ATP et le métabolisme énergétique

 ATP et le métabolisme énergétique

Qu'est-ce que le métabolisme énergétique ?

Le métabolisme énergétique regroupe l'ensemble des réactions qui s'accompagnent (au sein d'une cellule) de la production d'énergie chimique utilisable par la cellule.

Ces réactions sont toutes des réactions d'oxydoréduction au cours desquelles une source d'énergie (substance nutritive prélevée dans le milieu de culture) est oxydée.

Ces oxydations cataboliques conduisent d'une part à la PRODUCTION DE COENZYMES REDUITS (qui devront être réoxydés pour assurer la pérennité du système) et d'autre part à la PRODUCTION D'ATP(molécule servant de forme de transport d'énergie dans toutes les cellules vivantes).

Chez les bactéries d'intérêt médical qui sont le plus souvent chimio-organotrophes le substrat énergétique oxydé est une molécule organique appartenant préférentiellement à la famille des glucides. Certains protides et lipides peuvent aussi en l'absence de glucides être des substrats énergétiques ; dans ces derniers cas les voies cataboliques empruntées finissent toujours par rejoindre celles utilisées pour les glucides.

Le catabolisme du glucose chez les bactéries chimio-organotrophes peut débuter :

- par la glycolyse (on parle de voies cataboliques passant par le fructose 1,6-biphosphate ; ce dernier est un des composés intermédiaires produit au cours de la glycolyse)

- par la formation de 6-phosphogluconate (voie de Warburg et Christian) ; les voies cataboliques empruntées seront alors différentes.

La glycolyse se déroule dans le cytoplasme de la cellule bactérienne en aérobiose ou en anaérobiose. Au cours de cette voie catabolique le glucose (molécule à 6 carbones) est oxydé en deux molécules d'acide pyruvique (3 carbones).

L'oxydation d'une molécule de glucose produit sur un plan énergétique deux coenzymes réduits NADH+H⁺qui devront être réoxydés et deux molécules d'ATP par phosphorylation au niveau du substrat (couplage entre une réaction catalysée par une enzyme de type oxydo-réductase et une réaction catalysée par une phosphorylase).

La glycolyse peut être divisée en deux étapes. Dans l'étape initiale à six carbones, le glucose est phosphorylé deux fois et converti en fructose 1,6 biphosphate. Cette première étape ne produit ni énergie ni coenzyme réduit ; elle " amorce la pompe " par l'addition de deux groupements phosphates à chacune des extrémités de l'ose, ce qui permettra lors de la seconde étape (à 3 carbones) la production d'ATP et de NADH+H⁺.

En résumé . . .

Glucose + 2ATP	>>>	Fructose 1,6-biphosphate	>>>	2 Glycéraldéhyde-3-phosphate + 4 ADP + 2 NAD+	>>>	2 Pyruvate + 4 ATP + 2 NADH+H+
Première étape				Deuxième étape

L'équation bilan globale de cette voie catabolique à 9 étapes est donc :

C₆H₁₂O₆ + 2 NAD⁺ + 2 ADP + 2 Pi ———> 2 CH₃-CO-COOH + 2 NADH+H⁺ + 2 ATP

Le devenir des produits (acide pyruvique et coenzymes réduits) de cette voie catabolique diffère selon que le métabolisme est respiratoire ou fermentatif.

Le cycle de Krebs : oxydation complète de l'acide pyruvique en dioxyde de carbone

Certaines des enzymes catalysant les réactions de cette voie d'oxydation complète de l'acide pyruvique sont situées au niveau de la membrane cytoplasmique. L'acide pyruvique est finalement oxydé jusqu'au stade CO2 (dioxyde de carbone) ; une molécule d'ATP par molécule d'acide pyruvique oxydée et des coenzymes réduits supplémentaires sont produits (4 NADH+H+ et 1 FADH2). Tous les coenzymes réduits produits pour oxyder le glucose jusqu'au stade CO2 sont alors réoxydés au niveau d'une chaîne respiratoire permettant une production supplémentaire d'ATP par phosphorylation oxydative (utilisation d'une chaîne membranaire de transporteurs d'électrons et d'un ATP synthétase). Cette oxydation complète du glucose en dioxyde de carbone fait apparaître des métabolites intermédiaires acides qui ne s'accumulent généralement pas (le cycle de Krebs est une voie anaplérotique). La dégradation du glucose par la glycolyse puis le cycle de Krebs n'entraîne qu'une faible acidification du milieu de culture.

