Sommaire :
◉ Métabolisme Biochimique bactérien
Il est défini comme l'ensemble des transformations chimiques (réactions anaboliques et cataboliques ), qui assurent l'élaboration des constituants bactériens et leur fonctionnement. Grâce à un équipement enzymatique très complet, toutes les réactions chimiques du métabolisme bactérien sont catalysées par des enzymes spécifiques.
Ainsi, le métabolisme est au centre de toute vie. Les forces de l'évolution ont façonné le processus métabolique utilisé par les organismes pendant des milliards d'années. Malgré la diversité des réactions chimiques qui se sont développées, plusieurs aspects du métabolisme sont commun à tous les organismes.
L'étude du métabolisme bactérien permet de définir des caractères d'identification biochimique qui représentent des critères essentiels dans la classification (ou Taxonomie) bactérienne.
- Les réactions cataboliques permettent à la bactérie de convertir les aliments mis à sa disposition ( Protéines , Lipides , Polysaccharides) en molécules organiques simples ou en métabolites intermédiaires , avec production d’énergie sous forme de liaison phosphate ADP ˜ Pi .
- Les liaisons anaboliques sont les voies de biosynthèse que la bactérie emprunte à partir de ces molécules simples pour synthétiser des macromolécules intervenant dans la structure et le fonctionnement bactérien. L’énergie utilisée dans ces biosynthèses provient du catabolisme.
1- Métabolisme énergétique :
La bactérie produit de l’énergie au cours du catabolisme par le biais de réactions dites exergonique. Pour éviter toute perte sous forme de chaleur, ces réactions exergoniques (productrices d’énergie) sont couplées à des réactions dites endergonique (absorbent l’énergie). L’énergie est ainsi emmagasinée dans des liaisons chimiques telles la liaison phosphate de l’ATP, ou encore, immédiatement consommée dans une réaction qui en nécessite.
Chez les bactéries d’intérêt médical, qui sont chimioorganotrophes, les réactions exergoniques sont des réactions d’oxydation d’un composé organique. A partir d’un substrat SH2, la réaction d’oxydation ou déshydrogénation fait perdre 2 électrons et 2 protons au substrat qui est oxydé. Ne pouvant rester libres , ces derniers sont éjectés puis captés par un accepteur d’électrons A qui est ainsi réduit en AH2 .
Ces 2 réactions d’oxydation et de réduction sont exergoniques .L’énergie libérée est emmagasinée en ATP.
Le métabolisme énergétique d’une bactérie chimioorganotrophe est constitué d’une suite de réactions REDOX avec libération d’énergie, partant d’un substrat organique.
Le composé organique peut être :
- Un hydrate de carbone (surtout le glucose) source la plus importante d’énergie
- Un acide aminé
- Un acide aminé
- Un alcane
- Une base purique ou pyrimidique
Les réactions redox productrices d’énergie sont intégrées dans 2 types de processus énergétiques : La Fermentation et la Respiration.
- La fermentation a été définie par Pasteur comme la « vie sans air » En fait , c’est une oxydation biologique au cours de laquelle l’accepteur final d’H2 et d’é est un composé organique. Ce composé peut être présent dans le milieu ou provenir de la dégradation d’un substrat oxydable . Les voies fermentaires se déroulent au sein du cytoplasme bactérien. L’énergie est produite par Phosphorylation au niveau du substrat. Le bilan énergétique est réduit.
- La Respiration est l’ensemble des voies métaboliques au cours desquelles l’oxygène moléculaire ou des composés oxygénés inorganiques ou ioniques jouent le rôle d’accepteur d’électrons et d’H2 dans les réactions redox. Ces voies sont liées à la membrane cytoplasmique de la bactérie. L’énergie est produite par phosphorylation dite oxydative et libérée par paliers via une chaîne de transfert d’électrons ; Le bilan énergétique est élevé.
