Cours de Biochimie microbienne L3.pptx

L3 Microbiologie
Module : Biochimie Microbienne
Objectifs :
Etude du métabolisme énergétique des microorganismes .
Catabolisme des glucides et des autres composés
organiques.
Mécanismes biochimiques utilisés par les bactéries.
Acquisition des connaissances nécessaire pour caractériser
et identifier des bactéries et des Archeae sur le plan biochimique

L3 Microbiologie
Contenu de formation :
I. Introduction :
Energie, anabolisme, catabolisme.
II. Métabolisme énergétique des micro-organismes :
Source d’énergie et types trophiques ;
Accepteur final d’électrons et types de respirations
III. Catabolismes des glucides :
- La glycolyse ou voie d’embden-meyerhoff
- Les alternatives de la glycolyse
- Le métabolisme anaérobie du pyruvate
- Le cycle tricarboxylique de krebs
- Le shunt glyoxylique
- Fermentations dérivées au cycle de krebs ou du shunt glyoxylique.
Importance relative de ces voies métaboliques chez les différents
types de micro-organismes : bactéries, levures, moisissures
- Le catabolisme des glucides chez les Levures
(anaérobie et aérobie, applications)

L3 Microbiologie
IV. Etude et intérêt de quelques types métaboliques :
1. Les lithotrophes aérobies
( cas des bactéries nitrifiantes )
2. Les lithotrophes anaérobies
( cas des bactéries sulfato-réductrices, bactéries méthanogènes, …)
3. Les organotrophes aérobies et anaérobies
( cas des pseudomonas, bactéries acétiques, …)
4. Organismes fermentants
- Fermentation alcoolique
- Fermentation lactique
- Fermentation des acides mixtes et butanediolique
- Fermentation butylique
- Fermentation propionique

V. Catabolisme des autres composés organiques :
- Les lipides
- Les protéines
- Les glucides
- Les composés monocarbonés (éthanol et glycérol)
- Applications
VI. Anabolisme et production de biomasse et de métabolites :
- Production d’acides aminés
- Production de lipides
- Production de nucléotides
- Production d’antibiotiques
- Production d’hormones
- Production de toxines
- Production de polysaccharides
- Production d’enzymes
L3 Microbiologie

L’énergie est la capacité d’effectuer un travail.
Provient du grec : ἐνέργεια / enérgeia qui signifie force en action
Les organismes vivant sont capables de trois type principaux de travail :
Le travail chimique
(synthèse de molécules biologiques complexe)
le travail de transport
(assimilation de nutriments, rejet des déchets)
et le travail mécanique
(mouvement des organismes, des celles ,
et des structures intracellulaires)
Introduction

Les besoins énergétiques des micro-organismes sont satisfaits par :
La photosynthèse et l’oxydation
énergie

La source première de la plus grande part de l’énergie biologique
est la lumière solaire visible
Types énergetiques

Prototrophes : puisent leur énergie dans le rayonnement lumineux
Chimiotrophes : utilisent l’énergie de l’oxydation de produits chimiques
organiques ou minéraux
Photolithotrophes : utilisent des composés minéraux comme source d’électrons
Photo-organotrophes : utilisent des composés organiques comme source d’électrons
Chimiolithotrophes : utilisent des composés minéraux comme source d’électrons
Chimio-organotrophes : utilisent des composés organiques comme source d’électrons
Autotrophes : utilisent le CO2 comme source de Carbonne
Hétérotrophes : utilisent les composés organiques comme source de Carbonne
Paratrophes : tirent leur énergie de leur parasitisme obligatoire
Types trophiques

Principaux types nutritionnels

Les sources d’énergie chez les micro-
organismes

Les cellules doivent transférer efficacement l’énergie provenant
du système de capture et de production d’énergie aux systèmes
réalisant un travail
Rôle de l’ATP
L’ATP aide à l’aboutissement de nombreuses réactions endergoniques
L’ATP relie les réactions génératrices d’énergie à celles qui
requièrent de l’énergie

La libération d’énergie implique des réactions d’oxydo-réduction.
Les réactions d’oxydo-réduction sont celles ou des électrons se
déplacent d’un donneur (agent réducteur ou réducteur) vers un
accepteur d’électrons (agent oxydant ou oxydant)
Potentiel de réduction standard

Potentiel de réduction standard
Lors du transfert
d’électrons du NADH
vers l’O2 de l’énergie
est libéré.
L’énergie libéré lors du
transfert d’électrons
sert à synthétiser l’ATP

Flux d’énergie dans le métabolisme
Le transfert des électrons du NADH à
l’oxygène ne requiert aucun apport d’énergie
Le transfert des électrons de l’H2O au
NADP+ requiert de l’énergie

Types respiratoires
Traditionnellement
Respiration : lorsque l’accepteur final d’électrons est l’oxygène moléculaire
Fermentation : lorsque l’accepteur final est une molécule autre que l’oxygène
moléculaire
Respiration : Possession d’une chaine de transport électronique liée à une membrane
cellulaire et entrainant un flux unidirectionnel d’électrons dans un sens et un flux
équivalent de protons dans l’autre sens quelque soit la nature de l’accepteur final

Types respiratoires
Fermentation : Possession de chaines de transport électronique
intra-cytoplasmique n’entraînant pas automatiquement de flux
d’électrons ou de protons de part et d’autre
d’une membrane cellulaire

Les différents accepteur d’électrons

Types respiratoires
1 : Aérobie strict ; 2 : Aéro-anaérobie ;
3 : Micro-aérophile ; 4 : Anaérobie strict.

