconnaissent et lient des substrats spécifiques, comme des vitamines ou des ferments, permettant leur importation active.
- Exemples : BtuB (transport vitamine B12), FhuA (transport ferrichrome), LamB (transport maltose et maltodextrines).
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Structure :
- Certaines protéines jouent un rôle structural, maintenant l’intégrité de la membrane externe.
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Sécrétion :
- Elles participent à la sécrétion de molécules vers l’extérieur, jouant un rôle dans la communication et interaction avec l’environnement.
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Liaison entre muréine et membrane externe :
- La lipoprotéine de Braun est une protéine clé qui “colle” la membrane externe à la couche de muréine, assurant la cohésion et la stabilité de l’enveloppe bactérienne.
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Exemple de protéines membranaires citées :
- OmpA (structure)
- BtuB, FhuA (transport spécifique)
- OmpF, OmpC (porines, transport non spécifique)
- TolA (sécrétion)
- LamB (transport spécifique)
Définition et localisation du périplasme
Le périplasme est un espace aqueux situé entre la membrane cytoplasmique interne (membrane cellulaire) et la membrane externe des bactéries à Gram négatif. Cet espace représente environ 20 à 40 % du volume cellulaire et a une consistance de gel.
Composition du périplasme
Il contient plusieurs éléments essentiels au fonctionnement de la bactérie :
- La muréine (peptidoglycane) : forme une structure qui confère rigidité et protection.
- Glucanes périplasmiques osmorégulés : ce sont des oligomères de glucose présents en quantité importante (1 à 7 %). Ces glucanes jouent un rôle dans la perception du milieu extérieur et la modulation de systèmes de perception, influençant indirectement l’expression génique.
- Diverses protéines :
- Protéines facilitant la nutrition, par exemple des protéines affines solubles pour le transport d’acides aminés, sucres, vitamines, ions.
- Protéines de dégradation, comme des phosphatases (acides et alcalines), protéases, nucléases, et glycosidases, qui permettent la dégradation de macromolécules pour la nutrition.
- Protéines de détoxication, notamment des β-lactamases qui dégradent certains antibiotiques.
- Protéines nécessaires au transport des constituants de l’enveloppe comme le LPS (lipopolysaccharide) et la muréine.
- Protéines impliquées dans la défense contre les stress (exposition à des agents toxiques, variations du milieu).
Le périplasme chez les bactéries à Gram positif :
Les bactéries à Gram positif ont une épaisse couche de muréine, ce qui limite fortement la pénétration des macromolécules dans un espace périplasmique comme celui des Gram négatifs.
- Elles sécrètent néanmoins des protéines, mais ces protéines forment un gradient de concentration, étant plus concentrées près de la membrane cellulaire et diminuant vers l’extérieur, en raison de la diffusion progressive vers le milieu extracellulaire.
- Ce compartiment est parfois appelé « pseudo-périplasme » car il ne correspond pas à un espace bien délimité comme chez les Gram négatifs.
Rôles principaux du périplasme
- Nutrition : facilite l’acquisition et la dégradation de nutriments pour la cellule.
- Protection : contient des enzymes de détoxication et des protéines de défense.
- Perception et adaptation : les glucanes périplasmiques participent à la perception de l’environnement et à la modulation des réponses cellulaires.
- Transport et assemblage : lieu de transit pour l’assemblage et le transport des composants de l’enveloppe bactérienne.
Ainsi, le périplasme est un compartiment clé dans la physiologie des bactéries à Gram négatif, jouant un rôle central dans la nutrition, la protection et la communication avec l’environnement.
La couche S
- C’est une couche protéique cristalline située au-dessus de l’enveloppe bactérienne, présente aussi bien chez les bactéries à Gram positif que Gram négatif.
- Elle est généralement constituée d’une seule protéine ou d’une glycoprotéine formant un réseau ordonné.
- Son rôle principal est protecteur, mais il est encore peu connu. Elle peut aussi contribuer à la virulence de certaines bactéries pathogènes, par exemple Bacillus anthracis (agent du charbon).