1-1) Les voies du métabolisme intermédiaire :
Pour oxyder un substrat énergétique donné, il existe un ensemble de réactions cataboliques communes à de nombreuses bactéries : Ce sont les voies générales du métabolisme énergétique ou métabolisme intermédiaire. Ainsi, l’oxydation du glucose, considéré comme substrat énergétique oxydable le plus typique, emprunte les voies du métabolisme intermédiaire
On distingue 3 principales voies enzymatiques, à localisation cytoplasmique, qui oxydent le glucose en acide pyruvique, véritable plaque tournante du métabolisme et situé au carrefour du métabolisme intermédiaire :
- La voie d’embden-Meyerhof –Parnas (EMP) ou voie des Hexoses-Diphosphates
- La voie des Hexoses-Monophosphates ou voie des Pentoses-Phosphates ou Shunt oxydatif ou cycle de Dickens-Horecker
- La voie du 2-céto-3-déoxy-gluconate ou voie d’Entner-Doudoroff
Au cours de ces voies du métabolisme intermédiaire du Glucose , apparaissent des molécules de NADH2 que les microorganismes peuvent , selon les cas , réoxyder . En aérobiose , l’accepteur final est l’oxygène moléculaire par le biais de la chaîne respiratoire . En anaérobiose , les accepteurs sont des composés organiques autres que l’oxygène moléculaire
1-2) La respiration :
Le pyruvate est principalement oxydé en Acetyl-Coenzyme A , ces 2 composés étant au carrefour du métabolisme intermédiaire . Le pyruvate est le point d’aboutissement obligé de toutes les voies de dégradation du Glucose et des voies d’oxydation de nombreux acides aminés. Il est transformé en Acetyl~CoA par décarboxylation oxydative
1-2-1) Le cycle de Krebs
- L’Acetyl~CoA réagit avec l’acide oxaloacétique pour former de l’acide citrique .Suit une succession de réactions d’oxydation et de décarboxylation, avec réductions de NAD en NADH2 couplées aux réactions d’oxydation qui permettent de régénérer du NAD+ . Du point de vue énergétique, chaque tour de cycle de Krebs génère 4 réactions de déshydrogénation
- Pour un Acetyl~CoA incorporé au cycle, 3 NADH2 et 1 FADH2 sont générés et 1 ATP est produit directement au niveau du cycle .Les molécules de NADH2 et de FADH2 vont alimenter en électrons les coenzymes de la chaîne respiratoire. Au cours de leur passage dans la chaîne, chaque NADH2 produit 3 ATP et chaque FADH2, 2 ATP. Ainsi, chaque tour de cycle produit 12 ATP.
1-2-2) La chaîne respiratoire
C’est la chaîne cytochromique de transfert des électrons , à laquelle sont associés des phosphorylations oxydatives . Ses composants sont disposés de façon séquentielle en fonction de leur potentiel redox. Le mouvement des électrons ou des protons le long de la chaîne s’effectue graduellement à partir des constituants les plus électronégatifs pour aller vers le constituant le plus électropositif (O2).
Ces composants sont des enzymes associés à des groupements prosthétiques et qui agissent comme transporteurs d’électrons.
Au cours de la respiration , il y a dégagement important d’énergie puisqu’il y a oxydation du substrat jusqu’au stade H20+C02 .De ce fait , l’oxydation d’un substrat ne peut être couplé directement à la réduction de l’accepteur final , au risque de brûler la bactérie .
L’énergie est libérée par palier au cours d’une succession de réactions redox allant de la réduction du NAD puis d’une flavoprotéine et d’une ubiquinone avec transfert d’électrons et de H2 jusqu’à l’accepteur final , les électrons étant transférés seuls par les cytochromes .
Selon l’accepteur final d’électrons et d’H2 , on peut distinguer : Dans la respiration aérobie, l’accepteur final est l’O2
Dans la respiration anaérobie, l’accepteur final est un composé inorganique ou ionique (NO3-fumarate)
1-3) La Fermentation du Glucose
La première étape comporte les différents voies du métabolisme intermédiaire qui aboutissent au Pyruvate .Ce sont les réactions de réduction du Pyruvate qui différentient les bactéries fermentaires car elles conduisent à des produits finals divers, soit uniques, soit plus souvent mélangés
On distingue, selon la nature des produits finals de fermentation :
- la fermentation Acides complexes :
- Fermentation lactique
- Fermentation Alcoolique:
- Fermentation Butyrique :
1-4) Tests d’exploration du métabolisme énergétique
- Épreuve de HUGH et LEIFSON (M.E.V.A.G)
- Test dit de l’Oxydase
- Recherche de la catalase
- Test de GRIESS-ILOSWAY nitrate réductas
- Test au rouge de méthyle (RM) et réaction de Voges-Proskauer (VP)
- Utilisation du Citrate comme seule source de carbone : test de Citrate
2- Métabolisme Glucidique :
On distingue 3 types de milieux pour explorer ce métabolisme ;
- Milieux glucidiques liquides simples : Eau peptonée + Sucre + indicateur de pH
- Milieux glucidiques gélosés simples : gélose + sucre + indicateur de pH un exemple en est : le milieu Mannitol-mobilité-nitrate
- Milieux gélosés glucidiques complexes : TSI (Tri-Sugar-Iron ) et KIA (Kligler-Iron-agar)
3- Métabolisme Protidique :
Il est étudié au laboratoire par la détection des enzymes du métabolisme protidique, en mettant en contact la bactérie avec le substrat correspondant.
- L’H2S (Hydrogène Sulfuré), libéré par réduction d’un substrat soufré ( Thiosulfate de sodium),est précipité sous forme de sulfure de fer en présence de Citrate ferrique (ou de Sulfate ferrique) incorporé dans le milieu TSI (et KIA).
