ULg Physiol Animale


CHAPITRE 10
Environnement thermique


2. Ectothermie : tolérance et résistance

2.1. Tolérance

2.1.1. Q10 , performances
2.1.2. Acclimatement - thermocompensation
2.1.3. Mécanismes de tolérance et de thermocompensation

a. activité et propriétés d'enzymes

1. Propriétés structurelles
2. Formation de thermo-isozymes

b. fluidité membranaire, trafic cellulaire

2.1.4. Antigels
2.1.5. Causes des "chocs thermiques"

2.2. Résistance aux températures extrêmes

2.2.1. Résistance aux températures élevées
2.2.2. Résistance aux températures basses
2.2.3. Espèces non tolérantes à la congélation

a. les composés antigels
b. déshydratation

2.2.4. Espèces tolérantes à la congélation

a. les protéines de nucléation
b. les composés cryoprotecteurs
c. autres mécanismes

2.2.5. Métabolisme à très basses températures
2.2.6. Congélation du compartiment intracellulaire

Chez les ectothermes, comme nous l'avons signalé, la production de chaleur métabolique est faible et les moyens de contrôle des pertes tégumentaires inexistants ou très peu efficaces. Ces animaux vont donc devoir subir les températures extérieures qu'ils vont soit tolérer ou auxquelles ils vont résister essentiellement de manière passive lorsqu'elles deviennent intolérables.

2.1. Tolérance

2.1.1. Q10 , performances
La température du milieu intérieur va influer largement sur l'activité métabolique tissulaire, comme c'est le cas sur tout système de réactions chimiques comme l'a démontré Arrhénius au tournant du 19ème siècle. En physiologie, on définit le plus souvent cet effet par un coefficient thermique, le Q10, qui représente l'augmentation de vitesse d'un processus pour une augmentation de 10 °C. Comme nous l'avons vu au chapitre 3, la consommation d'oxygène globale est un excellent indice de l'activité métabolique d'un organisme. De nombreuses études ont dès lors porté sur l'effet d'une élévation de température, maintenue dans les limites de la zone de tolérance de l'espèce, sur la consommation d'oxygène de différents ectothermes. Ces travaux, déjà anciens pour la plupart, montrent en général un Q10 variant entre 1, 5 et 3 et étant le plus souvent voisin de 2 (figure 10-3).

Il n'est évidemment pas nécessaire d'effectuer des mesures pour des intervalles stricts de 10 °C. Pour des activités Act1 et Act2 mesurées à deux températures quelconques t1 et t2, le Q10 est en effet donné par la relation

Il est toutefois intéressant de mesurer le Q10 à différents intervalles de températures, celui-ci étant souvent variable en fonction de la zone de température envisagée (figure 10-3).

 
Figure 12-3
 
 
Figure 10-3: La consommation d'oxygène du doryphore L. decemlineata à différentes températures. Les valeurs entre parenthèses donnent les Q10 calculés pour les écarts de température présentés en abscisse. D'après Marzusch (Z. Vergl. Physiol. 34, 75, 1952), modifié.
 

2.1.2. Acclimatement - thermocompensation
Les études concernant le Q10 ont par ailleurs montré de notables différences en fonction d'un pré-acclimatement des animaux à différentes températures. Un exemple de ce type d'effet est illustré dans la figure 10-4A. On remarque que des tritons acclimatés à une température de 30 °C ont une consommation d'oxygène mesurée aux différentes températures expérimentales inférieures à celles de tritons acclimatés à 15 °C. Ceci signifie que les tritons acclimatés à basse température compensent par des adaptations métaboliques les effets inhibiteurs d'une baisse de température. La compensation s'effectue ici sans modification importante du Q10. Dès lors, l'acclimatement à haute température induit une diminution de consommation d'oxygène énergétiquement peu favorable.

Ce n'est pas toujours le cas comme le montre la figure 10-4B pour des grenouilles acclimatées à 5 et à 25 °C. Ici, l'effet thermique négatif d'une mise à 10 °C est partiellement compensé par acclimatement à basse température alors que l'effet positif d'une augmentation à 30 °C ne l'est pas dans l'acclimatement à 25 °C.

Figure 12-4

Figure 10-4: Thermocompensation suite à acclimatement A: chez le triton Triturus viridescens, B: chez la grenouille Rana pipiens. D'après Rieck et al. (Proc. Soc. Exp. Biol. Med., 103, 437, 1960), modifié.

Ces phénomènes de thermocompensation vont avoir pour effet d'améliorer les performances des ectothermes, notamment aux limites de leur zone de tolérance. L'acclimatement va donc avoir pour résultat dans ce cadre d'étendre ces limites en modifiant les températures léthales hautes et basses. Ces effets sont habituellement représentés dans des diagrammes de tolérance thermique tel que celui de la figure 10-5. Dans la nature, ils sont souvent saisonniers, ayant pour effet de modifier les températures léthales (hautes et basses dans la plupart des cas) de différentes espèces en fonction de l'époque de l'année (figure 10-6). Dans la plupart des cas, ces effets induisent également des modifications du preferendum thermique; celui-ci étant généralement plus élevé en été qu'en hiver (ou à température d'acclimatement élevée que basse - figure 10-5). Comme nous l'avons par ailleurs déjà noté au chapitre 3, ces effets induisent évidemment des modifications du profil métabolique de différents pœcilothermes en fonction de la température d'acclimatement (figure 10-7).

 
Figure 12-5
 
 
Figure 10-5: Evolution des températures léthales hautes et basses chez le saumon en fonction de la température d'acclimatement préalable; températures léthales hautes; Températures léthales basses; preferendum thermique. D'après Brett (Am. Zool., 11, 99, 1971), modifié.
 