- Elle sert aussi à protéger la bactérie contre les agressions extérieures (ex. enzymes, phagocytose).
La capsule (Pages 91-92)
- La capsule est une structure souvent polysaccharidique (des polymères de sucres), parfois peptidique (comme le polyglutamate).
- Elle peut être un homopolymère (un seul type de sucre) ou un hétéropolymère (plusieurs types de sucres).
- Sa présence peut être conditionnelle, dépendant des conditions de croissance de la bactérie.
- Visuellement, elle apparaît comme une couche muqueuse et gluante autour de la cellule.
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Rôles principaux :
- Protection contre la phagocytose (exemple : Streptococcus pneumoniae).
- Protection contre les radicaux libres et la dessiccation (sécheresse).
- Participation à la structuration des biofilms, ce qui favorise l’adhésion et la survie dans des environnements variés.
- Facteur de virulence important, notamment par son rôle dans le biofilm et la résistance aux défenses immunitaires. Par exemple, Pseudomonas aeruginosa utilise la capsule pour former des biofilms résistants.
Les flagelles (Pages 93-94)
- Ce sont des organites de locomotion très complexes permettant à la bactérie de se déplacer.
- Leur structure comprend :
- Un filament hélicoïdal (composé de flagelline, une protéine glycosylée) qui est reconnu par le système immunitaire. Le filament mesure environ 5 à 10 μm.
- Un crochet (~80 nm) qui fait la jonction entre le filament et le corps basal.
- Un corps basal complexe (>15 protéines), avec des disques qui diffèrent selon Gram+ (2 disques) ou Gram- (4 disques).
- Un moteur rotatif alimenté par la force protomotrice (environ 1000 protons par tour), consommant moins de 1 % de l’énergie cellulaire totale.
- Le mouvement produit est une rotation (contrairement aux cils eucaryotes qui ondulent).
- Le flagelle joue aussi un rôle dans la virulence, en facilitant la mobilité vers des sites favorables à l’infection.
Différents types de flagelles (Page 94)
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Vibrio cholerae : flagelle polaire simple.
- Helicobacter pylori : flagelles polaires multiples.
- Escherichia coli : flagelles péritriches (sur toute la surface).
- Borrelia burgdorferi : flagelles internes (endoflagelles).
- Proteus vulgaris : flagelles péritriches.
Les pilis (Pages 95-96)
- Ce sont des structures filamenteuses plus courtes que les flagelles (0,2 à 2 μm), parfois présentes en grand nombre (100 à 300 par cellule).
- Leur fonction principale est l’adhésion aux surfaces, qu’elles soient biotiques (cellules hôtes) ou abiotiques (matériaux).
- Certains pilis participent aussi au transfert d’ADN entre bactéries (ex. pilis sexuels).
- Deux types principaux :
- Type I : ancrage dans la membrane externe (Gram négatif).
- Type IV : ancrage dans la membrane cellulaire.
- Structure : polymérisation d’une protéine majeure appelée piline.
- Souvent coiffés par une deuxième piline responsable de l’adhésion (adhésine).
- Les pilines peuvent être glycosylées et ont des structures antigéniques, ce qui signifie qu’elles sont reconnues par le système immunitaire et peuvent varier entre souches.
Agents délétères exogènes : définition et types
Ce sont des éléments externes qui peuvent tuer ou inhiber les bactéries. Ils incluent :
- Antibiotiques : souvent non spécifiques, agissent sur différentes cibles bactériennes.
- Peptides antimicrobiens : peptides létaux produits par des organismes, souvent non spécifiques.
- Bactériophages : virus qui infectent spécifiquement les bactéries.
- Bactériocines : protéines synthétisées par certaines bactéries pour tuer d’autres bactéries proches.
Les bactériophages et les bactériocines partagent une caractéristique importante : ils nécessitent une reconnaissance spécifique de récepteurs situés à la surface bactérienne, ce qui rend leur action souvent spécifique à une espèce ou une souche bactérienne [[97]].
