Documents tirés de "Biologie", de Neil Campbell

« Le nombre de bactéries contenues dans une poignée de terre dépasse le nombre total d’Humains ayant jamais vécu… »

chapitre 2520200422

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Capture d’écran 2020-04-27 à 06

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 Les procaryotes et l’origine de la diversité des métabolismes

« Le nombre de bactéries contenues dans une poignée de terre dépasse le nombre total d’Humains ayant jamais vécu… »

Comment peut-on expliquer ce succès évolutif?

Figure 25-1 : Photographie d’une pointe d’aiguille au MEB

Introduction : = Le règne de Monères=> bactéries.

  • Les premiers, les plus nombreux, les plus petits (=procaryote), les plus présents.
  • Discrétion à part quand il y a maladie : la moitié des maladies humaines.
  • Rôle écologique indispensable : cycle de l'azote.
  • Ils survivraient à l’extinction des 4 autres règnes, mais pas l’inverse.
  • Théorie endosymbiotique : l'origine des eucaryotes.

1-Structure et fonction des procaryotes :

Morphologie : du grec « monêrês » = simple. Unicellulaire, bicellulaire ou colonie. Pluricellulaire avec partage des tâches ; Cocci, bacilles, spirilles

Figure 25-2 : la diversité des formes dans le règne des monères

 Surface cellulaire : paroi et membrane ;

  • Protection mécanique ; résistance en milieu hypotonique mais pas hypertonique (=plasmolyse) d’où l’utilisation du sel pour conserver la viande ;
  • Analogue de la paroi des végétaux, mais pas homologue car composition moléculaire totalement différente ;
  • Peptidoglycane Vs cellulose ; = polymère de glucides modifiés reliés transversalement par de courts polypeptides => réseau moléculaire unique protecteur et isolant ;
  • Les bactéries Gram négatifs sont les plus pathogènes car la membrane externe possède des Lipopolysaccharides (=Ag) souvent toxiques et cette membrane protège mieux en général, des antibiotiques en particulier ;
  • Mode d’action de la pénicilline : inhibition de la formation des ponts peptidiques ;
  • Capsule : substance adhésive gélatineuse ;
  • Pili : appendices permettant de se fixer aux surfaces.

Figure 25-3 : Micrographie de bactéries à pili

Technique : la coloration de Gram :  

  • Colorant violet et de l’iode puis rinçage alcool puis colorant rouge ;
  • Gram positif= retient la coloration=peptidoglycane en surface ;
  • Gram négatif= membrane externe recouvrant les peptidoglycanes ;

 Mobilité : la moitié des bactéries ;

  • Comme un tire-bouchon pour les spirochètes, idéal dans les milieux visqueux ;
  • Par alternance de culbutes et courses pour les salmonelles ;
  • Milieu homogène=errements ou milieu hétérogène : locomotion orientée soit pas la lumière, soit par les molécules présentes dans le milieu ;

Figure 25-4 : schéma et micrographie du fonctionnement d’un flagelle procaryote

Figure 25-5 : schéma et micrographies de la locomotion orientée de la Salmonelle

 Membranes internes :

  • régions invaginées de la membrane plasmique
  • membranes respiratoires
  • membranes tylakoïdiennes

Figure 25-6 : 2 micrographies des membranes spécialisées des procaryotes

 Génome : mille fois moins que les eucaryotes ;

  • Pas de noyau ;
  • Région nucléoïde= enchevêtrement de fibres, double brin d’ADN en forme d’anneau ;
  • Peu de protéines associées ;
  • Plasmide = anneaux d’ADN beaucoup plus petits, résistance aux antibiotiques, métabolisme de molécules inhabituelles, conjugaison= échange de plasmides, réplication autonome ;
  • Ribosomes plus petits du coup tétracyclines et Chloramphénicol s’y fixent bloquant la synthèse des protéines ;
  • Idéal pour la recherche en génie génétique car les bactéries absorbent l’ADN étranger dissous dans le milieu environnant.

 Croissance :  progression exponentielle en milieu favorable ;

  • Tg : 1 à 3h => obtention de colonies ;
  • Optimum de croissance selon les bactéries ;
  • Endospores : forme de résistance => une copie du chromosome est emballée, le reste de la cellule se désintègre ; stérilisation (120°C) = tuer les endospores ;
  • Durée de vie:11 000 ans dans l’intestin d’un Mastodonte sans endospore, juste par multiplication lente ;
  • Milieux naturels : production d’antibiotiques pour se faire concurrence ;

Figure 25-7 : photographie d’une culture de colonies bactériennes

 Reproduction :

  • Ni mitose, ni méiose ; donc reproduction asexuée uniquement par scissiparité ;
  • Synthèse d’ADN continue
  • Échange génétique (expérience historique) : 3 mécanismes de recombinaison génétique :

             1-Conjugaison qui permet d’échanger des gènes directement,
             2-Transduction par l’intermédiaire d’un virus ; mais cette recombinaison est unilatérale ; du coup,    c’est la mutation qui est source de variation ;
             3-Transformation en puisant des gènes dans le milieu,

