La paroi cellulaire des bactéries est une partie essentielle de la cellule bactérienne qui joue un rôle clé dans le maintien de la structure et de la fonction globales de la bactérie. C’est une enveloppe rigide assurant l'intégrité de la bactérie, donc responsable de la forme des cellules. La principale fonction de la paroi cellulaire des bactéries est de protéger et de donner une forme à la cellule bactérienne. Elle protège des variations de pression osmotique (5-20 atmosphères) et des facteurs environnementaux nocifs. La pression osmotique est la pression qui doit être appliquée à une solution pour empêcher l'écoulement de l'eau à travers une membrane semi-perméable. Sans une paroi cellulaire solide, la bactérie éclaterait sous la pression osmotique de l'eau s'écoulant dans la cellule. La paroi cellulaire d'une bactérie agit comme une barrière, protégeant les composants internes de la cellule de l'environnement extérieur. Elle protège contre les forces physiques, les changements de température, les variations de la pression osmotique et les attaques d'enzymes ou d'antibiotiques qui endommagent les parois cellulaires. Le peptidoglycane est le principal élément constitutif de la paroi muréique bactérienne. C'est un polymère composé de sucres et d'acides aminés, formant une couche protectrice à l'extérieur de la membrane plasmique. Le métabolisme du peptidoglycane joue un rôle crucial dans la structure et la forme cellulaire bactérienne, la résistance aux antibiotiques et les interactions hôte-microbe.
Le Peptidoglycane : Un Exosquelette Moléculaire Fondamental
Le peptidoglycane (PGN), également appelé muréine, constitue la partie rigide de la paroi cellulaire bactérienne (paroi muréique) et est un composant essentiel et unique de cette structure. C'est un vaste polymère composé de chaînes imbriquées de monomères peptidoglycanes identiques, ayant un rôle « d’exosquelette » qui accorde une rigidité et protège la cellule lors de fortes pressions osmotiques. Le peptidoglycane est présent à la fois chez les bactéries à paroi Gram négative et positive.
Composition Chimique : NAG, NAM et Peptides
La muréine est constituée de chaînes alternées de N-acétylglucosamine (NAG) et d'acide N-acétylmuramique (NAM), liées entre elles par des sous-unités peptidiques assurant l'intégrité structurelle. Le peptidoglycane est composé de chaînes basées sur deux dérivés glucidiques : N-Acétyl Glucosamine (NAG) et de l’acide N-Acétyl Muramique (NAM). Ces couches sont reliées entre elles par des ponts peptidiques, formant une structure densément liée qui offre à la fois résistance et flexibilité, éléments vitaux pour la survie et la prolifération des bactéries dans diverses conditions. Un monomère de peptidoglycane se compose de deux sucres aminés joints, la N-acétylglucosamine (NAG) et l'acide N-acétylmuramique (NAM), avec un pentapeptide provenant du NAM. Des peptides composés de plusieurs acides aminés sont présents le long de la chaîne au niveau des NAM. Ces chaînes latérales peptidiques sont formées au minimum de quatre aminoacides, toujours fixées sur l'acide muramique, par exemple L-Alanine - D-Glycine - L-Lysine - D-Alanine. La formule générale de l'ossature du bipolymère pourrait être présentée comme suit : -(NAG-NAM)-. Les types et l'ordre des acides aminés dans le pentapeptide, bien que presque identiques chez les bactéries Gram-positives et Gram-négatives, montrent une légère variation entre les bactéries du domaine.
Structure Tridimensionnelle et Fonction
Le peptidoglycane est un hétéropolymère composé de chaînes glucidiques reliées les unes aux autres par des chaînons pentapeptidiques. La macromolécule réticulée tridimensionnelle est ainsi constituée et sa solidité dépend de l'importance des interconnexions. Les chaînes de peptidoglycane sont reliées entre elles par des ponts interpeptidiques au niveau des peptides fixés au NAM. Cette structure offre à la cellule bactérienne sa forme et sa résistance à la pression osmotique. La paroi de peptidoglycane participe à régler la diffusion des nutriments vers la membrane cellulaire. Elle agit comme un système de défense clé pour la bactérie, garantissant sa survie, sa forme et sa fonction.
