1 ère année 2014/2015 AM Davila, M Naïtaliet C Tinsley MÉTABOLISMES DES PROCARYOTES 1
Présentation 2
Composition : principaux éléments Elément % poids sec Rôle dans le métabolisme (exemples) C 50 Constituants essentiels des structures cellulaires O 20 N 14 H 8 P 3 Acides nucléiques, phospholipides, nucléotides S 1 Acides aminés, coenzymes, vitamines K 1 Cofacteur Na 1 Transport Ca 0,5 Cofacteur Mg 0,5 Cofacteur, constituant des membranes et parois Cl 0,5 Transport Fe 0,2 Cofacteur, constituant cytochromes, protéines fer-soufre et ferredoxines Autres 0,3 3
Le métabolisme est l ensemble des réactions qui ont lieu dans une cellule Ses rôles sont : Biosynthèse (survie, croissance, réparation, etc) Production d énergie (biosynthèses, locomotion, etc) L étude du métabolisme comprend celle : Des réactions proprement dites Des régulations 4
Subdivisions du métabolisme Constituants cellulaires Lipides Glucides Nutriments (C, N, P ) ATP CO 2 Métabolisme énergétique Anabolisme Métabolites + NADPH2 Protéines Métabolisme d approvisionnement Catabolisme Métabolisme énergétique Catabolisme ATP Substrats = sources ε Métabolisme de synthèse Anabolisme Champ du cours 5
Sommaire Différents trophismes A la recherche de l énergie A la recherche du carbone A la recherche de l azote Autres besoins et autres métabolismes Régulations 6
Différents trophismes Se définissent par rapport au mode de production de l énergie, au type de source de carbone utilisé et aux besoins en facteurs de croissance 7
Phosphorylation oxydative (mode de production d énergie) Dans les mitochondries 8
Photosynthèse (mode de production d énergie) Plantes Banque de schémas SVT Académie de Dijon 9
Assimilation du carbone Sous forme minérale CO 2 ou carbonates Autotrophie Sous forme organique Biomasse végétale, animale ou microbienne Morte ou vivante Produits de dégradation de cette biomasse Hétérotrophie 10
Différents trophismes (1) Phototrophismes(exemples) Type Donneur d électrons Sourcede carbone Représentant(s) Photolithotrophe H 2 O CO 2 Cyanobactéries Photoorganotrophe H 2 S, S 0, H 2 CO 2 Chlorobiaceae Substrat organique Divers Rhodospirillaceae 11
Différents trophismes (2) Chimiotrophismes(exemples) Type Chimioorganotrophe Donneur d électrons Substrat organique Substrat organique Sourcede carbone Substrat organique Substrat organique Représentant(s) Pseudomonas, Bacillus Pseudomonas aeruginosa, BSR Substrat Substrat Bactéries lactiques organique organique Chimiolithotrophe H 2 CO 2 BOH H 2 S CO 2 Thiobacillus,Th denitrificans Fe 2+, NH 4+, NO 2 - CO 2 Th ferroxidans, Nitrosomonas, Nitrobacter H 2 CO 2 Bactéries méthanogènes, Acetobacterium 12
Facteurs de croissance Facteurs de croissance Vitamines Acides aminés Bases azotées Prototrophe L organisme peut synthétiser tous les facteurs de croissance à partir d éléments simples Auxotrophe L organisme ne peut pas synthétiser tous les facteurs de croissance à partir d éléments simples 13
A la recherche de l énergie 14
Phosphorylation au niveau du substrat Banque de schémas SVT Académie de Dijon 15
Phosphorylation oxydative Chez Escherichia coli 16
Aérobiose Photosynthèses bactériennes 400-450 et >650 nm Particularités En présence ou absence de dioxygène Donneurs d électrons 1 ou 2 photosystèmes : production d ATP ou d ATP + NADH Pas nécessairement autotrophe Pigments Anaérobiose The Prokaryotes2 nd edition Microbiology, Prescott 17
Photosynthèses bactériennes a : non cyclique dans les chloroplastes b : chez les bactéries utilisant les dérivés du soufre (BC : bactériochlorophylle) c : cyclique chez les bactéries vertes nonsulfureuses d : chez Halobacteriumhalobium. Brh: bactériorhodopsine. 18
Types respiratoires 5 1 : aérobie strict 2 : aérobie-anaérobie facultatif 3 : aéro-anaérobie 4 : anaérobie strict 5 : microaérophile 19
La vie sans oxygène La respiration «anaérobie» ou l utilisation d accepteurs terminaux d électrons autres que l oxygène NO 3 - SO 4 2- Fumarate CO 2, carbonates Etc, La fermentation : processus biologique ne nécessitant pas d oxygène et conduisant à une oxydation incomplète des substrats fermentés 20