Le métabolisme fermentatif : oxydation incomplète de l'acide pyruvique

Au cours d'un métabolisme fermentatif, la réoxydation obligatoire des coenzymes réduits produits au cours de l'oxydation le glucose en pyruvate, se fait grâce à des accepteurs terminaux d'électrons organiques. Ces accepteurs terminaux peuvent être alors des molécules dérivées du pyruvate ou le pyruvate lui-même : c'est une fermentation. Les fermentations à partir du pyruvate sont nombreuses et variées. Les produits formés peuvent être des acides organiques, des alcools et des gaz. On les retrouve dans le milieu de culture.

Principe de la réoxydation du NADH+H+durant une fermentation

La voie du 6-phosphogluconate (ou voie de Warburg et Christian)

Cette voie catabolique du glucose est bien différente de la glycolyse universalement répandue chez les êtres vivants. Certaines des bactéries utilisant cette voie ne possèdent pas de phosphofructokinase (ex. certainsPseudomonas), d'autres en l'absence d'aldolase ne peuvent pas scinder le fructose 1,6-bisphosphate ; Chez ces bactéries la glycolyse (classique) n'existe pas et les voies cataboliques passant par le 6-phosphogluconate (voie des pentoses phopsphates et voie d'Entner-Doudoroff représentent des voies principales de leur métabolisme énergétique.

Dans le monde bactérien, le 6-phosphogluconate est un carrefour du métabolisme du glucose et de nombreuses bactéries l'utilisent: Enterobacteriaceae, Streptococcus, Pseudomonas, Lactobacillus, . . .

Glucose +ATP

->

Glucose-6-phosphate +ADP

->

+NAD+ +H2O

->

6-phosphogluconate + NADH + H+

Le devenir du 6-phosphogluconate et du NADH+H⁺ produit par cette voie de dégradation du glucose, diffère selon que le métabolisme est oxydatif ou fermentatif.

La voie des pentoses phosphates (ou voie de Warburg, Dickens et Horecker) 

Cette voie conduit comme l'association glycolyse-cycle de Krebs à l'oxydation complète du glucose.

Le 6-phosphogluconate est déshydrogéné et décarboxylé pour donner un ose phosphorylé à 5 carbones. Cet ose subit ensuite une série d'inter-conversions donnant des composés phosphorylés à 3, 4, 5, 6 et 7 carbones pour aboutir enfin au fructose-6-phosphate qui peut redonner du glucose-6-phosphate.

A l'image de ce qui se passe dans le cycle de Krebs, la voie de Warburg, Dickens et Horecker, part d'un composé (le glucose-6-phosphate) et retourne à ce même composé en perdant au passage des carbones sous forme de CO₂ et en produisant des coenzymes réduits : NADPH+H⁺

L'équation bilan globale de cette voie catabolique complexe est :

Glucose-6-phosphate + 12 NADP⁺ ———> 6 CO₂ + 12 NADPH+H⁺ + Pi

Le métabolisme fermentatif à partir du 6-phosphogluconate

Il s'agit comme pour le métabolisme fermentatif à partir du pyruvate issu de la glycolyse, d'une oxydation 

Chez Zymomonas mobilis, le pyruvate formé est décarboxylé en acétaldéhyde, puis ce dernier est réduit en éthanol ce qui permet la réoxydation du NADH,H⁺ ; il s'agit donc d'une fermentation alcoolique passant par la voie du 6-phosphogluconate.

Remarque : En bactériologie médicale, le métabolisme fermentatif à partir du 6-phosphogluconate est principalement représenté par la fermentation hétérolactique (effectuée par quelques Enterobacteriaceae, Lactobacilluset Leuconostoc) et la voie d'Entner - Doudoroff (Pseudomonas, Azotobacter, . . . et rarement chez les Gram +, Enterococcus faecalis étant l'exception).

La production d'ATP par voies non fermentatives

Les électrons (et protons) initialement prient en charge par des coenzymes nicotiniques (ex. NAD+) et flaviniques (ex. FAD) lors de l'oxydation du glucose par les voies cataboliques telles que la glycolyse, le cycle de Krebs ou la voie des pentoses phosphates, vont être transférés sur une chaîne de transporteurs membranaires.

Cette chaîne de transporteurs (ou chaîne respiratoire) permet au terme d'une succession de réactions d'oxydoréduction de cèder électrons et protons à un accepteur final éxogène (molécule oxydée présente dans l'environement, le milieu de culture).Ces multiples réactions d'oxydoréduction permettent la création d'un gradient électrochimique de part et d'autre de la membrane ; une enzyme membranaire, l'ATP synthétase, utilise ce gradient pour produire de l'ATP. On parle de phosphorylation oxydative.