Biosynthèse et Remaniement du Peptidoglycane
La biosynthèse du peptidoglycane s'effectue par sous-unités dans le cytoplasme jusqu'à l'assemblage du disaccharide-pentapeptide (N-Acétyl Glucosamine-Acide N-Acétyl Muramique- L-Alanine-D-Glycine-L-Lysine-D-Alanine-D-Alanine). Un monomère de peptidoglycane se compose de deux sucres aminés joints, la N-acétylglucosamine (NAG) et l'acide N-acétylmuramique (NAM), avec un pentapeptide provenant du NAM. Ces monomères de peptidoglycane sont synthétisés dans le cytosol de la bactérie où ils se fixent à une molécule porteuse membranaire appelée bactoprénol. Les bactoprénols transportent les monomères de peptidoglycane à travers la membrane cytoplasmique et travaillent avec les enzymes pour insérer les monomères dans le peptidoglycane existant, permettant la croissance bactérienne après la fission binaire.
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Ce disaccharide-pentapeptide traverse ensuite la membrane cytoplasmique fixé sur un transporteur phospholipidique puis est attaché à la chaîne glucidique de la paroi pré-existante (réaction de transglycosylation). Une fois les nouveaux monomères de peptidoglycane insérés, des liaisons glycosidiques relient ensuite ces monomères dans les chaînes croissantes du peptidoglycane. Ces longues chaînes de sucre sont ensuite reliées les unes aux autres au moyen de réticulations peptidiques entre les peptides sortant des NAM. Les chaînes peuvent être reliées pour former la molécule réticulée finale par liaison covalente entre les peptides (réaction de transpeptidation), une étape catalysée par les transpeptidases. La formation du peptidoglycane est dynamique, il y a en permanence une synthèse et une dégradation locale de cette molécule.
Diversité des Parois Bactériennes : Une Classification Basée sur la Structure
La paroi cellulaire bactérienne présente une diversité remarquable, qui est à la base de classifications importantes, comme la coloration de Gram. Les bactéries sont apparues sur terre il y a 3 milliards d'années. On connaît environ 5000 espèces bactériennes, dont quelques dizaines sont pathogènes. On distingue deux types de bactéries, dites à Gram positif (Gram +) ou à Gram négatif (Gram -). Hans Gram est un bactériologiste danois de la seconde moitié du XIXe siècle, qui a mis au point une coloration permettant de distinguer grâce à leur membrane deux types de bactéries : celles à Gram positif (Gram +) se colorent en rose, celles à Gram négatif (Gram -) ne se colorent pas.
Les Bactéries à Gram Positif : Une Couche Épaisse et des Acides Teichoïques
Les bactéries à Gram positif possèdent des caractéristiques uniques de paroi cellulaire qui sont cruciales pour leur survie et leur capacité à provoquer des maladies. Elles ont une épaisse couche de peptidoglycane, qui constitue la majeure partie de la paroi cellulaire et assure à la fois l'intégrité structurelle et un solide mécanisme de défense à la bactérie. Encapsulant la membrane cellulaire, cette épaisse couche de peptidoglycane est dense. Les bactéries à Gram positif ont tendance à présenter des compositions chimiques plus simples dans leurs parois cellulaires que les bactéries à Gram négatif, dont les structures sont plus complexes.
Un autre attribut caractérisant les bactéries Gram positives est la présence d'acide teichoïque intercalé dans la couche de peptidoglycane. Il reste donc à savoir ce que sont les acides lipoteichoïques et téchoïques. Les acides teichoïques sont des polymères de glycérol ou de ribitol reliés par des groupes phosphates, attachés à la couche de peptidoglycane des parois cellulaires des bactéries Gram positives. Ils aident à maintenir l'intégrité de la paroi cellulaire et jouent un rôle dans la détermination de la forme de la cellule, la protection et la régulation cellulaire. Tout en assurant la stabilité de la paroi cellulaire, ces acides téichoïques jouent également un rôle crucial dans l'adhésion des bactéries aux tissus de l'hôte, une étape critique dans la pathogénie de l'infection bactérienne.
