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BIOCHIMIE
MICROBIENNE
ELHAMEUR HACENE
MAITRE DE CONFERENCE
Matière é: Biochimie Microbienne
Crédits : 5 Coefficient : 3
Objectifs de l’enseignement
Cette matière est à corréler avec la matière 1 de systématique
bactérienne UEF7. Aussi, l’étude du métabolisme énergétique des
microorganismes et notamment chez les procaryotes du catabolisme
des glucides et des autres composés organiques permettant
notamment de connaître les mécanismes biochimiques impliqués et
utilisés par les bactéries. Cette matière doit permettre à l’étudiant de
savoir caractériser et identifier des bactéries et des Archaea sur le
plan biochimique.
Connaissances préalables indispensables : des connaissances en Biochimie générale
I. Introduction : Energie, anabolisme, catabolisme
II. Métabolisme énergétique des microorganismes :
-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-Parnass ;
- 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 ;
- l’importance relative de ces voies métaboliques chez les différents types de micro-organismes: bactéries,
levures et moisissures ; Le catabolisme des glucides chez les levures (anaérobie et aérobie, applications).
Contenu de la matière
Contenu de la matière
IV. Etude et intérêt de quelques types métaboliques :
Les lithotrophes aérobies (cas des bactéries nitrifiantes); les lithotrophes anaérobies (cas des
bactéries sulfato-réductrices, bactéries méthanogènes, etc); les organotrophes aérobies et anaérobies (cas
des Pseudomonas, bactéries acétiques, etc); les organismes fermentant : cas de la fermentation
alcoolique, lactique, acides mixtes et butanediolique, butylique et propionique.
.
V. Catabolisme des autres composés organiques :
Les lipides, les protéines, les glucides, les composés mono-carbonés éthanol et glycérol ainsi que les
applications.
VI. Anabolisme et production de biomasse et de métabolites :
Production d'acides aminés, de lipides, de nucléotides, d'antibiotiques, d'hormones de toxines, de
polysaccharides et d'enzymes
Travaux Pratiques :
TP1 : Fermentation alcoolique cher les levures (cas Saccharomyces cereviceae) en bioréacteur.
TP2 : Fermentation lactique de quelques souches lactiques (essais sur bioréacteur).
TD : Des exercices sur le métabolisme microbien, les grands cycles métaboliques
Mode d’évaluation : Continu et Examen semestriel
Contenu de la matière
• La biochimie microbienne est l'étude des REACTIONS
CHIMIQUES qui se déroulent au sein des CELLULES
MICROBIENNES.
• La complexité des processus chimiques biologique est contrôlée
à travers la SIGNALISATION CELLULAIRE et les transferts
d‘ENERGIE au cours du METABOLISME.
INTRODUCTION
La plupart de ces réactions font intervenir des catalyseurs protéiques
spécifiques appelés enzymes.
Les réactions cataboliques sont génératrices d’énergie (exergonique)
et celles de l’anabolisme ou de synthèse la consomme (endergonique).
Une suite de réactions métaboliques, au cours de laquelle une
substance est convertie en une ou plusieurs autres, constitue une voie
métabolique
En parcourant une telle voie, le substrat est transformé, souvent via un
ou plusieurs intermédiaires, et ou précurseurs métaboliques
(et des produits finaux).
Le métabolisme microbien se caractérise par certaines particularités :
• Tous les processus métaboliques se déroulent dans un organisme
unicellulaire
• Il est non compartimenté
• Le métabolisme microbien est flexible (les bactéries s’adaptent
rapidement aux conditions du milieu)
• Il se caractérise par l’intensité des processus métaboliques
• Flux discontinu
Source
plastique
Source Energie
Fermentation
Métabolisme
énergétique
APERCU GENERAL DU METABOLISME
• Regroupe l'ensemble des réactions qui s'accompagnent (au
sein d'une cellule) de la production d'énergie
chimique utilisable par la cellule.