Dans la respiration aérobie, la réoxydation des coenzymes réduits est assurée par le transfert des électrons par "voie cytochromique" vers le dioxygène.

La respiration aérobie

Les cytochromes sont des hétéroprotéines membranaires (quelquefois solubles) fonctionnant comme transporteur d'électrons. Certains cytochromes ont une action enzymatique (cytochrome P450) ou fonctionnent en même temps comme translocateurs de protons (théorie chimio-osmotique de Mitchell).

Chez les bactéries la composition en cytochromes (= transporteurs d'électrons) de la chaîne respiratoire est très différente de celle des eucaryotes et varie en fonction de l'espèce et même pour une espèce donnée en fonction des conditions de culture.

Indépendamment de la (ou des) chaîne(s) respiratoire(s) utilisée(s) toutes les bactéries à respiration aérobie ont un type métabolique qualifié d'oxydatif.

Les bactéries oxydase +

Les bactéries oxydase -

Les bactéries utilisant ou " tolérant " l'oxygène

Toutes les bactéries cultivant en atmosphère aérobie n'utilisent pas nécessairement une respiration aérobie pour réoxyder les coenzymes réduits produits au cours des différentes voies cataboliques de leur métabolisme énergétique.

Les bactéries anaérobies n'utilisent pas le dioxygène et peuvent se développer en son absence. Les anaérobies strictes se distinguent des anaérobies "facultatifs" par leur intolérance complète au dioxygène ; pour ces bactéries anaérobies strictes le dioxygène est toxique car :

- sa présence inhibe des enzymes clés du métabolisme (ex. la nitrogénase) ;

- certaines réactions métaboliques en présence d'O₂ entraînent la formation de composés toxiques superoxyde O₂^. et peroxydes H₂O₂ que la bactérie ne sait pas neutraliser et qui " attaquent " les lipides, l'ADN, . . . En outre superoxyde et peroxyde peuvent réagir entre eux et donner un dérivé encore plus toxique pour la cellule, le radical OH^.

O₂^.+ H₂O₂ ——> O₂ + OH^- + OH^.

Les bactéries tolérant le dioxygène ainsi que les bactéries aérobies strictes savent " se défendre " contre ces composés et les inactives dès leur formation par diverses enzymes : catalase, peroxydase et superoxyde dismutase.

La catalase

C'est une enzyme héminique présente chez les bactéries aérobies, aéro-anaérobies et dans une moindre mesure chez les bactéries microaérophiles. Elle est absente chez les anaérobies.

H₂O₂ ——> H₂O + ½ O₂

La recherche de la catalase est très utile pour distinguer les coques Gram + entre eux : les Staphylocoques sont catalase + et les Streptocoques catalase - .

Rq : Ceratines bactéries déficientes en catalase cultivent en aérobiose sur gélose au sang frais car l'hémoglobine possède une activité catalasique qui neutralise le peroxyde d'hydrogène formé consécutivement aux activités métaboliques bactériennes en aérobiose.

La peroxydase

C'est une enzyme oxydant des substrats variés à l'aide de H₂O₂ qui est réduit en H₂O. Cette enzyme a donc deux substrats (ce qui la différencie de la catalase qui n'en a qu'un : H₂O₂).

XH₂ (=substrat réduit)+H₂O_{2 ——> 2 H2O +} X _(=produit oxydé)

La peroxydase permet à certaines bactéries qui n'ont pas de catalase, de tolérer l'oxygène ; c'est le cas des Lactobacilles.

Les Streptocoques qui n'ont ni catalase, ni peroxydase " classique ", sont aéro-tolérants car ils possèdent une enzyme (flavinique), la NAD peroxydase qui leur permet d'éliminer le peroxyde d'hydrogène immanquablement produit lors d'une culture en aérobiose. La réaction s'écrit :

H₂O₂ + NADH + H⁺ _——> NAD + 2 H₂O

La superoxyde dismutase (SOD)

C'est une enzyme qui catalyse une réaction de dismutation. C'est-à-dire une réaction au cours de laquelle un ion superoxyde (qui est en même temps un radical) en oxyde un autre. Il réagit donc à la fois comme oxydant et comme réducteur.

2 O₂^- + 2 H⁺ _——> H₂O₂ + O₂

L'une des sources d'anion superoxyde est l'activité des oxydases*. La SOD est une enzyme inductible, synthétisée en aérobiose.

