Métabolisme bactérien

Croissance, nutrition et métabolisme des bactéries

Pour montrer la croissance de la population bactérienne, on peut utiliser une courbe de croissance. Cette courbe comporte quatre phases différentes : la phase de latence, la phase logarithmique, la phase stationnaire et la phase de déclin.

• Laphase de latence est celle où les cellules s'adaptent à l'environnement. Dans cette phase, il n'y a pas de division cellulaire.
• Les cellules se reproduisent par fission binaire dans des conditions nutritionnelles optimales pendant la phase logarithmique (ou phase exponentielle).
• Dans la phase stationnaire, le nombre de cellules produites par division cellulaire est égal au nombre de cellules qui meurent.
• Dans la dernière étape, la phase de déclin (ou phase de mort), les micro-organismes meurent rapidement en raison de l'épuisement des nutriments et des niveaux élevés de produits finaux toxiques.

Les microbes peuvent également être définis par leurs besoins nutritionnels. Mais une chose est sûre : toutes les bactéries ont besoin d'une source de carbone (C), d'azote (N), d'énergie pour travailler, d'électrons pour effectuer des réactions biochimiques et de facteurs de croissance essentiels tels que les vitamines et les minéraux pour pouvoir se développer.

Pour réussir à cultiver des bactéries dans des conditions de laboratoire, il est essentiel d'utiliser un milieu de culture qui contient les éléments nutritifs nécessaires à la croissance de cette bactérie spécifique !

Définition du métabolisme bactérien

Lemétabolisme est la somme de toutes les réactions chimiques(anaboliques et cataboliques) qui se produisent dans un organisme. Ces séries de réactions biochimiques sont essentielles au maintien de la vie. Ainsi, le métabolisme bactérien est la somme de toutes les réactions chimiques qui se produisent dans les bactéries.

Nous pouvons classer le métabolisme bactérien en fonction de ce qu'une bactérie utilise comme source d'énergie :

• Si les bactéries utilisent la lumière comme source d'énergie, elles sont appelées phototrophes.
• Si les bactéries utilisent l'oxydation de composés organiques/inorganiques comme source d'énergie, on les appelle chimiotrophes.

En ce qui concerne la source de carbone, les bactéries peuvent être autotrophes ou hétérotrophes. Les autotrophes utilisent le_{CO2 comme} principale source de carbone pour créer leur propre matière organique, tandis que les hétérotrophes utilisent des molécules organiques provenant d'autres organismes comme source de carbone.

Types de métabolisme bactérien

Les bactéries ont différents types de métabolisme, tels que la respiration cellulaire aérobie, la fermentation et larespiration anaérobie, en fonction de la disponibilité et de leur résistance à l'oxygène.

Métabolisme énergétique bactérien

Le métabolisme est toute réaction chimique qui se produit dans une cellule, le métabolisme bactérien est donc la somme des réactions chimiques au sein d'une cellule bactérienne. Ces réactions chimiques peuvent être divisées entre les réactions qui produisent de l'énergie et celles qui sont utilisées à d'autres fins, comme la création de molécules organiques ou l'augmentation de la disponibilité de certains éléments comme l'azote. Dans cette section, nous nous concentrerons sur la première catégorie.

La respiration cellulaire aérobie

Comme son nom l'indique, la respiration cellulaire aérobie se définit comme le processus de décomposition du glucose pour produire de l'énergie en présence d'oxygène. Leglucose est un monosaccharide.

Fig. 2. Structure fermée (projection de l'aubépine) de l'alpha et du bêta glucose. La différence entre les isomères est la position du groupe hydroxyle attaché au carbone 1. Lorsque plusieurs molécules d'alpha-glucose sont réunies, l'amidon est généré. Lorsque plusieurs molécules de bêta-glucose sont réunies, la cellulose est générée. Les humains peuvent digérer l'amidon, mais pas la cellulose, car les enzymes nécessaires à chaque réaction sont différentes.

Dans les organismes procaryotes, la plupart des étapes de la respiration cellulaire se déroulent dans le cytoplasme. La formule chimique globale de la respiration cellulaire aérobie est indiquée ci-dessous.

$$ C_{6}H_{12}O_{6} (glucose)+6O_{2} \longrightarrow 6CO_{2} + 6H_{2}O + énergie (ATP + chaleur) $$

La respiration cellulaire aérobie chez les procaryotes peut être divisée en quatre phases:

1. Glycolyse

2. Oxydation du pyruvate

3. Cycle de l'acide citrique (cycle de Krebs)

4. Chaîne de transport d'électrons et chimiosmose (dans la membrane plasmique)

Au cours de la respiration cellulaire aérobie, l'ATP peut être fabriqué de deux façons : la phosphorylation au niveau du substrat et la phosphorylation oxydative. Dans la phosphorylation au niveau du substrat, une enzyme et un substrat sont utilisés pour transférer un groupe phosphate à l'ADP, créant ainsi de petites quantités d'ATP dans les étapes de la glycolyse et du cycle de l'acide citrique.

Laphosphorylation oxydative, en revanche, produit de grandes quantités d'ATP dans les étapes de la chaîne de transport d'électrons et de la chimiosmose. La phosphorylation oxydative utilise l'énergie des réactions d'oxydoréduction dans la chaîne de transport d'électrons pour phosphoryler l'ADP.