Figure 12-6

Figure 10-6: Variation de la température léthale haute d'Ictalurus nebulosus en fonction de la saison. Chaque mesure représente la température à laquelle 50 % des poissons exposés meurent après 12 heures. D'après Schmidt-Nielsen 1983, modifié.

 
Figure 12-7
 
 
Figure 10-7: Profil métabolique de deux pœcilothermes à différentes températures d'acclimatement. Données reprises de la figure 3-11.
 

Les thermocompensations sont en général loin d'être complètes et les performances restent souvent nettement moins élevées l'hiver ou chez des animaux adaptés au froid que l'été ou chez ceux adaptés à haute température. L'ensemble de leurs performances et leurs possibilités de survie s'en ressentent évidemment directement. Ainsi par exemple, les démarrages rapides qu'effectuent le dragonnet pour capturer une proie ou échapper à un prédateur restent-ils nettement plus efficaces à haute qu'à basse température (15 °C contre 5 °C) et ce malgré acclimatement. Dans ce cadre, le premier battement de queue propulsif dure 128 ms à 15 °C contre 249 à 5 °C et la vitesse spécifique de contraction des fibres musculaires impliquées dans ce battement est multipliée par 5 à 15 °C (Johnston et al., J. Exp. Biol. 198, 1851, 1995). De même chez le poisson rouge C. auratus, la vitesse de contraction est trois fois plus élevée à 35 °C chez un animal adapté à cette température qu'à 10 °C chez un animal adapté à 10 °C. Dans ce cas-ci cependant, ces différences ne se répercutent pas sur les performances globales. La vitesse maximum atteinte lors d'un démarrage est en effet du même ordre de grandeur chez les poissons acclimatés à 10 ou à 35 °C (figure 10-8). D'autres mécanismes vont donc intervenir pour améliorer les performances à basse température. Le recrutement de fibres musculaires plus rapides qui ne sont normalement pas impliquées dans les démarrages pourraient faire partie de ceux-ci.

 
Figure 12-8
 
 
Figure 10-8: Vitesse maximum atteinte au cours de démarrages rapides en C chez Carassius auratus acclimaté à 10 et à 35°C. D'après Johnson et Bennett (J. Exp. Biol., 198, 2165, 1995), modifié.
 

2.1.3. Mécanismes de tolérance et de thermocompensation
Envisageons maintenant quels sont les mécanismes impliqués dans les phénomènes de tolérance. Il faut noter d'emblée que l'on est, dans ce cadre, confronté à deux problèmes différents. L'un concerne la thermocompensation suite à acclimatement d'une espèce eurytherme à différentes températures. L'autre, la tolérance particulière observée chez des espèces évolutivement adaptées à des milieux extrêmes. La truite par exemple est un poisson eurytherme et doit s'acclimater, parfois rapidement, à des eaux aux températures allant en gros de 0 à 25 °C. Le poisson antarctique Trematomus borchgrevinki par contre est sténotherme. Il vit parfaitement bien et fait preuve d'une certaine activité à des températures de l'ordre de -1,5 °C. Son milieu est extrêmement stable et il n'y expérimente que peu de changements de température. Il les supporte d'ailleurs assez mal et meurt rapidement en "choc thermique" à des températures n'excédant pas 6 à 7 °C.

Ces deux exemples soulèvent une série de questions, notamment : 1) Comment un poisson eurytherme comme la truite peut-il développer une activité parfois pratiquement identique à 5 et à 20 °C alors que les effets directs de la température sur ses interactions moléculaires devraient le rendre beaucoup plus actif à 20 °C qu'à 5 °C  ? 2) Comment un poisson tel que Trematomus peut-il encore développer une activité suffisante à -1,5 °C ? 3) Pourquoi meurt-il "de chaud" à des températures si basses ?

Il n'est malheureusement pas encore possible de donner une réponse complète et précise à ces questions. Il est néanmoins clair que les mécanismes impliqués résident au niveau moléculaire. A priori, ils pourraient faire intervenir 1) des modulations du trafic inter et intracellulaire de molécules et 2) des modulations de l'activité de molécules (enzymes et autres) impliquées dans différentes séquences fonctionnelles (métabolisme, contraction musculaire, activité nerveuse, etc.).

A ce jour, on n'a pu mettre que peu de choses en évidence dans ce cadre. Elles concernent essentiellement 1) des modifications de structures membranaires pouvant faciliter les mouvements transépithéliaux et transmembranaires; 2) des modifications de l'activité ou des propriétés de quelques enzymes. La plupart de ces études ont été effectuées dans le cadre de recherches sur la tolérance aux basses températures. Beaucoup d'espèces ont en effet à faire face à des problèmes de basse température plutôt que d'élévation de celle-ci.

a. activité et propriétés d'enzymes
1. Propriétés structurelles
Des études de dénaturation thermique ont pu montrer que, souvent, la chaleur d'inactivation de différentes protéines est corrélée avec la température moyenne de l'habitat. Ainsi par exemple, l'ATPase myofibrillaire des muscles de différents poissons montre une demi-vie à 37 °C et donc une stabilité thermique moindre chez les espèces des régions froides (figure 10-9).

 
Figure 12-9
 
 
Figure 10-9: Demi-vie d'inactivation thermique (IT 1/2) de l'ATPase myofibrillaire de poissons en provenance de différentes zones. Chaque point représente le résultat d'une mesure sur une espèce déterminée. D'après Johnston et Walesby (J. Comp. Physiol., 119, 195, 1977), modifié.
 

Dans le même cadre, on a pu mettre en évidence, chez certaines espèces, une corrélation entre la température moyenne de l'habitat et la température de dépolymérisation de certaines enzymes polymériques ou l'optimum thermique de la vitesse maximum à laquelle peuvent fonctionner d'autres enzymes.

