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Centre Universitaire d’Ain Témouchent Institut des Sciences et de la Technologi

Centre Universitaire d’Ain Témouchent Institut des Sciences et de la Technologie Département des SNV M. Mohammed ZIANE Cours Introduction à la biochimie microbienne Année universitaire 2022/2023 1 Microorganismes 2 - Un organisme vivant, invisible à l'œil nu, qui ne peut être observé qu'à l'aide d'un microscope. - Microorganismes sont des systèmes chimiques autonomes et auto-productible Macromolécules : – glucides et polysaccharides : Source d’énergie et stockage d’énergie – acides gras : Membranes cellulaires et stockage d’énergie – acides aminés : Fonctions diverses et polyvalentes – nucléotides : Les sous unités des acides nucléiques, transfert d’énergie et transmission des signaux intracellulaires Croissance microbienne La croissance microbienne est le résultats d’une activité métabolique intense et synchronisée (biosynthèse et/ou production d’énergie) 3 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 0 20 40 60 Temps en heure log UFC/mL Ensemble des phénomènes biologiques et physiologiques correspondant aux actes du microorganisme Activité microbienne Physiologie microbienne : Science qui étudie les fonctions et les propriétés de microorganismes. Réactions biochimiques ‘Energie’ 4 Biochimie microbienne • Discipline scientifique qui traite de la chimie des êtres vivants. Biochimie structurale, métabolique et enzymologie. (Dictionnaire le petit robert) • Etude des réactions chimiques qui se déroulent au sein des êtres vivants. (Wikipedia) 5 Vu ensemble des différentes voies métaboliques dans la cellule 6 Principe d’une réaction biochimique La réaction biochimique est l'ensemble des phénomènes liés à la transformation chimique d'une substance en une autre substance à l'intérieur de la cellule. Substrat Produit Enzyme Métabolisme Ensemble des réactions biochimiques qui se déroulent au sein d'un microorganisme pour lui permettre notamment de se maintenir en vie, de se reproduire, de se développer et de répondre aux stimulus de son environnement. Coenzyme + 7 Ligand Catabolisme الهدم Protéines Glucose Polysaccharide Lipides Métabolites intermédiaire Anabolisme البناء Macromolécules Métabolismes + Energie Structure Fonctionnement Voies de biosynthèse 2H : équivalents réducteurs P : groupement phosphate Voies amphibolisme Réactions exergoniques : Produisent l’énergie Réactions endergoniques : consomment l’énergie Métabolisme bactérienne kilojoules (KJ) 8 ? Application de la biochimie microbienne • Identification de microorganismes (Taxonomie) • Microbiologie industrielle 9 Sources d’ énergie pour les microorganismes • Nutriments nécessaire pour la croissance : – Nutriments : Macronutriments (source de C, source de N…) et micronutriments (Fe, Cu…etc.) – Conditions environnementales (Température, pH, aw…etc.) – Source d’énergie (Régénération de l’ATP) • Source d’énergie – Lumière – Chimique • De nature organique • De nature inorganique 10 Croissance microbienne La croissance microbienne est le résultats d’une activité métabolique intense et synchronisée (biosynthèse et/ou production d’énergie) 11 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 0 20 40 60 Temps en heure log UFC/mL Métabolites primaires Métabolites secondaires Ziane et al., 2014 Qu'est-ce que le métabolisme énergétique ? - Le métabolisme énergétique regroupe l'ensemble des réactions qui s'accompagnent (au sein d'une cellule) de la production d'énergie chimique utilisable par la cellule. - Ces réactions sont toutes des réactions d'oxydoréduction au cours desquelles une source d'énergie (substance nutritive prélevée dans le milieu de culture) est oxydée. - Ces oxydations cataboliques conduisent d'une part à la production de coenzymes réduits (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). 12 • Oxydation est le perte des électrons. • Réduction est le gain des électrons. • Réaction “Redox” est le couplage de réaction d’oxydation et du réduction. Rappel sur la réaction d’Oxydo-Réduction NB : Oxydation est le perte des électrons (e-), réduction est le gain des e- Réduction Oxydation A oxydé B réduit Donneur des électrons Accepteur des électrons 13 Dans un système biologique, les électrons sont souvent associés à un atome d’ hydrogène. Oxydation biologique est souvent une déshydrogénation. Sugars, amino acids, fatty acids Or FAD+ FADH2 Rappel sur Réaction d’Oxydo-Réduction 14 Sous quelle forme l’énergie est stockée dans la cellule? – Energie est stocké sous forme d’ATP – La rupture des liaisons régénère l’énergie ADP P P ADP ATP : ATP déchargé : X Y + Z Energie utilisée pour la synthèse de la molécule Z 15 L’énergie peut être stockée sous d’autres formes moléculaires (ou équivalents réducteurs) Principales coenzymes 16 Nom de la coenzyme Abrévi ation Vitamine Groupement transféré Nicotinamide-adénine- dinucléotide (Coenzyme I) NAD Nicotinamide (vit PP) H, e- Nicotinamide-adénine- dinucléotide-phosphate (Coenzyme II) NADP Nicotinamide (vit PP) H, e- Flavine mononucléotide FMN Riboflavine (vit B2) H, e- Flavine adénine dinucléotide FAD Riboflavine (vit B2) H, e- Ubiquinone (Coenzyme UQ - H, e- Cytochromes (a, b, c…) Cyt - e- Acide tétrahydrofolique (coenzyme F) THF Acide folique Monocarboné Genèse de l’ATP • Photophosphorylation : photosensibilisation des pigments chlorophylliens et transfert des électrons à travers les transporteurs transmembranaires aboutit à la formation de l’énergie • Phosphorylation au niveau du substrat : substitution des molécules de Phosphore à la molécule • Phosphorylation oxydative : Régénération de l’ATP durant le transfert des électrons au long des transporteurs transmembranaires de la chaine respiratoire 17 Types trophiques chez les microorganismes • Le type trophique (du mot grec, « La nourriture ») est un type scientifique qui définit la manière dont un organisme vivant constitue sa propre matière organique (anabolisme) et produit l'énergie dont il a besoin (catabolisme). Ces deux mécanismes sont intimement liés et forment le métabolisme d'un organisme. • Le type trophique analyse la question selon trois axes : – la nature de la source de carbone (-auto-, -hétéro-) – la nature organique (-organo-) ou inorganique (-litho-) du donneur d'électrons (pour la réduction de la source de carbone en molécules organiques) – la nature de la source d'énergie qui sera emmagasinée dans les molécules organiques synthétisées (photo- , chimio-), ou consommée par les cellules pour leur fonctionnement. 18 Classification des microorganismes selon leurs sources d’énergie 1. Phototrophe Conversion de l’énergie lumineuse (quanta) en énergie chimique (ATP…etc.). – Photoautotrophes (utilisent du CO2 comme source de carbone) – Photohétérotrophes (utilisent du carbone organique) Pigments (Chloropylles et/ou bactériochlorophylles; caroténoïdes, phycobiline) – Algues vertes – Cyanophycées – Quelques espèces bactériennes (bactéries pourpres sulfureuse, Bactéries pourpres non sulfureuses, Bactéries vertes sulfureuses) 19 Caroténoïdes et phycobiline sont des pigments accessoires photoprotecteurs Quel est le processus de la photosynthèse? L’ensemble des évènements (photochimiques) qui assurent la conversion de l’énergie lumineuse en énergie chimique • Photophosphorylation (lumineuse): Synthèse d’ATP au cours du flux d’électrons photosynthètiques résulte de la formation d’une force proton-motrice générée durant le transport d’électrons et de l’activité d’ATPases couplant la formation d’ATP • Synthèse de composés organiques (obscure): • Réduction de CO2 en composés organiques • Réserves glucidiques • …etc. 20 Où se déroule la photosynthèse? Chez les Eucaryotes La photosynthèse a lieu dans la membrane où se trouve des chlorophylles (chaîne de transfert des électrons) 21 (Photobilisome) chloroplastes Cynabactéries est probablement à l’origine des chloroplastes selon la théorème des endosymbiotiques dont l’appareil voisine des pigments biliares (phycobiliproteinrs) phycobilisome 22 23 chlorosomes Où se déroule la photosynthèse? Chez les Procaryotes chlo Antenne collectrice : Bactéries vertes sulfureuses, phototrophes anoxégeniques filamenteuse (chloroflexales) Absence de matrice protéique supportant les pigments photosynthétique (enveloppe supplémentaire) Autres structures transmembranaires : expansion chez les bactéries pourpres varient selon les espèces Notion de centre réactionnel et pigment de l’antenne Les molécules de chlorophylles ou bactériochlorophylles sont associées à des protéines pour former des complexes composés de 50 à 300 molécules. 24 Types de chlorophylles microbiens Chlorophylle a Bactériochlorophylle a Phototrophes anoxygéniques Bactéries pourpres Phototrophes oxygénique Algues Cyanobactéries Ils se ressemblent aux cytochromes sauf à la place de fer il y a le Mg 25 Différentes types de bactériochlorophylles 26 Synthèse de l’énergie chez les phototrophe • Chez les organismes phototrophes, le processus de synthèse de l’ATP induit par la lumière implique un transport d’électrons faisant appel à une série de transporteurs d’électrons. • Ces transporteurs sont organisés en série dans le complexe photosynthétique depuis ceux qui ont le potentiel réducteur le plus électronégatif vers ceux qui ont le potentiel le plus électropositif 27 Donneur d’électrons performants Accepteur d’électrons performants électronégatif électropositif Chaine du transport des électrons 28 Principe du transfert des électrons au travers les transporteurs transmembranaires Vu ensemble sur le métabolisme photosynthétique Cyanobéctérie nCO2 + nH20 (CHO)n + O2 + E (ATP) 29 oxydoréductase plastocyanine réduite + ferrédoxine oxydée + hν plastocyanine oxydée + ferrédoxine réduite. Types des organismes phototrophes • Phototrophe oxygénique – Production d’oxygène CO2 + 2H2O (CH2O) + H2O + 2 O • Phototrophe anoxygénique – En anaérobiose : bactéries pourpres CO2 + 2H2S (CH2O) + H2O + 2 S 30 hv hv Equation générale de photosynthèse CO2 + 2H2A (CH2O) + H2O + 2 A hv Photosynthèse oxygènique (Membrane de thylacoïde) Peuvent parcourir une chaine de transfert d’électrons et fournir de l’énergie pour : - établissement d’une force proton-motrice - réduction directe de NADP (métabolismes synthétiques) 31 32 1. Réaction photochimique qui régénère le flux d’électrons s’effectue en une seule étape 2. Les électrons qui sont produits pour réduire la nicotamide adénosine dinucléotide (NAD) ne peuvent être renouvelés à partir de molécules d’eau 3. D’autre substances donatrices d’électrons (composés réduits du soufre) doivent être présents dans le milieu 4. Il uploads/Science et Technologie/ cours-2-bm-ziane.pdf