Les Bactéries à Gram Négatif : Une Complexité Diderme avec LPS
Les bactéries didermes à LPS (dites aussi à paroi "Gram-negative") ont une structure de paroi cellulaire plus complexe que leurs homologues à Gram positif. Chez ces bactéries, la membrane cytoplasmique est entourée d'une enveloppe essentiellement constituée par une trame multicouches d'un peptidoglycane appelé muréine. La couche la plus externe est la membrane externe, suivie d'une fine couche de peptidoglycane, puis la couche la plus interne est la membrane plasmique. Chez les Gram -, le peptidoglycane est plus mince, mais est entouré d'une membrane externe complexe et difficile à franchir, sauf par des canaux hydrophiles, les porines, servant à l'entrée des nutriments.
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La membrane externe est une bicouche de phospholipides qui agit comme une formidable barrière contre les substances nocives. L'une des caractéristiques distinctes des bactéries Gram négatif est la présence de lipopolysaccharides (LPS) dans la membrane externe. Les lipopolysaccharides (LPS) sont de grosses molécules composées d'un lipide et d'un polysaccharide reliés par une liaison covalente ; on les trouve dans la membrane externe des bactéries Gram-négatives. Le lipide A, communément appelé "endotoxine", est reconnu par notre système immunitaire et peut déclencher une réponse immunitaire. Par conséquent, sa libération au cours d'une infection bactérienne à Gram négatif peut entraîner des symptômes tels que la fièvre ou l'inflammation.
Les bactéries à Gram négatif utilisent leur membrane externe comme une barrière physique, empêchant la pénétration de molécules hydrophiles plus grosses. En même temps, elles laissent passer des molécules hydrophiles plus petites par l'intermédiaire de canaux de porine. Le peptidoglycane est ancré à la membrane externe via les lipoprotéines de Braun. Certaines bactéries peuvent même modifier leurs canaux de porine pour exclure certains antibiotiques, un mécanisme clé de la résistance aux antibiotiques. Par exemple, Escherichia coli, une bactérie Gram négative courante, peut modifier la taille de ses canaux de porine lorsqu'elle est exposée à des antibiotiques comme l'ampicilline. De plus, la surface chargée négativement de la paroi cellulaire des bactéries Gram négatif repousse de nombreuses molécules chargées positivement, y compris certains antibiotiques. Cet attribut, associé aux pompes d'efflux qui expulsent activement les substances de la cellule, renforce encore la capacité de survie des bactéries à Gram négatif.
Les Bactéries Acido-Alcoolo-Résistantes : Le Bouclier Mycolique
Si les bactéries à Gram positif et à Gram négatif attirent souvent, à juste titre, l'attention dans les conversations microbiologiques, il existe une autre catégorie qu'il ne faut pas négliger : les bactéries acido-alcoolo-résistantes. C'est fréquent chez le genre Bacillus, mais cette propriété n'est pas générale. Les Mycobactéries sont des monodermes qui prennent très difficilement les colorants dans la coloration de Gram. Ainsi nommées en raison de leur caractéristique unique de résister à la décoloration par l'acide-alcool après avoir été colorées avec un colorant, ces bactéries, qui comprennent des pathogènes notoires comme Mycobacterium tuberculosis et Mycobacterium leprae, présentent une structure de paroi cellulaire unique qui a des implications cliniques significatives.
La paroi cellulaire des bactéries acido-alcoolo-résistantes, bien que présentant une certaine ressemblance avec la catégorie des bactéries Gram positives, se distingue fondamentalement par sa composition unique, en particulier par l'incorporation d'une très forte teneur en lipides, bien au-delà de ce que l'on trouve dans les parois cellulaires typiques des bactéries Gram positives ou négatives. Cette composition est caractérisée par la face externe des couches de muréine qui sont bourrées d'acides lipoteichoïques. On a donc là l'invention d'une deuxième membrane externe mais sans lipides de type LPS comme on le trouve chez les didermes classiques. Cette membrane externe à mycolates conduit à une paroi très hydrophobe et conférant une forte résistance aux macrophages chez les espèces pathogènes, une propriété majeure si on pense à Mycobacterium tuberculosis et à la tuberculose.