Le métabolisme
Le métabolisme énergétique de la cellule est essentiel car il permet la biosynthèse
la croissance et la multiplication cellulaire à partir de l’énergie produite par la cellu
Le métabolisme tend à produire de l’ATP
Les micro-organismes produisent de l’énergie lors du catabolisme
(réaction exergonique) et emmagasine cette énergie dans les molécules d’ATP
Les voies du métabolisme servent à la production d’énergie
(Respiration, Fermentation)
Les voies du métabolisme aboutissent à des corps intermédiaires précurseurs de
macromolécules

Le métabolisme est l’ensemble des réactions chimiques se produisant
dans la cellule.
Il est rendu possible par le flux d’énergie et les enzymes
Métabolisme bactérien => Critères d’identification biochimiques
Le métabolisme est divisé en Anabolisme et Catabolisme
Le Catabolisme : Fragmentation des molécules en molécules plus petite
et plus simple, avec libération d’énergie.
L’Anabolisme : Synthèse de molécules plus complexe à partir de
précurseurs plus simple avec consommation d’énergie
Le métabolisme

Le métabolisme
Le Catabolisme : Fragmentation des molécules en molécules plus petite
et plus simple, avec libération d’énergie.
Une partie de cette énergie est captée et rendu disponible pour un travail
Une partie de l’énergie est libéré sous forme de chaleur
L’énergie piégé peut ensuite être utilisée dans l’anabolisme
L’Anabolisme : Synthèse de molécules plus complexe à partir de
précurseurs plus simple avec consommation d’énergie
Dans l’anabolisme, l’énergie est utilisée pour augmenter l’ordre su système

Les Enzymes : catalyseurs protéiques ayant une grande
spécificité pour la réaction et pour les molécules
Holoenzyme : Apoenzyme + co-facteur
Groupement prosthétique : Co-facteur fermement lié à l’apoenzyme
Dans le cas contraire, il est appelé Co-enzyme
Les Enzymes

L’activité enzymatique est influencé par des facteurs de l’environnement :
La concentration en substrat
Effet de l’environnement

Effet de l’environnement
L’activité enzymatique est influencé par des facteurs de l’environnemen
La concentration en substrat
La température et le pH

Les voies amphiboliques
Les Enzymes E1 et E2 permettent une régulation
différentes des voies catabolique et anabolique

La glycolyse
La glycolyse ou voie d’Embden-Meyerhof est la
voie la plus commune de dégradation du
glucose en pyruvate dans la 2ème étape du
catabolisme
Elle se trouve chez tous les organismes et elle
fonctionne en présence ou en absence
d’oxygène
La glycolyse a lieu dans le cytoplasme
La glycolyse a lieu en 2 étapes : une étape à
six carbones et une étape à 3 carbones

La glycolyse
Dans l’étape à six carbone le
glucose est phosphorylé 2 fois
et finalement transformé en
fructose 1,6-bis-phosphate
D’autres sucres sont introduits
dans la voie par transformation
en glucose 6-phosphate ou
fructose 6-phosphate
Cette étape consomme 2
molécules d’ATP

La glycolyse
L’étape à 3 carbones commence
par la formation de 2 trioses :
Le glycéraldéhyde 3-phosphate
et Le dihydroxyacétone
phosphate
Dans cette étape se produit la
phosphorylation au niveau du
substrat
Cette étape produit de l’ATP

La glycolyse
La glycolyse dégrade une molécule de glucose en 2
molécules de pyruvate
De l’ATP et du NADH sont produit
L’étape à 6 carbone consomme 2 ATP
L’étape à 3 carbone produit 4 ATP et 2 NADH
Glucose + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+ => 2 pyruvates + 2 ATP + 2
NADH + 2 H+

Les alternatives à la glycolyse

La voie des pentoses phosphates
Voie des pentoses phosphates ou voie des hexoses mono-phosphates peut être
utilisé en même temps que la glycolyse
Elle opère en aussi bien en aérobiose qu’en anaérobiose
Elle est importante dans le catabolisme et dans l’anabolisme
2 enzymes uniques à cette voie : La trans-cétolase et la trans-aldolase
Le résultat final de la voie est la transformation de 3 glucose 6-phosphates en :
2 fructose 6-phosphates
un glycéraldéhyde 3-phosphate
3 CO2
6 NADPH + 6 H+
3 glucose 6-phosphates + 6 NADP + 3 H2O => 2 fructose 6-phosphates + un
glycéraldéhyde 3-phosphate + 3 CO2 + 6 NADPH + 6 H+
Glucose 6-phosphates + 12 NADP + 7 H2O => 6 CO2 + 12 NADPH + 12 H+ + Pi

3 glucose 6-phosphates + 6 NADP + 3 H2O => 2 fructose 6-phosphates + un
glycéraldéhyde 3-phosphate + 3 CO2 + 6 NADPH + 6 H+
Glucose 6-phosphates + 12 NADP + 7 H2O => 6 CO2 + 12 NADPH + 12 H+ + Pi
La voie des pentoses phosphates a plusieurs fonctions anaboliques et cataboliques :
Le NADPH sert de source d’électrons lors des réactions de réduction au cours de la
biosynthèse
La voie synthétise des sucres à 4 et 5 carbones dans des buts variés
Erythrose 4-phosphate => AA aromatique et vitamine B6
Ribose 5-phosphate => Acide nucléique
Ribulose 1,5-bi-phosphate => accepteur du CO2 dans la photosynthèse
Le glycéraldéhyde 3-phosphate peut donner de l’ATP et du pyruvate
Le NADPH peut être transformer en NADH qui va servir à produire de l’ATP
Elle est utilisé pour dégrader aussi bien les héxoses que les pentoses

