Le métabolisme microbien fait référence aux divers processus biochimiques que les micro-organismes utilisent pour obtenir de l’énergie, synthétiser des composants cellulaires et maintenir leur viabilité. Les bactéries et les archées présentent une diversité métabolique extraordinaire, dépassant de loin celle des plantes et des animaux.
Sources d’énergie et classification
Les micro-organismes sont classés selon leurs sources d’énergie et de carbone. Les phototrophes, telles que les cyanobactéries et les bactéries soufrées violettes, utilisent l’énergie lumineuse pour effectuer la photosynthèse. Les chimiotrophes obtiennent de l’énergie à partir de composés chimiques : les chémolithotrophes oxydent les composés inorganiques (H2, H2S, NH3, Fe2+), tandis que les chimioorganotrophes oxydent les composés organiques (glucose, acides gras, acides aminés). Les autotrophes utilisent le CO2 comme source de carbone (par exemple, les cyanobactéries, les bactéries nitrifiantes), tandis que les hétérotrophes ont besoin de sources de carbone organique (par exemple, E. coli, Bacillus, la plupart des agents pathogènes).
Respiration aérobie
La glycolyse (voie Embden-Meyerhof-Parnas) convertit le glucose (6C) en deux molécules de pyruvate (3C), produisant 2 ATP et 2 NADH par glucose. Le cycle de l’acide citrique (cycle de Krebs, cycle TCA) oxyde l’acétyl-CoA en CO2, produisant du NADH, du FADH2 et du GTP. La chaîne de transport d’électrons (ETC), située dans la membrane cytoplasmique, oxyde le NADH et le FADH2 lorsque les électrons traversent les complexes I à IV, O2 servant d’accepteur final d’électrons ; L’ATP est généré via la phosphorylation oxydative via la force motrice des protons qui entraîne l’ATP synthase.
Métabolisme anaérobie
Dans la respiration anaérobie, d’autres accepteurs d’électrons sont utilisés, tels que le nitrate (NO3- → NO2- → N2), le sulfate (SO42- → H2S) ou le carbonate (CO2 → CH4), que l’on trouve couramment dans les bactéries dénitrifiantes, sulfato-réductrices et méthanogènes. La fermentation utilise des composés organiques à la fois comme donneurs et accepteurs d’électrons, sans ETC ni phosphorylation oxydative ; L’ATP est produit uniquement par phosphorylation au niveau du substrat. Les voies de fermentation courantes comprennent l’homolactique (Lactobacillus, Streptococcus → acide lactique), l’alcoolique (levure → éthanol + CO2), l’acide mixte (E. coli → acide lactique, acide acétique, éthanol, CO2, H2) et le butanediol (Enterobacter). Les produits finaux de fermentation sont utilisés industriellement pour produire du yaourt, du fromage, du pain, de la bière, du vin et des biocarburants.
Métabolisme de l’azote
La fixation de l’azote, la conversion de N2 en NH3 par le complexe enzymatique nitrogénase, est réalisée par Azotobacter, Rhizobium (symbiotique avec les légumineuses) et les cyanobactéries. La nitrification implique l’oxydation du NH3 en NO2- (Nitrosomonas) et du NO2- en NO3- (Nitrobacter). La dénitrification est la réduction du gaz NO3- en N2 dans des conditions anaérobies (Pseudomonas, Paracoccus). La réduction assimilatoire des nitrates convertit le NO3- en NH3 pour la biosynthèse des acides aminés et des nucléotides.
Régulation métabolique
La répression catabolique garantit que le glucose, en tant que source de carbone privilégiée, réprime les gènes permettant de métaboliser les sucres alternatifs (par exemple, l’opéron lac dans E. coli). L’inhibition par rétroaction empêche la surproduction, car les produits finaux des voies de biosynthèse inhibent la première enzyme de la voie. Les systèmes de régulation à deux composants (par exemple EnvZ/OmpR) détectent les changements environnementaux et ajustent l’expression des gènes en conséquence.
