Fiche de révision : Cellule et classification bactériennes

Plan du Cours

  1. Microbiologie et bactériologie
  2. Histoire et place des microbes
  3. Cellule procaryote
  4. Observation microscopique
  5. Microscopes optiques spécialisés
  6. Microscopes optiques et électroniques
  7. Préparation et coloration des échantillons
  8. Morphologie et organisation bactériennes
  9. Paroi bactérienne et coloration de Gram
  10. Membrane et constituants cytoplasmiques
  11. Structure et transport membranaires
  12. Cytoplasme, ribosomes et réserves
  13. Chromosome et ADN bactériens
  14. Plasmides et transferts génétiques
  15. Appendices et enveloppes bactériennes
  16. Endospores bactériennes
  17. Classification et nutrition bactériennes

Repères chronologiques

  1. 1665Robert Hooke décrit pour la première fois une cellule biologique et utilise le mot « cellule » après avoir observé de petites unités structurales au microscope.
  2. 1673Anton van Leeuwenhoek observe probablement pour la première fois des micro-organismes vivants grâce à des microscopes qu’il a construits et les appelle « animalicules ».
  3. 1857 à 1914L’âge d’or de la microbiologie voit Pasteur et Koch établir la microbiologie comme science grâce à des progrès sur les maladies, l’immunité, la culture, la microscopie, les vaccins et les techniques chirurgicales.
  4. 1884Hans Christian Gram met au point la coloration de Gram.

1. Microbiologie et bactériologie

Notions clés & Définitions

  • Microbe : Être vivant dont la taille est invisible à l’œil nu, mais les microbes diffèrent par leur morphologie, leur physiologie, leur reproduction et leur écologie.
  • Bactériologie : Branche de la microbiologie consacrée à l’étude des bactéries.

★ À maîtriser

📌 La microbiologie fondamentale étudie les mécanismes, l’identification, la physiologie, la structure moléculaire, les relations avec le milieu, l’origine et l’évolution des micro-organismes, tandis que la microbiologie appliquée les utilise dans les domaines alimentaire, agroalimentaire, industriel, biotechnologique et clinique.

Compléments

  • Les virus sont considérés comme des entités non vivantes et acellulaires qui dépendent entièrement de leurs cellules hôtes.

Astuce mémo

Fondamentale : comprendre les microbes ; appliquée : les exploiter

2. Histoire et place des microbes

Points essentiels

📌 L’ancienne classification distingue les règnes animal, végétal et protiste, tandis que la classification actuelle fondée sur les séquences d’ARN ribosomique distingue les domaines Bacteria, Archaea et Eucarya.

Astuce mémo

Hooke → Leeuwenhoek → Pasteur → Koch

3. Cellule procaryote

Notions clés & Définitions

  • Cellule procaryote : Cellule de petite taille et de morphologie simple dont le noyau n’est pas entouré par une membrane nucléaire.

★ À maîtriser

  • Les cellules procaryotes comprennent les bactéries et les archéobactéries et sont délimitées par une membrane cytoplasmique dans laquelle baignent le chromosome, les ribosomes et les autres constituants.

📌 Les procaryotes ont généralement un seul chromosome circulaire, aucun nucléole, aucun réticulum endoplasmique, aucun appareil de Golgi, aucune mitochondrie et des ribosomes 70 S, tandis que les eucaryotes ont généralement plusieurs chromosomes non circulaires, un nucléole, ces organites et des ribosomes 80 S.

Compléments

📌 La paroi cellulaire contenant du peptidoglycane est présente chez les bactéries, sauf chez les mycoplasmes et les archéobactéries, tandis qu’elle est absente chez les cellules eucaryotes.

Astuce mémo

Procaryote sans noyau membranaire, eucaryote avec noyau et organites

4. Observation microscopique

Notions clés & Définitions

  • Microscope optique : Utilise des lentilles convexes qui condensent et focalisent les rayons lumineux vers un foyer afin de former une image agrandie.

★ À maîtriser

📌 Le microscope optique utilise des photons ou de la lumière pour observer l’échantillon, tandis que le microscope électronique utilise des électrons.

  • La limite de résolution générale d’un microscope optique est de 0,2 μm, soit 200 nm.

Compléments

  • Les dimensions des entités microbiologiques vont des virus, de l’ordre du nanomètre, aux protistes pouvant atteindre 200 micromètres de diamètre.

