[PDF] Cours de Microbiologie générale L2 Ecologie et environnement

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Cours de Microbiologie générale

L2 Ecologie et environnement - Hydrobiologie marine et continentale

Réalisé par Mme LADAIMIA.S

CHAPITRE I : LE MONDE MICROBIEN

1. Introduction

La microbiologie est une discipline qui étudie les micro-organismes et leurs relations avec

l'environnement. Les microorganismes aussi appelés protistes, sont des organismes vivants de taille microscopique vivant en milieux aquatiques et terrestres, où ils assurent principalement la décomposition des substances organiques mortes. Parmi eux, on trouve ceux qui sont

responsables de maladies, ceux qui sont bénéfiques et d'autres qui sont inoffensifs. Les

microorganismes, découverts bien après les plantes et les animaux, se caractérisent par leur très

grande diversité (plus de 500 000 espèces) et leur mode de vie. La microbiologie étudie les microorganismes sous tous leurs aspects: leurs caractéristiques et

habitats, les relations existant entre eux et avec les animaux et végétaux, leur importance pour

notre santé, l'environnement et l'industrie. Selon les groupes microbiens étudiés, on distingue la mycologie (champignons), la phycologie

(algues), la parasitologie (parasites), la virologie (virus) et la bactériologie (bactéries).

Toutefois, les virus (microorganismes particuliers) possèdent un seul type d'acide nucléique (ADN ou ARN) et ne peuvent se multiplier qu'à l'intérieur des cellules qu'ils infectent.

2. Historique

Au début du 18ème siècle, Antonie van Leeuwenhoek fut le premier à observer des "

animalcules » grâce à des microscopes de sa fabrication (Fig.1). Il fallut cependant attendre

200 ans pour que la microbiologie connaisse un réel essor, amorcé avec les travaux fondateurs

de Louis Pasteur et Robert Koch.

En une quarantaine d'années, d'incroyables progrès conceptuels et techniques seront réalisés.

L'étude des bactéries pathogènes conduit à l'invalidation de la théorie de la génération

spontanée, la conception des premiers vaccins, la mise en évidence des antibiotiques et des processus de fermentation. Un peu plus tard, Martinus Beijerinck et Sergei Winograsky démontrent l'existence de métabolismes variés. Leurs travaux sur les bactéries du sol et de l'eau ouvrent la voie de l'écologie microbienne,

A partir des années 50, après la découverte de la structure de l'ADN par James Watson, Francis

Crick et Rosalind Franklin, le développement des outils de la biologie moléculaire va véritablement révolutionner notre vision du monde bactérien. Les progrès de la génétique moléculaire et de la biochimie donnent une image complexe de

la cellule bactérienne, avec des processus métaboliques extrêmement variés, précis et

parfaitement régulés. Les études de taxonomie ont également progressé de façon spectaculaire

grâce à la rapidité avec laquelle on peut maintenant accéder à la séquence d'un acide

nucléique. En 1977, Carl Woese et George Fox développent les théories et les outils de

la phylogénie moléculaire pour étudier les processus de l'évolution. C'est grâce à ces études

que l'arbre universel de la vie, avec les trois règnes du vivant, les Archaea, les Bacteria et les

Eukarya, a été construit. Ces outils sont utilisés à l'heure actuelle en écologie microbienne pour

décrire les nouvelles espèces et étudier la structure des populations bactériennes dans

l'environnement.

Fig. 1 : Antonie van Leeuwenhoek

3. Place des microorganismes dans le monde.

Bien avant, les êtres vivants étaient classés dans le règne des végétaux ou dans le règne des

animaux.

La découverte des microorganismes a rendu difficile leur classement à cause de leurs caractères

Un troisième règne, protiste, est alors proposé par Haeck en 1886. Il rassemble les algues, les

protozoaires, les champignons et les bactéries. Les Archéobactéries, découvertes récemment,

Les microorganismes représentent la forme dominante de la vie sur terre.Les microbes ont de vie. Les microbes représentent plus de 60% de toute la matière organique sur terre.

4. Les protistes

4.1. Structure et reproduction :

Les protistes sont définis par des propriétés communes et spécifiques : leur taille microscopique,

leur organisation simple et unicellulaire pour la plus part. Si pluricellulaires, alors leurs cellules

sont équivalentes, sans aucune différence morphologique, physiologique ou fonctionnelle. Les

protistes ont une taille plus réduites que celles des cellules animales et végétales. Leur taille

réduite les confère des avantages physiologiques. Les protistes et en particulier les bactéries ont

des modes de reproduction simples, spécifiques et rapides (temps de génération courts). *Escherichia coli par exemple, se reproduit par simple division binaire en 20 minutes. Cela se produit bien sûr en conditions optimales de culture en laboratoire. Ces taux de croissance exceptionnels induisent des rendements de croissances incomparables.