La clé de ces lipides est un groupe d'acides gras complexes à longue chaîne, connus sous le nom d'acides mycoliques, qui représentent jusqu'à 60 % du poids sec de l'enveloppe de la cellule bactérienne. Les acides mycoliques sont des acides gras à longue chaîne, composés d'une chaîne bêta-hydroxy plus longue et d'une chaîne latérale alpha-alkyle plus courte. Ils constituent une proportion importante de la paroi cellulaire des bactéries acido-alcoolo-résistantes et jouent un rôle crucial dans la survie et la pathogénie de ces bactéries. Ils contribuent à la pathogénicité de la bactérie en entravant les actions de la réponse immunitaire comme la phagocytose. Leur caractéristique hydrophobe sert de barrière à de nombreux médicaments à petites molécules. La couche dense et hydrophobe d'acides mycoliques de la paroi cellulaire crée une barrière imperméable à de nombreux antibiotiques courants et permet à ces bactéries de persister dans des environnements hostiles, y compris dans les macrophages, dans un état dormant pendant de longues périodes. Leurs porines sont particulièrement étroites, et leur paroi demeure trop "étanche". C'est cette résistance aux antibiotiques qui fait du traitement des maladies causées par les bactéries acido-alcoolo-résistantes, comme la tuberculose et la lèpre, un défi particulier.
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Les Bactéries Dépourvues de Paroi Cellulaire : Les Mycoplasmes et leurs Adaptations
Contrairement aux bactéries Gram positives, Gram négatives et acido-alcoolo-résistantes, il existe une catégorie particulière : les bactéries à paroi cellulaire déficiente, qui n'ont pas de paroi cellulaire typique. Les bactéries de la grande famille des mollicutes (à "peau molle") sont des bactéries dépourvues de paroi. Il s'agit en fait de monodermes ayant perdu leur paroi. Les mycoplasmes sont les seules bactéries qui manquent naturellement de paroi cellulaire.
L'absence de paroi cellulaire chez ces bactéries pose naturellement la question de la survie et de la propagation. Sans paroi cellulaire, ces bactéries perdent la rigidité structurelle habituellement fournie par la couche de peptidoglycane, mais elles adoptent d'autres stratégies de survie pour compenser cette perte. Les mycoplasmes maintiennent une pression presque uniforme entre l'environnement extérieur et le cytoplasme en pompant activement les ions sodium. Une adaptation cruciale est la présence d'une membrane cellulaire plus robuste chez certaines bactéries naturellement dépourvues de paroi. Leurs membranes cytoplasmiques contiennent également des stérols qui fournissent très probablement une force supplémentaire. Cela leur permet de résister à certains antibiotiques, comme la pénicilline, qui ciblent la synthèse de la paroi cellulaire. Staphylococcus aureus et Streptococcus pneumoniae sont des exemples marquants de bactéries qui peuvent former des formes à paroi cellulaire déficiente. Cette variabilité peut compromettre l'identification précise et, par conséquent, l'efficacité du traitement des infections causées par ces formes à paroi cellulaire déficiente.
Interactions et Implications du Peptidoglycane
La structure unique de la paroi cellulaire des bactéries influence considérablement leur interaction avec l'environnement et leurs capacités de résistance aux antibiotiques. Les attributs distincts de la paroi cellulaire des bactéries à Gram négatif, par exemple, assurent non seulement la survie, mais présentent également des complications pour les tentatives thérapeutiques, ce qui nécessite des méthodologies avancées en science médicale pour s'attaquer aux souches bactériennes résistantes.
Le Peptidoglycane face au Système Immunitaire
Le peptidoglycane est un puissant stimulateur du système immunitaire humain qui le considère comme un élément étranger contre lequel il faut se défendre : PAMP (Pathogen Associated Molecular Pattern). La détection du peptidoglycane par l'hôte prépare le système immunitaire à faire face à la présence de la flore commensale dans le tractus gastro-intestinal.
