Toute bactérie possède un cytoplasme, un nucléoïde, une membrane cytoplasmique et, sauf exception, une paroi. Ce chapitre décrit ces structures obligatoires, les formes et groupements bactériens, puis détaille la paroi — l'élément qui donne sa forme à la bactérie, la protège de l'éclatement osmotique et explique le comportement à la coloration de Gram. C'est le chapitre le plus interrogé du module.
1. Les structures obligatoires
Le cytoplasme est un hyaloplasme dense où baignent des milliers de ribosomes 70S (sous-unités 50S et 30S), des enzymes et parfois des inclusions de réserve (granules de glycogène, de poly-β-hydroxybutyrate, de polyphosphates ou de soufre). Le nucléoïde (appareil nucléaire) est un chromosome unique, circulaire, d'ADN bicaténaire surenroulé, non limité par une membrane. La membrane cytoplasmique est une bicouche phospholipidique à protéines, sans cholestérol (sauf mycoplasmes) : elle assure la perméabilité sélective, porte la chaîne respiratoire et l'ATP synthase (rôle des mitochondries chez les eucaryotes) et participe à la synthèse de la paroi. Des invaginations membranaires, les mésosomes, sont classiquement décrites au niveau du septum de division.
2. Formes et modes de groupement
On distingue trois formes principales : les coques (cocci) sphériques, les bacilles cylindriques et les formes spiralées (spirilles, spirochètes). Certains bacilles sont incurvés en virgule : Vibrio cholerae. Le mode de division détermine le groupement, précieux pour l'orientation de l'identification : chez les coques, diplocoques (par paires, pneumocoque), streptocoques (en chaînettes), staphylocoques (en amas ressemblant à des grappes de raisin) et tétrades ou sarcines ; chez les bacilles, diplobacilles ou streptobacilles.
3. La coloration de Gram
En 1884, le médecin danois Christian Gram met au point la coloration différentielle qui porte son nom. Sur un frottis fixé, on applique successivement : le violet de gentiane (ou cristal violet), le lugol (solution iodo-iodurée, mordant qui fixe le colorant), puis un lavage à l'alcool ou à l'alcool-acétone, enfin une contre-coloration à la fuchsine ou à la safranine. Les bactéries qui retiennent le violet sont dites Gram positif (violettes) ; celles que l'alcool décolore prennent la contre-coloration et apparaissent Gram négatif (roses-rouges).
Des expériences simples ont montré que cette différence tient à la paroi. Un Gram+ traité au lysozyme, enzyme qui hydrolyse le peptidoglycane, devient un protoplaste dépourvu de paroi qui n'éclate que si le milieu n'est pas rendu hypertonique (ajout de saccharose) ; ce protoplaste reste coloré en violet, ce qui prouve que le colorant est fixé dans le cytoplasme, mais il se décolore à l'alcool : c'est donc la paroi Gram+ qui retient le complexe violet-iode. Un Gram− traité de la même façon garde une partie de sa paroi et forme un sphéroplaste. La paroi Gram−, riche en lipides, est perméable à l'alcool, qui entraîne le colorant.
4. Le peptidoglycane, squelette de la paroi
Le constituant commun à toutes les parois bactériennes est la muréine ou peptidoglycane (mucopeptide). C'est un hétéropolymère formé de trois éléments : des chaînes glycaniques où alternent la N-acétylglucosamine (NAG) et l'acide N-acétylmuramique (NAM) reliés par des liaisons β-1,4 (cibles du lysozyme) ; des tétrapeptides fixés sur le NAM, contenant des acides aminés rares de série D et l'acide diaminopimélique ; et des ponts interpeptidiques (pentaglycine chez Staphylococcus aureus) qui relient les chaînes entre elles. La formation de ces ponts par les transpeptidases (PLP, protéines liant la pénicilline) est inhibée par les β-lactamines, ce qui explique leur action sur les bactéries en croissance.
La paroi représente environ 30 % du poids sec de la bactérie. Elle lui confère sa forme (un bacille sans paroi devient sphérique), la protège de la pression osmotique interne très élevée, sert de squelette externe, porte des antigènes de surface (antigène O des Salmonella) et des récepteurs de bactériophages.
5. Paroi Gram positif et paroi Gram négatif
La paroi Gram+ est épaisse (20 à 80 nm) et homogène : jusqu'à 90 % de peptidoglycane en couches multiples, auquel sont associés des acides téichoïques (polymères de glycérol- ou ribitol-phosphate) et des acides lipotéichoïques ancrés dans la membrane. La paroi Gram− est mince (10 à 15 nm) et stratifiée : une ou deux couches de peptidoglycane dans l'espace périplasmique, surmontées d'une membrane externe asymétrique dont le feuillet externe est constitué de lipopolysaccharide (LPS). Le LPS comprend le lipide A (endotoxine, responsable du choc septique), le core oligosaccharidique et la chaîne O antigénique. Des porines traversent la membrane externe et laissent passer les petites molécules hydrophiles ; cette barrière explique la résistance naturelle des Gram− à de nombreux antibiotiques et au lysozyme. Les mycobactéries, à paroi riche en acides mycoliques, ne se colorent pas au Gram et sont révélées par la coloration de Ziehl-Neelsen (bacilles acido-alcoolo-résistants).
| Caractère | Gram positif | Gram négatif |
|---|---|---|
| Épaisseur | 20 à 80 nm | 10 à 15 nm |
| Peptidoglycane | Épais, multicouche (jusqu'à 90 %) | Mince, 1 à 2 couches |
| Acides téichoïques | Présents | Absents |
| Membrane externe / LPS | Absente | Présente (endotoxine) |
| Lipides | 1 à 2,5 % | 10 à 22 % |
| Lysozyme, pénicilline G | Sensibles | Peu sensibles |
Comparaison des parois Gram positif et Gram négatif
Polymère spécifique des bactéries formé de chaînes NAG-NAM reliées par des tétrapeptides et des ponts interpeptidiques ; il forme un réseau rigide qui entoure toute la cellule.
Formes obtenues par action du lysozyme : le protoplaste (Gram+) a totalement perdu sa paroi, le sphéroplaste (Gram−) conserve sa membrane externe. Tous deux n'existent qu'en milieu hypertonique.
- Structures obligatoires : cytoplasme à ribosomes 70S, nucléoïde, membrane cytoplasmique (siège de la respiration), paroi (sauf mycoplasmes).
- Formes : coques, bacilles, spiralées ; groupements : diplo-, strepto-, staphylo-, tétrades.
- Gram : violet de gentiane → lugol → alcool → fuchsine ; Gram+ violet, Gram− rose.
- Peptidoglycane = NAG + NAM + tétrapeptide + ponts ; cible du lysozyme et des β-lactamines.
- Gram+ : paroi épaisse, acides téichoïques ; Gram− : paroi mince, membrane externe à LPS (endotoxine), porines.
Les sujets de FSR, FSSM ou FSDM demandent presque chaque année soit les étapes de la coloration de Gram avec leur justification, soit un schéma légendé comparé des deux parois. Retiens l'ordre exact des réactifs et le rôle du lugol comme mordant. Piège : le lipide A (endotoxine) appartient au LPS de la membrane externe, donc uniquement aux Gram− ; et les mycoplasmes, sans paroi, ne sont ni Gram+ ni Gram−.