Ces corrélations ne sont cependant pas toujours vérifiées. De plus, les températures des manifestations observées sont en général largement supérieures aux températures léthales des espèces envisagées. Ces phénomènes indiquent cependant des différences structurelles entre les mêmes enzymes prises chez des espèces vivant dans des environnements thermiques différents. L'étude de ces caractéristiques reste à l'heure actuelle essentiellement limitée à des poissons de mers froides. Elle a permis de développer le concept d'enzymes "froides" qui pourrait être étendu à tous les ectothermes tolérant les basses températures. Il est clair qu'un poisson tel que Trematomus pour être actif à -1,5 °C doit avoir des enzymes fonctionnelles à cette température. Dans ce cadre, ces enzymes doivent rester stables à ces températures. Elles doivent également rester suffisamment flexibles pour que les interactions catalytiques puissent se dérouler efficacement. Elles ne doivent pas non plus présenter une barrière d'activation trop élevée, peu compatible avec le peu d'énergie calorique disponible dans le milieu. Dès la fin des années 60, Somero (Am. Nat. 103, 517, 1969) indiquait qu'effectivement des espèces vivant dans des biotopes où l'énergie thermique est limitée paraissent posséder des enzymes dont la barrière d'activation est très basse. Des mesures complémentaires confirmèrent rapidement ces vues, montrant que l'énergie d'activation (D G) et ses contributions enthalpiques et entropiques (D G = D H - D S) sont plus basses chez des ectothermes que chez des endothermes ayant leurs cellules en permanence à 37-40 °C (Low et Somero : Comp. Biochem. Physiol., 49B, 307, 1974 - J. Exp. Zool. 198, 1, 1976). Il en va de même chez des ectothermes de différents habitats où, pour une enzyme donnée, les D Gs d'espèces de régions froides sont inférieurs à ceux d'espèces de régions chaudes ce qui se traduit par des D H et des D S inférieurs (figure 10-10). Il semble donc que des modifications structurales amenant une réduction d'énergie d'activation puissent réussir à maintenir une certaine efficacité des enzymes chez des espèces vivant dans un environnement thermique défavorable. Ce point est illustré dans la figure 10-11 par le fait qu'une caractéristique cinétique majeure d'une enzyme importante du métabolisme intermédiaire garde une valeur du même ordre chez des espèces vivant à des températures différentes.

 
Figure 12-10
 
 
Figure 10-10: Mesures de D H et D S de l'ATPase myofibrillaire de poissons de régions froides   , tempérées  et chaudes  . D'après Johnston et Goldspink (Nature, 257, 622, 1975), modifié.
 

Figure 12-11

Figure 10-11: Km pour le pyruvate de la déshydrogénase du lactate chez des poissons de régions froides   , tempérées  et chaudes   . D'après Yancey et Somero (J. Comp. Physiol. 125, 129, 1978), modifié.

Pour effectuer une catalyse correcte à basse température tout en réduisant significativement l'énergie d'activation, les enzymes paraissent devoir présenter une haute flexibilité. Il semble en effet que la capacité à fonctionner correctement avec une demande énergétique réduite doive aller de pair avec une augmentation de mobilité conformationnelle (Hochachka et Somero, 1984). Cette haute flexibilité des enzymes "froides" peut par ailleurs rendre compte de leur peu de stabilité thermique. On sait en effet depuis longtemps qu'une grande thermo-labilité fait partie des particularités structurales des enzymes froides (Ushakov, 1964 - Physiol. Rev. 44, 518, voir aussi figure 10-9).

Il n'existe à l'heure actuelle que très peu de données permettant de rendre compte des caractéristiques particulières des enzymes "froides". Il semble que la flexibilité élevée de la trypsine du poisson antarctique Notothenia puisse être mise en relation avec une augmentation de l'hydrophilicité de la surface protéique. Celle-ci serait à mettre en rapport essentiellement avec une augmentation du nombre de résidus polaires de surface par rapport à une trypsine bovine. (Arpigny et al., 1994 - Adv. Comp. Envir. Physiol. 20, 269). Ces problèmes relèvent essentiellement d'un enseignement de biochimie auquel nous renvoyons le lecteur pour plus de détails. La production d'enzymes "froides" est sans conteste un mécanisme important dans l'adaptation aux basses températures. Elle ne peut évidemment rendre compte des phénomènes de thermocompensation rapides décrits chez les eurythermes.

2. Formation de thermo-isozymes
Un des mécanismes pouvant intervenir dans la thermocompensation a été mis en évidence par Hochachka dès la fin des années 60 en étudiant des caractéristiques liées à la modulation de l'activité de certaines enzymes. Ainsi par exemple, la modulation négative par l'AMP de l'activité du fructose - 1,6 - biphosphatase du foie de truite est-elle fonction de la température d'acclimatement (figure 10-12). De même, l'effet de la température sur l'affinité apparente (Km) pour le substrat de l'acetycholinestérase de ce poisson eurytherme est fonction de la température (figure 10-13). Remarquer toutefois dans ce cadre, que le Km optimum ne varie guère et qu'il est obtenu pour une température voisine de celle d'acclimatement.

 
Figure 12-12
 
 
Figure 10-12: Effet de la température sur la modulation par l'AMP de l'activité de l'hexose-diphosphatase de truite acclimatée à 5, 20 et 37 °C. D'après Hochachka 1967, modifié.
 
 
Figure 12-13
 
 
Figure 10-13: Effet de la température sur le Km pour l'acétylcholine de l'acétylcholinestérase de truite acclimatée à 2 et 17 °C. D'après Fry et Hochachka 1970, modifié.
 

