Physiologie Bactérienne Notions fondamentales

Reproduction et Croissance

Reproduction

- Spécificité

Elle se distingue essentiellement par son caractère asexué. le résultat de ce type de reproduction est toujours le même. Une cellule augmente de taille et se divise en deux cellules filles. La répétition constante de ce processus conduit à la formation d'une vaste population bactériennem. Une seule bactérie donne des millions de cellules filles
Quand on ensemence une cellule sur un milieu de culture solide, il se forme une colonie visible à l'oeil nu, contenant plusieurs millions de cellules indifférenciées. cet ensemble de cellules est génétiquement identique à la cellule mère, elles forment un "clone".

- La fission binaire et la croissance bactérienne

Le chromosome - unique et libre- attaché à la membrane cytoplasmique au niveau du mésosome se dédouble. Après ce dédoublement, il y a formation de replis au centre de la cellule et synthèse progressive d'un nouveau fragment de paroi. Une cloison transversale ou septum apparaït.
La croissance conduit à un accroissement du nombre d'individus et non à une augmentation de leur taille.
En microbiologie on s'intéresse à la croissance des "populations".
Dans certaines conditions la croissance d'une population peut être foudroyante et il suffit de quelques heures pour qu'une dizaine de bactéries forme une population colossale capable de causer une infection ou de détériorer un aliment.
On doit pouvoir prédire la vitesse à laquelle une espèce se reproduira dans des conditions optimales de croissance.
On doit pouvoir évaluer l'efficacité d'une substance antimicrobienne, a quel moment la population bactérienne sécrètera d'importantes quantités de toxines.
Il faut connaître le "taux de croissance" et les "courbes de croissance" (programme de terminale)

Mesure de la croissance bactérienne

Pour mesurer cette croissance, on peut calculer

la masse cellulaire
le nombre de cellules présentes

On peut utiliser des méthodes qui permettent de connaître le nombre total de cellules sans distinguer celles qui sont vivantes de celles qui sont mortes.

Mesure de la masse cellulaire

méthodes turbidimétriques : les bactéries mises en suspension dans un liquide dispersent la lumière. Cette dispersion est proportionnelle à la concentration. On peut calculer la quantité de lumière dispersée. A partir d'une courbe de référence, on déduit la concentration d'un échantillon connu. ces mesures se font à l'aide d'un spectrophotomètre ou de néphélomètres.
Détermination de masse sèche : technique utilisée en recherche. On filtre, on recueille les bactéries, on sèche. On pèse avant et après filtration. On peut faire des dosages spécifiques (azote constituant important des bactéries)
Décompte des cellules. On compte le nombre total de cellules (viviantes ou mortes). Cette méthode est utilisée pour dénombrer les microorganismes dans un échantillon de sol, de lait, de vaccin, d'eau...

Technique

On dilue l'échantillon.On peut étaler, colorer, ou utiliser une "cellule à numération" qui est une lame de verre qui contient un puits de volume déterminé. Des automates existent et sont utilisés en microbiologie industrielle.

On établit directement le nombre de cellules viables. trois méthodes sont utilisées :

La numération sur gélose (voir TP)
La méthode des filtres de cellulose (réalisée en terminale)
Le calcul du nombre le plus probable utilise des dilutions de l'échantillon et pour l'interprétation fait appel à des calculs de probabilité. (programme de terminale)

Facteurs physiques conditionnant la croissance

On appelle facteurs physiques les facteurs qui relèvent de l'environnement :

eau - température - pH - oxygène - pression osmotique -radiations - disponibilité des nutriments

Eau : représente 80 % des constituants cellulaires, indispensable au développement. les bactéries peuvent survivre mais ne se développent pas. certaines espèces sont plus fragiles que d'autres.
Température : Elle est importante, elle agit sur le développement bactérien. Les différentes espèces ont une température

minimale : à laquelle ils peuvent se développer
optimale : c'est la meilleure à laquelle ils peuvent se développer
maximale : au-delà de laquelle ils ne peuvent développer

Selon leur température optimale, les microorganismes sont dits

psychrophiles : entre 0 et 5°
mésophiles : entre 25 et 45 °
thermophiles : entre 50 et 55 °

*Certaines bactéries peuvent former des endospores qui ont la propriété de résister à des températures supérieures ou égales à 100 °.

pH : Il influence les réactions enzymatiques. On définit une échelle dont les valeurs supérieures et inférieures constituent les limites de croissance pour une espèce donnée. Les milieux de culture doivent avoir un pH correspondant avec l'espèce recherchée. C'est pour cela que l'on utilise des tampons et des indicateurs de pH qui ont la propriété de changer de couleur avec le pH du milieu.
Oxygène

Les bactéries réagissent différemment en présence de l'oxygène moléculaire. On distingue selon ces critères différents groupes bactériens.