• Réactions d'oxydoréduction au cours desquelles une
source d'énergie (substance nutritive prélevée dans le
milieu de culture) est oxydée ,
• PRODUCTION DE COENZYMES REDUITS (qui
devront être réoxydés pour assurer la pérennité du
système) et d'autre part à la PRODUCTION
D'ATP (molécule servant de forme de transport d'énergie
dans toutes les cellules vivantes).
Source d'énergie
• Nutriment (organique ou minérale)
• lumineuse
Selon le type trophique
• La construction cellulaire:
• Maintenance
• Réparation
• Multiplication
• Synthèse de métabolites
• Les réactions biochimiques cellulaires : INTIMEMENT LIEES
• Catabolisme:
Dégradation des molécules organiques par les cellules (molécules plus mobiles, disponibles)
• Anabolisme:
Synthèse de l’ensemble des systèmes moléculaires, enzymatiques, génétiques et structuraux des
cellules.
NADH = nicotinamide adénine dinucléotide réduit
NADPH = nicotinamide adénine dinucléotide phosphate réduit
FADH2 = flavine adénine dinucléotide dihydrogénée
FMNH2 = flavine mononucléotide dihydrogénée.
LE METABOLISME ENERGETIQUE
ENERGIE BIOLOGIQUEMENT UTILISABLE
l’énergie est stockée sous forme d’énergie de
liaison chimique biologiquement utilisable (il
s’agit de la liaison anhydride phosphorique
de l’ATP).
La formation d’ATP à partir de la source
primaire d’énergie est plus ou moins
complexe:
Selon le type trophique ou métabolique.
ADENOSINE
TRIPHOSPHATE
Les deux liaisons phosphoanhydride P–O–P du groupe triphosphate sont des liaisons à haut potentiel
de transfert,
DECOUVERT PAR HOLLMAN EN 1929
ATP ATP
ADP +
Pi
ENDERGONIQUE
EXERGONIQUE
ADP +
Pi
Rend les réactions de synthèse
thermodynamiquement possible
ATP4–: espèce dominante
en solution aqueuse
Les cellules régénèrent ensuite l'ATP à partir de l'ADP de trois manières par:
• Phosphorylation oxydative dans le cadre de la respiration cellulaire,
• Photophosphorylation dans le cadre de la photosynthèse,
• Phosphorylation au niveau du substrat au cours de certaines réactions
chimiques exergoniques, par exemple au cours de la glycolyse ou du cycle
de Krebs
Les réactions de synthèse utilisent l’énergie libérée par la décomposition de l’ATP en ADP :
l'ATP est continuellement HYDROLYSE en ADP et régénéré à partir de l'ADP.
Afin de libérer cette énergie, la
molécule d'ATP est clivée, par
hydrolyse, en adénosine diphosphate
(ADP) et en phosphate, réaction qui
s'accompagne d'une variation
d’enthalpie libre standard
ΔG0′ de −30,5 KJ−1.
La charge énergétique cellulaire est égale au rapport de concentration :
ATP/AMP
leur permet, selon les cas, d'orienter leur métabolisme vers la production ou vers le stockage
de l'énergie métabolique,
l'ATP est utilisé par les ARN polymérases dans le processus de transcription de
l‘ADN en ARN ribosomique et en ARN messager.
L'ATP est le précurseur d'un certain nombre de cofacteurs enzymatiques importants,
comme le NAD+ ou la coenzyme A. C'est également une coenzyme de transfert de groupes
phosphate associée de manière non covalente aux enzymes de la famille des kinases. Ces
dernières interviennent dans la transduction de certaines voies de signalisation cellulaires,
par phosphorylation de protéines et d'enzymes cibles, dont l'activité se trouve ainsi régulée,
ou par phosphorylation de lipides. L'ATP est également le substrat de adenyle cyclase, qui le
convertit en AMP cyclique. Celui-ci est un messager secondaire intracellulaire
L'ATP est instable dès qu'il n'est plus dans une solution tampon à pH neutre. Il
s'hydrolyse alors en ADP et phosphate. Cela provient du fait que les liaisons
hydrogène entre les molécules d'eau d'une part et l'ADP et le phosphate
d'autre part sont plus fortes que les liaisons phosphoanhydride P–O–P
unissant les groupes phosphate les uns aux autres dans la molécule d'ATP.
