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Taxonomie, métabolismes et physiologie microbienne Master 1 BMM BOUDEMAGH A. 1

Taxonomie, métabolismes et physiologie microbienne Master 1 BMM BOUDEMAGH A. 1 Chapitre III Diversité des métabolismes microbiens Le métabolisme cellulaire est composé de plusieurs voies métaboliques, on appelle cela « le métabolisme ». Il peut être soit de dégradation (dit catabolismes) ou de synthèse (dit anabolismes). Ces deux mécanismes essentiels pour la vie microbienne fonctionnent de manière complémentaire et en même temps dans la cellule. Chaque voie métabolique est composée de plusieurs réactions biochimiques consécutives qui transforment spécifiquement le substrat réactionnel initial en un produit final. Compte tenu spécificités physiologiques et de structure des bactéries, les fonctions remplies par le métabolisme cellulaire, considéré dans son ensemble, sont réalisées en quatre phases majeures. 1- Les nutriments, présents dans le milieu sous forme de macromolécules et de polymères divers, sont hydrolysés à l’extérieur des cellules en fragments de dimères ou de monomères de taille compatible avec leur absorption par les bactéries. Cette absorption permet l’approvisionnement de la cellule en nutriments de base. Elle est essentiellement contrôlée dans la membrane cytoplasmique et se fait par différents systèmes de transports qui permettent le transfert des produits de l’hydrolyse des nutriments polymérisés, du milieu extra-cellulaire vers le milieu intra-cellulaire : c’est-à-dire là où se situent les différentes structures métaboliques utilisatrices de ces substrats. 2- Les molécules simples absorbées sont intégrées au métabolisme intermédiaire et converties en acides organiques et en esters phosphoryles, qui servent de précurseurs à la biosynthèse des molécules élémentaires de base : acides aminés, acides gras, bases azotées, oses et autres métabolites élémentaires. Ils servent aussi et en partie de substrats énergétiques. 3- la polymérisation des macromolécules : Cela s’effectue à partir des molécules élémentaires précédemment produites, Il y a production de lipides, de glucides, de protéines et d’acide nucléiques. 4- Dans la dernière phase, il y à réalisation de l’assemblage des macromolécules en structures supra-moléculaires comme les nucléotides, les ribosomes, les parois, les flagelles…etc, qui ne sont en réalité que les différentes structures des microorganismes. Taxonomie, métabolismes et physiologie microbienne Master 1 BMM BOUDEMAGH A. 2 II -1 Intérêt de la diversité des métabolismes dans certains secteurs La diversité microbienne est d’une importance capitale dans la fonction des écosystèmes. Plusieurs secteurs peuvent en jouir c’est le cas par exemple l’agriculture, le secteur agroalimentaire, environnemental et industriel. Ces domaines peuvent être influencés positivement par les communautés microbiennes appelés aussi (microbiomes). -Dans le secteur de l’agriculture, les microorganismes ont été longtemps utilisés dans la protection phytosanitaire, contrôlant naturellement ou par utilisation des bio-pesticides, les différents ravageurs des plantes. Les bactéries sont aussi utilisées comme PGPR pour favoriser la croissance et la résistance des plantes et réduire l’utilisation d’engrais et de pesticides. La transformation des produits agricoles par les fermentations (alcool, vinaigre, fromage, viandes…) est très utilisée et ce depuis très longtemps. La santé des animaux, est une orientation nouvelle pour l’augmentation du rendement en viande. -Dans le secteur de l’environnement, la décomposition de la matière organique, les cycles des éléments nutritifs et la biodégradation des polluants toxique constituent des axes d’une importance fondamentale. Elles permettent de sauvegarder les sols les eaux aquifères et souterraines et les autres segments de l’environnement. Cela contribue à renforcer le développement durable. Les problèmes de la pollution métallique, les bio sorptions des métaux lourds par les microorganismes sont plus qu’avantageuses, dans les secteurs de la dépollution des segments de l’environnement. -Dans le secteur de l’agro-alimentaire, le contrôle des microorganismes permet de gérer plusieurs fermentations et permet de contrôler les problèmes de contaminations et de conservations des denrées alimentaires et d’améliorer la qualité, la sécurité et la compétitivité des produits issus de l’agriculture. Taxonomie, métabolismes et physiologie microbienne Master 1 BMM BOUDEMAGH A. 3 -Dans le secteur de la chimie, Les différentes bioconversions sont très utiles dans la vie de l’homme. Ils permettent de réduire le prix de revient des différentes préparations chimiques, comparativement aux procédés chimiques, très onéreux. L’extraction minière par les microorganismes contribue pleinement à une richesse économique certaine. II-2 Réponses physiologiques adaptatives des microorganismes Les microorganismes comme les bactéries sont constamment en contact avec des fluctuations incessantes des conditions physico-chimiques. Pour faire face à ces changements, les microbes font appel à des réponses physiologiques multiples d’adaptation. Les exemples sont très nombreux nous citons dans ce contexte la bactérie Listeria. Qui est un pathogène ubiquitaire largement représenté dans l’environnement. Il est capable de résister et survivre dans différents biotopes (écosystèmes naturels, denrées alimentaires et le tractus intestinal des animaux). Cette bactérie