Bactériologie - Structure des bactéries La structure des bactéries explique l'action de certains antibiotiques, mais aussi la capacité des bactéries à se défendre. La paroi Toutes les bactéries en ont une sauf les mycoplasma et formes L (bactéries dégradées). La paroi est une enveloppe rigide qui donne sa forme à la bactérie, c'est une structure particulière du monde bactérien, constituée de peptidoglycane (muréine). La composition différe selon que la bactérie est gram(+) ou GRAM (-). Peptidoglycane Hétéropolymère avec chaînes polysaccharidiques parallèles entre elles ; alternance de N acétyl glucosamine et d'acide N acétyl muramique (composé spécifique du monde bactérien): dérivé chimique de N acétyl glucosamine. Ces chaînes polysaccharidiques sont reliées entre elles par des peptides, avec des liaisons directes d'une chaine à l'autre, ou indirectes par l'intermédiaire d'autres peptides. Ces chaines sont tétrapeptidiques, reliées d'une part sur l'acide muramique et sur un pont interpeptidique. La composition de ces chaines tétrapeptidiques est variable au niveau du 3ème acide aminé de la chaine, il existe des ponts formés en général par un seul type d'acide aminé (Staphylococus Aureus : glycine). Le peptidoglycane exerce différentes fonctions : .il permet à la bactérie de conserver sa forme. .il permet la résistance à la pression osmotique pouvant atteindre 20 atmosphères. .il est antigénique, et permet la formation d'Ig chez l'homme. .il est sensible seulement à certains désinfectants à base de phénol. .il est stimulateur de l'immunité et joue le rôle d'adjuvant. .c'est le substrat de l'immunité non spécifique, il est détruit par les enzymes des bactériophages, le lysozyme en particulier. Bactéries à GRAM+ Les bactéries à GRAM(+) ont une paroi épaisse, de 30 à 50nm. Sur le peptidoglycane s'accrochent les acides téichoiques, qui sont des polymères de ribitol phosphate, et sont branchés sur la N acétyl glucosamine. Il existe aussi les acides lipo-téichoiques formés de glycérol phosphate qui sont immunogènes, augmentent l'adhérence et ont une faible action toxique. Les polysaccharides confèrent la spécificité antigénique (le polyoside C du pneumocoque ,ou le polysaccharide C du streptocoque). Le polysaccharide C permet de différencier un certain nombre de groupe sérologique chez le streptocoque. Les plus importants sont ceux du groupe A ayant un pouvoir pathogène. Les protéines sont soit liées directement aux peptidoglycanes, soit aux acides téichoiques. Les ions Ca2+ favorisent ces liaisons. Bactéries à GRAM (-) La paroi des bactéries à GRAM(-) sont constituées de peptidoglycanes de 3 à 5 nm (parfois 10 nm) elles sont donc plus minces. Ces bactéries sont entourées d'une membrane externe séparée du corps bactérien par un espace périplasmique, plus ou moins important. Cette membrane a une composition chimique complexe. Elle est constituée à l'intérieur de phospholipides et à l'extérieur de lipopolysaccharides Le lipapolysaccharide comprend des protéines appelées porines, car leur présence permet l'existence de pores reliant l'extérieur et le cytoplasme bactérien. A travers ces pores peuvent passer des éléments nutritifs et des antibiotiques. La perméabilité des pores est variable, sélective. Certaines sont plus perméables que d'autres, ce qui explique les réactions bactériennes aux antibiotiques. Cas particuliers Les mycobactéries ont une affinité teintoriale dépendante de la structure de la paroi. Celle ci contient 60 % de lipides constitués des acides mycolique et des cires. Les lipides sont liés à des polysaccharides complexes et à des protéines. Les protoplastes sont des bactéries GRAM (+) où il n'existe plus de peptidoglycanes. La bactérie est ronde, ne vit que dans un milieu hypertonique (correspondant à sa pression interne). Les protoplastes ne peuvent se diviser. Ils apparaissent après un traitement aux antibiotiques. Les sphéroplastes sont les formes L des bactéries GRAM(-). La paroi est encore présenterais abimée à certains endroits par des antibiotiques, tels que la pénicilline. Ils peuvent se multiplier dans un milieu particulier. Quand on enlève l'antibiotique, le spheroplaste reprend sa forme initiale. Les mycoplasma n'ont pas de paroi. Propriétés de la paroi