 Diversité métabolique :

  • Nutrition en énergie et en carbone ;
  • Plus grandes chez les monères que chez tous les eucaryotes réunis ;
  • Les photoautotrophes (=cyanobactéries, autonome en énergie et en carbone) ;
  • Les photohétérotrophes (besoin de carbone organique, ne savent pas fixer le carbone minéral) ;
  • Les chimioautotrophes (H2S ou NH3 ammoniac, comme source d’énergie) ;
  • Les chimiohétérotrophes (très répandu =>monère, protiste, mycètes, animaux)
  • Les saprophytes capables de métaboliser le pétrole ;
  • Les anaérobies facultatifs ; les stricts ;
  • Les aérobies stricts ; métabolisme de l’azote ; les cyanobactéries capables de fixer l’azote l’atmosphérique sont les organismes les plus autonomes de la planète.

 

2-Diversité des procaryotes : 10 000 espèces
  • Phylogénie délicate, basée sur la comparaison de l’ARN ribosomique ;

Figure 25-8 : photographie de marais salants aux couleurs rouges lorsque la saliné dépasse les 15%

 

Les archaebactéries:

  • =pas de peptidoglycane ;
  • milieux extrêmes (source hydrothermale) ;
  • lipides membranaires à part ;
  • Bactéries méthanogènes : réduisent le CO2 grâce au H2, donc anaérobie strict, marécages et marais formant le gaz des marais, traitement des eaux usées, digestion de la cellulose chez le bétail et les termites ;
  • Bactéries halophiles extrêmes : Gd lac salé des États-Unis et Mer morte, bactériorhodopsine, pigment photosynthétique rouge colorant le milieu, inoffensives ;
  • Bactéries thermoacidophiles : milieu chaud et acide ! Yellowstone ; Sulfolobus : oxydation du soufre. L’ADN polymérase et une protéine ribosomique ressemblent à celles des eucaryotes d’où leur rapprochement sur la figure suivante.

 

Figure 25-9 : schéma d’une nouvelle taxinomie des êtres vivants en 3 domaines : les eubactéries, les archaebactéries, les eucaryotes (dans cet ordre)

Les eubactéries :

  • Les actinomycètes : Streptomyces en photo déchets organiques du sol ; ressemblent à des mycètes ; tuberculose et lèpre ;
  • Les bactéries chimioautotrophe (Nitrobacter et Nitrosomonas) : utilisation de l’ammoniac, du nitrate, du sulfure d’hydrogène, du soufre et du fer comme énergie pour lier les molécules de CO;sols aérés donc car l’accepteur final d’électrons est le dioxygène.
  • Les cyanobactéries : comparable aux végétaux ; Chroococcus, Anabaena (en photo) Nostoc,
  • Sprirulina ; phycobiline, pigment bleu-brun
  • Les bactéries à endospores (botulisme)
  • Les entérobactéries (E. coli, salmonelle)
  • Les myxoplasmes (petites pathogène sans paroi)
  • Les myxobactéries (bactéries du sol ; appareil sporifère colorés si sec ; humide= relâchement des spores);
  • Les bactéries aérobies fixatrices d’azote (= azotobacter et rhizobium ; mutualistes à l’air libre comme symbiotique, nodosités)
  • Les bactéries anaérobies phototrophes donc autotrophes (Rhodospirullum ; réduction du H2S et donc pas de libération d’O; sédiments étangs, lacs océans ; bactéries pourpres et vertes sulfureuses) ;
  • Les Pseudomonas (aquatique et terrestre ; Ammonium NO3­­- => Azote atmosphérique) ;
  • Les rickettsies et Chlamydias (parasites intracellulaires obligatoires des animaux : humains ou oiseaux) ; typhus et urétrite, 1ère MST aux USA.
  • Les Spirochètes : borrelia=>maladie de Lyme, leptospira=>leptospirose, tréponèmes=>syphilis ; tire-bouchon en rotation ; saprophytes et parasite)

 

3-Origine de leur diversité métabolique :

 

Origine de la glycolyse : Seule voie commune à tous les êtres vivants ;

  • Rôle universel de l’ATP comme monnaie énergétique
  • Terre primitive sans O2 mais riche en molécules organiques libres formées dans les mers par synthèse abiotique ; donc la glycolyse est associée à de la fermentation ;
  • Archaebactéries des marais ? 3,5 Ga ;

Figure 24-5 : Synthèse in-vitro de molécules organiques par voie abiotiques (Miller et Urey)

 

Origine des chaines de transport d’électrons et de la chimiosmose :

  • 1ere crise énergétique (= choc pétrolier des bactéries !): l'ATP a été consommé dans sa totalité, il faut le régénérer.
  • Régénération de la molécule d'ATP => 5 règnes du vivant: donc forme d'énergie la plus ancienne.
  • le transport d’è permet d’expulser des protons créant un gradient de protons (donc d'énergie) dont le retour permet la phosphorylation de l’ADP= respiration anaérobie=> donc chimiohétérotrophe.
  • Pseudomonas.