La voie d’Entner-Doudoroff
Similaire à la glycolyse en transformant le glucose en pyruvate
Commence comme la voie des pentoses phosphates (formation de 6-
phospho-gluconates)
Le 6-phospho-gluconate est déshydraté pour former 2 CDPG
Céto-3-désoxy-6-phospho-gluconate
Le CDPG est clivé par la CDPG aldolase en pyruvate et glycéraldéhyde 3-
phosphate

Enzymes
communes à
la glycolyse

Similaire à la glycolyse en transformant le glucose en pyruvate
Commence comme la voie des pentoses phosphates (formation de 6-
phospho-gluconates)
Le 6-phospho-gluconate est déshydraté pour former 2 CDPG
Céto-3-désoxy-6-phospho-gluconate
Le CDPG est clivé par la CDPG aldolase en pyruvate et glycéraldéhyde 3-
phosphate
Un glucose donne un pyruvate + un ATP + un NADPH + un NADH
Cette voie est retrouvé chez les bactéries gramme négatives :
Pseudomonas, Azotobacter, Rhizobium, Agrobacterium
Et chez Enterococcus faecalis

Le NADH est oxydé en NAD+
L’accepteur d’électrons est soit
le pyruvate soit un dérivé
du pyruvate
Métabolisme du pyruvate

Cette fermentation est à la base de
la fabrication de boissons et de pain
et elle est utilisée à des fins
industriels
Par des levures : Saccharomyces
cerevisiae
Glucose + 2 ADP 2 Pi =>
2 CO2 + 2 éthanol + 2 ATP
En milieu alcalin, la fermentation
s’accompagne par la production de
glycérol et d’acétate
Fermentation alcoolique

Très répandue (Bacillus, Lactobacillus,
Streptococcus, et certaines
moisissures)
Transforme le lait en fromage et
yaourt
Glucose + 2 ADP 2 Pi =>
2 Ac lactique + 2 ATP
La Fermentation lactique est divisé en
fermentation homolactique et
hétérolactique
Fermentation lactique

Effectué essentiellement par les
entérobactéries
Elle se caractérise par la grande
diversité des produits de
fermentation
Diversité encore accrue par les
conditions du milieu
E. coli à pH 6-6,2 :
9 Glucose => 5 éthanol + 4 acétate
+ 8 lactate + 1 succinate + 8 CO2 +
8 H2
E. coli à pH 7,8-8 :
9 Glucose => 5 éthanol + 9 formiate
+ 4 acétate + 7 lactate + 1,5
succinate
Différence due à l’Hydrogène-lyase
Fermentation des acides mixtes

Serratia à pH 6,5 :
10 glucose => 6 Butanediol + 6
éthanol + 5 formiate + 1 lactate + 1
succinate + 12 CO2
Ces fermentations peuvent
s’accompagner par la production de :
Acétoïne : qui va donner du diacétyl
par oxydation de l’air (Gout du
beurre)
Butanediol : qui peut être transformé
en butanediène et servir à la
synthèse du caoutchouc synthétique
Le diagnostique des entérobactéries
repose en partie sur l’identification
de ces produits de fermentations
Fermentation butanediolique

Test de Voges_Proskauer :
Procédé colorimétrique qui permet de déterminer la présence de l’acétoïne,
précurseur du butanediol
Mise en contact du diacétyl avec l’a-naphtol qui donne une couleur rouge-
rose dont l’intensité de la réaction est augmenté par la créatine
Test au rouge de méthyle :
Détermination du pH du milieu en présence de rouge de méthyle
En présence de bactéries à fermentation d’acides mixtes, le pH baisse en
dessous de 4,5 et le rouge de méthyle reste rouge
En présence de bactéries à fermentation butanediolique, le pH s’élève au
dessus de 7 et le rouge de méthyle vire au jaune
La fermentation butanediolique produit un excès de CO2 par rapport à l’H2 et le
rapport CO2/H2 est de 5
Diagnostique des Enterobacteriaceae

Fermentations des bactéries
anaérobies stricts :
Fermentation Butanoïque
(anciennement Butyrique)
Par Clostridium perfringens,
Clostridium butyricum
Fermentation type des boites de
conserve avariés qui donne l’acidité,
le gaz, et la mauvaise odeur
4 glucose => 2 acétate + 3 Butyrate +
8 CO2 + 10 H2
Fermentation butanoïque

Fermentations des bactéries
anaérobies stricts :
Fermentation acétono-butylique qui
donne du butanol et de l’acétone
Par Clostridium acetobutylicum
5 Glucose => 3 Butanol + 1 acétate +
1 acétone + 11 CO2 + 8 H2
Cette fermentation peut servir à
valoriser les déchets agricoles pour
fabriquer des carburants (acétone,
butanol, H2)
Elle a été utilisé pour fabriquer des
explosifs
Fermentation Acétono-butylique

Effectué par Propionibacterium :
Donne à partir du Glucose ou du
lactate un mélange d’acétate, de
propionate, et de CO2,
Elle correspond à la fermentation
secondaire de certains fromage à pate
cuite (Gruyère, emmenthal, …)
3 glucose => 4 propionate + 2
acétate + 2 CO2
Les Propionibacterium participe à
l’assimilation alimentaire chez les
ruminants
Fermentation propionique

Cycle des acides
tricarboxyliques

Cycle de Krebs
Le métabolisme anaérobie du
pyruvate permet de libérer une petite
quantité d’énergie, néanmoins
l’oxydation complète du pyruvate en
CO2 en présence d’O2 libère bien plus
d’énergie
L’oxydation du pyruvate en CO2
correspond à la troisième phase du
catabolisme
Le cycle de Krebs génère à partir d’un
pyruvate : 2 CO2, 3 NADH, 1 FADH2,
et un GTP
Le cycle Krebs fournit de l’énergie,
des cofacteurs réduits riches en
énergie, et des précurseurs pour les
voies de biosynthèse.