Elle donne la coloration de GRAM. C'est le support de l'antigénicité. Elle donne sa forme à la bactérie. Elle est sensible à certains enzymes. C'est le récepteur des bactériophages. Sa sensibilité à certains antibiotiques permet d'interférer dans la multiplication bactérienne. La multiplication bactérienne est très rapide. Un colibacille donne deux cellules filles en 20 minutes. Avant de se diviser, la bactérie, doit augmenter de volume, afin de multiplier par deux sa masse .Pour cela, elle détruit la paroi rigide, en sécrétant des autolysines, agissant au niveau de certaines liaisons chimiques du peptidoglycane. En même temps qu'elle se détruit, elle se reconstruit grâce à une peptidase qui permet la fusion des peptides. Les bêta lactamides jouent sur les ponts inter peptidiques de la paroi, se lient aux protéines, créant une paroi mince, qui éclate, tuant la bactérie. On appelle PLP, les protéines liées aux bêta lactamides. La membrane cytoplasmique C'est une membrane trilamellaire, avec une double couche phospholipidique, dont les pôles hydrophobes se font face. Entre les lipides, il ya des proteines.il n'y a pas de cholestérol, sauf pour les mycoplasma. Pour améliorer son action, elle envoie dans le cytoplasme bactérien des expansions de sa propre membrane, appelées mesosomes. Ils permettent l'augmentation des fonctions de la membrane. Ils sont fréquents chez les bactéries. GRAM(+), où l'on peut trouver jusqu'à trois mesosomes . Il en existe en général, deux pour les GRAM(-). C'est une barrière osmotique, permettant des transferts passifs, mais où il existe des perméases, permettant la pénétration active d'acides aminés, ou d'ions minéraux. De nombreuses enzymes sur la membrane, servent dans le métabolisme énergétique, rôle identique à la mitochondrie, chez les cellules eucaryotes (à sou niveau, ou trouve des cytochromes et des cytochromes oxydases). C'est le point d'impact de substances antimicrobiennes telles que le phénol. La membrane a un rôle dans la division cellulaire. Grâce au mesosome, il se forme des liens géographiques entre la membrane et l'appareil nucléaire, permettant l'induction de la division bactérienne à partir de l'appareil nucléaire, vers la membrane, puis vers la paroi. C'est une division par scissiparité. Au microscope électronique elle commence par une invagination de la membrane (mesosome de division). Sur cette membrane en division vient se coller la paroi. Le mesosome et la paroi forment un septum de division. Quand le septum est complet, comme les appareils nucléaires se sont multipliés par 2, on obtient deux cellules filles identiques à la bactérie mère. La division commence par l'appareil nucléaire, mais est difficilement observable. Le cytoplasme Il est constitué d'hydrogène colloïdal. Il contient des protéines, des glucides, des lipides, des ions minéraux tels que le Ca2+, le Mg2+, le P. Il comprend des pigments de couleurs différentes: .Rouge chez les serratia. .Bleu chez les pyocianiques. Ces pigments sont solubles, et diffusent dans l'organisme. Le cytoplasme bactérien comporte des vacuoles de réserves qui servent à la nutrition de la bactérie quand elle est à jeun. De l'ARN : il y a 15000 ribosomes/bactérie ce qui représente 40% du poids bactérien et 90% de l'ARN total. Les ribosomes sont constitués de deux sous unités, de 50 et 30S. Parfois il existe des granulations spéciales qui permettent de reconnaître la bactérie comme dans le cas du bacille diphtérique. Appareil nucléaire Chez la bactérie au repos, c'est une petite masse sphérique centrale. Chez le bacille, il est de forme allongée. L'appareil nucléaire, ne possède pas de membrane, d'appareil mitotique, de nucléoles. Il est formé de fibrilles, ADN, protéines basiques. Les fibrilles ont un diamètre de 2 à 8 nm. L'ADN est double brin, déroulé, il mesure 1 mm de long chez le colibacille. L'ADN bactérien a une partie central et une bouclée: Le pied est formé d'ARN. L'ADN est superenroulé, et sur l'ADN, il y a des protéines. C'est le support des propriétés bactériennes, et le support de mutations ; à son niveau que se font les recombinaisons génétiques. C'est le site d'action de certains antibiotiques, en particulier les quinolones, les rifamycines Les plasmides Ce sont des ADN