Des exemples de ce type ont indiqué qu'un des mécanismes possibles de thermocompensation métabolique pourrait faire intervenir l'induction par voie génique de différents types d'enzymes à différentes températures extérieures. Les nouvelles caractéristiques des isoformes "froides" apparaissant lors de l'acclimatement à basse température par exemple, pourraient rendre compte d'une amélioration de l'efficacité d'une voie métabolique et dès lors d'une certaine thermocompensation. Ces travaux ont donc débouché sur le concept important d'isoenzymes thermiques comme facteur de compensation métabolique. Des études sur l'induction de "thermo-isozymes" continuent de paraître de loin en loin. Un travail récent montre par exemple que la déshydrogénase du malate de différents barracuda est présente sous deux formes, différant considérablement par leur stabilité thermique (figure 10-14). Elles diffèrent également par certaines de leurs caractéristiques cinétiques et existent en mélange dans les tissus. Les proportions plus ou moins grandes de l'un ou l'autre des isoenzymes peuvent rendre compte de l'évolution de certaines caractéristiques en fonction de la température d'acclimatement (figure 10-14). Le Km pour le NADH peut ainsi être maintenu aux environs de 25 µmol/l pour l'ensemble de la gamme des températures d'acclimatement du poisson.

Les données actuelles sont malheureusement trop rares pour pouvoir structurer un schéma intégré de modifications d'activité rendant compte d'une thermocompensation particulière. De même, il n'existe à notre connaissance que de très rares données préliminaires concernant les mécanismes contrôlant la production par voie génique d'un thermo-isozyme plutôt que d'un autre.

Figure 12-14

Figure 10-14: Km pour NADH des déshydrogénases du malate cytosolique des muscles du barracuda Sphyraena argentea: A) f12_14lga.gif (870 octets) enzyme thermolabile; f12_14lgb.gif (864 octets) enzyme thermostable B) évolution du Km dans un mélange de deux isoformes. Les représentent des valeurs de Km effectivement mesurées chez les poissons. D'après Lin et Somero (J. Exp. Biol., 198, 551, 1995), modifié.

b. fluidité membranaire, trafic cellulaire
Les transports intracellulaires et transmembranaires comme tout mouvement d'ions et de molécule seront affectés par la température au même titre que l'activité enzymatique.

Ces phénomènes sont restés jusqu'à présent très peu étudiés. Rien n'est connu des ajustements éventuels du trafic intracellulaire de molécules par exemple. En ce qui concerne les mouvements transmembranaires, les seules études faites jusqu'à présent portent essentiellement sur la fluidité membranaire. Celle-ci a été abordée par Cossins de manière empirique en suivant les variations de la polarisation de la lumière fluorescente émise par des membranes en présence d'un composé fluorescent, le diphénylhatriène (DPH). Dans ce cadre, une diminution de polarisation refléterait une augmentation de fluidité. Les études de Cossins et de ses collaborateurs, résumées par Hazel (Adv. Comp. Envir. Physiol. 4, 1, 1989), montrent par exemple que la fluidité de membranes synaptosomiales de rat parait nettement différente que celle de membranes du poisson antarctique Notothenia lorsque les mesures sont effectuées à 20 °C (figure 10-15). Lorsque les mesures sont effectuées aux températures corporelles des deux espèces, les membranes de Notothenia ne paraissent cependant qu'un peu moins fluides. Pour l'auteur, ce résultat serait l'indication d'une compensation. Celle-ci reste cependant difficilement appréciable. En fait, dans ces études, la fluidité membranaire est identique pour un écart de 28,5 °C entre les deux espèces. Une indication de compensation plus nette est obtenue en étudiant des membranes d'entérocytes de carpe acclimatées respectivement à 10 et 30 °C (figure 10-16). On voit nettement dans ce cas que l'acclimatement à 10 °C augmente la fluidité membranaire à toutes les températures mesurées.

 
Figure 12-15
 
 
Figure 10-15: Fluidité de la membrane de synaptosomes telle qu'étudiée en polarisation de fluorescence du DPH, chez un endotherme et un ectotherme antarctique. Les mesures sont faites soit à 20 °C soit aux températures corporelles normales des deux espèces. D'après Hazel (Adv. Comp. Envir. Physiol., 4, 1, 1989), modifié.
 
 
Figure 12-16
 
 
Figure 10-16: Effet de la température sur la fluidité de membranes basolatérales d'entérocytes de carpes acclimatées à 10 et à 30 °C. La fluidité est appréciée empiriquement par la mesure de la polarisation de la fluorescence du DPH. D'après Hazel (Adv. Comp. Envir. Physiol., 4, 1, 1989), modifié.
 

Des études effectuées jusqu'à ce jour, il ressort clairement qu'une modification du taux de saturation des phospholipides de membrane est associée aux ajustements de fluidité. On trouve en effet plus d'acides gras polyinsaturés dans les phospholipides de membranes d'animaux de régions froides ou d'animaux acclimatés à basse température. Ces modifications s'opèrent en général sur des temps relativement longs, de l'ordre de 1 à 3 semaines. Elles sont donc peu efficaces dans les adaptations à court terme. La modification des acides gras paraît impliquer une synthèse de novo de nouveaux phospholipides ainsi qu'une déacylation/réacylation de phospholipides existants. La synthèse de novo permettrait en même temps une modification des têtes polaires des phospholipides membranaires, rendant ainsi compte de l'augmentation de phosphoéthanolamine et de la réduction de phosphatidylcholine que l'on observe souvent lors des acclimatements à basse température.

Le concept de fluidité membranaire variable parait cependant trop macroscopique pour pouvoir rendre compte des ajustements différentiels qui doivent avoir lieu au niveau du mouvement de différentes molécules, ces mouvements font en effet intervenir des processus variés (différents transporteurs, diffusion) et il ne parait pas possible d'intégrer les modulations devant exister à ces différents niveaux dans le cadre d'un seul processus de modification de fluidité membranaire. Pratiquement tout reste à faire dans le cadre de l'étude de ces modulations du trafic intra et intercellulaire en fonction de la température.