Cycle de Krebs
Le cycle de Krebs est envisagé en termes d’intermédiaires, de produits et de
la chimie impliqué à chacune des étapes
Le Pyruvate est transformé en acétyl coenzyme A par un système multi-
enzymatique nommé Complexe de la pyruvate déshydrogénase
L’acétyl coenzyme A étant formé d’une molécule riche en énergie (Le
coenzyme A + acide acétique)

Cycle de Krebs
L’acétyl Co-A provient du catabolisme de nombreux Lipides, acides aminés,
et glucides.
Le complexe multi-enzymatique pyruvate déshydrogénase (pyruvate DH) est
constitué de 3 enzymes principales :
La pyruvate DH (Enzyme E1) ayant la thiamine pyrophosphate comme
groupement prosthétique , assure la décarboxylation du pyruvate.
La dihydrolipoyl transacétylase
(Enzyme E2) permet le transfert du
radical acétyle du lipoate sur le
Coenzyme A, libérant l’acétyl-CoA
La dihydrolipoyl déshydrogénase
(Enzyme E3) (Flavoprotéine) oxyde le
dihydrolipoate et transfert les
électrons et les protons au NAD

Cycle de Krebs
Bilan énergétique de l’oxydation de l’acétyl-CoA :
Deux atomes de carbone entrent dans le cycle sous fome d’acétyl-CoA et
ressortent sous forme de 2 CO2 obtenus au cours de décarboxylations de l’a-
cétoglutarate et de l’isocitrate.
La réduction des cofacteurs NADH et FADH2 permettra la formation de
liaisons phosphates riches en énergie (11) par phosphorylation de l’ADP
1 liaison phosphate riche en énergie est formé sous forme de GTP
Ainsi l’oxydation totale de l’acétyl-CoA permettrait de former 12 ATP

Cycle de Krebs
Fonctions du cycle de Krebs :
Dégradation de l’Acétyl-CoA
Formations de co-facteurs réduits riches en énergie, pour la
synthèse de l’ATP
Formation de précurseurs biosynthétiques (acides a-cétoniques
donnent des acides aminés, le citrate est un précurseur de la
biosynthèse des acides gras, le malate donne le glucose par
néoglucogenèse)
Certaines voies cataboliques produisent des intermédiaires de ce
cycle. Leur entrée et leur dégradation par cette voie contribue au
renouvellement des structures
La nature amphibolique de cette voie tient au fait qu’elle fournit des
précurseurs biosynthétiques et qu’elle sert à la dégradation et à l’élimination
de composés issus d’autres métabolismes

Cycle de Krebs
Régulation du cycle de Krebs :
Disponibilité en substrats énergétiques (glucose, pyruvate, Acétyl
Co-A)
Inhibition par les produits accumulés (Régulation allostérique)
Régulation en amont au niveau du complexe de la pyruvate
déshydrogénase

Cycle de Krebs
Disponibilité en substrats énergétiques (glucose, pyruvate, Acétyl
Co-A)
Le cycle de Krebs et la glycolyse fonctionnent de manière coordonnées de
telle sorte que la vitesse de déroulement de la glycolyse lui permet de fournir
les substrats (pyruvate, Acétyl Co-A) qui alimente le cycle de krebs.
Certains produits de réaction sont communs et contribue à la régulation de la
réaction
L’activité de la citrate synthase peut être limité par la disponibilité de
l’oxaloacétate et de l’acétyl Co-A

Cycle de Krebs

La rétro-inhibition
La vitesse de nombreuses voies métaboliques est ajustée par le contrôle de
l’activité d’enzymes régulatrices
Dans chaque voie il existe au moins une enzyme qui catalyse la réaction la
plus lente ou la réaction limitante de la voie
C’est généralement la première réaction d’une voie qui est la réaction-clé et
qui est catalysé par une enzyme régulatrice
La rétro-inhibition assure une production équilibré du produit final d’une voie
métabolique
Le produit final de la voie inhibe l’enzyme-clé (Rétro-inhibition ou inhibition
« Feedback »)
Si le produit final devient trop concentré, il inhibe l’enzyme
régulatrice et diminue sa propre synthèse
Si la concentration du produit final diminue, l’activité de la voie
augmente de nouveau et le produit se reforme

La rétro-inhibition
Les voies biosynthétiques se ramifie
souvent pour former plus d’un produit
La synthèse des produits doit être
coordonné de façon précise (équilibre
entre les 2 produits)
L’équilibre est obtenue par l’utilisation
d’enzymes régulatrices au point de
bifurcation
Les produits finals inhibe aussi l’enzyme
initiant la voie métabolique
La rétro-inhibition de l’enzyme modulatrice
initiale permet de correspondre l’offre et la
demande en carbone dans les voies
ramifiés
La régulation des voies métaboliques
ramifiés est souvent le fait de plusieurs
isoenzymes