Par conséquent, l'ATP tend à se dissocier presque entièrement en ADP et
phosphate au bout d'un temps plus ou moins long lorsqu'il est en solution
dans l'eau.
En solution aqueuse neutre, l'ATP dissous est ionisé quatre fois pour former l‘anion ATP4–,
avec une faible proportion d'ions ATP3–
un rapport de concentrations entre l'ATP et ADP voisin de 5
La charge énergétique cellulaire est égale au rapport de concentration : ATP/AMP
Existe sous une forme oxydée, notée NAD+
(forme oxydante), et une forme réduite, notée NADH
(forme réductrice). Intervient également dans
quelques autres processus cellulaires, notamment
certaines modifications post traductionnelles (ADP
rybosylation, protéines nouvellement synthétisées).
Le NAD peut être synthétisé in vivo à partir
du tryptophane et de l‘aspartate (acides aminés
proteinogenes ), ainsi que de la vitamine B3 (niacine)
Spectres d’absorption comparés du NAD+ et du NADH
Déshydrogénases, Réductases et Hydroxylases
COENZYME: Présente dans toutes les cellules vivantes. Transporteur d’eléctrons dans les
réactions d’oxydo - réduction du métabolisme.
RESPIRATION CELLULAIRE: NADH = 2.5 ATP équivalents
Le nicotinamide adénine dinucléotide (NAD)
NAD+/NADH
NADPH
le réducteur quasi universel.
Chez les cyanobactéries L'assimilation du à la suite des réactions
complexes du cycle de Calvin passe par des réductions. C'est le NADPH
qui est le donneur d'électrons.
Chez les chimiotrophes On rencontre de nombreuses réactions
anaboliques demandant de réduire les substrats. C'est NADPH
(parfois NADH) le réducteur quasi universel.
Nicotinamide adénine dinucléotide
phosphate (NADP) est une coenzyme
présente dans toutes les cellules
vivantes Il s'agit d'un dinucléotide dans
la mesure où la molécule est
constituée d'un premier nucléotide,
dont la base nucléique est l’Adenine,
uni à un second nucléotide, dont la
base est le nicotinamide. Le NADP
existe sous une forme réduite,
notée NADPH, et une forme oxydée,
notée NADP+.
Adenine
nicotinamide
Très semblable au NAD, il ne diffère chimiquement de ce dernier que par la présence d'un
groupe PHOSPHATE sur le second ATOME de CARBONE du BETA D RIBOFURANNOSE du résidu d'adénosine.
LE NADP
Le NAD est phosphorylé en NADP par la NAD+ kinase tandis que le groupe phosphate du NADP
est clivé pour redonner du NAD par la NADP+ phosphatase4.
Le NADP intervient dans le métabolisme comme transporteur d'électrons dans les réactions
d'oxydoréduction, le NADPH comme réducteur et le NADP+ comme oxydant. Plus spécifiquement,
le NADPH fournit du pouvoir réducteur dans les réactions de biosynthèse de l'anabolisme
Au niveau du métabolisme, le NADPH est principalement produit par la phase
oxydative de la voie des pentoses phosphates. Le NADPH est la source principale
d'électrons utilisés dans les réactions biosynthétiques dans la cellule. Il est également
utilisé dans les mécanismes de protection contre le stress oxydant et les espèces
réactives de l'oxygène (ROS). La détoxication de ces espèces réactives fait intervenir
le glutathion qui doit être régénéré constamment
NADH - 2.5 ATP équivalents
FADH2 - 1.5 ATP équivalents
GTP - 1 ATP équivalent
La différence entre le NADH et le NADPH est que le NADPH a un
groupe phosphate supplémentaire. Alors que le NADH est utilisée
principalement pour alimenter les réactions cellulaires telles que la
respiration cellulaire et de la glycolyse aérobie, au cours de laquelle
les molécules sont décomposées, le NADPH est utilisé pour alimenter
la photosynthèse
POUVOIR REDUCTEUR
Couple redox : NADP+ + H+ + 2e ----> NADPH
NADP+ + 2H+ + 2e -----> NADPH + H+
Le potentiel standard pH7 est vers -320 mV. NADPH est un réducteur très puissant.

