Comment la cellule interagit avec son milieu ? C’est une entité stable, quand elle est perturbée elle revient à son état d’origine et ajuste ses voies








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Régulation cellulaire
Comment la cellule interagit avec son milieu ? C’est une entité stable, quand elle est perturbée elle revient à son état d’origine et ajuste ses voies métaboliques. Elle subit l’attaque des virus qui retournent son métabolisme à leur profit. Elle met en jeu des mécanismes cellulaires pour les processus métaboliques par l’intermédiaire d’enzymes au niveau de leur synthèse ou de leur activité.
Premier mode : synthèse d’ordre génétique

Second mode : activité d’ordre biochimique qui concerne la réaction et la relation enzyme substrat des bactéries et des levures, seul le milieu extérieur régule la de voie métabolique.
Chez les organismes supérieurs, les mécanismes sont plus complexes du fait de la quantité d’information génétique.
Il existe des facteurs qui permettent l’expression ou pas d’un gène. La quantité d’information génétique est un facteur important de la régulation.
Chapitre 1 : Les bactéries
Ce sont des procaryotes arrondis ou en bâtonnet de 1 à 10 μm : un seul compartiment cellulaire délimité par une ou plusieurs membranes les protégeant du milieu extérieur.


  1. Structure

  1. Intérieur de la cellule bactérienne


Au microscope électronique à transmission après contraste positif, on remarque une région claire et une région foncée avec des ribosomes. Il y a des ARN, des enzymes libres et respiratoires tapissant la membrane. Le nucléoïde occupe 1/3 du volume. Le génome bactérien est une molécule d’ADN circulaire bicaténaire de 1 μm. Il contient 4,6.106 pb soit 4288 gènes. C’est un organisme haploïde (une seule copie de chaque gène). Les gènes sont organisés en opéron. Chez les bactéries, l’ARNm est polycistronique, il code pour des protéines participant à une même voie métabolique. Dans le cytoplasme hors du génome bactérien, il y a de petits chromosomes caténaires, des plasmides. Leur information génétique et leur réplication sont indépendantes de celle du génome bactérien. Leurs gènes codent des protéines de résistance aux antibiotiques.


  1. Enveloppe bactérienne


Elle est faite d’une membrane plasmique (bicouche lipidique avec des protéines) et de peptidoglycanes d’épaisseur variable. Les peptidoglycanes sont formés de chaînes polysaccharidiques reliées entre elles par de courtes chaînes de glycane.
La coloration de gram permet de classer les bactéries en deux catégories :
Gram - : peptidoglycane de 20 nm d’épaisseur. Elle possède une membrane externe de protéines et de lipopolysaccharides qui peuvent se décolorer et se colorer à la safranine (Coli)
Gram + : le violet cristal est retenu dans le cytoplasme. Elles ont un peptidoglycane de 20 à 300 nm. Elles ne possèdent pas de membrane externe.


  1. Flagelle


La plupart des bactéries vivent en milieu liquide et ont besoin d’un flagelle pour se déplacer. Il est constitué d’un tube hélicoïdal de 20 nm de diamètre (taille d’un ribosome) composé de flagelline. Il a une longueur de 15 à 20 μm. Il est enchâssé dans la membrane bactérienne par un petit disque protéique qui tourne pour le faire bouger.


  1. Pili


Seules les bactéries [F+] possèdent des pili car ils sont codés par le facteur F (plasmide). Ce sont des cylindres creux avec un tube axial. Un pont cytoplasmique permet le transfert de l’ADN quand un pilus touche une bactérie. F est une molécule caténaire 2 à 3 μm de long présent en un seul exemplaire avec une centaine de gènes dont celui de la piline. Il possède des propriétés spécifiques : réplication autonome (origine de réplication) et transfert possible entre bactéries.


  1. Croissance et reproduction

  1. Croissance cellulaire et division binaire


Les étapes sont associées dans le temps


  1. Fixation de l’ADN à la membrane de la bactérie

  2. Réplication de l’ADN bactérien

  3. Formation d’un septum issu de l’invagination de l’enveloppe cellulaire

  4. Division en deux de la bactérie

  5. Séparation des 2 cellules filles




  1. Culture en milieu liquide


Ensemencement dans un milieu minimum stérile contenant une source de carbone (glucose, glycérol), d’azote (ammonium), des vitamines et des sels (Na, K, Mg, Ca, PO). Les bactéries sont capables de faire toutes les réactions de synthèses et de métabolismes. L’agitation continue permet de les maintenir en suspension et d’assurer une oxygénation. Pour E.Coli, il apparaît une génération toutes les 20 à 25 minutes à 37°C.


  1. Courbe de croissance d’une population bactérienne


Des bactéries sont ensemencées dans un milieu complet (minimum + tous les acides aminés, toutes les bases et vitamines). Plus les bactéries se multiplient, plus le milieu s’appauvrit.


