Etude Structurale et Dynamique de Solutions de Sucre Confinées

1.4. LE ROLE DES SUCRES DANS LES PHENOMENES BIOPROTECTEURS

Les membranes constitutives des cellules sont des édifices biologiques extrêmement sensibles aux variations de composition de leurs liquides cellulaires et notamment à la présence de solutés compatibles. Si ces liquides étaient composés exclusivement d'eau, les couches phospholipidiques risqueraient de fusionner lors de très fortes déshydratations ou pourraient être soumises à de très fortes pressions internes liées à la cristallisation de l'eau. Les dommages engendrés par de tels stress sont irréversibles voire fatals pour la cellule. La présence de certains solutés dans ces solutions permet de stabiliser les membranes en gardant intact l'espace intermembranaire, mais également en évitant la formation de glace intracellulaire. Le rôle de certains sucres comme le tréhalose ou le glucose dans la conservation des structures biologiques chez les organismes anhydrobiotiques est maintenant reconnu de manière unanime. En revanche, les mécanismes moléculaires à l'origine de ces phénomènes de bioprotection sont encore débattus et différentes théories ont été évoquées selon le niveau de déshydratation cellulaire considéré : l'effet déstructurant^{24,27,28,29,30,31} et l'exclusion préférentielle^4,50

pour des pertes en eau modérées ; la substitution de l'eau d'hydratation⁵¹ et la vitrification¹¹ dans le cas de très importantes pertes en eau.

1.4.1. Cas d'une déshydratation modérée :

1.4.1.1. L'effet déstructurant

Les hydrates de carbone ont une architecture chimique très spécifique qui mêle étroitement des groupements polaires et apolaires, des liaisons hydrogène inter- et intramoléculaire, et de très nombreux groupements hydroxyles, qui leur confèrent un fort caractère hydrophile. Les sucres présentent donc naturellement une grande affinité avec l'eau comme en témoigne leur très grande solubilité. Les perturbations générées par la présence des sucres, même en très faible quantité, résultent: (i) de contraintes stériques imposées par les sucres²⁵, et (ii) de leur aptitude à former des liaisons hydrogène plus nombreuses et plus stables avec l'eau, que les molécules d'eau entre-elles.²⁶ Des études de mélanges binaire eau-sucre ont mis en évidence l'effet déstructurant que peuvent avoir les hydrates de carbone sur l'arrangement tétraédrique de ^{l'eau.24,27,28,29,30,31} Autrement dit, la présence

des sucres dans l'eau génère de nombreuses cassures dans le réseau de liaisons hydrogène de l'eau, et l'arrangement tétraédrique du solvant va ainsi perdre de sa coopérativité. Il est bien évident que cette tendance va s'accentuer avec l'augmentation en concentration du soluté. (Figure 6) Simultanément, le nombre de liaisons hydogène va augmenter avec la teneur en sucre par l'intermédiaire de leurs groupements hydroxyles.

Figure 6: Schéma descriptif de l'effet d'un soluté compatible (ici, le D-glucose) sur la structure de l'eau. (a) Cas de l'eau «pure ». Les molécules d'eau forment de très nombreuses liaisons hydrogène entre-elles et s'organisent en réseau tétraédrique. Les schémas (b), (c) et (d) présentent l'évolution de la structure de l'eau en fonction de la concentration en D-glucose. Le D-glucose forme de très nombreuses liaisons hydrogène avec les molécules d'eau, brisant ainsi la structure tétraédrique de l'eau. Plus le ratio sucre/eau est important, plus la taille des agrégats de molécules d'eau est réduite et plus le volume d'eau susceptible de pouvoir cristalliser diminue.

Si l'on regarde en détail, l'évolution des interactions en fonction de la concentration, on remarque que les interactions par formation de liaisons hydrogène entre molécules de solvant sont majoritaires en milieu fortement dilué. Avec l'accroissement du nombre de molécules de soluté dans le mélange, s'ensuit un état intermédiaire qui mêle à la fois des interactions eau-eau et sucre-eau. Enfin, lorsque la proportion en sucre est nettement majoritaire, on peut observer un net appauvrissement du nombre de liaisons hydrogène entre molécules d'eau au profit de nouvelles et très nombreuses liaisons hydrogène inter-sucres et eau-sucre. Pour des concentrations C_s supérieures à

60% en masse (seuil de percolation), un phénomène d'encapsulation des agrégats d'eau dans une matrice d'hydrates de carbone est observé lié à la présence écrasante des molécules de sucre dans le mélange (Figure 6). Donc, pour des solutions concentrées, le volume des agrégats d'eau n'est plus suffisant pour permettre la formation de centres de nucléation.^32,* Une étude récente, qui démontre que le tréhalose est beaucoup plus efficace que le sucrose pour réduire la vitesse de cristallisation³³, vient corroborer cette hypothèse. La déstructuration du réseau tétraédrique de l'eau par les molécules de soluté conduit donc à la réduction de la quantité d'eau susceptible de pouvoir cristalliser (Figure 6). Mais tous les sucres ne présentent pas la même efficacité et certains comme le glucose, le tréhalose, le sucrose ou le mannose se voient être d'excellents briseurs de structure.^{34,35,36,37,38,39,40}