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  • 2. Matière é: Biochimie Microbienne Crédits : 5 Coefficient : 3 Objectifs de l’enseignement Cette matière est à corréler avec la matière 1 de systématique bactérienne UEF7. Aussi, l’étude du métabolisme énergétique des microorganismes et notamment chez les procaryotes du catabolisme des glucides et des autres composés organiques permettant notamment de connaître les mécanismes biochimiques impliqués et utilisés par les bactéries. Cette matière doit permettre à l’étudiant de savoir caractériser et identifier des bactéries et des Archaea sur le plan biochimique. Connaissances préalables indispensables : des connaissances en Biochimie générale
  • 3. I. Introduction : Energie, anabolisme, catabolisme II. Métabolisme énergétique des microorganismes : -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-Parnass ; - 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 ; - l’importance relative de ces voies métaboliques chez les différents types de micro-organismes: bactéries, levures et moisissures ; Le catabolisme des glucides chez les levures (anaérobie et aérobie, applications). Contenu de la matière
  • 4. Contenu de la matière IV. Etude et intérêt de quelques types métaboliques : Les lithotrophes aérobies (cas des bactéries nitrifiantes); les lithotrophes anaérobies (cas des bactéries sulfato-réductrices, bactéries méthanogènes, etc); les organotrophes aérobies et anaérobies (cas des Pseudomonas, bactéries acétiques, etc); les organismes fermentant : cas de la fermentation alcoolique, lactique, acides mixtes et butanediolique, butylique et propionique. . V. Catabolisme des autres composés organiques : Les lipides, les protéines, les glucides, les composés mono-carbonés éthanol et glycérol ainsi que les applications. VI. Anabolisme et production de biomasse et de métabolites : Production d'acides aminés, de lipides, de nucléotides, d'antibiotiques, d'hormones de toxines, de polysaccharides et d'enzymes
  • 5. Travaux Pratiques : TP1 : Fermentation alcoolique cher les levures (cas Saccharomyces cereviceae) en bioréacteur. TP2 : Fermentation lactique de quelques souches lactiques (essais sur bioréacteur). TD : Des exercices sur le métabolisme microbien, les grands cycles métaboliques Mode d’évaluation : Continu et Examen semestriel Contenu de la matière
  • 6. • La biochimie microbienne est l'étude des REACTIONS CHIMIQUES qui se déroulent au sein des CELLULES MICROBIENNES. • La complexité des processus chimiques biologique est contrôlée à travers la SIGNALISATION CELLULAIRE et les transferts d‘ENERGIE au cours du METABOLISME. INTRODUCTION
  • 7. La plupart de ces réactions font intervenir des catalyseurs protéiques spécifiques appelés enzymes. Les réactions cataboliques sont génératrices d’énergie (exergonique) et celles de l’anabolisme ou de synthèse la consomme (endergonique). Une suite de réactions métaboliques, au cours de laquelle une substance est convertie en une ou plusieurs autres, constitue une voie métabolique En parcourant une telle voie, le substrat est transformé, souvent via un ou plusieurs intermédiaires, et ou précurseurs métaboliques (et des produits finaux).