2.1.4. Antigels
Comme nous le verrons plus loin, le gel des liquides extracellulaires n'est pas un problème essentiel pour de nombreux ectothermes résistants à très basses températures. Ce phénomène devient évidemment un problème aigu pour des espèces devant rester actives à ces températures. Depuis les années 70, DeVries et d'autres ont étudié différentes espèces de poissons de régions froides tolérant des eaux entre -1,2 et -1,9 °C. Il s'avère que chez ces espèces, le point de congélation du plasma sanguin est extrêmement bas, variant entre -1,5 et -2,7 °C (tableau 10-1). Ces valeurs sont plus basses que ne peuvent le laisser prévoir les concentrations en osmolytes majeurs du sang, NaCl essentiellement. De fait, les plasmas dialysés ont des points de congélation nettement plus élevés que les plasmas non traités. Ces constatations ont amené les chercheurs à la découverte d'antigels de nature protéiques.

TABLEAU 10-1
Point de congélation du plasma sanguin de différents poissons
antarctiques par rapport à la température de l'eau de mer extérieure

Espèce

Eau de mer

Point de congélation

   

plasma total

plasma dialysé

Chaenocephalus aceratus *

- 1,0

- 1,5

- 0,6

Myoxocephalus scorpius

- 1,2

- 1,7

- 0,8

Pseudopleuronectes americanus

- 1,4

- 1,5

- 0,7

Gadus ogae

- 1,8

- 2,1

- 1,1

Trematomus borchgrevinki *

- 1,9

- 2,7

- 1,3

Les températures sont données en °C. * : espèces inféodées à l'antarctique. D'après DeVries, modifié (dans Gilles, 1980).

Les antigels protéiques mis en évidence jusqu'ici sont des glycopeptides de poids moléculaires allant de 2,5 KD à quelque 30 KD. Ils sont formés d'unités répétitives (figure 10-17) et paraissent agir en s'insérant dans les cristaux de glace en formation, empêchant ainsi leur extension. Il se formerait en fait des ponts hydrogènes entre les oxygènes du front de glace et des groupements hydroxyles de la structure répétitive du peptide, les deux se trouvant aux mêmes intervalles de 4, 5 Å (figure 10-17). Ce modèle, proposé originellement par De Vries et Lin (Biochim. Bio­phys. Acta, 495, 388, 1977) ne paraît cependant pas adaptable à tous les cas. D’autres mécanismes, impliquant notamment des interactions hydrophobiques, doivent dès lors être envisagés (voir par exemple Haymet et al., J. Am. Chem. Soc., 121, 941, 1999).

Figure 12-17

Figure 10-17: Les antigels glycopeptidiques de poissons. A: Structure primaire de l'antigel du sang de la plie Pseudopleuronectes americanus. B et C: Formation de ponts hydrogènes entre l'antigel et les oxygènes du front de glace et insertion de celui-ci dans la glace. D'après DeVries, modifié (dans Gilles 1980).

On trouve également ce type d'antigel chez différents invertébrés. Il interviendrait plutôt ici dans des phénomènes de résistance aux très basses températures (cfr. section 2.2 ci-après).

La formation des antigels glycopeptidiques est induite chez la plupart des espèces par une baisse de température et réprimée par son élévation. Ces molécules apparaissent donc à l'approche de l'hiver dans la plupart des cas. Certaines espèces, comme le poisson antarctique Trematomus, paraissent avoir perdu cette capacité adaptative et produisent en permanence un antigel sérique même lorsqu'ils sont maintenus expérimentalement pendant longtemps à des températures supérieures à 0 °C.

Les mécanismes d'induction mis en œuvre restent à l'heure actuelle totalement inconnus.

2.1.5. Causes des "chocs thermiques"
Comme nous l'avons déjà signalé, les ectothermes possèdent des températures léthales hautes et basses éminemment variées. Dans la plupart des cas, ces limites sont par ailleurs adaptables dans une certaine mesure, les adaptations portant essentiellement sur des modifications de caractéristiques d'enzymes ou de membranes plasmiques. La mort par choc thermique apparaît dans ce cadre comme un phénomène complexe pouvant intervenir aussi bien à 50 °C qu'à 5 °C et dont les causes sont mal comprises. Elle résulte vraisemblablement de modifications dans l'activité de différents processus avec pour résultat un déséquilibre de fonctionnement de certains systèmes essentiels. Ces modifications pourraient a priori avoir comme causes premières : 1) des effets thermiques (Q10) différents sur différentes séquences métaboliques et/ou différents phénomènes de transports interdépendants. 2) des effets de dénaturation thermiques plus ou moins importants sur différents types de macromolécules.

2.2. Résistance aux températures extrêmes

Comme nous l'avons signalé dans la section précédente, on trouve des ectothermes tolérants et restant actifs dans des limites de température allant en gros de -2 à +50 °C. De nombreuses espèces peuvent survivre et résister à des températures largement en dehors de ces limites, allant de -70 à +100 °C.

2.2.1. Résistance aux températures élevées
Il n'existe à notre connaissance à l'heure actuelle aucune donnée sur les adaptations physiologiques permettant à certains animaux de résister à des températures très élevées. On sait par exemple que les œufs d'une espèce de crustacé d'eau douce soudanais peuvent résister dans la boue séchée à des températures de plus de 80 °C. Ils ont été maintenus expérimentalement pendant plus de 15 heures à une température de 103 °C (Carlisle, Science 161, 279, 1968). Il est clair que les macromolécules de ces œufs doivent présenter une stabilité thermique particulièrement élevée. Les facteurs intervenant dans cette stabilité n'ont cependant jamais été étudiés. D'une façon générale, les facteurs de stabilisation des protéines globulaires peuvent être internes ou externes à ces molécules. Internes, ils sont relatifs à une augmentation de cohésion par augmentation des interactions moléculaires (ponts disulfures, liaisons hydrogènes ou autres interactions électrostatiques) ou par augmentation du nombre de résidus diminuant la mobilité conformationnelle telle la proline. Externes, ils concernent des facteurs préférentiellement exclus de la surface de la protéine dans le cadre d'effets de solvant. Il existe dans la littérature d'excellentes revues auxquelles nous renvoyons le lecteur intéressé par une discussion détaillée (facteurs internes : Creighton : Cur. Opin. Struct. Biol. 1, 5, 1991; Privalov et Gill : Adv. Prot. Chem. 33, 167, 1988 - facteurs externes : Timasheff. : Cur. Opin. Struct. Biol. 2, 35, 1992). A notre connaissance, ces problèmes n'ont jamais été étudiés de façon approfondie dans le cadre de la résistance aux températures très élevées chez les animaux. L'essentiel des études effectuées actuellement porte sur les micro-organismes thermophiles.