Cycle de Krebs
Le NADH s’accumule entrainant l’élévation du rapport NADH/NAD bloquant
ainsi l’isocitrate DH et l’a-cétoglutarate DH
Le citrate s’accumule et rétro-inhibe la citrate synthase
Le succinyl-CoA s’accumule et devient un effecteur négatif de l’a-
cétoglutarate DH
L’ATP inhibe la citrate synthase et l’a-cétoglutarate DH. L’inhibition est levée
par l’ADP au niveau de la citrate synthase

Cycle de Krebs
Régulation en amont au niveau du complexe de la pyruvate
déshydrogénase
Le cycle est réglé par le statut energetique de la cellule, qui dépend de son
approvisionnement en acétyl-CoA
La véritable régulation se situe en amont, au niveau du complexe
enzymatique pyruvate DH
La conversion du pyruvate en acétyl-CoA est une réaction irréversible
La régulation du complexe enzymatique pyruvate DH ne concerne que
l’enzyme pyruvate DH

Cycle de Krebs
L’activité de la pyruvate DH peut être affecté par l’accumulation de NADH et
de l’acétyl-CoA
Elle peut être régulé par phosphorylation-déphosphrylation
L’accumulation d’ATP,
d’acétyl-CoA et de NADH
active une pyruvate DH
kinase est activé
Lorsque la consommation
d’ATP atteint un seuil signal.
Le Pyruvate active une
pyruvate DH phosphatase.
Les effecteurs positifs de la
pyruvate DH phosphatase
sont l’insuline, le Ca2+ , le
Mg2+ , et le pyruvate

Cycle du Glyoxylate
Le cycle du glyoxylate (ou Shunt glyoxylique) est une variante du cycle de
Krebs retrouvé chez certains végétaux et chez les microorganismes
(bactéries, moisissures, levures)
Ils possèdent, en plus des enzymes du cycle de Krebs, l’isoctiratase ou
isocitrate lyase.
L’isocitratase clive l’isocitrate en succinate et glyoxylate
puis une seconde enzyme (malate synthase) condense le glyoxylate avec un
acétyl-CoA pour former un malate (précurseur de la néoglucogenèse)
Les 2 enzymes n’existent pas chez les animaux

Cycle du Glyoxylate
Bilan du cycle de glyoxylate :
A partir du succinate
l’oxaloacétate est régénéré par
les réactions réversibles du cycle
de Krebs
On en déduit le bilan de
transformation de l’acétyl-CoA en
glyoxylate :
2 acétyl-CoA + 3 H2O + FAD + 2
NAD => Oxaloacétate + FADH2 + 2
NADH + glyoxylate
Le cycle du glyoxylate permet de faire l’oxydation ménagé de l’acétyl-CoA en
glyoxylate . Le glyoxylate étant ensuite utilisé pour former un malate.
Les microorganismes peuvent former du glucose à partir de Lipides
(Néoglucogenèse)

Le catabolisme des disccharides
Les disaccharides sont hydrolysés par les micro-organismes
Les enzymes responsables sont presque toujours induites et très spécifique
de la forme de la liaison glycosidique (a et b)
Elles peuvent dégrader des analogues de substrat qui possèdent la même
liaison glycosidique (ONPG, orthonitrophényl-β-galactoside, à la palace du
lactose (galactose+glucose))
Grace à cette propriété, on peut mettre en évidence les enzymes en ayant
recours à des substrats chromogènes ou libérant un produit chromogène
après hydrolyse
Elles sont recherchées sur les germes après culture sur les substrats
spécifiques :
Lactose pour la b-galactosidase
Maltose pour la maltase

L’action des enzymes libèrent les oses constitutifs
Le glucose subira l’une des voies métaboliques définis (Glycolyse, Cycle du
citrate, … etc.)
Le fructose qui provient du saccharose (glucose+fructose) est transformé par
phosphorylation en fructose phosphate qui rentre dans le cycle d’Embden-
Myerhof
Le galactose qui provient du lactose (galactose+glucose) sera épimérisé en
glucose en 3 étapes
Galactose + ATP => Glucose 1-P + ADP

Le galactose peut aussi être oxydé et utilisé par une voie analogue à la voie
d’Entner-Doudoroff
Les disaccharides font l’objet d’un large emploi industriel :
Le maltose dans l’industrie des boisons
Le saccharose pour la pâtisserie, la confiserie, …
Le lactose dans les laiteries et fromageries
Le lactose est aussi un constituant de nombreux milieux de culture d’usage
courant en microbiologie médicale et, surtout, en microbiologie alimentaire.
Les bactéries qui fermentent le lactose sont des germes tests de
contamination fécale et sont donc recherchés en tant que tel pour évaluer la
qualité sanitaire des produits alimentaires
La recherche de la b-galactosidase est un test de grande utilité diagnostique

Le catabolisme des polysaccharides
Les polysaccharides sont très nombreux et variés dans la nature et de
nombreux micro-organismes se sont spécialisés dans leur dégradation
Amidon :
Polyglucose constitué d’amylose (ou poly-a (1-4) –D-glucopyranoside, 20%)
et l’amylopectine (80% de la masse totale)
Les amylases bactériennes qui dégradent l’amidon sont des exoenzymes :
Les a-amylases : qui scindent la molécule en n’importe quel point
(endoamylases), ce qui donne naissance au maltose, maltotriose, et
des dextrines
Les b-amylases : même mode de fonctionnement mais coupe les
molécules à partir de leur extrémité non réductrices (exoamylases)
Les g-amylases : Glucamylases, sont exclusivement bactériennes,
libère le glucose par rupture des liaisons a (1-6) et a (1-4)
Elles sont rencontrés chez Bacillus, Clostridium, et Aspergillus. Elles servent
de critères d’identification au laboratoire.