  • 8. Le métabolisme microbien se caractérise par certaines particularités : • Tous les processus métaboliques se déroulent dans un organisme unicellulaire • Il est non compartimenté • Le métabolisme microbien est flexible (les bactéries s’adaptent rapidement aux conditions du milieu) • Il se caractérise par l’intensité des processus métaboliques • Flux discontinu
  • 10. APERCU GENERAL DU METABOLISME
  • 11. • Regroupe l'ensemble des réactions qui s'accompagnent (au sein d'une cellule) de la production d'énergie chimique utilisable par la cellule. • Réactions d'oxydoréduction au cours desquelles une source d'énergie (substance nutritive prélevée dans le milieu de culture) est oxydée , • PRODUCTION DE COENZYMES REDUITS (qui devront être réoxydés pour assurer la pérennité du système) et d'autre part à la PRODUCTION D'ATP (molécule servant de forme de transport d'énergie dans toutes les cellules vivantes). Source d'énergie • Nutriment (organique ou minérale) • lumineuse Selon le type trophique
  • 12. • La construction cellulaire: • Maintenance • Réparation • Multiplication • Synthèse de métabolites
  • 13. • Les réactions biochimiques cellulaires : INTIMEMENT LIEES • Catabolisme: Dégradation des molécules organiques par les cellules (molécules plus mobiles, disponibles) • Anabolisme: Synthèse de l’ensemble des systèmes moléculaires, enzymatiques, génétiques et structuraux des cellules. NADH = nicotinamide adénine dinucléotide réduit NADPH = nicotinamide adénine dinucléotide phosphate réduit FADH2 = flavine adénine dinucléotide dihydrogénée FMNH2 = flavine mononucléotide dihydrogénée.
  • 14.
  • 15. LE METABOLISME ENERGETIQUE ENERGIE BIOLOGIQUEMENT UTILISABLE l’énergie est stockée sous forme d’énergie de liaison chimique biologiquement utilisable (il s’agit de la liaison anhydride phosphorique de l’ATP). La formation d’ATP à partir de la source primaire d’énergie est plus ou moins complexe: Selon le type trophique ou métabolique. ADENOSINE TRIPHOSPHATE Les deux liaisons phosphoanhydride P–O–P du groupe triphosphate sont des liaisons à haut potentiel de transfert, DECOUVERT PAR HOLLMAN EN 1929
  • 16. ATP ATP ADP + Pi ENDERGONIQUE EXERGONIQUE ADP + Pi Rend les réactions de synthèse thermodynamiquement possible ATP4–: espèce dominante en solution aqueuse Les cellules régénèrent ensuite l'ATP à partir de l'ADP de trois manières par: • Phosphorylation oxydative dans le cadre de la respiration cellulaire, • Photophosphorylation dans le cadre de la photosynthèse, • Phosphorylation au niveau du substrat au cours de certaines réactions chimiques exergoniques, par exemple au cours de la glycolyse ou du cycle de Krebs
  • 17. Les réactions de synthèse utilisent l’énergie libérée par la décomposition de l’ATP en ADP : l'ATP est continuellement HYDROLYSE en ADP et régénéré à partir de l'ADP. Afin de libérer cette énergie, la molécule d'ATP est clivée, par hydrolyse, en adénosine diphosphate (ADP) et en phosphate, réaction qui s'accompagne d'une variation d’enthalpie libre standard ΔG0′ de −30,5 KJ−1.
  • 18. La charge énergétique cellulaire est égale au rapport de concentration : ATP/AMP leur permet, selon les cas, d'orienter leur métabolisme vers la production ou vers le stockage de l'énergie métabolique, l'ATP est utilisé par les ARN polymérases dans le processus de transcription de l‘ADN en ARN ribosomique et en ARN messager. L'ATP est le précurseur d'un certain nombre de cofacteurs enzymatiques importants, comme le NAD+ ou la coenzyme A. C'est également une coenzyme de transfert de groupes phosphate associée de manière non covalente aux enzymes de la famille des kinases. Ces dernières interviennent dans la transduction de certaines voies de signalisation cellulaires, par phosphorylation de protéines et d'enzymes cibles, dont l'activité se trouve ainsi régulée, ou par phosphorylation de lipides. L'ATP est également le substrat de adenyle cyclase, qui le convertit en AMP cyclique. Celui-ci est un messager secondaire intracellulaire