Réactions d oxydo-réduction utilisables Fermentation BH2 H2O H2O2 H2O + ½ O2 O 2 Catalase / Peroxydase / Superoxyde dismutase NO 3 - Respiration des nitrates NO 2 - N2 Substrat B NADH2 FADH2 Quinones Cyt b, c Cyt a3 2H + Fumarate Substrat AH2 SO 4 2- Respiration aérobie SO 3 2- Succinate O 2 Respiration du fumarate H2S Respiration des sulfates H2O H2O2 21
Acétogénèse-méthanogénèse-sulfato-réduction Acétogénèse 2CO 2 + 4 H 2 CH 3 COOH + 2 H 2 O Glucose 3 Acétates Nombreux autres substrats utilisables Méthanogénèse 4H 2 + CO 2 CH 4 + 2 H 2 O Formiate, méthanol, méthylamine, etc, utilisables CH 3 COOH CH 4 + CO 2 Sulfato-réduction AGCC + SO 4 2- + H + H 2 S + Acétate + CO 2 + H 2 O SO 4 2- + 10H + H 2 S + 4H 2 O 22
Acétogénèse 23
Principales voies fermentaires A partir du pyruvate H2 : oxydation de NADH2 24
Principaux types de fermentation Fermentation Microorganismes (ex) Produits Alcoolique Levures, Zymomonas Ethanol Lactique (homofermentaire) Lactique (hétérofermentaire) Certaines espèces de Lactobacillus, Lactococcus Certaines espèces de Lactobacillus Leuconostoc Acide lactique (90%) Acide lactique (25-90%), acide acétique, éthanol, glycérol, CO2 Propionique Propionibacterium Acides propionique, acétique et Clostridium propionicum succinique, CO2 Butyrique-acétoniquebutanolique Acides mixtes Butylèneglycolique Butyribacterium Certains Clostridium Escherichia Salmonella Shigella Certains Bacillus Aeromonas Butanol,acide butyrique, acétone, isopropanol, acide acétique, éthanol, H2, CO2 Acides lactique, acétique, formiqueet succinique, H2, CO2, éthanol Ethanol,acétoïne, 2-3 butylèneglycol, H2, CO2, acides lactique, acétique et formique 25
Respiration Fermentation 26
Différents trophismes (3) Phototrophismes(exemples) Type Donneur d électrons Accepteur d électron Sourcede carbone Représentant(s) Photolithotrophe H2O CO2 CO2 Cyanobactéries Photoorganotrophe H2S, S 0, H2 CO2 CO2 Chlorobiaceae Substrat organique Divers Divers Rhodospirillaceae 27
Différents trophismes (4) Chimiotrophismes(exemples) Type Chimioorganotrophe Donneur d électrons Substrat organique Substrat organique Accepteur d électron O2 NO3 -, SO4 2- Sourcede carbone Substrat organique Substrat organique Représentant(s) Pseudomonas, Bacillus Pseudomonas aeruginosa, BSR Substrat Substrat Substrat Bactéries lactiques organique organique organique Chimiolithotrophe H2 O2 CO2 BOH H2S O2, NO3 - CO2 Thiobacillus,Th denitrificans Fe 2+, NH 4+, O2 CO2 Th ferroxidans, NO2 - Nitrosomonas, Nitrobacter H2 CO2 CO2 Bactéries méthanogènes, Acetobacterium 28
A la recherche du carbone 29
Source de carbone organique Source de carbone minérale Approvisionnement Périphérique Central Métabolites précurseurs Synthèse Biosynthèse Polymérisation Assemblage Fixation du carbone Biomasse cellulaire 30
Assimilation autotrophe A ce jour 4 voies différentes identifiées Cycle de Calvin Autrophes aérobies, photrophes et chimiolithotrophes Cycle ATC inverse Anaérobies stricts, photrophes et chimiolithotrophes (Chlorobium, Desulfovibrio, Hydrogenomonas) Voies de Ljungdahl-Wood Principalement chez les acétogènes et méthanogènes Cycle du 3-hydroxypropionate Phototrophes aérobies facultatives 31
Les 12 métabolites précurseurs 32
Voies de synthèse à partir des métabolites précurseurs 33
Métabolisme périphérique (hétérotrophie) Réactions nombreuses et diverses : loi de l infaillibilité microbienne Tryptophane désaminase Gélatinase Tryptophanase indole β-galactosidase 34
Métabolisme central Voies principales Voies anapleurotiques(réapprovisionnent les réserves de métabolites précurseurs vidées par les biosynthèses) Interconnexions Réversions Dérivations (shunt) 35
Glycolyse (Embden-Meyerhof-Parnas) Précurseurs Produit 6 des métabolites précurseurs Produit 2 moles d ATP et 2 moles de NADH2 par mole de glucose Banque de schémas SVT Académie de Dijon 36