  1. Phase stationnaire : latence, les bactéries s’adaptent au milieu.

  2. Initiation de la croissance

  3. Phase de croissance exponentielle : toutes les bactéries se divisent continuellement

  4. Phase de ralentissement : les bactéries commencent à manquer d’éléments du milieu

  5. Phase stationnaire

  6. Décroissance : lyse de certaines bactéries qui vont libérer des toxines




  1. Culture en milieu solide


Pour cultiver des bactéries en milieu solide, on utilise une suspension très diluée qu’on étale sur un milieu gélosé solide pour limiter les mouvements des bactéries individuelles au cours de leur croissance. Elles sont cultivées 24h à 37°C. Des colonies se forment, ce sont des clones d’une même bactérie, elles sont génétiquement identiques.


  1. Différentes espèces bactériennes


Les bactéries autotrophes se développent dans un milieu inorganique en présence de CO2 et de lumière et synthétisent leurs propres molécules de glucose. (Ex : algues, cyanobactéries).
Les bactéries hétérotrophes ont besoin de composés organiques pour se reproduire. Elles sont incapables de synthétiser le glucose et se le procurent par la nutrition. Selon leur besoin, on les classe en 3 catégories.
Les bactéries prototrophes peuvent synthétiser tous leurs métabolites à partir d’un milieu minimum. Elles n’ont pas besoin de facteur de croissance additionnel.
Les bactéries auxotrophes exigent un facteur de croissance qu’elles ne peuvent pas synthétiser. Les souches [Arg-] sont dites auxotrophes pour l’arginine, ce sont de mutants nutritionnels qui peuvent se développer sur un milieu complet. Auxotrophie du point de vue de l’anabolisme.
Les bactéries non utilisatrices ne peuvent pas décomposé un composé pour l’utiliser. C’est une auxotrophie de catalyse.
La grande majorité des bactéries E.Coli sont [lac+]


  1. Système génétique bactérien

  1. Les mutations


Les bactéries mutent spontanément leurs gènes avec une fréquence d’une bactérie mutante pour 1.107 bactéries. En laboratoire, on sait introduire des mutations en faisant agir des agents mutagènes comme les radiations UV, ionisation, produits chimiques, acides nitreux (cytosine  uracile ; appariement GU au lieu de GC). La nitrosoguanidine est un analogue de nucléotide qui provoque des erreurs lors de la transcription (p.4, figure 3). En milieu semi solide, la plupart des cellules ne vont pas se reproduire car elles sont tuées par le traitement. Les autres se multiplient. Les mutants sont identifiés par des répliques sur des milieux différents. On peut sélectionner les bactéries résistantes aux antibiotiques. Les mutants d’auxotrophie sont sélectionnés par crible négatif et les mutants résistant à un antibiotique par crible positif.

  1. Mécanismes de transfert des gènes


On peut modifier le génome bactérien par mutation mais aussi par le transfert de gènes.


  1. La conjugaison


1946 : Lederberg et Tatum ont fait une expérience pour montrer un processus sexuel chez les bactéries et un transfert de matériel génétique entre différentes souches de Coli.
A [Thr-, Met-, Bio+, Leu-, T1SS, Lac-]

B [Thr+, Met-, Bio-, Leu+, T1SR, Lac+]
La biotine est une vitamine jouant un rôle de co-enzyme. Les bactéries sont cultivées séparément sur un milieu minimum, il n’y a aucune colonie. Quand ils mélangent les deux souches sur un milieu minimum, ils obtiennent des colonies pour les deux souches et des colonies recombinantes [Thr+, Met+, Bio+, Leu+, T1SS, Lac-]. Il y a eu des échanges, des transferts de matériel génétique entre les deux souches de bactéries. L’expérience ne démontre pas qu’il y a eu contact.
1950 : Davis utilise un filtre en porcelaine laissant passer que les petites molécules mais pas les bactéries. Incubation.

Aucune colonie ne se développe. Les recombinaisons génétiques lors de la conjugaison nécessitent un contact physique, direct entre les bactéries.
1953 : Hayes s’intéresse au facteur de recombinaison F. Une bactérie qui possède le facteur F est dite F+ (cellule donneuse, cellule male). La bactérie qui n’en possède pas est dite F- (cellule receveuse, cellule femelle).Il y a différents types de cellules donneuses. Le facteur F peut être hors du chromosome bactérien. Il peut être intégré dans le chromosome bactérien, ce sont alors des bactéries Haute fréquence de recombinaison (HFR). Le facteur F peut provenir de HFR suite à une excision (rare), la bactérie est F’. Le facteur F est excisé avec un fragment du chromosome bactérien.