4.2. Métabolisme et écologie :

Les microorganismes ont une propriété fondamentale qui est la diversité de leur métabolisme.

Chaque micro-organisme est spécifiquement adap

moins limité de substrats. Ce qui explique leur distribution en fonction des caractéristiques nutritionnelles et physicochimiques du milieu. Les microorganismes peuvent métaboliser toutes les substances organiques naturelles et même synthétiques. Ce processus constitue la

minéralisation de la matière vivante et le recyclage des éléments chimiques qui forment la

en présence de leurs substrats spécifiques. Les micro-organismes sont ubiquitaires, ils sont présent dans tous les écosystèmes, on les retrouve dans les mers et les océans, ils constituent la biomasse (base du 1er échelon de la chaine alimentaire) qui nour la minéralisation de la matière organique. Les micro-organismes participent activement aux

é2, H2,

N2 CO2, CH4

utiles à notre bien-être digestif, elles nous procurent les enzymes nécessaires à la digestion de

-organismes dangereux colonisent le tube digestif et nous rendent malades.

4.3. Organisation biologique des protistes

4.3.1. Protistes unicellulaires

la plus part des protistes, bactéries, protozoaires, levures et de nombreuses algues. Une cellule unique qui se suffit à elle-même et qui constitue un organisme complet et autonome, donc doué de toutes les fonctions de la vie : nutrition, croissance et reproduction (Fig. 2).

Fig.2 : Protistes unicellulaires

4.3.2. Protistes pluricellulaires

Ce sont principalement des champignons (Fungi) et des algues formés de plusieurs cellules identiques, sans aucune différence structurale ou physiologique (Fig.3).

Fig. 3 : Protistes pluricellulaire.

4.3.3. Protistes coenocytiques

nombreux noyaux sans cloisonnement (septum) entre eux. Ils sont majoritairement aquatiques, parasites ou saprophytes. Ce sont les seuls membres des champignons possédant le caractère de la mobilité (Fig. 4).

Fig. 4: Protistes coenocytiques

CHAPITRE II : LA CELLULE BACTERIENNE

1. Généralités :

La cellule bactérienne est un microorganisme procaryote unicellulaire simple, de morphologie variable et de très petite taille, présentant des caractéristiques propres: Le matériel génétique (ADN) est libre dans le cytoplasme.

Sa taille : varie entre 1 et ȝ

L

Lndries.

méiose).

Compte tenu de leur taille (de l'ordre du micron), les bactéries sont visualisées au microscope

optique sans coloration (état frais) ou après coloration (état coloré). colorants. : Observation des frottis séchés, fixés et colorées. Diverses

techniques de coloration existent, mettant en évidence des affinités tinctoriales différentes telle

la coloration de Gram, coloration de Ziehl-Nielsen.

3. Différentes tailles et formes et bactériennes

Au sein du monde bactérien, la taille et la forme sont très variable.

ȝ et les plus longues peuvent

ȝentre

On distingue plusieurs formes :

Des formes sphériques (coques ou cocci).

Des formes cylindriques sous forme de bâtonnet droit ou bacille (allongée) Exp : E.coli,

Salmonella, Bacillus.

Des formes spiralées ; les spirochètes.

Certains bacilles peuvent être incurvés comme le Vibrio cholerae.

Les bactéries sont en général groupées entre elles selon des modes de groupement spécifiques.

Chez les coques, on peut distinguer les diplocoques (paires), les streptocoques (en chaînes), les staphylocoques (en amas, sous forme de grappes de raisin) ou les tétrades (sarcines). Les bacilles se présentent soit en paires soit en chaînes (streptobacilles). Le mode de groupement est déterminé par le mode de division; il peut aider dans l'orientation de l'identification des bactéries. Fig.1 : différentes formes et associations bactériennes.

4. Structure de la cellule bactérienne :

Chez les bactéries, on distingue des structures obligatoires, présentes chez toutes les bactéries

et des structures dont la présence est facultative et caractérisent certains groupes bactériens

(Fig.2).

