Morphologie et Structure de la Bactérie

Anatomie et Morphologie bactérienne

Historique du développement microbiologique

L'étude des bactéries remonte à l'Antiquité avec la théorie des germes infectieux transmissibles. Antoni Van Leeuwenhoek (1677) fut le premier à observer les bactéries au microscope, qu'il appelait animalcules. Le terme bactérie a été utilisé pour la première fois en 1828 par Christian Gottfried Ehrenberg.

Les contributions majeures du XIXe et XXe siècles incluent :

• Louis Pasteur (1857-1876) : démontre le rôle des micro-organismes dans la fermentation et développe les techniques de pasteurisation et de stérilisation, permettant les cultures pures
• Robert Koch (1873-1882) : identifie le bacille de la tuberculose (Mycobacterium tuberculosis) et établit les critères de preuve pour les maladies bactériennes
• Hans Christian Gram (1884) : développe la technique de coloration toujours utilisée pour classifier les bactéries en deux groupes majeurs
• Paul Ehrlich (1912) : découvre le premier traitement chimiothérapeutique des infections bactériennes
• Alexander Fleming (1929) : découvre la pénicilline, marquant le début de l'ère des antibiotiques
• Kary Mullis (1986) : invente la PCR, devenant l'outil de base de la biologie moléculaire
• Craig Venter (1995) : séquence le premier génome bactérien complet, inaugurant l'ère de la génomique

Définition et dimensions bactériennes

Une bactérie est un être unicellulaire de petite taille (microorganisme, micron) de morphologie différente présentant des caractéristiques propres de procaryote.

Tailles caractéristiques :

• Diamètre : 0,5 à 1 µm
• Longueur : 2 à 5 µm
• Exemples : Escherichia coli (1 × 2 à 3 µm), Treponema pallidum (0,1 à 0,2 × 5 à 20 µm), spirochètes (0,2 à 0,7 × 5 à 500 µm)
• Certaines spirilles peuvent atteindre la taille d'une algue, tandis que d'autres sont analogues ou plus petites qu'un gros virus

Formes et arrangements bactériens

Coques (Cocci) : Bactéries sphériques, réniformes ou ovoïdes de 0,8-1,2 µm de diamètre. Après division cellulaire, les cellules-filles peuvent se séparer ou rester accolées, formant :

• Diplocoques (paires)
• Streptocoques (chaînes)
• Staphylocoques (grappes)
• Tétrades (groupes de quatre)
• Sarcines (agrégats cubiques)

Bacilles : Bactéries en forme de bâtonnet avec plusieurs variantes morphologiques :

• Coccobacilles
• Corynéformes
• Vrais bacilles
• Filamenteux
• Fusiformes
• Ramifiés

Arrangements possibles : isolés, diplobacilles, streptobacilles.

Bactéries incurvées : Vibrions et spirilles.

Éléments obligatoires de la cellule bactérienne

Paroi bactérienne : Véritable exosquelette qui confère la forme et résiste à la pression osmotique interne (5 à 20 atmosphères). Elle est formée de peptidoglycane (aussi appelé mucopeptide, muréine ou mucocomplexe).

La paroi compose une structure composée de :

• Chaîne polysaccharidique alternant N-acétyl-glucosamine (AcGN) et acide N-acétyl-muramique (AcMUR)
• Tétrapeptides branchés sur les acides muramiques, reliés directement ou par des ponts de pentaglycine

Différenciation Gram+ / Gram- :

Caractéristique	Gram+	Gram-
Peptidoglycane	Épais (80% de la paroi)	Mince (10% de la paroi)
Acides aminés	24 à 35%	50%
Acides téichoïques	Présents (+++)	Absents
Acide diaminopimélique	Exclut la lysine	N'exclut pas la lysine
Lipides	1 à 2,5%	10 à 22%
Oses	20-60%	20-60%
Coloration Gram	Violette	Rose

Antigénicité de la paroi :

• Chez les Gram+ : acides téichoïques et polyosides
• Chez les Gram- : antigène O somatique (LPS, lipopolysaccharide = endotoxine) et antigènes lipoprotéiques
• Sites de fixation des bactériophages : acides téichoïques chez les Gram+

Membrane cytoplasmique : Membrane trilamellaire formée de phospholipides avec pôles hydrophobes face à face, entourant des protéines. Dépourvue de cholestérol (sauf chez les mycoplasmes).