Cellulose :
Constituant principale des plantes, se retrouve dans les débris végétaux et
dans le tube digestif des herbivores
Les organismes Cellulolytiques sont très variés : Bacillus, Clostridium,
Cellulomonas, Pseudomonas, moisissures, … et dégradent la cellulose en
glucose + maltose
Ces organismes sont très important pour la nutrition des herbivores (Bovins)
qui ne possèdent pas de cellulases propre.
Autres polysaccharides ou dérivées :
La pectine dont la dégradation est recherchée dans le rouissage de
fibres textiles (Chanvres)
La chitine provenant des carapaces de crustacés ou de la paroie des
champignons
L’acide hyaluronique
L’agar-agar

Les dérivés des sucres, comme les acides et les alcools, sont dégradables
par les micro-organismes.
Ces composés sont utilisés dans des milieux de culture en vue de
l’identification des bactéries au laboratoire
Cette dégradation conduit le plus souvent au stade sucre correspondant
Les hexitols (manitols, dulcitols) donnent naissance au mannose,
galactose, et sorbose
Les méthylhexoses comme le rhamnose donnant le mannose
Les hétérosucres comme l’esculine, qui est le glucoside l’esculétine
(6,7- dihydroxycoumarine + glucose), et la salicine qui est le glucoside de
la saligénine (alcool salicylique + glucose)

Métabolisme du glucose
chez
Saccharomyces cerevisiae

Saccharomyces cerevisiae est une levure utilisée depuis des siècles dans la
transformation du sucres en alcool, pour l’élaboration de pain … etc.
Elle a été découverte, isolée et identifiée au milieu du XIXème siècle
Ce champignon (Mycète d’où myces), capable de métaboliser des sucres
(saccharo), responsable de la fermentation fut appelée Saccharomyces
cerevisiae par meyen en 1837

Saccharomyces cerevisiae est un organisme eucaryote unicellulaire de forme
ronde ou ovoïde (5 à 10 microns) se reproduisant par bourgeonnement
Elle est très utilisée comme organisme modèle en biologie cellulaire et en
génomique

Saccharomyces cerevisiae est le premier organisme eucaryote dont le
génome ait été intégralement séquencé, en 1996.
Le génome est d’une taille de 12068 Kb et il est constitué de 6275 gènes
répartis entre 16 chromosomes.

Les différents chromosomes peuvent être présents en un ou plusieurs
exemplaires dans la cellule
Les levures haploïdes : 1 seul exemplaire de chaque chromosome
(1n = 16 chromosomes)
Les levures diploïdes : disposent de 2 exemplaires (2n = 32
chromosomes)
Les levures polyploïdes : plusieurs exemplaires (3n = triploïdes ; 4n
= tétraploïdes)
Les levures aneuploïdes : Cellules ne contenant plus un multiple
exact du nombre de chromosomes haploïdes (2n+1 ou 2n-1
chromosomes)

Saccharomyces cerevisiae se reproduit par bourgeonnement, reproduction
asexuée

Les besoins nutritionnels de la levure :
La biomasse chez la levure est composée principalement d’eau et des
éléments CHON (carbone, hydrogène, oxygène, azote)
Les constituants essentiels :
L’eau : La levure est formée de 75% d’eau
Le carbone : Le carbone représente 50% du pois sec de la levure.
Les glucides simples (Monosaccharides, disaccharides,
trisaccharides) sont fermentescibles par les levures

Les constituants essentiels :
l’oxygène : nécessaire à la respiration aérobie et à la production de
stérols
L’azote : Les levures contiennent environ 10% d’azote, entrant dans
la composition des acides aminés, acides nucléiques et certaines
vitamines
Les vitamines : Ayant un rôle de régulateur et des co-facteurs
important des voies métaboliques. La levure est auxotrophe à : acide
pantothénique, acide nicotinique, pyridoxine, myo-inositol, thiamine
et biotine.

Différents métabolismes de dégradation des sucres se distinguent chez
Saccharomyces cerevisiae suivant les conditions environnementales.
Les facteurs environnementaux ayant le plus d’influence sont la
concentration en glucose et en oxygène.
La levure présente un métabolisme oxydatif en aérobiose.
Sous certaines conditions d’apport en glucose, un métabolisme
respiro-fermentaire
En absence d’oxygène, un métabolisme fermentaire.
Un excès de glucose en aérobie induit, chez Saccharomyces cerevisiae, une
bascule métabolique vers un métabolisme respiro-fermentaire.