Astuce mémo

Optique avec photons, électronique avec électrons

5. Microscopes optiques spécialisés

★ À maîtriser

  • Le microscope à fond clair forme une image foncée sur un fond clair et constitue un microscope utilisé en routine en microbiologie.

  • Le microscope à fond noir observe des cellules vivantes non colorées grâce à un cône creux de lumière qui éclaire l’échantillon par les côtés et produit une image lumineuse sur fond noir.

Compléments

📌 Les micro-organismes non pigmentés sont difficilement visibles au microscope à fond clair et doivent être colorés pour augmenter le contraste.

  • Le microscope à contraste de phase permet notamment d’observer :

    • la mobilité
    • la forme des cellules vivantes
    • les endospores
    • les corps d’inclusion
  • Le microscope à contraste d’interférence différentielle ajoute des prismes qui produisent une image tridimensionnelle en couleurs vives d’échantillons vivants non colorés.

Astuce mémo

Fond clair : image sombre sur fond clair ; fond noir : cellule lumineuse sur fond noir

6. Microscopes optiques et électroniques

Notions clés & Définitions

  • Microscope à contraste de phase : transforme de faibles différences d'indice de réfraction et de densité cellulaire en différences d'intensité lumineuse, ce qui permet d'observer la mobilité, la forme et certains constituants des cellules vivantes non colorées.
  • Microscope électronique : utilise des électrons au lieu de photons et atteint une résolution d'environ 0.2 nm, contre 0.2 μm pour le microscope optique, permettant notamment d'observer les virus et les ultrastructures bactériennes.

Points essentiels

📌 Le microscope à fond noir observe des cellules vivantes non colorées en les éclairant latéralement, de sorte que seuls les rayons diffusés par l'échantillon atteignent la lentille et produisent une image lumineuse sur fond noir.

📌 Le microscope électronique à transmission nécessite des coupes fines colorées aux sels ou métaux lourds et produit une image en noir et blanc, tandis que le microscope électronique à balayage observe des cellules intactes recouvertes d'une fine couche de métal lourd.

Astuce mémo

Fond clair : contraste faible ; fond noir : cellule lumineuse sur fond noir

7. Préparation et coloration des échantillons

Notions clés & Définitions

  • Fixation cellulaire : un procédé qui fige et conserve en place les structures internes et externes de la cellule avant la coloration ou l'observation.
  • Coloration différentielle : utilise un ou plusieurs colorants et réactifs pour révéler des structures particulières ou différencier des groupes microbiens, comme avec les colorations de Gram et de Ziehl-Neelsen.

★ À maîtriser

📌 La fixation à la chaleur consiste à chauffer brièvement une monocouche bactérienne séchée à l'air et préserve la morphologie générale sans préserver correctement les structures intracellulaires, tandis que la fixation chimique inactive les protéines et les lipides et protège les structures fines.

Compléments

📌 Les colorants basiques, chargés positivement, mettent en évidence les constituants cellulaires acides comme les acides nucléiques, tandis que les colorants acides, chargés négativement, révèlent les constituants cellulaires basiques.

Astuce mémo

Colorant basique : constituants acides ; colorant acide : constituants basiques

8. Morphologie et organisation bactériennes

Notions clés & Définitions

  • Formes bactériennes : Les principales formes bactériennes sont les coques, les bacilles, les coccobacilles, les formes incurvées, les spirilles, les spirochètes, les formes filamenteuses, pédonculées et pléomorphes.

★ À maîtriser

  • La plupart des bactéries mesurent approximativement entre 0.2 μm, comme Mycoplasma pneumoniae, et 18 μm, comme Thiovulum majus.

Compléments

  • Les cellules de Thiomargarita namibiensis peuvent atteindre 750 μm, tandis que certaines Spirochaeta approchent 250 μm et qu'Epulopiscium fishelsoni dépasse 600 μm.

  • Les bactéries peuvent être isolées, associées par deux, disposées en chaînettes, en amas ou en tétrades.