Rôle métabolique majeur : Les perméases assurent les échanges ; les protéines incluent des enzymes respiratoires et des ATPase. La membrane héberge les activités associées aux mitochondries dans les cellules eucaryotes et sert de point d'ancrage des flagelles.

Cytoplasme : Hydrogel colloïdal comprenant environ 80% d'eau, avec pH compris entre 7 et 7,2. Il contient :

• Ribosomes (environ 15 000 par bactérie, représentant 40% du poids sec et 90% de l'ARN total)
• Acides ribonucléiques
• Substances de réserve
• Quelques organites spécialisés

Ribosomes : Coefficient de sédimentation 70S composé de deux sous-unités :

• 30S : ARN 16S + 21 protéines S
• 50S : ARN 23S + ARN 5S + 34 protéines L

Appareil nucléaire : Noyau formé d'ADN dépourvu de mitose, nucléole et membrane nucléaire. Caractéristiques :

• Un seul chromosome (cellule haploïde)
• ADN de grande taille (plus d'un millimètre déplié)
• Relié aux invaginations de la membrane plasmique appelées mésosomes
• Réplication liée à la polymérase de la membrane plasmique

Mésosomes : Invaginations de la membrane plasmique (lamellaires ou globulaires). Plus abondants chez les Gram+ (1 ou plusieurs de grande taille) que chez les Gram- (petits et rares). Rôles : respiration, division cellulaire, réplication de l'ADN.

Éléments facultatifs de la cellule bactérienne

Flagelles : Fins filaments ondulés insérés au corps bactérien servant d'organes de locomotion. Caractéristiques :

• Structure protéinique
• Présents surtout chez les bacilles, rarement chez les cocci
• Nombre : 1 à 3 selon l'espèce, variable selon les conditions de culture
• Facilement cassés par agitation mécanique mais mobilité rapidement restaurée

Dispositions flagellaires :

• Monotriches : Un seul flagelle polaire (ex. Pseudomonas)
• Amphitriche : Un flagelle à chaque pôle (ex. Spirillium)
• Lophotriche : Touffe de flagelles polaires (ex. Pseudomonas fluorescens)
• Péritriche : Flagelles répartis sur toute la surface (ex. entérobactéries, E. coli)

Fonctions flagellaires :

• Mobilité : Locomotion bactérienne
• Chimiotactisme : Récepteurs chimiques détectent signaux ; flagelles changent direction vers zones de forte concentration (swarming)
• Propriétés antigéniques : Support de l'antigénicité H ; variation de phase chez Salmonella (alternance entre deux types d'antigènes flagellaires)

Pili ou Fimbriae : Appendices de surface plus courts et fins que les flagelles. Caractéristiques :

• Structures protéiques filamenteuses de 2 à 3 µm
• Polymérisation de piline avec polypeptides mineurs incluant l'adhésine
• Typiques des Gram- (exceptionnellement Gram+)

Types de pili :

• Pili communs : Propriétés hémagglutinantes ; adhésion à matériel étranger (cathéters, prothèses) ex. E. coli
• Pili sexuels (Pili F) : Plus longs et moins nombreux (1 à 4) que pili communs ; codés par plasmides ; essentiels lors de la conjugaison ; récepteurs de bactériophages spécifiques

Plasmides : Molécules d'ADN double brin circulaires extrachromosomiques. Caractéristiques :

• Réplication autonome et transmission stable générationnelle
• Transfert autonome par conjugaison ou transduction
• Confèrent adaptabilité : résistance aux antibiotiques, virulence, autres traits
• Généralement non indispensables à la survie bactérienne

Coloration des bactéries

Coloration de Gram : Technique permettant de différencier les bactéries :

1. Préparation du frottis et fixation
2. Coloration au violet de Gentiane ou cristal violet (1 min)
3. Ajout du mordant (Lugol)
4. Lavage à l'alcool
5. Coloration avec Fushine ou safranine (1 min)
6. Lavage, séchage et observation à immersion

Résultats : Gram+ violettes ; Gram- roses. Le peptidoglycane épais retient le colorant chez les Gram+.