Figure 25-10 : 3 étapes conduisant au couplage d’une chaine de transport d’è et d’une pompe à protons pour régénérer de l’ATP à partir d’ADP

 

Origine de la photosynthèse :

  • 2e choc énergétique lorsque les bactéries fermentaires ont consommé les nutriments plus rapidement qu’ils n’étaient produits ;
  • du coup celui qui savait fabriquer ses propres molécules organiques était avantagé: début de l' autotrophie.
  • absorption des UV dommageable pour les cellules (mais c'est une nouvelle source d'énergie)
  • couplage de ces pigments chargés en énergie à des systèmes de transport d’è pour alimenter la synthèse d’ATP (cas de la bactériorhodopsine) ; origine de la photoautotrophie
  • Autre modèle : capter la lumière pour créer du pouvoir réducteur (NADP+) servant à fixer du CO2
  • cas des bactéries vertes et pourpres sulfureuses scindant le H2S plutôt que l’H2O, donc pas de production d’O2.

Figure 8-21 : études des bactéries halophiles comme modèle de conversion de l’énergie solaire

 

Origine de la respiration cellulaire aérobie :

  • Passer de H2S à H2O était un excellent avantage => prospérité des cyanobactéries ;
  • 2,5 Ga (récent) ; O2 comme sous-produit = changement de la face du monde !
  • Stromatolithe : formation de fer rubané ; puis mers saturées en O=> diffusion atmosphérique ;
  • Nouvelle crise : le dioxygène s’attaque aux liaisons des molécules organiques=atmosphère corrosive
  • => extinction massive !
  • Début de la respiration aérobie par recyclage de chaines de transport d’è issues de la photosynthèse ;
  • ce sont des bactéries pourpres non-sulfureuses=hybride photosynthèse-respiration

Figure 24-4 : 3 photos de tapis bactériens et Stromatolithe en Basse-Californie (Lynn Margulis)

 

4-Importance des procaryotes :

Cycles biogéochimiques :

  • les atomes qui composent notre corps proviennent du sol, de l’air, de l’eau et y retourneront ;
  • décomposeurs permettant un retour de l’azote et du carbone de l’organique à l’inorganique ;
  • cyanobactéries : voie d’entrée de l’azote atmosphérique dans les écosystèmes + émission O;

Figure 49-12 : schéma du cycle de l’azote (fixation/ammonification/nitrification/dénitrification)

 

Bactéries symbiotiques :

  • E.coli ; la digestion de la cellulose par les bactéries méthanogènes ;
  • fixation d’azote atmosphérique, nodosités des légumineuses ;
  • bactéries de la flore vaginale : maintien du pH acide et lutte contre les champignons ;

 

Maladies : la moitié des maladies humaines ;

  • La pneumonie : Streptomyces pneumoniae vit dans la gorge des gens bien-portants puis prolifère et donne une pneumonie si faiblesse de l’hôte ;
  • Postulats de Koch :

              - Bactéries responsables du charbon (?) ;

             1-trouver l’agent pathogène chez des individus malades ;

             2-isoler le même agent ;

             3-provoquer la maladie chez des animaux ;

             4-isoler le même agent ;

  • La syphilis, Treponema pallidum, incultivable ;
  • La maladie de Lyme, spirochète Borrelia burgdorferi, incultivable ;
  • Le typhus : les rickettsies ;
  • L’urétrite à inclusion : 1ère MST aux USA, causée par une chlamydia
  • La tuberculose : Mycobacterium tuberculosis et
  • La lèpre, Mycobacterium leprae => actinomycètes ;
  • Le choléra : Vibrio cholerae ; exotoxine ; diarrhée violente ;
  • La Turista : exotoxines de E.coli étrangère du résident
  • La fièvre typhoïde : Salmonella typhi, endotoxine ;
  • Les Toxines :

              - ce sont elles qui rendent malade ;

              - exotoxine=> maladie spécifique ; du botulisme (poison puissant) et

              - endotoxines : non sécrétées, membrane externe Gram négatif, symptômes généraux ;

  • Mesures sanitaires :

              - réduction de la mortalité infantile et augmentation de l’espérance de vie ;

              - antibiotiques fabriqués pour moitié à partie des bactéries ;

              - déclin des maladies bactériennes

             => politique de santé publique plus que médicaments miracles

 

Exploitation des bactéries :

  • Pharmacie : E.coli, production d’acétone, de butanol ; solutions antiseptiques ; vitamines, antibiotiques ;
  • Les méthanogènes et traitement des eaux usées ;
  • Pseudomonas et décomposition des pesticides ;
  • Conversion lait en yogourt ;
  • Génie génétique (voir le chapitre 9)

 

Conclusion :

  • Terre primitive habitée par les procaryotes
  • Nutrition et métabolismes variés et évolués
  • Puis émergence de cellules eucaryotes

 

chapitre 2520200423 copie 3

chapitre 2520200423

chapitre 2520200423 copie

chapitre 2520200423 copie 2