*une oxydase peut être définie comme une enzyme oxydant un substrat en utilisant le dioxygène comme agent oxydant ; le dioxygène est alors réduit en anion superoxyde, en peroxyde d'hydrogène ou bien encore en molécule d'eau.

Respirations anaérobies

Lorsque le transfert des électrons par voie cytochromique se fait vers une autre molécule que le dioxygène, on parle de respiration anaérobie.

Certaines espèces bactériennes peuvent utiliser comme accepteur final d'électrons des composés minéraux oxydés (" riches en atomes d'oxygène ") du milieu de culture autre que le dioxygène.

Il s'agit principalement :

- de composés azotés oxydés, nitrates NO₂^-, nitrites NO₃^- ; ces respirations anaérobies sont souvent une alternative à la respiration aérobie.

- de composés soufrés oxydés, sulfites SO₃^2-, thiosulfate S₂O₃^2- ou tétrathionate S₄O₆^2- ; Lorsque cette respiration anaérobie est obligatoire, les bactéries sulfito-réductrices qui l'utilisent sont le plus souvent anaérobies strictes.

Des composés organiques peuvent être accepteurs terminaux d'électrons. La " respiration du fumarate " peut suivant les conditions de culture, se rencontrer chez une multitude de micro-organismes procaryotes ou non !

- des bactéries anaérobies : Bacteroïdes fragilis, Clostridium formicoaceticum, Streptococcus faecalis, . . .

- des bactéries anaérobies facultatives : Bacillus megaterium, Escherichia coli, . . .

- des vers parasites : Ascaris, Fasciola.

Toutes ces respirations anaérobies sont bien des respirations au sens où il existe une chaîne membranaire de transporteurs d'électrons avec création d'un potentiel électrochimique de membrane permettant la phosphorylation oxydative. Il faut toutefois rappeler ici, que s'agissant des composés azotés et soufrés des réactions d'assimilation (qui ne sont pas des réactions de " respiration ") peuvent avoir lieu.

Par opposition à cette notion d'assimilation, lorsque le composé minéral oxydé n'est pas utilisé comme source de matière (azote ou soufre suivant le cas), on parle de voie dissimilatrice pour qualifier la " respiration " du dit composé (l'accepteur final d'électron est un déchet que la bactérie n'assimile pas ; elle le rejette dans le milieu extérieur)

La respiration anaérobie des nitrates

La disparition des nitrates par voie dissimilatrice (ou respiration anaérobie nitrate) correspond à la définition de la dénitrification dans son sens le plus restreint. Les bactéries dénitrifiantes appartiennent à de nombreux genres : Pseudomonas, Alcaligenes, Thiobacillus, Bacillus, Xanthomonas, Paracoccus, . . .

Ce sont des espèces bactériennes aérobies qui peuvent opter en anaérobiose (relative) et en présence de nitrates dans le milieu pour une respiration anaérobie nitrate, après synthèse de deux protéines membranaires : la cytochrome b NO₃^- et la nitrate réductase A (ou NRA). La chaîne respiratoire pouvant alors utiliser le nitrate comme accepteur final d'électrons.

Les métabolismes énergétiques de type fermentatif

Les électrons (et protons) initialement prient en charge par des coenzymes nicotiniques (ex. NAD⁺) et flaviniques (ex. FAD) lors de l'oxydation du glucose, vont être transférés, au cours de réactions cytoplasmiques, sur une molécule organique oxydée endogène. Le produit réduit formé (au cours de cette ré-oxydation des coenzymes réduits) possède le même degré d'oxydation que le substrat énergétique initialement oxydé et est un déchet pour la cellule bactérienne. Il s'accumule dans le milieu.

La production d'ATP se fait par couplage entre deux réactions biochimiques. L'énergie libérée au cours d'une première réaction d'oxydation est provisoirement conservée dans une liaison à haut potentiel d'hydrolyse faisant intervenir un groupement phosphate. Une deuxième réaction de transfert du dit groupement phosphate sur une molécule d'ADP permet la production d'ATP : c'est la phosphorylation au niveau du substrat.

Les voies fermentatives à partir du pyruvate

Il est courant en bactériologie de qualifier une bactérie d'homofermentaire lorsqu'elle effectue principalement un seul type de fermentation ; elle est qualifiée d'hétérofermentaire dans le cas contraire. Du point de vue de l'identification bactérienne la recherche de certains produits de fermentation peu être un critère important.