Concernant les structures obligatoires, on trouve le cytoplasme, généralement constitué d'un

hyaloplasme où baignent essentiellement des ribosomes et parfois des éléments appareil nucléaire diffus non entouré par une membrane. La membrane cytoplasmique qui entoure le cytoplasme possède deux feuillets phospholipidiques contenant des protéines. Au-dessus de la membrane cytoplasmique, on trouve la paroi qui forme une enveloppe rigide. Les structures facultatives, quant à elles, peuvent être des polymères de surface comme la capsule, des appendices comme les flagelles et les pili ou des structures génétiques comme les plasmides (molécules d'ADN extrachromosomiques). Les endospores caractérisent quelques genres bactériens (Bacillus et Clostridium). Fig.2 : Représentation schématique montrant les différentes structures bactériennes

1. La paroi bactérienne :

enveloppe rigide assurant l'intégrité de la bactérie, responsable de la forme des

cellules. Elle constitue le squelette externe de la bactérie et représente environ 30 % du poids

total de la bactérie. La partie commune de toutes les parois bactériennes est le peptidoglycane

(ou muréine). Elle est mise en évidence par la coloration de Gram.

La Coloration de Gram

En 1884, le médecin danois, Christian Gram a fait la distinction entre deux types de bactéries:

Les bactéries à Gram positif (Gram +) et les bactéries à Gram négatif (Gram -). Ceci a été possible après avoir coloré un frottis bactérien comme suit:

1. Coloration des bactéries par le violet de Gentiane

2. Addition d'une solution de lugol (solution iodo-iodurée, de mordançage)

3. Traitement par l'alcool ou un mélange alcool + acétone.

Après la troisième étape, certaines bactéries restent colorées en violet, elles sont dites Gram+

d'autres se décolorent, elles sont dites Gram-. Ceci montre donc qu'il existe des différences structurelles et/ou chimiques entre ces deux types de bactéries.

Pour pouvoir bien observer les bactéries décolorées, on utilise un deuxième colorant, la

fuchsine de couleur rosâtre. Les bactéries à Gram+ gardent leur coloration violette alors que

les Gram- prennent une nouvelle coloration celle de la fuchsine et apparaissent ainsi de couleur rose (figure 2).

Fig. 3 : Observation

Gram - (roses).

Protoplastes et sphéroplastes

- Des bactéries à Gram positif colorées en violet et traitées par le lysozyme qui attaque le

peptidoglycane de la paroi; ceci a pour résultat l'obtention de formes cellulaires dépourvues de

paroi, appelées protoplastes. Pour éviter que les protoplastes éclatent, il faut travailler dans

un milieu légèrement hypertonique (addition de saccharose).

- Les bactéries à Gram négatif, traitées par le lysozyme, produisent des formes cellulaires qui

gardent une partie de leur paroi; elles sont appelées sphéroplastes. Les protoplastes gardent leur coloration violette ce qui montre que la coloration a lieu au niveau du cytoplasme. Quand on traite ces protoplastes par l'alcool, ils se décolorent; ceci prouve que

c'est la paroi qui empêche les bactéries à Gram positif de se décolorer. La paroi des Gram

négatives, par contre, est perméable à l'alcool.

Ces expériences montrent clairement que la différence de comportement des bactéries vis à vis

de la coloration de Gram est due à des différences entre la paroi Gram+ et la paroi Gram-. Fig.4 : Structure de protoplaste (a) et de sphéroplastes (b). Le microscope électronique et le développement des techniques d'analyse biochimiques ont permis de bien élucider les différences structurales et de composition chimique existant entre la paroi G+ et la paroi G-. (Tab. 1). La paroi des bactéries Gram- est riche en lipides (tableau 1), ce qui la rend perméable à est imperméable à et le cytoplasme reste coloré en violet. Tab1 : Comparaison entre parois des bactéries à Gram positif et à Gram négatifs.

Structure de la paroi

L'un des constituants essentiels qui caractérisent les parois bactériennes est le peptidoglycane

ou la muréine (mucopeptide). Il s'agit d'un hétéropolymère complexe formé de 3 éléments

différents :

1. une structure composée d'une alternance de molécules de N-acétyl glucosamine et d'acide N-

acétyl muramique.

2. des chaînes latérales peptidiques, composées de 4 acides aminés et attachées à l'acide N-

acétyl muramique ;

3. un ensemble de ponts inter-peptidiques.

