Etude Structurale et Dynamique de Solutions de Sucre Confinées

1.4.2. Cas d'une déshydratation sévère :

Les dommages émanant d'un séchage à l'air ou d'une lyophilisation peuvent être attribuées à deux causes primaires: une modification de l'état physique des membranes lipidiques et à une dénaturation des protéines. Quand la déshydratation devient majeure, c'est-à-dire quand la quantité d'eau atteint des niveaux inférieurs à 0,3 g d'eau par gramme de matière sèche, parmi tous les solutés, seuls les sucres peuvent répondre par leurs groupements fonctionnels et par leurs structures aux impératifs liés à la préservation des édifices biologiques. Afin d'expliquer comment les membranes cellulaires peuvent résister à de telles contraintes et quelle peut être l'action des hydrates de carbone, différentes hypothèses ont été élaborées autour des propriétés singulières des sucres présents dans les liquides membranaires: (i) la substitution de l'eau d'hydratation⁵¹, et (ii) le phénomène de vitrification.¹¹

1.4.2. 1.Substitution de l'eau d'hydratation

Quand la quantité d'eau devient critique dans les cellules, c'est-à-dire quand l'eau qui constitue les sphères d'hydratation commence à être atteinte par le dessèchement, le phénomène d'exclusion préférentielle ne peut plus avoir lieu. Tous les équilibres physiologiques sont brisés et de nombreux dommages irréversibles apparaissent sur les bicouches phospholipidiques⁵² comme par exemple la fusion des vésicules ou encore l'apparition de «fuites» dans la membrane lors de sa réhydratation (Figure 8).^9,32 Les sucres, et plus particulièrement les disaccharides non-réducteurs comme le tréhalose, prendraient la place laissée libre par les molécules d'eau lors de leur dissipation. Crowe et al. ont fait l'hypothèse d'une substitution de l'eau d'hydratation⁵¹ par certains mono- ou oligosaccharides après avoir observé que les sucres interagissaient avec les têtes polaires des lipides constituant la membrane.^{53,54,55,56,57} Lorsque les dernières molécules d'eau quittent les têtes polaires, la température de transition cristal liquide / gel (T_m) des membranes augmente d'une manière significative, de l'ordre de 70°C. Cette augmentation est liée en partie à la réduction importante de l'espace entre les groupements polaires ainsi qu'à une densification des chaînes acyles des lipides.

(a) (b) (c)

Figure 8: Représentation schématique d'une membrane biologique en phase lamellaire (a). A cause du séchage, la phase cristal liquide lamellaire se transforme en phase gel (b) puis après réhydratation, la phase lamellaire présente des défauts qui génèrent des fuites.

Cette augmentation de T_m peut être empêchée par l'ajout de sucres⁵, qui par l'intermédiaire de leurs groupements hydroxyles vont interagir, via la formation de liaisons hydrogène, avec les têtes polaires des molécules biologiques. Ces liaisons permettent de conserver l'intégrité de la membrane en maintenant intact l'espace intermembranaire et l'écartement entre les groupements polaires.³² Certains sucres comme le tréhalose ou le sucrose se sont révélés être de très bons lyoprotecteurs, le premier ayant un meilleur pouvoir bioprotecteur. Le tréhalose est en effet le seul disaccharide à ne pas présenter de liaisons hydrogène intramoléculaires lui permettant ainsi de se lier à un nombre plus important de molécules d'eau que ces congénères.^40,58 De plus, des simulations numériques ont démontré que le tréhalose était suffisamment flexible pour pouvoir étendre ou contracter ses cycles glucose pour s'ajuster à l'espace intermembranaire existant entre les têtes polaires des lipides.⁵⁹