Coloration de Ziehl-Nelsen : Pour bactéries acido-alcoolo-résistantes :

1. Coloration à la Fushine de Ziehl à chaud (10 min, 3 passages)
2. Décoloration à HCl 1% (5 min)
3. Alcool 95° (1 min)
4. Recoloration au Bleu Méthylène (2 min)

Résultats : Bactéries acido-alcoolo-résistantes rose ; autres bactéries bleu.

Capsule bactérienne

Caractéristiques : Substance muqueuse superficielle de nature polysaccharidique ou polypeptidique. Formation limitée aux milieux liquides sériques ou organismes vivants. Difficile à observer au microscope optique.

Détection : Coloration à l'encre de Chine, anticorps fluorescents, ou microscopie électronique.

Types :

• Capsule stricte : Structure organisée formant halo clair
• Couches mucoïdes (slime layers) : Substance diffuse et non organisée avec constituants partiellement libérés

Rôles :

• Protection contre la phagocytose et facteurs bactéricides
• Antigénicité utilisée dans la classification des bactéries capsulées
• Contribution à l'adhésion

Spores bactériennes

Définition et caractéristiques : Formes dormantes sans métabolisme se transformant en formes végétatives lorsque conditions favorables.

• Contiennent matières nucléaires complètes et système enzymatique complet
• Extrêmement résistantes à la chaleur, dessiccation et antiseptiques
• Totalement résistantes aux antibiotiques
• Stérilisation à l'autoclave seule méthode efficace
• Critère de taxonomie bactérienne
• Sporulation déclenchée en fin de phase exponentielle

Bactéries sporulantes : Bacillus anthracis, Clostridium (contiennent endospores).

Structure sporale :

• Cytoplasme avec ribosomes et appareil nucléaire
• Paroi sporale
• Cortex
• Tuniques sporales (interne et externe)
• Exosporium

Classification sporale : Selon position et épaisseur relative à la forme végétative (déformante ou non).

Rôles de la sporulation :

• Survie en milieu hostile
• Dissémination de maladies : tétanos (Clostridium tetani), botulisme (Clostridium botulinum)
• Identification bactérienne basée sur résistance aux conditions hostiles

Inclusions cytoplasmiques

Structures de réserve ou métaboliques présentes dans le cytoplasme :

• Glycogène : Cyanobactéries, entérobactéries, Clostridium
• Acide poly-bétahydroxybutyrique (PBH) : Vibrio cholerae
• Polyphosphates (volutine) : Coloration rouge pourpre avec certains colorants (toluidine) ; bactéries pathogènes comme Corynebacterium diphtheriae
• Inclusions de soufre et fer : Thiobacillus, Thiobactéries (ex. Beggiatoa) ; sidérobactéries avec gaines incrustées d'hydroxyde de fer

Antibiotiques et structures bactériennes

Plusieurs antibiotiques ciblent spécifiquement les structures bactériennes :

• Inhibiteurs pariétaux : Bacitracine, Pénicillines inhibent la synthèse du peptidoglycane
• Inhibiteurs ribosomiques : Streptomycine (liaison sous-unité 30S, inhibition synthèse protéique) ; Érythromycine (liaison sous-unité 50S)
• Inhibiteurs membranaires : Polypeptides et antiseptiques détruisent la membrane cytoplasmique

Les antibiotiques n'affectent pas les ribosomes humains (différence d'architecture 70S vs 80S).

Bactéries sans paroi

Mycoplasmes : Bactéries normalement présentes dans la flore des muqueuses humaines dépourvues de paroi.

Formes L : Bactéries avec paroi anormale ou absentée :

• Polymorphes à Gram négatif
• Résultent de l'altération ou absence du peptidoglycane
• Perdent rigidité ; risquent la lyse osmotique en milieu hypoosmotique
• Survivent en milieu hypertonique
• Générées par action de β-lactamines (antibiotiques)
• Classification : formes L et protoplastes