circulaires, en dehors de l'appareil nucléaire. Ce sont eux, qui parfois gouvernent la résistance aux antibiotiques. Ils sont à l'origine de la résistance antibactérienne, grâce à la sécrétion de bacteriocines. Il existe des plasmides de résistance aux antiseptiques. La capsule bactérienne Elle entoure certaines bactéries pathogènes, elle peut être mince ou épaisse. Sa structure est polysaccharidique, avec un ou deux types de sucre. *Pour différencier une espèce bactériennes, la bactérie secrète des oses particuliers, responsables de la présence de nombreux serotypes différents (pneumocoque, hemophilus influenzae). Les vaccins contre ces pathologies doivent présenter les différents serotypes du pays. La capsule peut être polypeptidique, comme chez le Bacillus anthracis. La capsule n'existe que dans la production pathogène, et disparait en culture au laboratoire. Sa perte fait passer la colonie bactérienne d'une forme lisse, a une forme rugueuse (Smooth>Rough). S est pathogène, R ne l'est pas. Propriétés de la capsule : .elle protège la bactérie de son environnement, et empêche l'entrée de substances antibactériennes. .elle permet la classification, mise en évidence avec l'encre de chine. .elle a un rôle dans le pouvoir pathogène, et dans la protection contre les PN. .elle a un rôle immunologique, d'où son utilisation en vaccination, mais elle est faiblement immunogène, et il faut ajouter au vaccin un élément adjuvant. Au cours des infections, la capsule est libérée dans les milieux organiques, et on peut mettre en évidence les antigènes qu'elle contient. Le flagelle C'est l'élément locomoteur, il n'existe que chez certains bacilles, Vibrio ou Spirochètes. C'est un élément filamenteux, sinueux, de 10 à 20 nm de diamètre, et de 20µ de long. Il peut n'y en avoir qu'un (vibrions), mais il peut en exister tout autour (colibacille). Le flagelle est composé par une protéine la flagelline de PM 40000 daltons. Le flagelle est accroché dans le corps bactérien par un granule. Rôle: Il intervient dans la mobilité, dans la classification, et possède un rôle immunologique : AG H de certaines bactéries mobiles GRAM (-) comme la (Salmonella). Dans la fièvre typhoïde, on recherche les AC H formés. Les pili .communs: Ils sont courts nombreux, rigides. Ils sont formés d'une protéine et ont un rôle dans la fixation bactérienne et la colonisation. Ils permettent à la bactérie de se fixer sur un récepteur spécifique. .sexuels: de 1 à 4, ils sont plus grands, et sont appelés facteur F. La spore Elle n'existe que chez certains bacilles. Elle apparaît dans des conditions défavorables : froid, chaud, elle résiste à une température de 120°C pendant 45 mn,ceci est très important pou la stérilisation autoclave. Elle peut être centrale comme chez Bacillus anthracis, à une extrémité (Clostridium), ou terminale (Clostridium tetani). Rôle: La spore amène à la bactérie sa résistance, c'est un élément de classification bactérienne .Elle sert de témoin de stérilisation. Bactériologie -Physiologie bactérienne L'étude des bactéries, et leur identification nécessite leur mise en culture. La physiologie bactérienne va permettre d'optimiser les conditions d'analyse des bactéries, mais aussi d'identifier les moyens les plus efficaces pour lutter contre leur prolifération. La nutrition Définition Les besoins nutritifs sont les éléments indispensables à la vie et à la croissance des bactéries. Les sources d’énergie Chez tous les êtres vivants, l’énergie est stockée sous forme d’ATP, selon son origine on distingue : Les bactéries photophores Les bactéries photophores vont utiliser l’énergie lumineuse comme le font les plantes lors de l’assimilation chlorophyllienne et la transformer en énergie chimique sous forme d’ATP. Les bactéries chimiotrophes Pour les bactéries chimiotrophes la source d’énergie est d’origine chimique ; on aura donc synthèse d’ATP avec transports des électrons au cours de « la chaîne de transporteurs d’électrons ». Au début de la chaîne, on a des donneurs d’électrons ; le composé est organique. Le glucose est le donneur principal. L’accepteur final est différent ; lors de la fermentation l’accepteur final est un composé organique, il y a phosphorylation au niveau du substrat. Il y a des bactéries