peut être confrontée à de nombreuses conditions de stress : déficit alimentaire, pH extrême, stress oxydatif, stress osmotique, stress thermique ... Afin de développer ce système adaptatif de cette bactérie, nous proposons de lire l’article suivant : « Réponse adaptative de Listeria monocytogenes au stress osmotique et froid : Implication en sécurité des aliments N. ELMNASSER M. RITZ-BRICAUD , S. GUILLOU1 , F. LEROI , N. ORANGE , A. BAKHROUF et M. FEDERIGHI ». II-3 Enzymes Les enzymes sont les catalyseurs biologiques des réactions métaboliques. Elles sont soit dans le cytoplasme, liées à la membrane cytoplasmique ou excrétées dans le milieu. Elles ne sont pas consommées par les réactions auxquelles elles participent et elles sont demandées en faible quantité. II-3-1 Composition Toutes les enzymes sont des protéines thermolabiles, sensibles à la chaleur. Quelque fois dans des réactions spécifiques, l’enzyme peut s’associée à des Taxonomie, métabolismes et physiologie microbienne Master 1 BMM BOUDEMAGH A. 4 molécules thermostables de faible poids moléculaire comme les coenzymes et les cofacteurs enzymatiques. Dans ces cas, l’enzyme est appelée apoenzyme (en association avec le coenzyme elle est dite holoenzyme). Ces coenzymes sont soit synthétisés par la bactérie elle-même ou pompés à partir du milieu externe. II-3-2 Fonction Les enzymes ont pour fonction la conversion de substances chimiques dans les conditions physiologiques. Elles accélèrent la vitesse de l’accomplissement des réactions métaboliques. Une réaction chimique d’une durée d’une seconde, catalysée par une enzyme, nécessiterait environs 300 ans à se réaliser sans enzyme. L’activité spécifique des enzymes exige des températures pas trop importantes (cellulaires). II-3-3 Spécificité Une enzyme catalyse la conversion d’un seul composé organique et un substrat peut avoir plusieurs enzymes spécifiques, alors que l’enzyme n’a qu’un substrat spécifique. La spécificité Enzyme-Substrat est une fonction fondamentale de l’action de l’enzyme qui reconnaît son substrat par sa conformation moléculaire spatiale et ionique. Dans l’enzyme existe un site de reconnaissance, qui permet d’attacher le substrat sur le site actif de l’enzyme. L’enzyme possède des propriétés stéréochimiques et ioniques caractéristiques qui justifient l’association spécifique de l’enzyme à son substrat. Il existe cependant des enzymes qui peuvent travailler sur plusieurs substrats. Dans ce cas, les substrats sont chimiquement apparentés comme le cas des héxoses et des groupes d’acides aminés. II-3-4 Les ARN catalytiques Au début des années 1980, un pouvoir catalytique a été découvert chez des ARN, il a été baptisé « ribozymes ». Ces ARN ont la capacité de catalyser des réactions de modifications de leur propre structure ou de celle des autres ARN. Comme c’est le cas par exemple de l’auto-épissage de l’ARN (exciser des introns) de l’ARN initialement transcrit de Taxonomie, métabolismes et physiologie microbienne Master 1 BMM BOUDEMAGH A. 5 l’ADN. Ces ribozymes peuvent être utilisés en biologie moléculaire comme des ciseaux dans les manipulations au laboratoire en génie-génétique. II-4 DEGRADATION DES POLYMERES Les nutriments sont généralement retrouvés dans la nature sous la forme de polymères. A cause de leurs grandes tailles et poids moléculaire élevés, les microorganismes doivent les décomposer à l’extérieur en molécules plus petites pour pouvoir ensuite les absorber par les différents systèmes de transports. Ils utilisent pour cela des exo-enzymes essentiellement des hydrolases, qui les dégradent en molécules plus petites et très demandées par les microorganismes comme les acides aminés, acides organiques divers, oses). Ces exo-enzymes sont soit sécrétées dans le milieu ou restent liées à la paroi cellulaire des microorganismes. Pour les bactéries pathogènes et celles impliquées dans l’altération des aliments, ces exo-enzymes sont directement impliqués. Il existe de nombreux enzymes extra-cellulaires. On cite les polysaccharides, les mucopolysaccharidases (chitinase, hyaluronidase, neuraminidase, lysozyme), les nucléases, les lipases, les phospholipases et les protéases. II-4-1 Dégradation de la cellulose La cellulose est le composé organique le plus abondant dans les différents environnements. Elle constitue une source très importante dans le fournissement de la matière organique. C’est un polymère formé de 10.000 à 25.000 molécules de glucose, liées en (1-4). La cellulose est hydrolysée par de nombreux genres de bactéries (Bacillus, Clostridium, Celluvibrio, Cellulomonas, Cytophage, Streptomyces…) et de champignons (Asperillus, Penicillium, Fusarium, Trichoderma…). Les microorganismes cellulolytiques secrètent un complexe enzymatique appelé cellulase, formé de deux enzymes ; l’endo (1-4) glucanase et d’exo (1-4) glucanase. L’action de ces deux enzymes permet l’hydrolyse de la cellulose en cellobiose. L’endo-glucanase hydrolyse au hasard les liaisons glucose-glucose à l’intérieur des chaînes de cellulose. Alors que l’exo-glucanase libère des dimères de cellobiose à partir d’une extrémité de chaîne. Le cellobiose est un dimère glucose-glucose qui est à son tour hydrolysé par les (1-4) glucosidases (cellobiases) en deux monomères de glucose. Taxonomie, métabolismes et physiologie microbienne Master 1 BMM BOUDEMAGH A. 6 II-4-2 Dégradation de l’amidon L’amidon est un uploads/Finance/ 2021-12-7e20211219fihdr7y7p8lczgchapitre-iii-diversite-des-metabolismes-microbiens.pdf