9. Paroi bactérienne et coloration de Gram

Notions clés & Définitions

  • Peptidoglycane : Höltje, 1998 - aussi appelé mureine ou mucopeptide, est une macromolécule constituée de chaînes alternées de N-acétylglucosamine et d'acide N-acétylmuramique reliées par des chaînes peptidiques, qui confère à la paroi rigidité et intégrité tout en permettant son expansion.
  • Lipopolysaccharide : Le lipopolysaccharide de la membrane externe des bactéries Gram négatives comprend le lipide A, un polysaccharide central et une chaîne latérale O, contribue à la charge négative et à l'adhésion, et le lipide A agit comme une endotoxine.

★ À maîtriser

📌 Les bactéries Gram positives possèdent généralement une paroi épaisse, jusqu'à 80 nm, principalement composée de peptidoglycane et contenant des acides téichoïques et lipotéichoïques, tandis que les Gram négatives possèdent une couche de peptidoglycane d'environ 2 nm et une membrane externe.

  • La coloration de Gram consiste à appliquer le violet de gentiane, le lugol, une décoloration à l'éthanol ou à l'acétone, puis une contre-coloration à la fuchsine, avec un rinçage à l'eau après chaque étape.

Compléments

  • Les unités de N-acétylglucosamine et d'acide N-acétylmuramique du peptidoglycane sont reliées par des liaisons β 1-4, et chaque NAM porte une sous-unité peptidique de cinq acides aminés.

Astuce mémo

Gram positif : peptidoglycane épais ; Gram négatif : membrane externe et peptidoglycane mince

10. Membrane et constituants cytoplasmiques

Notions clés & Définitions

  • Transport passif : déplace les molécules dans le sens de leur gradient de concentration sans dépense d'énergie, par diffusion directe ou diffusion facilitée par un transporteur protéique.
  • Transport actif : déplace les molécules contre leur gradient de concentration et nécessite de l'énergie sous forme d'ATP, de force proton-motrice ou d'autres composés riches en énergie.

★ À maîtriser

  • La membrane plasmique bactérienne est une structure fluide, flexible et dynamique d'environ 7.5 à 8 nm d'épaisseur, composée de 30 à 40 % de lipides et de 60 à 70 % de protéines.

Compléments

📌 Les uniports transportent une seule molécule dans une direction, les antiports déplacent deux molécules différentes en sens inverses et les symports déplacent deux molécules simultanément dans le même sens. - Madigane & Martinko, 2007

Astuce mémo

Membrane, cytoplasme, ribosomes, réserves, chromosome

11. Structure et transport membranaires

Notions clés & Définitions

  • Ribosome bactérien : Le ribosome bactérien est constitué d'une petite sous-unité 30S et d'une grande sous-unité 50S, formant un ribosome 70S qui assure la traduction de l'ARN messager et la biosynthèse des protéines.
  • Cytoplasme bactérien : un hydrogel fluide et aqueux, généralement proche de la neutralité avec un pH de 7,2, délimité par la membrane plasmique et contenant notamment l'ADN, les ribosomes et les inclusions.

Points essentiels

  • Les ribosomes bactériens mesurent 10 à 30 nm, contiennent 63 % d'ARN et 37 % de protéines, et peuvent dépasser 15000 ribosomes par bactérie en croissance. - Singleton & Dusart, 1999

  • Les principales substances de réserve ou inclusions sont :

    • le glycogène
    • le β-hydroxybutyrate
    • les polyphosphates inorganiques
    • le fer et le soufre
    • les chromatophores et pigments
    • les vacuoles à gaz

12. Cytoplasme, ribosomes et réserves

Notions clés & Définitions

  • Chromosome bactérien : un filament unique d'ADN circulaire, surenroulé et bicaténaire, diffus dans le cytoplasme sans membrane nucléaire, pouvant mesurer 1360 μm chez Escherichia coli.

Points essentiels

  • La condensation et le dépliement de l'ADN bactérien sont assurés respectivement par les topoisomérases II et I.

13. Chromosome et ADN bactériens

Notions clés & Définitions

  • Nucléotide : Constitué d’un phosphate, d’un désoxyribose et d’une base purique, adénine ou guanine, ou pyrimidique, cytosine ou thymine.

★ À maîtriser

  • Les deux brins antiparallèles de l’ADN sont stabilisés par des liaisons hydrogène entre l’adénine et la thymine, ainsi qu’entre la guanine et la cytosine.
  • La réplication de l’ADN bactérien est semi-conservative et comprend l’initiation à l’origine de réplication, l’élongation puis la terminaison, notamment avec la protéine Tus.

