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Chap V

La membrane plasmique

- la membrane est impliquée notamment dans la respiration et dans

l’exportation des protéines.

-elle constitue la cible de certains antibiotiques (ex polymyxines, agissent

comme des détergents).

- elle contient de nombreuses perméases (identification, lutte contre la

pollution, étude du transport actif).

Introduction

Mise en évidence- Vésicules issues de proto (G+) -ou sphéroplastes (G-).

Ces structures sont lysées dans un milieu hypotonique et les membranes sont recueillies par

centrifugation différentielle : elles sont pures chez les G+, mais souvent contaminées par du

LPS chez les G-.

- Phénomènes de plasmolyse.

Permet de visualiser la membrane des bactéries G-, mais difficilement celle des G+

(présence des acides lipoteichoïques).

- Aspect en coupe ultrafine.

Face interne associée à des ribosomes et au complexe F0F1 (ATPase).

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Composition chimique

Les membranes purifiées contiennent :

-60-70% de protéines (perméases, enz. respiratoires (cytochrome), déshydrogénases…)

- 30-40% phospholipides et acides gras.

• Phospholipides: phosphatidylglycérol chez les bactéries G+ non sporulantes;

phosphatidyléthanolamine chez les bactéries G+ sporulantes et chez les bactéries

G-; undécaprénylphosphate. (Le plus souvent, pas de phosphatidylcholine).

•Acides gras: la proportion d’AG cyclique augmente en phase stationnaire ; la

longueur des chaînes d’AG diminue et l’insaturation augmente à basse température

(fluidité). Linéaires chez G-, à chaîne ramifiée chez G+.

- environ 1% de sucres (provenant du PG, AT, LPS).

- un peu de RNA (ribosomes associés à la membrane).

- acides lipoteichoïque (G+).

- les hopanoïdes remplacent les stérols (sauf chez les mycoplastes).

Fonctions de la membrane cytoplasmiqueRégulation des échanges avec l’extérieur :

la membrane constitue une barrière de perméabilité sélective (semi-perméabilité,

transport passif et actif).

Perméation ou diffusion = transport passif

-Osmose (mouvement d’eau) :

plasmolyse, plasmoptyse, choc osmotique.

Osmose: diffusion des molécules de solvant

(H2O) à travers une membrane semi perméable

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Plasmolyse et plasmoptyse (G+ et G-)

Choc osmotique (G-)

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Dialyse

correspond à un mouvement de perméants par diffusion simple ou facilitée (transporteur

membranaire) dont la force motrice est assurée par un gradient de concentration.

Diffusion simple= petites molécules hydrophobes (O2, N2 …) ou polaires non chargées

(H2O, CO2, urée, glycérol …) ; elle est limitée chez les bactéries :

loi de Fick: dS/dT= kA(Ce –Ci).

(dS/dT= vitesse instantanée, k = constante de perméabilité, A = surface de la membrane et

Ce-Ci= gradient de concentration).

Vitesse relative (diffusion simple) à travers la MC

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Diffusion facilitée

(V = vitesse de transport ; Km = constante de liaison du ligand)

- elle implique un transporteur spécifique de la MC.

- cette diffusion facilitée est fréquente dans la MC des Eucaryotes, mais rarement utilisée

dans la MC des procaryotes:

elle est utilisée essentiellement pour le transport du glycérol (G+ et G-), du ribitol (G+)

Rappel: on l’observe également dans la membrane externe des bactéries G- (transporteur

LamB pour le maltose…)

Rappel: il existe une diffusion simple particulière beaucoup plus rapide pour les

molécules hydrophiles par canaux protéiques: c’est le cas des porines au niveau de la

membrane externe des bactéries G-.

Chez les bactéries, les perméases membranaires sont souvent inductibles :

cas du glycérol = diffusion facilitée :

1- un peu de glycérol pénètre dans le cytoplasme par diffusion simple,

2- il est transformé en glycérol-3-P (glycérol kinase),

3- la glycérol-3-P active le gène glpF qui code pour le transporteur du glycérol,

4- le transport du glycérol est considérablement accéléré.

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Transport passif : diffusion simple (loi de Fick) et facilitée dans le

sens du gradient de concentration

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Le transport actif-la plupart des substances nutritives pénètrent par transport actif chez les bactéries, car les

éléments nutritifs disponibles sont généralement très dilués.

Il existe 3 types de transports actifs:

- le transport peut utiliser des perméases membranaires insensibles au choc osmotique chez

les bactéries G+ et G- (en utilisant la force protomotrice).

- il peut utiliser des perméases membranaires sensibles au choc osmotique chez les bactéries

G- exclusivement (en utilisant l’hydrolyse de l’ATP).

- il peut s’effectuer par translocation de groupe (système phosphotransférase ou PTS).

Contrairement aux systèmes à perméases, le système PTS est spécifique du monde bactérien et

il modifie le substrat (phosphorylation).

Aperçu du métabolisme bactérien et du rôle

de la F0F1 ATPase membranaire.

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Chez les bactéries, le substrat énergétique est le plus souvent un glucide (glucose) ; le

catabolisme aboutit d’une part à la formation de coenzymes réduits, et d’autre part à la

production d’ATP. Les coenzymes réduits devront être réoxydés pour que le système

fonctionne.

Le catabolisme du glucose peut débuter par la glycolyse (qui passe par le fructose 1-6

biphosphate) ou par la formation de 6-phosphogluconate (voie des pentoses-P)

La glycolyse s’effectue dans le cytoplasme et aboutit à la formation de pyruvate, de NAD

réduit (NADH) et de 2ATP.