2.2.2. Résistance aux températures basses
Les études dans ce domaine sont beaucoup plus nombreuses que celles concernant le domaine des températures élevées. On a ainsi pu montrer que de nombreux ectothermes peuvent résister à des températures de -10 à -30 °C ou plus. Dans certains cas, ils peuvent descendre jusqu'à la température de l'azote liquide (-196 °C) ! Un problème majeur des organismes soumis à des températures inférieures à 0 °C est la formation de cristaux de glace dans les liquides intra et extracellulaires. Ces cristaux, agissant comme des aiguilles, peuvent avoir des effets destructeurs importants sur différentes structures biologiques, les membranes plasmiques notamment. La résistance aux basses températures va dès lors faire intervenir une série de facteurs tendant soit à empêcher la formation de cristaux de glace aux températures normalement rencontrées par l'animal soit à rendre la prise en glace de l'eau extracellulaire et éventuellement intracellulaire sans danger. On distinguera donc classiquement dans ce cadre des animaux tolérants ou non tolérants à la congélation de leurs liquides internes.

2.2.3. Espèces non tolérantes à la congélation
Les espèces constituant ce groupe sont largement plus nombreuses que les autres. On en trouve dans tous les groupes zoologiques ectothermes, aquatiques comme terrestres, vertébrés comme invertébrés. La stratégie essentielle utilisée ici consiste à diminuer le point de congélation des liquides internes par accumulation de composés antigels. Une diminution d'hydratation peut venir en appoint de cette stratégie chez certaines espèces.

Ces stratégies peuvent diminuer le point de congélation de certains arthropodes terrestres de la zone arctique jusqu'à des températures de -50 °C (Ring : J. Therm. Biol. 6, 219, 1981). Il faut par ailleurs noter que la production d'antigels n'est pas toujours nécessaire, les liquides internes montrent en effet une certaine faculté de surfusion. Certains insectes terrestres peuvent ainsi rester en état de surfusion jusqu'à des températures de -7 à -12 °C. Les liquides internes des poissons antarctiques peuvent également montrer des phénomènes de surfusion jusqu'à des températures de -2, -3 °C. Cet état est cependant instable et la moindre possibilité de nucléation de la glace provoque le gel instantané de l'ensemble de la masse liquide. Ce problème est évidemment largement évité par la production d'antigels.

a. les composés antigels
On rencontre deux types d'antigels chez les ectothermes non tolérants au gel; des composés de nature protéiques et des hydrates de carbone de faible poids moléculaire souvent appelés composés cryoprotecteurs parce que ces molécules interviennent également dans la protection des espèces tolérantes contre les effets de la congélation (cfr. 2.2.4b ci-après).

Les antigels protéiques ont été découverts chez des poissons antarctiques à la fin des années 60 (DeVries : Science 172, 1152, 1971). Depuis lors, on en a mis en évidence chez de nombreux autres poissons pouvant supporter des températures relativement basses ainsi que chez différents invertébrés, insectes et mollusques notamment. Nous avons envisagé le rôle de ces composés dans les mécanismes de tolérance aux basses températures. Ils interviennent en fait en empêchant la structuration des cristaux de glace (cfr. 2.1.4 ci-avant).

Les composés cryoprotecteurs agissent d'une façon tout à fait différente, en abaissant de façon colligative le point de congélation de l'eau. Le plus connu de ces antigels est le glycérol qui peut être accumulé chez certains insectes jusqu'à représenter 50 % du poids total ! Des concentrations de cette importance permettent aux insectes des régions polaires de supporter sans geler des températures de -60 °C. A coté du glycérol, on trouve d'autres molécules telles que sorbitol, tréhalose, mannitol, éthylène glycol et d'autres encore. Ces différents composés peuvent intervenir seuls ou en combinaison. Ils sont produits à partir d'une certaine température d'acclimatement, certains apparaissant plus tôt que d'autres. Dans la nature, l'apparition de ces composés est évidemment corrélée avec la diminution de température à l'approche de l'hiver (figure 10-18). Rien n'est connu actuellement des mécanismes qui déclenchent l'induction des processus d'accumulation.

Figure 12-18

Figure 10-18: Evolution de la teneur en glycérol ( ) et du point de congélation ( ) de chenilles du papillon Epiblema scudderiana en fonction de la période de l'année. D'après Rickards et al. (J. Insect. Physiol., 33, 443, 1987), modifié.

b. déshydratation
La déshydratation partielle apparaît comme une stratégie adaptative chez certains insectes et gastéropodes terrestres non tolérants au gel. Chez la larve du papillon Epiblema scudderiana par exemple, la teneur en eau tombe de 57 à 25 % du poids frais entre septembre et décembre (figure 10-19). Cette réduction importante de la teneur en eau intervient évidemment dans une diminution du point de congélation des liquides internes par augmentation des concentrations des substances en solutions, en ce compris les antigels. Rien n'est connu à l'heure actuelle des mécanismes qui déclenchent cette diminution d'hydratation. Cette stratégie n'est par ailleurs pas spécifique puisqu'on la retrouve chez des insectes tolérants la congélation.