En présence d’oxygène et lorsque la concentration en glucose est inferieur à
150 mg/L la levure présente un métabolisme oxydatif.
Au-delà de la concentration de 150 mg/L de glucose, il y a production
simultanée d’éthanol et le métabolisme devient un métabolisme respiro-
fermentaire

Chez Saccharomyces cerevisiae le glucose est transporté dans le cytosol par
diffusion facilitée et il est métabolisé en pyruvate via la voie de la glycolyse
(métabolisme oxydatif) : Cette voie produit 2 ATP et 2 NADH
Le pyruvate est ensuite transporté dans la mitochondrie pour être cataboliser
dans le cycle de Krebs, permettant ainsi de générer de l’énergie sous forme
de GTP, de produire des précurseurs du métabolisme et de réduire les co-
facteurs oxydé (NAD+, FAD)
Enfin la phosphorylation oxydative (respiration) permet d’oxyder les co-
facteurs réduits (NAD+, FAD)

Chez Saccharomyces cerevisiae le glucose est transporté dans le cytosol par
diffusion facilitée et il est métabolisé en pyruvate via la voie de la glycolyse
(métabolisme oxydatif) : Cette voie produit 2 ATP et 2 NADH
Le pyruvate est ensuite transporté dans la mitochondrie pour être cataboliser
dans le cycle de Krebs, permettant ainsi de générer de l’énergie sous forme
de GTP, de produire des précurseurs du métabolisme et de réduire les co-
facteurs oxydé (NAD+, FAD)
Enfin la phosphorylation oxydative (respiration) permet d’oxyder les co-
facteurs réduits (NAD+, FAD)
L’énergie nécessaire pour former de l’ATP est obtenue lorsque 3 H+
traversent l’ATP synthase
L’efficacité énergétique de la respiration, caractérisé par le ratio P/O
(mole d’ATP formé par atome d’oxygène respiré) varie entre 1 et 3 (En
pratique : 1,2)
30 % du glucose 6-phosphate est détourné par la voie des pentoses
phosphates pour produire des nucléotides et du NADPH

En absence totale d’oxygène, Saccharomyces cerevisiae présente un
métabolisme fermentaire.
Dans le métabolisme fermentaire l’oxygène n’est plus l’accepteur final
d’électrons. Ce rôle est joué par des molécules organiques (Acétaldéhyde)
Lors de la fermentation, des métabolites secondaires comme le glycérol et
des acides organiques (acides pyruvique, succinique, acétique) sont produits
en plus faible quantité.
Le glycérol, qui provient d’une déviation de la voie de la glycolyse, est le co-
produit majoritaire après l’éthanol et le CO2

Chez Saccharomyces cerevisiae, le glycérol aide au maintien de la balance
oxydo-réductive de la cellule
A partir d’un excès de NADH dans le cytosol, le glycérol est formé puis
excrété en dehors de la cellule ; Sa synthèse permet ainsi de réoxyder le
NADH principalement cytosolique
Cette voie n’est pas utilisée dans le métabolisme oxydatif ou l’excès de
NADH est pris charge par la chaine respiratoire
La voie du glycérol permet d’obtenir le glycérol 3-phosphate, intermédiaire
nécessaire à la formation des glycérophospholipides et des triacylglycérols
Le glycérol joue aussi un rôle de protection lors de stress osmotique et
thermique
Les autres acides organiques formé accentue également le déficit de la
balance oxydo-réductive (accumulation de NADH / NADPH)

Chez certaines espèces, comme Saccharomyces cerevisiae, lorsque
l’environnement n’est pas limité en oxygène et en présence d’un excès en
glucose (concentration supérieur à 150 mg/L), la levure passe d’un
métabolisme oxydatif à un métabolisme oxydo-réductif.
Ce phénomène de transition respiro-fermentaire est appelé effet Crabtree et il
est défini comme la production d’éthanol en aérobiose
L’effet Crabtree qui intervient en aérobie ressemble ressemble aux
phénomènes observés en anaérobie.
Il entraine une diminution importante du rendement en biomasse et de la
vitesse spécifique de consommation d’oxygène ainsi que la production de
métabolites du métabolisme fermentaire (éthanol, glycérol, acides
organiques)

Saccharomyces cerevisiae présente en présence d’oxygène et avec une
concentration en glucose dans le milieu inférieur à 150 mg/L un métabolisme
oxydatif
Le métabolisme oxydatif va transformer le glucose en pyruvate via la
glycolyse, puis le pyruvate sera totalement oxydé dans le cycle de krebs
En absence d’oxygène, Saccharomyces cerevisiae va enclencher le
métabolisme fermentaire qui va conduire à la production d’éthanol et de C02 à
partir du pyruvate
Dans le métabolisme fermentaire, la glycolyse est déviée pour former le
glycérol et des acides organiques en petites quantités
Saccharomyces cerevisiae bascule vers un métabolisme oxydo-réductif en
présence d’oxygène et à une concentration en glucose supérieur à 150mg/L
Le métabolisme oxydo-réductif permet la production d’éthanol en aérobiose

Les Lithotrophes aérobies
Les bactéries chimiolithotrophes aérobies tirent leur énergie de l’oxydation
de substrats inorganiques
C’est l’oxygène atmosphérique qui est l’accepteur final d’électrons
Certaines de ces bactéries peuvent oxyder également des composés
organiques
Pour synthétiser leurs constituants cellulaires, elles utilisent le CO2 comme
seule source de carbone
La plupart sont des bactéries du sol
Certaines de ces bactéries jouent un rôle extrêmement important dans les
cycles biologiques naturels