Comme nous venons de le voir, les molécules de sucre ont donc plutôt tendance à déstructurer le réseau tétraédrique de l'eau. Mais ceci est une vue simplifiée des choses, et si d'un côté les sucres «déstructurent» l'eau, dans le même temps, ils peuvent la stabiliser ou la déstabiliser suivant le bilan final de liaisons hydrogène, et suivant le sucre utilisé. Des simulations de dynamique moléculaire^49,41 réalisées sur des solutions de D-glucose, D-mannose, D-fructose et sucrose ont pu montré l'évolution des interactions agissant au sein même du mélange selon la concentration en sucre (C_s).

(1) Cas dilué (C_s>> 20 molécules d'eau par molécule de sucre)

Les sucres, très largement minoritaires, s'insèrent dans la matrice d'eau. Des liaisons hydrogène se brisent inévitablement par effet stérique. Selon le positionnement des groupements hydroxyles du sucre considéré, celui-ci s'insèrera de manière plus ou moins aisée dans le réseau aqueux. Si la topologie du sucre est adaptée à l'environnement aqueux, sans trop le déstabiliser, alors les interactions soluté-solvant seront plus fortes, plus étendues et incluront un nombre croissant de sphères d'hydratation. Des résultats de simulations moléculaires ont ainsi montré la compatibilité du D-glucose avec l'arrangement tétraédrique de l'eau.^42,43,44,45 Le D-glucopyranose présente toutes les caractéristiques pour que sa sphère d'hydratation perturbe le moins possible son environnement. De ce fait, les sucres s'insèrent préférentiellement dans les agrégats d'eau, ce qui conduit à une solution « stable» présentant de fortes interactions. Des résultats comparables ont été trouvés pour d'autres hydrates de carbone comme les pentoses-D-xylopyranose et-D-arabinopyranose,^30,46 ou comme le disaccharidetréhalose.^47,48 Dans le cas contraire, c-à-d si la topologie des groupements hydroxyles ne s'ajuste pas avec son environnement, alors les agrégats de molécules d'eau doivent se réorganiser de manière plus importante afin de retrouver le bon écartement entre l'atome d'oxygène de l'eau et les -OH des sucres.

* La probabilité de nucléation est directement reliée au volume de l'échantillon, au sous-refroidissement et à la viscosité du liquide. Autrement dit le volume de l'échantillon doit être supérieur à un volume critique pour espérer observer la formation d'un centre de nucléation.³²

En résumé, l'insertion des molécules d'hydrate de carbone dépend de la topologie des sucres, par le nombre de groupements hydroxyle disponibles (plus important chez les disaccharides que chez les monosaccharides) et par l'orientation de ces groupements hydroxyle, qui permettront la formation de nouvelles liaisons. Ces deux derniers points expliquent en partie pourquoi des isomères n'ont pas le même effet sur la protection membranaire.

(2) Cas intermédiaire (C_s ~ 20 molécules d'eau par molécule de sucre)

Une étude par spectrométrie infrarouge²⁷ réalisée sur des solutions de D-glucose, D-fructose et sucrose a permis de mettre en évidence un changement dans les interactions aux alentours des 30% en masse. A l'apparition des premières interactions sucre-sucre (~ 30%), les molécules de soluté ne peuvent plus s'insérer dans le réseau aqueux sans le déstabiliser. En d'autres termes, les agrégats de sucres étant plus gros et plus rigides que ces mêmes molécules seules, leur insertion dans l'environnement hydrique ne peut plus se faire sans perturbation. Par conséquent, des ruptures majeures dans la structuration en liaisons hydrogène du réseau commencent à apparaître, ce qui conduit à la multiplication des petits agrégats d'eau, agrégats qui font diminuer la coopérativité et la stabilité de l'ensemble.²⁷

(3) Cas relativement concentré (C_s < 20 molécules d'eau par molécule de sucre)

Pour des concentrations relativement élevées, au-delà de 30% en masse, les interactions sucre-sucre deviennent importantes, et deux sous-réseaux imbriqués l'un dans l'autre coexistent: un premier formé par les molécules de solvant et un deuxième formé par les molécules de sucre. Avec l'augmentation en concentration, la structure aqueuse devient chaotique, c'est-à-dire que l'on ne trouve plus de grands domaines d'eau sans défauts et de nombreux agrégats isolés sont désormais répertoriés. La cristallisation de la solution devient donc impossible.⁴⁹