Nature et structure des bactériophages
- Petites tailles (20 à 300 nm).
- Possèdent une tête (capside) protéique souvent icosaédrique contenant l’acide nucléique (ADN ou ARN, simple ou double brin, linéaire ou circulaire).
- Certains ont une queue (contractile ou non) utilisée pour injecter le matériel génétique dans la bactérie [[99]-[100]].
Spectre d’hôte et reconnaissance des bactériophages
- Chaque bactérie est sensible à un ensemble spécifique de phages, ce qu’on appelle le spectre d’hôte.
- La reconnaissance se fait via des récepteurs précis à la surface bactérienne, souvent des protéines ou des composés de l’enveloppe.
- Exemples de récepteurs chez E. coli utilisés par différents phages :
- LPS (lipopolysaccharide) pour phages fX174, P1
- BtuB (transport vitamine B12) pour phage BF23
- FhuA (transport ferrichrome) pour phage T5
- LamB (transport maltose) pour phage λ
- Pili sexuels pour phage M13 [[101]].
Types de phages
-
Phages lytique : entrent dans la cellule, multiplient rapidement, provoquent la lyse bactérienne et libèrent de nouveaux phages. Exemples : T1, T2, T4.
- Phages tempérés : peuvent choisir entre un cycle lytique ou s’intégrer au génome bactérien (lysogénie), restant dormants et se répliquant avec l’hôte jusqu’à activation ultérieure. Exemple : phage λ [[102]].
Cycle d’infection
- Phases de déclin, d’éclipse (période où les phages sont à l’intérieur mais pas encore formés), puis phase explosive (libération de nouveaux phages).
- Ces étapes sont étudiées par des expériences mesurant le nombre de phages libres dans le milieu [[103]-[106]].
Phagothérapie
- Utilisation médicale des phages pour traiter des infections bactériennes, une alternative ou un complément aux antibiotiques.
- Historique remontant à Félix d’Hérelle en 1917.
- Utilisée largement en Europe de l’Est (ex. Tbilissi).
- Actuellement en développement pour surmonter la résistance aux antibiotiques [[107]-[109]].
Définition des bactériocines
- Protéines produites par des bactéries pour tuer d’autres bactéries concurrentes dans leur environnement (compétition écologique).
- Masse généralement entre 50 et 80 kDa [[110]].
- Exemple typique : les colicines produites par E. coli pour tuer d’autres E. coli.
-
Modes d’action principaux :
- Formation de canaux ioniques dans la membrane (perte du potentiel de membrane, mort cellulaire).
- Endonucléases qui coupent le chromosome bactérien.
- Endoribonucléases qui dégradent l’ARN ribosomique ou certains ARNt.
- Inhibition de la synthèse du peptidoglycane et de l’antigène O.
- Induction de lyse cellulaire [[110]].
Synthèse et immunité envers les bactériocines
- Les bactériocines sont codées par des gènes plasmidiques.
- Ces plasmides portent aussi un gène codant une protéine d’immunité protégeant la bactérie productrice contre sa propre bactériocine [[110]].
Reconnaissance des récepteurs par les bactériocines
- Comme les phages, les bactériocines reconnaissent des récepteurs spécifiques à la surface bactérienne, souvent les mêmes que ceux utilisés par les phages.
- Exemples de récepteurs colicine chez E. coli :
- BtuB (transport vitamine B12) pour ColA, E1-E9
- FepA (transport fer) pour ColB, D
- FhuA (transport fer) pour ColM
- Cir (transport fer) pour ColIa, Ib
- OmpF (porine) pour ColN
- Tsx (transport nucléosides) pour ColK, 5, 10 [[112]].
- Exemples de récepteurs colicine chez E. coli :
- La reconnaissance spécifique limite l’effet des bactériocines à certaines espèces ou souches, ce qui est un avantage compétitif dans la lutte pour la niche écologique [[97], [112]].