Fermentation acides mixtes

C'est une fermentation qui conduit à la production d'ethanol et de différents acides : acide lactique (CH₃-CHOH-COOH), acide méthanoïque (HCOOH), acide acétique (CH₃-COOH), acide succinique (HOOC-CH₂-CH₂-COOH) (d'où son nom !). Cette fermentation est essentiellement réalisée par les entérobactéries. Les proportions respectives des différents produits varient énormément suivant l'espèce et les conditions de culture.

En milieu peu tamponné (Clark et Lubs) les acides produits peuvent, en 48 heures à 37°C, abaisser le pH en dessous de 4,5. A ce pH le rouge de méthyle (dont la zone de virage est comprise entre 4,5 et 6) est rouge, et la souche testée est dite RM + (ex.: Escherichia coli, Salmonella, Yersinia, . . . ).

L'acide méthanoïque (ou formique) peut sous l'action d'une enzyme (formique hydrogène lyase) présente chez certaines entérobactéries (E. coli, Proteus, certaines Salmonella, . . .) conduire à la libération de gaz (H₂ et CO₂). On a alors une " production de gaz en glucose ".

HCOOH ——> H₂ + CO₂

Fermentation butanediolique

Le pyruvate est transformé en acétoïne qui est ensuite réduite en 2,3-butanediol en présence de NADH+H⁺. Cette fermentation est présente chez Enterobacter, Serratia et Erwinia chez les entérobactéries.

Le test de Vosges et Proskauer ou VP (alpha-naphtol et KOH) permet de mettre en évidence un intermédiaire de cette voie : l'acétoïne (CH₃-CHOH-CO-CH₃).

Fermentation homolactique

Lors de la transformation du lait en yaourt ou en fromage frais, c'est la principale fermentation. Elle produit essentiellement de l'acide lactique. Elle est réalisée par des Streptocoques et de nombreux Lactobacillus.

Les milieux de cultures spécifiques aux Streptocoques contiennent des substances tampons limitant l'acidification due à l'accumulation de l'acide lactique ; ces bactéries sont en effet sensibles aux pH acides (ex. Todd-Hewitt).

Fermentations des bactéries anaérobies strictes

La fermentation butyrique de Clostridium butirycum, C. perfringens, . . . est la fermentation type des boîtes de conserves avariées. Elle se caractérise par une odeur nauséabonde due au butyrate.

Glucose ——> 2 Acétate + 3 Butyrate + 8 CO₂ + H₂

Les autres fermentations propioniques et acétonobutylique sont anecdotiques en bactériologie médicale.

Les voies fermentatives passant par le 6-phosphogluconate

Fermentation hétérolactique

Certaines entérobactéries, des Leuconostoc et quelques Lactobacillus (sur pentoses) peuvent effectuer cette voie qui conduit à la formation de l'acide lactique, d'éthanol, d'acétate et de CO₂.

Fermentation alcoolique par la voie d'Entner - Doudoroff

Découverte initialement chez les Pseudomonas, on la retrouve chez certains Streptococcus, Azotobacter, . . . Le 6-phosphogluconate après transformation est clivé en pyruvate et 3-phosphoglycérate. Le devenir de ces deux métabolites intermédiaires est variable suivant le micro-organisme (ex. chez Zymomonas mobilis tous deux donnent de l'éthanol).

La fermentation alcoolique " stricte " est rare chez les bactéries mais plus courante et plus étudiée chez d'autres micro-organismes comme les levures (Saccharomyces p.e.) dont les applications industrielles sont économiquement très importantes : vin, bière, pain, . . .

Le système de l'Arginine DiHydrolase (ou ADH)

L'action de ce complexe multi-enzymatique, dont le bilan peut s'écrire en laissant penser à une simple réaction d'hydrolyse, est en fait une succession de trois réactions enzymatiques englobant une séquence " classique " de phosphorylation au niveau du substrat.

Le bilan ..

Arginine + 2 H₂O ——> Ornithine + 2 NH₃ + CO₂

(ne laisse pas apparaître de production d'énergiepas d'énergie . . .? ! !)

Le détail . . .

Arginine + H₂O ——> NH₃ + Citrulline

Citrulline + Pi ——> Ornithine + Carbamylphosphate

Carbamylphosphate + ADP ——> NH₃ + CO₂ + ATP (OUF !)

La production d'indole

L'action de la tryptophanase que l'on peut qualifier de désamination du tryptophane en indole, pyruvate et ammoniac serait aussi une réaction productrice d'énergie ! Cette enzyme n'est présente que chez certaines bactéries.

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