Ce sont des germes strictement aérobies qui se développent dans les couches
superficielles des terres meubles et dans les eaux polluées
Les bactéries nitrifiantes sont considérées comme fastidieuses car elles requièrent
des conditions très spécifiques pour croitre
Elles sont difficilement cultivables, ce qui complique leur étude au laboratoire
La croissance des bactéries nitrifiantes est inhibé par la lumière
Un pH de 7,8 et une température de 25°c sont des valeurs optimales pour la
nitrification
La reproduction de ces bactéries est lente, cela est causé par la faible efficacité
énergétique de leurs voies métaboliques autotrophes
Dans les meilleurs conditions un temps de doublement de 7-8h est observé mais
habituellement des temps 2 à 3 fois plus lent sont constatés
Les bactéries nitrifiantes

ils participent activement à l’épuration biologique
Les Nitrosomonas oxydent l’azote ammoniacal en nitrites tandis que les Nitrobacter
complètent le travail précédent en oxydant les nitrites en nitrates

ils participent activement à l’épuration biologique
Les Nitrosomonas oxydent l’azote ammoniacal en nitrites tandis que les Nitrobacter
complètent le travail précédent en oxydant les nitrites en nitrates
La transformation de l’azote ammoniacal en nitrites, et la transformation des nitrites
en nitrates s’accompagne de libération d’énergie

La première réaction est catalysé par l’ammoniaque mono-oxygénase (AMO),
située dans la membrane cytoplasmique
Il y a production d’hydroxylamine (NH2OH)
L’hydroxylamine est ensuite amené dans le périplasme et convertie en nitrite
par la deuxième réaction
Cette deuxième réaction est catalysé par l’hydroxylamine oxydoréductase
(HAO)
Cette réaction produit de l’énergie indirectement par l’intermédiaire du NADH
Le NAD étant réduit par la libération de protons et d’électrons
L’ATP sera formé via les électrons transférés dans la chaine respiratoire et
l’ATPase

La nitratation se passe de la manière suivante :
Un transfert d’électrons suivi d’une déshydrogénation par
la nitrite oxydoréductase (NO) associée à la membrane
Les électrons et les protons libérés serviront à produire
du NADH et de l’ATP

Les bactéries oxydant le soufre
La plus grande partie du sulfure produit dans la biosphère est rapidement
oxydé en sulfate, mais une certaine quantité peut être également bloquée
sous forme de sulfures insolubles ou de soufre élémentaire pendant de
longues périodes
Le soufre élémentaire se forme soit par oxydation chimique spontané de
l’H2S à l’air, soit par oxydation microbienne

Elles appartiennent à deux groupes très différents
Le premier comprend les Begiatoa et les Thiotrix. Organismes très proches
des algues mais non photosynthétiques
Le second est celui des Thiobacillus, petits bacilles Gram négatif, à cils
polaires, rencontrés dans les sols et les eaux
Les Thiobacillus sont caractérisés par leur extrême à l’acidité (Ils supportent
des pH voisins de 1)
Ils oxydent les différentes formes de soufre réduit et assure la formation des
sulfates
Ce sont de redoutables agents de corrosion.

LesThiobacillus interviennent aussi dans la biolixiviation des minéraux
Ce procédé demande des pH très acides (voisin de 2 et 3) qui peuvent être
obtenues par le métabolisme microbien
Cette acidité est obtenue lors de l’oxydation des sulfures ou du soufre en
acide sulfurique permettant ainsi l’exploitation du minerai à faible teneur

Les bactéries du fer et du manganèse
On attribue à trois groupes de micro-organismes le pouvoir d’oxyder les ions
ferreux en ions ferriques :
Les bactéries filamenteuses et à gaines du groupes Sphaerotilus,
Leptothrix
Les bactéries du genre Gallionella
Certains Thiobacillus

Les Sphaerotilus n’ont pas leur place parmi les organismes
chimiolithotrophes
Ils oxydent de nombreuses substances organiques et sont connus pour
participer activement à l’autoépuration de certaines eaux polluées
Au cours du traitement des eaux usées par les boues activées, ils sont
quelquefois responsables du Bulking
Le Bulking, c’est la prise en masse des micro-organismes, empêchant ainsi
toute épuration
La précipitation du fer au niveau de leurs gaines n’est peut être qu’un
épiphénomène et non pas le résultat d’une épuration direct

Les Leptothrix sont engagés directement dans les réactions d’oxydation du
manganèse

Caulobacter
crescentus
Les Gallionella sont des bactéries pédonculées
Les Gallionella sont des bactéries rencontrées dans les milieux naturels
contenant du fer
En particulier dans les eaux pures des canalisations ou elles s’imprègnent
d’oxyde ferrique et constituent des masses visqueuses
Ces masses visqueuses sont capables d’obstruer totalement la lumière des
conduites

Les bactéries du fer
Les bactéries ferro-oxydantes acidophiles :
Ce sont les bactéries les mieux étudiées car elles sont les mieux aisées à
tenir en culture
Les bactéries ferro-oxydantes acidophiles sont présentes dans des
environnements à pH variant entre < 1 à 5,5 et jusqu’à des températures
allant à plus de 65°C
Le meilleur représentant est Acidothiobacillus ferrooxidans (chiolithotrophe
aérobie) qui utilise le fer ferreux et les sulfures comme source d’énergie
Elle utilise l’oxygène comme oxydant et comme accepteur final d’électrons
dans le processus d’oxydation
La fixation du CO2 se fait par le cycle de Calvin grâce à la ribulose
Biphosphate Carboxylase Oxygènase (Rubisco)
L’ATP et le NADPH proviennent de l’oxydation de produits minéreaux

Les bactéries du fer
Plusieurs mécanismes d’interractions proposés :
Le minéral est lessivé par les ions ferriques qui sont produits par la
bactérie et diffusé proche du minéral
La bactérie produit des ions ferriques de l’oxydation des ions ferreux
La bactérie oxyde le minéral sans l’intervention des ions ferriques

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