Les microorganisme aérobies stricts : ne peuvent se développer qu'en présence d'oxygène
Les microorganismes anaérobies stricts : ne peuvent se développer qu'en absence d'oxygène
Les microorganismes anaérobies facultatifs s'accomodent de la présence ou de l'absence de ce gaz
Les microorganismes microaérophiles qui ne se développent qu'à des pressions (0₂) partielles inférieures à celle de l'atmosphère.

A partir de ces éléments, les bactéries peuvent appartenir à des types respiratoires différents. Au laboratoire, on utilise un milieu de culture dans un tube très étroit qui contient une substance qui capte l'oxygène du milieu et le rend inutilisable pour les bactéries. Une petite quantité d'oxygène provient de l'air et diffuse à la surface du milieu (partie supérieure du tube).

Presssion Osmotique

Les bactéries peuvent supporter des variations importantes de pression osmotique à l'extérieur de la cellule. Quand elles sont cultivées en milieu hypotonique certianes bactéries peuvent se développer.
La concentration en NaCl est variable. Certaines bactéries peuvent se développer dans des milieux très salés comme la Mer Morte, on les dit halophiles

Radiations

Elles proviennent du soleil sous forme de photons dont la longueur d'onde est comprise entre 200 et 800 nm. Ces radiations déterminent un spectre électro-magnétique dont une partie constitue la lumière visible perçue sous forme de couleur allant du pourpre au rouge. Certaines bactéries ont la propriété d'absorber, grâce à leur pigment, certaines radiations dont le rouge ou le bleu et peuvent transformer l'énergie lumineuse en énergie chimique.

Les rayons ultra-violets permettent de détecter les mutant génétiques et d'éliminer certaines espèces bactériennes, surtout en médecine pour stériliser certaines surfaces dans les bolcs opératoires par exemple.

Types nutritionnels

Les besoins nutritifs des microorganismes sont les mêmes que ceux des autres êtres vivants.

Deux classifications existent pour présenter le mode nutritionnel des microorganismes

selon la nature de la source de carbone utilisé

Les autotrophes ont besoin pour se développer de gaz carbonique, d'eau,de quelques éléments minéraux et d'un peu d'azote.Ces microorganismes dépendent de la photosynthèse. Ils peuvent élaborer toutes les molécules indispensables à leur développement.
Les hétérotrophes ont besoin de molécules organiques déjà préformées pour se développer. Ils ont des besoins nutritifs très stricts.

selon la nature de la source de carbone utilisé et le type d'énergie utilisé.

Nutrition et Métabolisme Energétique

Notions fondamentales

L'énergie est emmagasinée dans les liaisons d'une molécule d'ATP (Adénosine triphospate).L'ATP est produit au niveau de la mitochondrie chez les eucaryotes dans la chaîne respiratoire. Cet ATP est produit parce que :

des ions H⁺ sont arrachés à des molécules provenant de la dégradation des nutriments

Les molécules qui arrachent les ions H⁺ sont des déshydrogénases, co-enzymes qui se débarassent ensuite de ces ions H⁺ en même temps que les électrons qui les accompagnent et passent donc de l'état réduit à l'état oxydé pour pouvoir continuer de fonctionner

les électrons libérés au cours des différentes étapes sont transférés sur des protéines qui comportent un métal dans la membrane
les ions H+ passent à travers le canal d'une protéines ATP.synthétase et il y a production d'ATP à partir d'ADP (adénosine diphosphate) et de Pi (phosphate inorganique)
dans la mitochondrie, l'accepteur final de toute la chaîne, de l'électron qui se promène d'une protéine à l'autre, est l'oxygène qui est réduit et qi se combine à 2 ions H⁺ pour former de l'eau

Chez les bactéries, les enzymes de la chaîne respiratoire se trouvent au niveau de la membrane cytoplasmique. Mais les bactéries "aiment" un peu , beaucoup ou pas du tout l'oxygène. Les types respiratoires ont été déterminés :

Respiration aérobie : oxygène présent :

les bactéries se développent en présence d'oxygène, ont une chaîne respiratoire, l'électron est accepté et réduit l'oxygène moléculaire, et l'ATP est synthétisé.

La respiration anaérobie : oxygène est absent

L'accepteur final de l'électron est un minéral ou une molécule organique. Il y a synthèse d'ATP. la bactérie possède une chaîne respiratoire mais avec des éléments différents qui la constituent.

Mais il y a des bactéries qui n'ont pas de chaîne respiratoire. Comment peuvent-elles se procurer de l'énergie ? Ces bactéries ne respirent pas mais elles fermentent. Qu'est-ce qu'une fermentation ?

Une Fermentation est un ensemble de réactions d'oxydo-réduction en absence d'oxygène qui permet la réoxydation des co-enzymes réduits. la dégradation des molécules nutritives n'est pas aussi poussée que pour la respiration. Il y a moins d'ATP formé dans le cytoplasme. Mais par contre il y a apparition de nouveaux produits qui s'accumulent. Selon les bactéries, ces produits vont être différents et vont caractériser des espèces dites "fermentaires".

Ces bactéries jouent un grand rôle en microbiologie industrielle (production de yaourts, fromage, vins, cidres, bières...)

Schéma de synthèse