Dans le monde bactérien, on rencontre essentiellement deux types de paroi :

1- Paroi épaisse et dense:

Elle est constituée essentiellement de muréine, pouvant représenter jusqu'à 90 % des

constituants de la paroi bactérienne, à laquelle sont associés des acides téichoïques. Cette

structure caractérise la paroi des bactéries à Gram+ (figure 7). Fig. 5 : Composition de la paroi des bactéries à Gram positif. Fig. 6 : Paroi des bactéries à Gram positif vue au microscope électronique.

2. Paroi fine et lâche :

Elle caractérise les bactéries à Gram négatif. Elle a une structure relativement complexe

constituée d'une fine couche de mucopeptide à structure lâche (5 à 20 % des constituants de la

paroi bactérienne) recouverte à l'extérieur d'une membrane externe.

Cette paroi est séparée de la membrane cytoplasmique par un espace dit espace périplasmique.

La membrane externe est constituée de lipides (phospholipides et lipopolysaccharides) organisés en deux couches hydrophiles séparées par une couche hydrophobe.

Dans l'épaisseur de cette membrane sont associées des protéines, qui peuvent être des protéines

de structure ou des porines qui permettent le passage de petites molécules telles que les antibiotiques. Les lipopolysaccharides les plus externes portent les antigènes O des bactéries et constituent l'endotoxine des bactéries. Fig. 7 : Composition de la paroi des bactéries à Gram négatif. Fig. 8 : Paroi des bactéries à Gram négatif vue au microscope électronique.

2. Membrane plasmique

Composition chimique et structure moléculaire

membrane plasmique des bactéries est une structure flexible et dynamique. Elle est organisée en bicouche asymétrique, avec un côté polaire hydrophile et un autre non polaire hydrophobe ce qui lui confère un caractère amphipatique. (bicouche phospholipidique) mais avec moins de glucides et dépourvue de stérols, comme le

Fig. 9:

bactérienne. De nombreuses membranes bactériennes contiennent des stéroïdes pentacycliques, les hopanoïdes, qui ont un rôle de stabilisation des membranes. De plus, la membrane plasmique est composée de plus de protéines (60 à 70%) que de lipides (30 à 40 %). Ces protéines remplissent un rôle fonctionnel (enzymatique) et structural. - Les protéines extrinsèques ou périphériques (20-30%), facilement extraites des

- Les protéines intrinsèques ou intégrales (70-80%) sont amphipatiques, les régions

hydrophobes sont enfouies dans la couche lipidique.

Les protéines peuvent se déplacer latéralement et se terminent souvent à leurs surfaces externes

de la membrane plasmique par des glucides.

Fonction de la membrane plasmique :

La membrane plasmique assure plusieurs rôles dans la cellule bactérienne : - Maintien le cytoplasme et le sépare du milieu extérieur.

- Sert de barrière perméable sélective (barrière semi-perméable) permettant le passage de

molécules lipophiles et empêche le passage des molécules hydrophiles. la membrane (nutrition, rejet de déchets, sécrétion). On distingue 2 grands types de transport : Le transport passif : se fait dans le sens du gradient de concentration Le transport actif : se fait en sens inverse du gradient de concentration des molécules, ce qui - Site de beaucoup de processus métaboliques (respiration, photosynthèse, synthèse - La membrane plasmique possède des protéines membranaires ayant pour rôles :

Enzymes

molécules nécessaires à la synthèse de la paroi

Enzymes de la chaîne respiratoire

Transporteurs

la membrane plasmique. - onnement - Site de fixation des flagelles.

- De plus, la membrane joue un rôle important dans la détection de composés présents dans

le milieu environnant grâce à la présence de protéines transmembranaires du chimiotactisme. Ceci permet aux bactéries dotées de flagelles de " nager » vers les endroits qui leur sont les plus favorables, les plus riches en nutriments par exemple et de toxiques. Ces protéines interviennent dans le sens de rotation des flagelles.

3. Cytoplasme :

Le cytoplasme des bactéries est plus simple que celui des cellules eucaryotes. Il est constitué

de : - Protéines cytoplasmiques (protéines de structures et enzymatiques) - Granulations de réserve (Glycogène, ȕ- - ARN solubles (ARN messager et ARN de transfert) et surtout en ARN ribosomal (Ribosomes). L'ensemble des constituants cytoplasmiques est placé dans un gel colloïdal, qui contient 80 %

d'eau et des substances organiques et minérales, à une pression interne variable (5 à 20

atmosphères).quotesdbs_dbs1.pdfusesText_1

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