lactiques et des bactéries anaérobies. Lors de la respiration, la synthèse d’ATP se produit après phosphorylation oxydative avec deux éventualités ; soit l’oxygène est l’accepteur d’électrons et c’est une respiration aérobie (elle concerne un grand nombre d’espèces), soit l’accepteur final est un composé minéral différent de l’oxygène et on parle alors de respiration anaérobie. On distingue trois grands groupes: les bactéries aérobies ou aérobies strictes. les bactéries anaérobies. les bactéries aéro-anaérobies facultatives. La source de carbone On distingue: les bactéries autotrophes « qui se nourrit soi-même » autosuffisantes, elles ont un pouvoir de synthèse très élevé, ce sont les bactéries impliquées dans les grands systèmes biologiques. les bactéries hétérotrophes pour lesquelles la source de carbone est automatiquement un composé organique tel que le glucose, un alcool, les acides organiques. Certaines peuvent êtres utilisés pour dégrader des hydrocarbures, lutte contre la pollution. Les facteurs de croissance Ce sont des composés qui vont devenir indispensables pour la croissance car la bactérie ne possède pas la chaîne de synthèse de certains composés. Un facteur peut l’être pour une espèce et non pour l’autre (facteur d’identification et de différenciation). On différentie parmi les bactéries hétérotrophes: .les bactéries prototrophes n’ont pas besoin de facteurs de croissance, elles sont autonomes. .les bactéries auxotrophes, elles ont des marqueurs d’auxotrophie, et nécessitent un certain nombre de facteurs de croissances (acides aminés, bases puriques ou pyrimidiques ou des vitamines) tels que l’acide paraminobenzoïque qui est un facteur de croissance pour un grand nombre de bactéries, et permet la synthèse des bases puriques et pyrimidiques. Un antibactérien appelé le sulfamilamide est un analogue structural du facteur de croissance qui pourra être utilisé dans la chaîne de synthèse Il arrête la synthèse métabolique. C’est un antibactérien qui agit par analogie structurale, la bactérie privée de bases puriques et pyrimidiques ne peut se diviser. Source d’azote L’azote est un composé organique et se trouve dans l’organisme ou dans le milieu de culture (sel d’ammoniaque, protéines). II y a dans le sol des bactéries fixatrices d’azote qui vont enrichir le sol et l’améliorer. Les facteurs physico-chimiques La température La température optimale est proche de 37°C pour la plupart des bactéries, on distingue: les bactéries mésophiles vivent dans une gamme comprise entre 20°C et 37°C avec un optimum à 37°C. les bactéries thermophiles, leur température doit être supérieure à 40°C avec des gammes variables allant de 40°C à 50°C (nuisent à la bonne conservation du lait et des conserves). Certaines présentes au fond des océans vivent avec des températures supérieures à 90°C ; elles ont donc des enzymes fonctionnant à des températures élevées et sont utilisées pour l’amplification par PCR, la taq polymérase par exemple. les bactéries cryophiles, se plaisent au froid, de 4°C à 0°C, et ont cependant un métabolisme perceptible et visible. les bactéries psychrophiles se situent en dessous de 20°C, elles vont rarement être des bactéries pathogènes directes mais seront responsables de l’altération de produits biologiques tels que le sang en s’y multipliant mais ces multiplications sont exceptionnelles. La listéria qui provoque la listériose est psychrophile, multiplication en dessous de 20 °C. La yersina se multiplie à température relativement basse, elle est en quantité abondante dans les produits alimentaires. A l’inverse certaines bactéries sont détruites par la chaleur; stérilisation par chaleur sèche à 180°C ou par chaleur humide à 120°C pendant 30 à 50 minutes. Le lait est pasteurisé, par traitement thermique UHT, pour destruction bactérienne. Le pH Le pH est voisin de 7 pour la majorité des bactéries. On utilise des milieux tamponnés. On parle d’espèces bactériennes ayant un pH optimum alcalin comme pourle vibrion cholérique pH de 8,5 à 9, et de bactéries acidophiles comme les lactobacillus qui se développent à un pH voisin de 6. La teneur en oxygène. Equivaut au potentiel d’oxydoréduction. On utilise un milieu de culture contenant une substance tout l’oxygène