  • 19. L'ATP est instable dès qu'il n'est plus dans une solution tampon à pH neutre. Il s'hydrolyse alors en ADP et phosphate. Cela provient du fait que les liaisons hydrogène entre les molécules d'eau d'une part et l'ADP et le phosphate d'autre part sont plus fortes que les liaisons phosphoanhydride P–O–P unissant les groupes phosphate les uns aux autres dans la molécule d'ATP. Par conséquent, l'ATP tend à se dissocier presque entièrement en ADP et phosphate au bout d'un temps plus ou moins long lorsqu'il est en solution dans l'eau. En solution aqueuse neutre, l'ATP dissous est ionisé quatre fois pour former l‘anion ATP4–, avec une faible proportion d'ions ATP3– un rapport de concentrations entre l'ATP et ADP voisin de 5 La charge énergétique cellulaire est égale au rapport de concentration : ATP/AMP
  • 20. Existe sous une forme oxydée, notée NAD+ (forme oxydante), et une forme réduite, notée NADH (forme réductrice). Intervient également dans quelques autres processus cellulaires, notamment certaines modifications post traductionnelles (ADP rybosylation, protéines nouvellement synthétisées). Le NAD peut être synthétisé in vivo à partir du tryptophane et de l‘aspartate (acides aminés proteinogenes ), ainsi que de la vitamine B3 (niacine) Spectres d’absorption comparés du NAD+ et du NADH Déshydrogénases, Réductases et Hydroxylases COENZYME: Présente dans toutes les cellules vivantes. Transporteur d’eléctrons dans les réactions d’oxydo - réduction du métabolisme. RESPIRATION CELLULAIRE: NADH = 2.5 ATP équivalents Le nicotinamide adénine dinucléotide (NAD)
  • 22. NADPH le réducteur quasi universel. Chez les cyanobactéries L'assimilation du à la suite des réactions complexes du cycle de Calvin passe par des réductions. C'est le NADPH qui est le donneur d'électrons. Chez les chimiotrophes On rencontre de nombreuses réactions anaboliques demandant de réduire les substrats. C'est NADPH (parfois NADH) le réducteur quasi universel.
  • 23. Nicotinamide adénine dinucléotide phosphate (NADP) est une coenzyme présente dans toutes les cellules vivantes Il s'agit d'un dinucléotide dans la mesure où la molécule est constituée d'un premier nucléotide, dont la base nucléique est l’Adenine, uni à un second nucléotide, dont la base est le nicotinamide. Le NADP existe sous une forme réduite, notée NADPH, et une forme oxydée, notée NADP+. Adenine nicotinamide Très semblable au NAD, il ne diffère chimiquement de ce dernier que par la présence d'un groupe PHOSPHATE sur le second ATOME de CARBONE du BETA D RIBOFURANNOSE du résidu d'adénosine.
  • 24. LE NADP Le NAD est phosphorylé en NADP par la NAD+ kinase tandis que le groupe phosphate du NADP est clivé pour redonner du NAD par la NADP+ phosphatase4. Le NADP intervient dans le métabolisme comme transporteur d'électrons dans les réactions d'oxydoréduction, le NADPH comme réducteur et le NADP+ comme oxydant. Plus spécifiquement, le NADPH fournit du pouvoir réducteur dans les réactions de biosynthèse de l'anabolisme Au niveau du métabolisme, le NADPH est principalement produit par la phase oxydative de la voie des pentoses phosphates. Le NADPH est la source principale d'électrons utilisés dans les réactions biosynthétiques dans la cellule. Il est également utilisé dans les mécanismes de protection contre le stress oxydant et les espèces réactives de l'oxygène (ROS). La détoxication de ces espèces réactives fait intervenir le glutathion qui doit être régénéré constamment
  • 25. NADH - 2.5 ATP équivalents FADH2 - 1.5 ATP équivalents GTP - 1 ATP équivalent La différence entre le NADH et le NADPH est que le NADPH a un groupe phosphate supplémentaire. Alors que le NADH est utilisée principalement pour alimenter les réactions cellulaires telles que la respiration cellulaire et de la glycolyse aérobie, au cours de laquelle les molécules sont décomposées, le NADPH est utilisé pour alimenter la photosynthèse POUVOIR REDUCTEUR Couple redox : NADP+ + H+ + 2e ----> NADPH NADP+ + 2H+ + 2e -----> NADPH + H+ Le potentiel standard pH7 est vers -320 mV. NADPH est un réducteur très puissant.