 
Figure 12-19
 
 
Figure 10-19: Diminution de la teneur en eau des larves du papillon Epiblema scudderiana à l'approche de l'hiver. D'après Rickards et al. (J. Insect. Physiol., 33, 443, 1987), modifié.
 

La déshydratation est toujours accompagnée de la production de cryoprotecteurs dans les liquides intracellulaires. Ces molécules interviendraient également dans ce cadre spécifique comme composés compensateurs, empêchant les effets déstabilisateurs d'une augmentation de concentration en ions inorganiques sur différentes macromolécules. La stratégie est donc la même que celle utilisée par les cellules subissant des chocs hyperosmotiques (cfr. chapitre 1, section 7).

2.2.4. Espèces tolérantes à la congélation
Les ectothermes tolérants au gel paraissent moins nombreux que les non tolérants. On en rencontre cependant dans de nombreux groupes zoologiques : batraciens, mollusques, insectes ou nématodes.

Les adaptations essentielles décrites à ce jour chez ces espèces sont de deux types et concernent : 1) le contrôle de la formation de glace dans les liquides internes via des "protéines de nucléation"; 2) l'accumulation de composés cryoprotecteurs.

a. les protéines de nucléation
Une adaptation spécifique des espèces tolérantes au gel concerne la présence dans le sang de protéines favorisant la nucléation de la glace à des températures relativement élevées. Ces protéines sont malheureusement restées très peu étudiées jusqu'à présent. Elles paraissent empêcher la surfusion de l'eau en induisant la formation de glace en de très nombreux points à la fois et à des températures très proches du point de congélation du sang. L'apparition de glace en de multiples points semble empêcher la formation de cristaux de glace de grandes tailles, particulièrement dommageable. Par ailleurs, le phénomène de surfusion étant éliminé et la température ne diminuant en général que très graduellement en conditions physiologiques, la formation de glace dans le sang est extrêmement progressive. Dans ce cadre par exemple, la prise en glace du sang de la larve du diptère Eurosta solidaginis dure quelque 48 heures au minimum. Cette prise en glace lente du milieu extracellulaire induit une augmentation lente de concentration des compartiments restant aqueux, commençant par les liquides extracellulaires pour se terminer par le milieu intracellulaire. Il s'ensuit que, souvent, la prise en glace n'atteint pas ce dernier compartiment et n'intéresse même qu'une partie du compartiment extracellulaire, les augmentations de concentration diminuant le point de congélation.

b. les composés cryoprotecteurs
Il s'agit d'une série de composés de faible poids moléculaire comprenant notamment les substances que nous avons vu intervenir comme antigels chez les espèces non tolérantes tels glycérol ou sorbitol. On en trouve également d'autres comme le glucose. Celui-ci est le cryoprotecteur majeur chez la plupart des grenouilles supportant la formation de glace comme par exemple Rana sylvatica. Une seule espèce en fait (Hyla versicolor) utilise le glycérol au lieu du glucose. On rencontre aussi chez certains invertébrés des acides aminés comme la proline. Ces derniers composés deviennent particulièrement importants chez des espèces marines tolérantes au gel comme certains mollusques intertidaux. Ces espèces accumulent en effet des composés aminés à des fins de régulation osmotique intracellulaire (voir chapitre 1, section 7). Ils sont dès lors présents en permanence dans les cellules et servent le cas échéant de cryoprotecteurs.

Ces différents composés peuvent atteindre des concentrations allant jusqu'à 500-700 mmol/l d'eau. Les mécanismes d'accumulation restent à l'heure actuelle mal connus. La synthèse parait jouer un rôle prépondérant dans de nombreux cas (glycérol, glucose, sorbitol notamment). Les vitesses d'accumulation de même que les conditions induisant cette accumulation restent également mal connues et paraissent éminemment variables. Certains composés, comme le glucose chez Rana sylvatica par exemple, sont accumulés très rapidement à partir du moment où le sang prend en glace (figure 10-20). D'autres ne sont accumulés que lentement, en fonction de la diminution de température saisonnière ou d'acclimatement (figure 10-21). D'autres enfin, comme les acides aminés chez les mollusques intertidaux, sont présents en permanence, servant tout d'abord à équilibrer l'osmolarité du liquide intracellulaire avec celle très élevée du sang. Dans certains cas, différents composés sont accumulés à partir de températures différentes. Chez la larve du diptère Eurosta solidaginis par exemple, le glycérol est accumulé dès le début de l'automne pour des températures de l'ordre de 10 °C alors que le sorbitol n'intervient que plus tard, à partir de températures voisines de 0 °C (figure 10-21). Il est intéressant de remarquer dans ce cadre que l'installation de la tolérance à la congélation n'est que progressive. Les larves sont en effet tout d'abord non tolérantes mais résistent parfaitement bien jusqu'à des températures de -10 °C, le sang ayant un point de congélation à une température moyenne de -12° C. La tolérance au gel apparaît vers fin septembre. Elle coïncide avec une remontée des températures de cristallisation des larves et l'accumulation de glycérol. Dans ces conditions toutefois, les larves ne résistent bien qu'à des températures de -25 °C. La résistance à des températures de -80 °C n'apparaît que plus tard et pourrait être mise en relation avec l'apparition de sorbitol.

Figure 12-20

Figure 10-20: Evolution du glucose sanguin et hépatique chez la grenouille Rana sylvatica en fonction de la température du sang et de sa prise en glace. D'après Storey et Storey (Cryo. Lett., 6, 115, 1985), modifié.