dissous, on crée un gradient d’oxygène. Les bactéries vont avoir un comportement différent. Lorsqu’elles se développent à la surface ; Bactéries AEROBIES STRICTES. Si elles se développent dans la profondeur où il y a très peu d’02 ; bactéries ANAEROBIES STRICTES.L’02 leur est toxique. Certaines occupent tout le tube, ce sont les bactéries dites AERO- ANAEROBIES facultatives; nutritive portée à ébullition pour chasser Enfin, certaines vivent à distance de la surface du tube, ce sont les bactéries MICROAEROPHILES ; elles auront besoin d’une certaine teneur en 02. Donc pour les cultures bactériennes, il faudra utiliser un dispositif pour chasser l’02, la bactérie choisit elle même le niveau de développement. Teneur en C02 Certaines espèces bactériennes auront une croissance favorisées par une forte teneur en C02, comme le gonocoque, le méningocoque (responsable de la méningite cérébrospinale), la brucella (responsable de la brucellose). La croissance bactérienne. Correspond à la multiplication. Une bactérie n’est jamais isolée, c’est toujours une population .on considère toujours la population. L’augmentation du nombre de bactéries peut être considérée comme une augmentation de la masse bactérienne, résultat de la division par scissiparité. La bactérie isolée va augmenter de taille avant de se scinder en deux. On peut apprécier la croissance des bactéries ; sur un milieu liquide il devient trouble, sur un milieu solide de gélose et de substances nutritives la croissance se manifeste par la présence de colonies visibles à l’œil nu. Pour les quantifier, en milieu liquide on mesure la densité optique au spectrophotomètre, la numération se fait au microscope mais toutes les bactéries sont comptées qu’elles soient viables ou non. Le dénombrement des bactéries vivantes se fait par dilution et mise en culture sur milieu solide et on compte le nombre de colonies qui ont poussé. On peut aussi utiliser la masse bactérienne. Les caractéristiques de la croissance Le temps de génération, est le temps que met la bactérie pour donner deux bactéries filles, c’est l’intervalle de temps entre deux divisions successives. Il est très variable selon les conditions de culture et les espèces. Le colibacille a un temps de génération de 40 à 60 minutes. Toutes les 20 minutes on a une division. Le Mycobacterium tuberculosis (BK) va se diviser toutes les 900 minutes dans les conditions optimales. Le bacille de la lèpre a un temps de génération de 12 jours. Le taux de croissance, est le nombre de division par unité de temps. Pour le colibacille il est de 1, pour le BK il est de l/15ème. L’unité est l’heure. Croissance des bactéries à croissance normale On peut diviser la croissance des bactéries en différentes phases : phase I : la phase de latence : peut être plus ou moins allongée selon les conditions préalables et la souche utilisée. Elle correspond à l’adaptation des bactéries aux conditions de culture, la température et le temps de synthèse des enzymes indispensables. Le taux de croissance est nul. phase II : la phase d’accélération : mise en route de la croissance active, les synthèses sont a leur maximum et leur taux de croissance va augmenter pour atteindre sa valeur la plus élevée. phase III : la phase de croissance exponentielle : toute la machinerie est en marche, le taux de croissance est le plus élevé pour les conditions, le nombre de bactéries augmente en progression géométrique. phase IV : phase de ralentissement: le taux de croissance va diminuer et retrouve son niveau de base. C’est la fin de la phase exponentielle. phase V : phase stationnaire :le taux de croissance est nul et le nombre de bactéries à atteint son optimum. Le maximum est lié à la qualité du milieu de culture. phase VI : phase de lyse : correspond au vieillissement du milieu de culture. Il peut être plus ou moins intense suivant les espèces bactériennes. Lorsque le milieu est épuisé on n’a plus de croissance active. L’arrêt de la croissance est dû a un épuisement des substances nutritives, une modification des conditions métaboliques, une accumulation de produits toxiques. Si on maintient un milieu sain, on peut conserver une croissance exponentielle. ©SERMAS PROPRIETY
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