  1. Transformation


Modification génétique d’une bactérie due à la recombinaison de son ADN avec un ADN d’une bactérie génétiquement différente. Dans le milieu de culture, l’ADN d’une bactérie lysée peut être transféré à d’autres bactéries si elles sont dans un état de compétence. Le transfert est limité à quelques espèces et est très restreint. On peut réaliser des transferts artificiels en perméabilisant la cellule par un traitement chimique. On utilise généralement des plasmides qui possèdent un gène de résistance. On suspend des bactéries avec des plasmides, on réalise un choc calcique, le plasmide pénètre dans la bactérie et se réplique. Il y a multiplication cellulaire. On étale sur un milieu sélectif (fig.6)


  1. Transduction

Elle a lieu lors d’une infection par un virus (bactériophage) en plusieurs étapes. Le phage se fixe sur la paroi bactérienne et injecte son ADN qui se réplique. Celui de la bactérie se fragmente. Il y a fabrication de virion. La paroi de la bactérie est lysée, les phages vont infectés d’autres bactéries. On parle de phage transducteur. Il y a recombinaison…
Chapitre 2 : Régulation de l’activité des enzymes
La régulation d’une enzyme se fait soit au niveau de son activité soit au niveau de sa synthèse. Les protéines allostériques ont un rôle important dans le métabolisme et l’activité.


  1. Notion d’allostérie


Cela signifie autre forme en grec. La protéine est capable de changer de conformation suite à une interaction avec un cofacteur ou une autre protéine. La transition est réversible. A chaque transformation correspond une propriété biologique donnée. L’allostérie ne concerne pas la structure primaire de la protéine puisqu’elle est basée sur la formation ou la rupture de liaisons H. La plupart des enzymes possèdent au moins deux sites de fixation : un site actif pour le substrat et un site régulateur pour un inhibiteur ou un activateur.


  1. Régulation allostérique par un effecteur


Un effecteur est une petite molécule qui commande l’enzyme. Les activateurs augmentent l’activité de l’enzyme en l’activant par leur fixation. A l’inverse les inhibiteurs les inactivent.


  1. Rétro inhibition par un produit d’une voie métabolique


C’est le mécanisme majeur qui contrôle l’activité des enzymes (cf. figure 9). Si le produit est en excès, il pourra se fixer au site régulateur et induira un changement de conformation, le substrat ne pourra plus se fixer (cf. la chaîne de biosynthèse des pyrimidines).


  1. Transition allostérique coopérative entre protomères d’une enzyme


Protéine digomérique : formée d’un ou plusieurs protomères. Chez certaines protéines, les protomères peuvent être identiques et alors chacun possède un site actif et un site régulateur, chez d’autres ils sont différents et alors le site actif est sur un des protomères et le site régulateur sur un autre (cf. figure 10)
Chapitre 3 : Régulation de l’expression génétique
Chez les bactéries, le contrôle permet surtout de s’adapter au milieu qui varie nutritionnellement pour assurer une croissance et une multiplication optimale.
Gène : séquence d’ADN codant un produit diffusible : protéine, ARNt, ARNr (gène ribosomal)


  1. Niveau de contrôle des gènes


Il existe 3 niveaux de contrôles : l’initiation de la transcription, la terminaison de la transcription et le renouvellement des ARNm.


  1. Initiation de la transcription


Chez les bactéries, le début de la transcription dépend de la reconnaissance de la séquence d’ADN par l’ARNpol associée au facteur σ. Une seule ARNpol catalyse la transcription. Elle est composée de 5 sous unités :

- 2 α : assemblage de l’enzyme et liaisons aux activateurs

- β : liaison à ARN  centre catalytique

- β’ : liaison à ADN  centre catalytique

- σ : reconnaissance du promoteur
Chez Coli, ARNpol a un poids moléculaire de 465 kDa et il y a 7000 molécules par cellules.
Séquence du promoteur

- 35 : séquence consensus TTGACA  reconnaissance par l’enzyme

- 10 : séquence consensus TATATT  liaison de l’enzyme

+ 1 : site d’initiation
L’enzyme démarre la transcription au site d’initiation et après la synthèse d’une dizaine de nucléotides, σ quitte l’enzyme qui continue seule jusqu’au site de terminaison, puis elle quitte l’ADN et fixe de nouveau un facteur σ.


  1. Terminaison de la transcription


C’est une étape importante. Le premier mécanisme ne nécessite aucun facteur supplémentaire. Il se situe au niveau des terminateurs rho-indépendants qui sont composés d’une épingle à cheveu riche en GC et d’une queue de nucléotide U répétés indispensable. Le 2e mécanisme nécessite un facteur supplémentaire rhô. Le terminateur se compose également d’une épingle à cheveu. L’ARNpol commence la transcription et le facteur rhô vient se fixer sur l’ARN et poursuit l’enzyme. Quand elle marque un arrêt au terminateur, rhô délivre un hybride ARN-ADN dans la bulle de transcription puis tout se détache.


  1. Stabilité de l’ARNm


Dans les cellules, la concentration en ARNm dépend de la synthèse et de la vitesse de dégradation donc de la stabilité métabolique.
Demi vie : la quantité de protéine qui peut être synthétisée par un ARNm est divisée par 2 toutes les X minutes.
Pour l’ARNm la demi-vie est de 3 min ce qui est très inférieur au temps de régénération de la cellule. La synthèse est suivie de la disparition de l’ARNm donc la synthèse de la protéine s’arrête permettant d’ajuster rapidement l’expression des gènes en réponse aux modifications du milieu.


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