La glycolyse

La glycolyse est un type de métabolisme des glucides qui se produit dans le cytoplasme des cellules. C'est la première étape de la respiration cellulaire. La glycolyse consiste en de nombreuses réactions enzymatiques qui décomposent le glucose en deux molécules de pyruvate. De l'énergie est également produite sous forme d'ATP, au fur et à mesure que le glucose est transformé. Le processus de glycolyse ne nécessite pas d'oxygène (O) !

$$ \text{Glucose} + 2\text{ }NAD^{+}+\text{ }2\text{ }ADP +\text{ }2\text{ }Pi \longrightarrow 2 \text{ pyruvate} + \text{2 }NADH\text{ }+\text{ }2\text{ }ATP $$

Oxydation du pyruvate

Après la glycolyse, les molécules de pyruvate sont produites pour entrer dans les mitochondries et réagir avec une enzyme appelée pyruvate déshydrogénase. Cette enzyme extrait le carbone et les deux molécules d'oxygène du pyruvate et y ajoute du coenzyme A, produisant ainsi de l'acétyl-CoA, du NADH et du_CO2. L'acétyl-CoA peut également provenir d'acides gras et d'acides aminés. Cette phase est appelée oxydation du pyruvate.

Cycle de l'acide citrique (cycle de Krebs)

Après l'oxydation du pyruvate, nous avons le cycle de l'acide citrique. Le cycle de l'acide citrique se produit dans le cytoplasme pour les procaryotes, et dans la matrice des mitochondries pour les eucaryotes. L'acétyl-CoA est le premier intermédiaire du cycle de l'acide citrique. Après qu'une molécule de glucose a subi la glycolyse, l'oxydation du pyruvate et le cycle de l'acide citrique, il reste 10 molécules de NADH, 4 molécules d'ATP, 2 molécules de FADH2_et 6 molécules de_CO2.

Chaîne de transport d'électrons et chimiosmose

La quatrième étape de la respiration cellulaire aérobie se compose de la chaîne de transport d'électrons et de la chimiosmose. La chaîne de transport d'électrons est constituée de protéines intégrées à la membrane plasmique des cellules procaryotes.

À ce stade, la chaîne de transport d'électrons procaryote tire son énergie des électrons donnés par le NADH et le _FADH2. Lorsque le NADH donne un électron, il devient le NAD+. De même, lorsque le FADH2 donne un électron, il se transforme en FAD. Ensuite, la chaîne de transport d'électrons utilise cette énergie causée par le mouvement des électrons pour pomper les protons (^H+) de la matrice mitochondriale, à travers la membrane mitochondriale interne, et dans l'espace intermembranaire des mitochondries.

Les électrons continueront à traverser la chaîne de transport d'électrons jusqu'à ce qu'ils atteignent l'accepteur final d'électrons, qui est l'oxygène gazeux (_O2). Cette molécule d'oxygène réagit avec le ^H+ pour former de l'eau (_H2O).

Après que la chaîne de transport d'électrons a construit le gradient de protons (^H+), la chimiosmose est utilisée pour capter leur énergie. La chimiosmose est la diffusion des ions ^H+ à travers une membrane, d'une zone de forte concentration vers une zone de faible concentration.

Respiration cellulaire anaérobie

Les bactéries qui ont la capacité de survivre et de produire de l'ATP sans avoir besoin d'oxygène utilisent la respiration anaérobie. Dans la respiration cellulaire anaérobie, la glycolyse se déroule normalement. Ensuite, les molécules de pyruvate produites par la glycolyse peuvent subir une fermentation.

Lafermentation de l'acide lactique est une voie qui utilise le NADH pour réduire le pyruvate en acide lactique et en ^NAD+.

Dans la fermentation de l'alcool, le pyruvate est réduit par le NADH pour former de l'éthanol et du ^NAD+.

Métabolisme de l'azote

Certaines bactéries sont capables de fixer l'azote . Ces bactéries fixatrices d'azote sont essentielles au cycle de l'azote car elles sont responsables de la conversion de l'azote atmosphérique (_N2) en ammoniac (_NH3).

Voies métaboliques bactériennes

Lesvoies métaboliques bactériennes consistent en une série de réactions enzymatiques qui provoquent l'altération d'un substrat plusieurs fois avant d'arriver au produit final. Les bactéries peuvent avoir de nombreuses voies métaboliques, comme celles que nous avons vues ci-dessus, et beaucoup d'autres, comme la photosynthèse, le métabolisme des lipides, le métabolisme des acides aminés et le métabolisme des nucléotides.

Pour connaître les voies métaboliques présentes dans les bactéries, les scientifiques utilisent l'annotation du génome. Parmi les voies spécifiques trouvées dans ce génome, on trouve la glycolyse, le cycle de l'acide citrique, le métabolisme des acides gras, la phosphorylation oxydative, la photosynthèse, le métabolisme des purines, le métabolisme du méthane, le métabolisme de l'azote, le métabolisme du soufre et même le métabolisme de la caféine !

Métabolisme des bactéries réductrices de fer

Enfin, parlons du métabolisme des bactéries réductrices de fer. Ces bactéries transforment les ions ferriques (^Fe3+) en ions ferreux (^Fe2+).

Le métabolisme bactérien peut être un peu accablant. Mais, avec du temps et de la patience, tu pourras t'y attaquer !