Figure 12-21A

 
Figure 12-21B
 
 
Figure 10-21: Evolution du glycérol et du sorbitol dans les larves d'Eurosta solidaginis en fonction de la saison (A) et de la température d'acclimatement (B). A: d'après Storey et Storey (Adv. Comp. Envir. Physiol., 4, 51, 1989), modifié. B: d'après Storey et al. (J. Comp. Physiol., 144, 183, 1981), modifié. Les données reprisent en A concernant la température de cristallisation (beige) des liquides larvaires et les pourcentages d'animaux survivants au gel (bleu) proviennent de Bennet et Lee (J. Exp. Biol., 200, 185, 1997).
 

Ces derniers résultats montrent clairement que le problème de résistance au gel est plus complexe qu'il n'y paraît, pouvant faire intervenir des composés différents ou des mélanges de composés en fonction des températures à subir. Dans ce cadre, les différents composés cryoprotecteurs ne seraient pas équivalents. Tous ces phénomènes restent à l'heure actuelle mal compris. On considère simplement pour l'instant les cryoprotecteurs sous deux aspects : 1) Leur concentration augmentant dans l'eau restée libre lors de la prise en glace, ils participent au même titre que les autres solutés majeurs à un effet colligatif rendant l'eau plus difficilement congelable. Les autres solutés majeurs sont essentiellement les ions inorganiques Na+, K+ et Cl-. 2) Les cryoprotecteurs présentent sur ces ions des avantages majeurs : a) Ils ne cristallisent en général pas en solutions aqueuses ; leur concentration peut donc devenir très importante ce qui permet d'atteindre une fraction d'eau non congelable stabilisée d'autant plus importante. b) Ils se révèlent non toxiques à fortes concentrations ce qui n'est pas le cas des ions inorganiques qui exercent dans ces conditions des effets disrupteurs sur la structure des protéines et du matériel génétique (chromatine). c) Ils exercent, à haute concentration, des effets stabilisants, protégeant les macromolécules des effets disrupteurs des ions inorganiques, autorisant ainsi l'augmentation de leur concentration. Ils interviennent en ceci de la même manière que les composés dits compensateurs, que les cellules accumulent lors de l'adaptation à des milieux hyperosmotiques, pour contrecarrer les effets disrupteurs de l'augmentation de concentration en ions inorganiques induite dans ces conditions (cfr. chapitre 1, section 7. Il est intéressant de remarquer dans ce cadre que l'on retrouve certains composés tel le sorbitol dans les deux catégories. Il est également intéressant de remarquer que dans de nombreux cas d'adaptation aux basses températures, l'accumulation des cryoprotecteurs coïncide avec une augmentation de concentration en ions inorganiques due à une diminution de disponibilité en eau. Ceci rapproche encore, en ce qui concerne les mécanismes d'induction possible, les conditions du choc thermique de celles du choc hydrique ou osmotique. Les effets de ces composés de même que les mécanismes commandant leur accumulation ont été mieux étudiés dans le cadre compensateur en choc hydrique que cryoprotecteur en choc thermique. Nous renverrons donc le lecteur intéressé par un complément d'information aux notions de relations osmotiques intracellulaires (chapitre 1, section 7).

Il faut par ailleurs noter pour en terminer avec le sujet qu'à l'heure actuelle il n'est pas certain que tous les cryoprotecteurs exercent des effets compensateurs importants.

c. autres mécanismes
On a signalé chez quelques espèces d'insectes tolérantes à la congélation la présence dans le sang de protéines dites d'hystérésis thermique à côté des protéines de nucléation. Leur rôle n'est actuellement pas clair. Elles exercent en fait un effet analogue aux protéines antigel (cfr. 2.1.4 ci-avant), opposé donc à celui des protéines de nucléation. Pour Knight et Duman (Cryobiol. 23, 256, 1986), le rôle de ces protéines pourrait être d'empêcher la recristallisation en larges masses, des microcristaux de glace induits par les protéines de nucléation qui pourrait se produire à très basses températures.

Storey et al. (Cryobiol. 18, 315, 1981) ont par ailleurs produit des résultats sur une espèce d'insecte qui indiqueraient une augmentation de la quantité d'eau liée et donc non congelable du liquide intracellulaire par modification de certains éléments macromoléculaires. Cette idée intéressante mériterait confirmation.

2.2.5. Métabolisme à très basses températures
La résistance à des températures extrêmement basses dans des conditions de compartiments liquidiens parfois extrêmement concentrés pose la question du maintien d'une éventuelle activité métabolique. Cette question parait à l'heure actuelle sans réponse définitive. Certains considèrent en effet qu'il pourrait ne plus y avoir d'activité métabolique du tout, d'autres envisagent par contre la persistance d'un métabolisme anaérobie extrêmement lent.

2.2.6. Congélation du compartiment intracellulaire
Il est resté classiquement admis jusqu'à il y a peu que les organismes résistants à la congélation ne peuvent survivre que si la formation de glace est limitée aux compartiments extracellulaires. Des travaux récents montrent cependant la présence de glace dans les cellules de certaines espèces. C'est le cas par exemple du diptère Eurosta solidaginis (Lee et al.  : J. Insect. Physiol. 39, 445, 1993) ou du nématode antarctique Panagrolaimus davidi (Wharton et Ferns  : J. Exp. Biol. 198, 1381, 1995). Dans ces conditions, il faut admettre que le compartiment liquidien se résume à un milieu très concentré, riche en composés cryoprotecteurs, au voisinage des architectures macromoléculaires. On arriverait dans ces conditions à des états de survie voisins de ceux rencontrés dans les cas de déshydratation extrême (cfr. chapitre 11). Ces états de survie particuliers n'ont jamais été réellement étudiés. Peut être certains composés de type compensateur pourraient-ils favoriser des interactions particulières entre les macromolécules et leur eau vicinale, empêchant leur dénaturation par déshydratation. Il s'agit là d'un domaine tout nouveau et plein d'intérêt de la biologie.


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