Si le métabolisme est fermentatif, l’acide pyruvique est incomplètement oxydé et la

réoxydation obligatoire des coenzymes réduits s’effectue grâce à des accepteurs

terminaux d’électron organiques aboutissant à la formation d’acides organiques,

d’alcools, de gaz …

Si le métabolisme est oxydatif, le pyruvate est totalement oxydé en CO2 dans le cycle de

Krebs (ou dans la voie des pentoses-P) avec formation de coenzymes réduits (NADH et

FADH2), qui sont ensuite réoxydés dans une chaîne respiratoire fournissant de l’ATP (34

ATP) par phosphorylation oxydative

Dans le cas d’un métabolisme oxydatif = respiratoire, la respiration peut être aérobie ou

anaérobie chez les bactéries.

Si la respiration est aérobie: l’accepteur final correspond au dioxygène,

Si la respiration est anaérobie: l’accepteur final correspond à un composé inorganique

(nitrate, sulfate ou carbonate)

Gradient de protons et ATP

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Les perméases membranaires

Définition :

Protéine membranaire assurant le transport (actif) d’un substrat (externe) sans le modifier;

elle est souvent inductible par le substrat, et présente une affinité pour un substrat spécifique

(ou un groupe de substrat).

Modèle :

bêta-galactoside perméase (E. Coli)

La perméase assure la reconnaissance du substrat et son transport couplé avec une source

d’énergie.

Propriétés du modèle :

1- on utilise un analogue structural non métabolisable : le TMG* (thiométhyl-bêta-D-

galactoside), dont l’accumulation cytoplasmique peut être quantifiée.

2- on peut identifier un transport actif en entravant la production d’énergie (poisons de la

chaîne respiratoire, agents découplants).

3- on met en évidence l’inductibilité de la perméase (diffusion simple de traces de lactose)

en inhibant la synthèse protéique (chloramphénicol).

-le transport est actif et utilise un gradient de protons, car il est bloqué par un agent

découplant.

-la bêta galactoside perméase est inductible par des traces de lactose (diffusion simple), qui

induisent également d’autres enzymes impliquées dans son métabolisme (bêta galactosidase

et bêta galactoside transacétylase).

- l’induction implique une néosynthèse de perméase, car elle est inhibée par le

chloramphénicol (inhibiteur de la synthèse protéique chez les bactéries).

- finalement, l’étude cinétique du transport montre que la perméase se comporte comme une

enzyme: réversibilité-saturation-équilibre.

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Etude cinétique du transport médié par la bêta-galactoside

perméase

Etude cinétique

Vitesse initiale = f ([substrat])

ou

Représentation de Michaelis-Menten

1 / Vitesse initiale = f (1 / [substrat])

ou

Représentation de Linewaever et Burk

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La bêta-GP est inductible par des traces de lactose (opéron lactose), puis on observe

simultanément un transport actif et une diffusion passive facilitée au sein de la même

perméase :

1- en absence d’énergie, seule la diffusion facilitée fonctionne tant qu’un gradient de

concentration persiste (dans les deux sens)

2- en présence d’une source d’énergie, le transport devient actif: la perméase change de

configuration et l’affinité pour le substrat diminue (face interne) ; de retour au niveau de la

face externe, la perméase retrouve son affinité initiale. Un gradient de proton est impliqué,

car en privant les bactéries d’énergie, le milieu extérieur s’alcalinise tandis que le cytoplasme

s’acidifie.

Transport et cotransport actif

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Cotransport actif (H+)

Remarque: un cotransport actif utilisant des protons (H+) utilise simultanément un gradient

de protons et un gradient de charges, tandis qu’un cotransport actif utilisant des ions Na+

utilise uniquement le gradient de charges.

Les systèmes des phosphotransférases (PTS) dépendantes du

phospho-énolpyruvate

Propriétés générales :

systèmes spécifiques du monde bactérien (G+ et G-) modifiant le substrat au cours du

transport (phosphorylation).

Composants du système (3 ou 4) :

Enzyme I (Mg++), protéine HPr (thermostable, contient de l’histidine), complexe

membranaire enzymeII/enzymeIII (Mg++).

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Internalisation du mannitol par PTS

Internalisation du glucose par PTS

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Les perméases périplasmiques

spécifiques des bactéries G-, elles assurent un transport actif sensible au choc osmotique

(implication de protéines de liaison = binding protein (BP) périplasmiques qui fixent très

fortement leur ligand).

Les gènes impliqués peuvent constituer un opéron unique (histidine), ou 2 opérons (maltose ;

le premier code pour MalE, MalFet MalG, tandis que le second code pour MalKet LamB).

Isolée par choc osmotique, la MBP présente une très forte affinité pour le maltose.

Remarque: les BP jouent un rôle important dans le chimiotactisme.

Perméase sensible au choc osmotique (périplasmique)

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Cad du maltose (2 opérons)

Autres rôles de la membrane plasmique

- Rôle dans la respiration

les enzymes respiratoires (cytochromes, déhydrogénases) sont associées à la MC

- Rôle dans la néosynthèse et le transport des protéines

Les exoenzymes (souvent impliquées en pathologie)

-secrétées par les G+, faible PM et structure rigide

-leur production est tardive (phase stationnaire), car une croissance bactérienne rapide inhibe

leur synthèse.

Les enzymes périplasmiques

Les protéines de la membrane externe (G-)

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translocation des protéines vers le périplasme

Le modèle Sec (Protéines non-repliées alors que Tat: Protéines repliées)

Rôle dans la division cellulaire

La membrane plasmique assure la séparation des génophores

La membrane comme cible des antibiotiques

(Antibiotiques polypeptidiques cycliques: polymyxine , gramicidine; perméabilisation

membranaire)

ConclusionLa MC bactérienne présente une grande complexité : en raison de concentrations très

variables et souvent très faibles des éléments nutritifs, la bactérie a du développer des

systèmes de concentration très efficaces (souvent 100X) et très variés.