Cependant, le peptidoglycane d’une bactérie n’est pas directement accessible au système immunitaire car il est protégé par la présence d’une membrane (bactéries à paroi Gram -) ou par des protéines (bactéries à paroi Gram +). Néanmoins, lors de la lyse de bactéries, des résidus de peptidoglycane peuvent être libérés dans le corps et déclencher une réponse du système immunitaire. Des efforts importants ont été consacrés au rôle du peptidoglycane dans les interactions hôte-microbe et le mécanisme de sa détection. À l'aide de plusieurs modèles bactériens, les scientifiques voulaient comprendre comment les pathogènes renversent ou modulent la réponse de l'hôte en modifiant leur peptidoglycane. Il a été observé que le peptidoglycane joue un rôle clé dans les mécanismes furtifs qui s'inscrivent dans la stratégie de virulence de nombreux pathogènes humains.
La Paroi Bactérienne comme Cible Thérapeutique : Les Antibactériens
Le peptidoglycane est déjà la cible de divers antibiotiques. La formation du peptidoglycane est dynamique, il y a en permanence une synthèse et une dégradation locale de cette molécule. Ce sont les transpeptidases qui sont les cibles des antibiotiques de la famille des β-lactames (dont les célèbres pénicillines).
Plusieurs antibiotiques ciblent la synthèse du peptidoglycane : la pénicilline, l’amoxicilline, la vancomycine ou la bacitracine par exemple. La pénicilline est un antibiotique, de la famille des beta-lactames, qui inhibe la synthèse du peptidoglycane et conduit à une lyse de la bactérie lors de variations de la pression osmotique. La paroi cellulaire d'une bactérie agit comme une barrière, protégeant les composants internes de la cellule de l'environnement extérieur. Par exemple, la pénicilline, un antibiotique, attaque la paroi cellulaire des bactéries et provoque leur mort.
Les bactéries à Gram positif, en raison de leur épaisse couche de peptidoglycane, sont généralement plus sensibles aux antibiotiques comme les bêta-lactamines qui ciblent la synthèse du peptidoglycane. En revanche, la membrane externe des bactéries à Gram négatif constitue une barrière efficace contre de nombreux antibiotiques. Ces disparités structurelles jouent un rôle important dans l'élaboration de stratégies de traitement. À cette fin, Helicobacter pylori a servi d'organisme modèle aux scientifiques qui ont visé à développer de nouvelles stratégies thérapeutiques pour surmonter l'obstacle de la résistance antibiotique.
Inhiber la synthèse du peptidoglycane signifie que la bactérie ne pourra plus fabriquer son enveloppe. En plus des β-lactames (pénicilline) et des glycopeptides (vancomycine), les antibactériens peuvent inhiber d'autres processus indispensables à la vie d'une bactérie. Ils peuvent cibler l'inhibition de la synthèse des acides nucléiques (ARN avec la rifampicine, ADN avec les quinolones comme l'ofloxacine) ou l'inhibition de la synthèse des protéines (aminoglycosides comme la streptomycine, macrolides comme l'érythromycine, tétracyclines, chloramphénicol). Ces molécules empêchent alors la bactérie de fabriquer les enzymes nécessaires à son métabolisme ou d'en produire de défectueuses. Il est crucial que les molécules spécifiques contre les bactéries puissent agir sans trop de dommages pour les cellules de l’hôte, dont l'ADN est à l'abri dans le noyau, contrastant avec le sac procaryote de la bactérie sans compartiment.
L'histoire des antibactériens remonte avant la pénicilline. En fait, très tôt, certains composés étaient utilisés contre les infections : eau de Javel comme désinfectant, mercure contre la syphilis. Dès 1897, le médecin militaire Ernest Duchesne a traité avec succès des porcs atteints de typhoïde porcine par la moisissure Penicillium glaucum. En 1911, Paul Ehrlich met au point le Salvarsan, actif contre la syphilis. En 1936, Thérèse et Jacques Tréfouël synthétisent les sulfamides, actifs contre de nombreux germes. Quant à la pénicilline, découverte par sérendipité en 1928 par Fleming, son intérêt thérapeutique n'apparut que vers 1939. Pour combattre une infection, un antibactérien doit entrer dans la bactérie et ne pas en être expulsé, échapper à des mécanismes d'inactivation (enzymes), et atteindre sa cible et la perturber en causant un dommage à la bactérie.
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