Voie d Entner-Doudoroff Glucose -6- P NADP Gluconolactone-6-P Gluconate-6-P NADPH2 H2O 2-céto-3-désoxy-phosphogluconate-6-P Pyruvate Produit 2 des métabolites précurseurs Glycéraldéhyde-3-P Voie EMP Produit 1 mole d ATP, 1 mole Pyruvate de NADH2 et 1 mole de NADPH2 par mole de glucose 37
Voie des pentoses-phosphate Produit 5 des métabolites précurseurs Produit 12 moles de NADPH2 par mole de glucose Acgrenoble.fr 38
Cycle de Krebs (acides tricarboxyliques) Voie d interconnexion qui produit un des métabolites précurseurs Produit 3 des métabolites précurseurs Produit 2 moles de GTP, 6 moles de NADH2 et 2 moles de FADH2 par mole de glucose Banque de schémas SVT Académie de Dijon 39
Agencement des voies principales Glucose Glucose -6- P Voie pentoses-p Gluconolactone-6-P Gluconate-6-P Fructose-6- P Glycéraldéhyde-3-P Voie ED Phosphoénolpyruvate Pyruvate Glycolyse Acétyl-CoA Oxaloacétate Succinyl-CoA α-cétoglutarate Cycle de Krebs 40
Chez les procaryotes, il existe de nombreuses façons d utiliser les blocs principaux Variabilité en fonction Du type de micro-organisme Des conditions environnementales Présence ou pas d oxygène Source de carbone à disposition (ex shunt de glyoxylate) Etc 41
Cycle du glyoxylate 2 (AMP + PPi) 2 ATP 2 ACETATE 2 ACETYL-CoA L isocitrate est le poste d aiguillage. Inhibition de l isocitrate déshydrogénase. Induction de l isocitratelyase et la malate déshydrogénase. (Lorenz and Fink, 2001) 42
A la recherche de l azote 43
Sources d azote et assimilation N 2 atmosphérique Fixation libre ou symbiotique de l azote par des bactéries NO 3- et NO 2 - NRB NO 3 - NRA NO 2 - NO 2 - NO N 2 O N 2 NH 4 + NH 4 + Assimilation Dissimilation 44
Sources d azote et assimilation Azote organique (exemples) Désamination des acides aminés Réaction générale Autres modalités Désaturante Réductrice Par transamination Couplée Etc Décomposition de l urée CO(NH 2 ) 2 + H 2 O CO2 + 2 NH 3 45
Sources d azote et assimilation NH 4 + Par la glutamate déshydrogénase quand NH 4+ est abondant Par la glutamine synthétase quand NH 4+ est limitant Glutamate déshydrogénase Glutamine synthétase 46
Autres besoins Par exemple : besoins en soufre Autres métabolismes Par exemple : catabolisme des lipides 47
Métabolisme secondaire Métabolisme découplé de la croissance Caractéristiques Spécifique d un type de micro-organisme (genre, espèce) Produit des familles de composés de structures proches Produits de structures complexes inconnus du métabolisme primaire Fonction inconnue Exemples de métabolites secondaires Antibiotiques Toxines 48
Structures des antibiotiques 49
Régulation du métabolisme Principe d économie Mécanismes de régulation Au niveau de l activité des enzymes Au niveau de la transcription des gènes Au niveau de la traduction Coordination 50
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Plasticité métaboliques chez chez les bactéries phtosynthétiques anoxygéniques => Il n' y a donc que 4 types possibles de Bactéries rencontrés dans l'ensemble des Bactéries pourpres et verte Les Photolithoautotrophes Les Photoorganohététrophes Les Photoautotrophes Les Photoorganohététrophes Sulfureuses Non-Sulfureuses Pourpres photolithautotrophes: H2S est le donneur d'electrons CO2 est le donneur de carbone au cycle de Calvin ATP photosynthétique cyclique Anaérobies strictes -photoorganohététrophes: Composés organiques sont les donneurs d'electrons ATP photosynthétique -photolitoautotrophes: H2 est le donneur d'electron -Chimioorganohétérotrophes: à l'obscurité et en aérobiose, ATP respiratoire à l'obscurité et en anaérobiose, ATP fermentaire Vertes -photoautotrophes: ATP photosynthétique H2S et H2 sont donneurs d'electrons CO2 est le donneur de carbone au cycle de Calvin Eventuellement, il peut y avoir assimilation d'acétate si le SH2 et le CO2. -photoorganohététrophes: Composés organiques sont les donneurs de carbone. -Chimiohététrophes(en aérobiose) -Les Vertes filamenteusesont une analogie avec les pourpres non sulfureuses 52
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