📌 L’ADN bactérien porte les gènes qui codent les protéines : il est transcrit en ARNm, puis l’ARNm est traduit en protéine par les ribosomes.

Compléments

  • Chez Escherichia coli, le chromosome bactérien mesure environ 1360 μm, soit 1,36 mm, et peut être environ 1000 fois plus long que la bactérie.

Astuce mémo

Structure de l’ADN → réplication → expression des caractères

14. Plasmides et transferts génétiques

Notions clés & Définitions

  • Plasmide bactérien : Petite molécule d’ADN circulaire et bicaténaire, autonome pour sa réplication et non indispensable au métabolisme central de la cellule.
  • Transposon : Séquence génétique de taille limitée, encadrée par des répétitions inversées et contenant des éléments de transposition ainsi que des marqueurs spécifiques comme une résistance aux antibiotiques.

Points essentiels

  • Un plasmide peut porter des gènes de résistance aux antibiotiques, de virulence ou de fonctions métaboliques, et une bactérie peut contenir plusieurs plasmides compatibles ou plusieurs copies d’un même plasmide.

  • Les plasmides participent au transfert horizontal de gènes par conjugaison, transduction, mobilisation, transformation ou transposition.

📌 Les plasmides conjugatifs induisent la synthèse d’un pilus sexuel et sont généralement supérieurs à 30 mégadaltons, tandis que les plasmides non conjugatifs sont souvent très copiés et mobilisés par un plasmide conjugatif.

  • La transformation bactérienne comprend l’absorption d’ADN nu puis sa recombinaison homologue avec l’ADN du receveur.

Astuce mémo

Plasmide autonome, chromosome indispensable

15. Appendices et enveloppes bactériennes

Notions clés & Définitions

  • Pilis : De fins appendices protéiques, plus minces que les flagelles, mesurant 3 à 10 nm de diamètre et plusieurs micromètres de long, surtout présents chez les bactéries à Gram négatif.
  • Capsule bactérienne : Couche visqueuse inconstante située à l’extérieur de la paroi et difficilement détachable de la cellule.
  • Flagelle bactérien : Appendice protéique hélicoïdal composé de flagelline, d’environ 10 à 25 nm de diamètre, qui permet principalement la mobilité.

Points essentiels

📌 Les pilis communs, nombreux et courts, assurent l’adhésion et peuvent protéger contre la phagocytose, tandis que les pilis sexuels, généralement au nombre de 1 à 5, permettent le contact et la conjugaison.

📌 La capsule protège la bactérie contre la dessiccation, les rayonnements UV, certains agents chimiques, la phagocytose et la pénétration des antibiotiques, et constitue un facteur de virulence et un support antigénique.

  • Un flagelle comprend un corps basal, un crochet et un filament, et les bactéries peuvent présenter une flagellation monotriche, lophotriche, amphitriche ou péritriche.

Astuce mémo

Pilis = adhésion ou conjugaison ; flagelles = mobilité

16. Endospores bactériennes

Notions clés & Définitions

  • Endospore bactérienne : Structure intracellulaire résistante formée par certaines bactéries lorsque les conditions de croissance deviennent défavorables.

★ À maîtriser

  • La sporulation concerne principalement des bactéries Gram positif des genres Bacillus, Clostridium et Sporosarcina.

  • De l’intérieur vers l’extérieur, l’endospore comprend :

    • Noyau protoplastique
    • Membrane plasmique
    • Paroi sporale
    • Cortex
    • Tuniques internes et externes
    • Exosporium
  • Le dipicolinate de calcium est présent chez toutes les endospores bactériennes et représente environ 10 % du poids de la spore, en favorisant sa déshydratation et la protection de l’ADN contre la chaleur.

  • La sporulation transforme une cellule végétative en spore par réplication de l’ADN, division asymétrique, formation d’une préspore, maturation des enveloppes puis libération de la spore.

  • La germination d’une endospore comprend l’activation, la germination ou initiation, puis l’émergence de la cellule végétative.