- Catabolisme de l’Ornithine , Arginine et Lysine : Voir procédure »
4- Métabolisme lipidique :
Les lipides ne sont assimilables qu’une fois leur molécule clivée par hydrolyse, sous l’effet d’enzymes appelées généralement lipases. Il s’agit en réalité de 3 groupes d’enzymes : Recherche des estérases sur milieu au TWEEN :
- Recherche des estérases sur milieu au TWEEN : Technique de SIERRA
- Recherche des lipases sur milieu à la Tributyrine : On utilise le Tributyrate de glycérol , ou Tributyrine , qui donne un aspect trouble à la gélose. La présence d’une lipase se traduit par une clarification de la gélose autour du spot de culture.>
- Recherche de la Lecithinase
◉ Applications de la physiologie bactérienne :
1-Le diagnostic bactériologique:
La physiologie bactérienne intervient de façon primordiale dans le déroulement du diagnostic bactériologique.
En effet, l'examen microscopique n'est qu'exceptionnellement suffisant pour identifier une espèce bactérienne et il ne représente habituellement qu'une étape d'orientation.
Le plus souvent , il est nécessaire d'ensemencer le produit pathologique sur des milieux de culture contenant des nutriments indispensables à la croissance
Les notions de physiologie bactérienne interviennent alors dans le choix du (ou des) type(s) de milieux de culture pour les bactéries que l'on désire isoler ou identifier. On peut distinguer :
- Des milieux d'isolement : Ce sont des milieux solides simples ou complexes, sur lesquels de nombreuses espèces bactériennes peuvent se développer selon une technique d’ensemencement qui permet d'obtenir des colonies séparées facilement identifiables.
- Des milieux d'identificationSolides ou liquides, ils servent à mettre en évidence un ou plusieurs caractères métaboliques d'une souche bactérienne préalablement isolée et purifiée.(L'étude du métabolisme bactérien ne peut se faire que sur une souche bactérienne pure).
- Des milieux sélectifs : Solides ,ils permettent l'isolement d'une espèce bactérienne tout en inhibant les autres espèces éventuellement présentes dans un prélèvement.
Ex: Milieu de Chapman pour les Staphylocoques Milieu Hektoen pour les Salmonelles et les Shigelles. - Des milieux d'enrichissement : Liquides, ils contiennent des inhibiteurs spécifiques de certaines espèces bactériennes donc favorisent la multiplication d'espèces données. Ex: le bouillon Sélénite pour les Salmonella.
2- L'Antibiothérapie:
Les modifications de la courbe de croissance permettent de mesurer l'activité anti-bactérienne d'un nouvel antibiotique sur une bactérie donnée.
3-L’efficacité de la stérilisation :
L'étude de la courbe de croissance permet de vérifier la vitesse de destruction des bactéries par la chaleur , les UV, ou d'autres agents physiques ou chimiques.
4- L'industrie :
- Dosage microbiologique des vitamines et autres substances qui sont des facteurs de croissance pour les bactéries,
- Obtention de grandes quantités d'antibiotiques, d'enzymes et de vitamines grâce à la croissance en milieu de culture renouvelé,
- Obtention de grandes quantités de bactéries destinées à l'alimentation en particulier animale (génie génétique).
5- Les systèmes pour hémoculture :
Certains fournisseurs ont proposé des flacons d’hémoculture avec dispositif intégré permettant de détecter les premiers signes de culture par le biais des gaz dégagés par le métabolisme biochimique bactérien (Hémoculture SIGNAL -OXOID), et ce , sans système automatisé.
Il existe cependant sur le marché de l’équipement biomédical, une grande variété d’automates pour hémocultures. Les plus anciens, maintenant dépassés, détectaient les premiers signes de culture en utilisant l’incorporation de C14 avec un risque certain pour le manipulateur.
Actuellement, des automates de plus en plus performants assurent la détection précoce d’hémocultures positives en se basant sur le principe de détection d’un produit du métabolisme biochimique , par des techniques sans risque, telles la technique colorimétrique pratiquée par l’automate BACT/ALERT microbial Detection System.
6- Les Biofilms :
Dans les habitats naturels, les bactéries sont attachées à des surfaces, plus souvent que libres en suspension dans un milieu liquide.
Ainsi, les bactéries attachées à des surfaces s’organisent en communauté en s’entourant d’une matrice de polymères organiques : le Biofilm
C’est sous cette forme que les bactéries colonisent les matériel d’exploration ou de soin :
Endoscopie, cathéters, sondes respiratoires ou urinaires.
Elles seraient protégées des agents antimicrobiens car elles se trouvent au repos ou dans un état de latence peu propice à l’action des antimicrobiens.
Les bactéries des biofilms imposent une réflexion en matière d’hygiène hospitalière, de prévention et de désinfection du matériel de soin .
◉ Conclusion
La maîtrise des techniques d’étude de la nutrition, des différentes voies métaboliques et de la croissance bactérienne ne peut se faire sans la compréhension des mécanismes moléculaires mis en jeu par les bactéries , aussi bien au niveau intracellulaire qu’à l’échelle d’une population bactérienne.