Compléments

  • La sporulation de Bacillus subtilis dure environ 8 heures. - Madigane & Martinko, 2007

Astuce mémo

Conditions défavorables → sporulation → résistance → germination

17. Classification et nutrition bactériennes

Notions clés & Définitions

  • Taxonomie : Décrit les organismes vivants et les regroupe en taxons afin de les identifier, les nommer et les classer.
  • Facteur de croissance : Composé organique essentiel, ou son précurseur, que le microorganisme ne peut pas synthétiser et qui doit être fourni par l’environnement.
  • Facteurs de croissance : Composés organiques essentiels, ou leurs précurseurs, que le microorganisme ne peut pas synthétiser et qui doivent être fournis par l’environnement.

Points essentiels

📌 La classification phénétique regroupe les micro-organismes selon la similitude de leurs caractères phénotypiques, tandis que la classification phylogénétique les compare selon leurs relations évolutives.

  • En 1977, Carl Woese et George Fox ont proposé d’utiliser les séquences de l’ARN ribosomique pour étudier les relations évolutives et ont distingué les domaines Eucarya, Bacteria et Archaea. - Woese & Fox

  • Les rangs taxonomiques sont ordonnés ainsi :

    • Domaine
    • Phylum
    • Classe
    • Ordre
    • Famille
    • Genre
    • Espèce

📌 La nomenclature binominale désigne chaque espèce par le genre et l’espèce, avec le genre commençant par une majuscule et l’épithète spécifique en minuscule, le tout en italique ou souligné.

📐 Formule - Le contenu en GC de l’ADN se calcule selon la relation GC%=G+CG+C+T+A×100GC\% = \frac{G+C}{G+C+T+A}\times 100.

  • Le séquençage du gène codant l’ARN ribosomique 16S est utilisé comme une carte d’identité moléculaire et constitue la base de l’arbre phylogénétique proposé par Woese et Fox. - Woese & Fox, 1977

  • Les principaux macro-éléments sont :

    • Carbone
    • Oxygène
    • Hydrogène
    • Azote
    • Soufre
    • Phosphore
    • Potassium
    • Calcium
    • Magnésium
    • Fer
  • Les principales oppositions trophiques sont :

    • prototrophes et auxotrophes
    • autotrophes et hétérotrophes
    • phototrophes et chimiotrophes
    • lithotrophes et organotrophes

📌 La température minimale est la plus basse permettant la croissance, la température optimale permet la meilleure croissance et la température maximale est la limite supérieure de croissance.

  • Les bactéries mésophiles croissent entre 15 °C et 45 °C, tandis que les bactéries psychrophiles ou psychrotrophes vivent à basse température et les bactéries thermophiles ou hyperthermophiles supportent des températures élevées.

📌 Selon leur pH optimal, les bactéries sont acidophiles, neutrophiles ou alcalophiles.

  • Selon leur exigence en oxygène, les bactéries sont :
    • aérobies strictes
    • microaérophiles
    • aéro-anaérobies facultatives
    • anaérobies strictes

📌 Une concentration élevée en soluté réduit l’activité de l’eau, et une faible activité de l’eau rend la croissance bactérienne moins favorable.

Astuce mémo

Phénotype → génome → phylogénie → besoins nutritifs

Tableaux de synthèse

Procaryotes et eucaryotes

CaractéristiqueProcaryotesEucaryotes
Enveloppe nucléaireAbsentePrésente
ChromosomesGénéralement 1 et circulairePlusieurs et non circulaires
Ribosomes70 S80 S
Paroi à peptidoglycanePrésente sauf mycoplasmes et archéobactériesAbsente

Comparaison des parois bactériennes

CaractéristiqueGram positifGram négatif
PeptidoglycaneÉpais, jusqu'à 80 nmMince, environ 2 nm
Membrane externeAbsentePrésente
Constituants caractéristiquesAcides téichoïques et lipotéichoïquesLipopolysaccharides et porines
Résultat de GramVioletRose

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1. Laquelle de ces propositions regroupe des formes bactériennes reconnues ?

2. Quelle image produit généralement un microscope à fond clair ?

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Qu'est-ce qu'un microbe selon sa taille visible?

Un être vivant invisible à l’œil nu.

Par quels aspects les microbes diffèrent-ils?

Par leur morphologie, physiologie, reproduction et écologie.

Que distingue la microbiologie fondamentale de la microbiologie appliquée?

La microbiologie fondamentale étudie les mécanismes et l’évolution, la microbiologie appliquée utilise les micro-organismes dans divers domaines.

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