Le Métabolisme de l’Oxygène et le Rôle du Stress Oxydant en Pathologie

Le Métabolisme de l’Oxygène et le Rôle du Stress Oxydant en Pathologie

2011-2012 MED2 Pr N. Porchet Enseignement Thématique « Bases Moléculaires et Cellulaires des Pathologies »

Séminaire : Les interactions métabolisme/signalisation génétique, au travers d’exemples

OBJECTIFS ET PREREQUIS

Présenter les bases moléculaires du métabolisme de l’oxygène dans la mitochondrie

Comme suite du cours « La cellule, carrefour du métabolisme » (à connaître) et avec, comme prérequis, le cours du Pr Ph Marchetti (PACES, mitochondrie)

La bioénergétique mitochondriale sera complétée dans le cadre du cours sur le métabolisme glucidique (EI Endocrinologie-Hormonologie-Reproduction)

Illustrer la notion d’homéostasie métabolique et les conséquences pathologiques multiples de la survenue d’un déséquilibre « oxygène réactif-antioxydants » : comment l’oxygène peut-il être toxique ?

Champ des connaissances médicales générales sur le vieillissement, les maladies neurodégénératives, l’athérosclérose, le diabète…….

Le Métabolisme de l’Oxygène et le Rôle du Stress Oxydant en Pathologie

I- DEFINITIONS, PLAN DU COURS

● L’oxygène est, chez les espèces vivantes aérobies, indispensable à la production d’énergie

● Son métabolisme siège dans la mitochondrie

● La bioénergétique mitochondriale fabrique de l’ATP par phosphorylation oxydative grâce à une chaîne de transport d’électrons et de protons = chaîne respiratoire

● Le métabolisme principal de l’oxygène se conclue en une réduction tétravalente de l’oxygène avec production d’eau et synthèse d’ATP :

02 + 4 e- + 4 H+ → 2 H2O + énergie

● Cependant, une faible quantité de l’oxygène partiellement réduit peut s’échapper de la chaîne respiratoire : espèces chimiques très réactives : ERO.

Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant

I- DEFINITIONS, PLAN DU COURS

● Les espèces radicalaires ( appelées aussi radicaux libres) de l’oxygène (appartenant aux ERO) ont longtemps été considérées comme des sous-produits toxiques du métabolisme normal de l’oxygène

● Les ERO sont également impliqués dans les mécanismes de la signalisation cellulaire et participent au maintien de l’homéostasie cellulaire

● Stress oxydant (ou oxydatif) : déséquilibre entre la production d’espèces réactives de l’oxygène et les capacités cellulaires anti-oxydantes

● Les ERO sont capables d’altérer de nombreux types de biomolécules (lipides, protéines, acides nucléiques, sucres)

● Les ERO sont impliqués dans la physiopathologie de nombreuses pathologies

II- METABOLISME DE L’OXYGENE :

1/ Le métabolisme aérobie

A- L’oxygène Oxygène (= dioxygène), O2

- L’atmosphère terrestre s’est enrichie en oxygène il y a 2 milliards d’années - L’oxygène est devenu indispensable à la vie de la plupart des espèces vivant sur Terre : animaux, plantes, bactéries


Ref 1

II- METABOLISME DE L’OXYGENE :

1/ Le métabolisme aérobie

B- Les espèces aérobies

- Espèces vivantes qui ont développé progressivement des mécanismes leur permettant d’utiliser l’oxygène comme source d’énergie :

Des chaînes primitives de transport d’électrons se sont progressivement adaptées au transport d’électrons depuis le NADPH vers l’O2

Forte conservation des structures au cours de l’Evolution :La conformation du cytochrome c est restée constante pendant plus d’un milliard d’années


Ref 1

C- L’oxydation de l’hydrogène

hydrogène + oxygène → eau + énergie

● L’oxygène apporté par l’hémoglobine aux cellules est l’accepteur final des électrons de l’hydrogène

● Ces électrons proviennent du catabolisme des nutriments (AA, AG, glucose)

● La combustion libèrerait l’énergie instantanément (A) et sous forme de chaleur (mécanisme incompatible avec la vie)

● L’oxydation biologique (B) sépare l’hydrogène en protons (H+) et électrons (e-) : 2 H+ + 2 e-

● Elle permet de réaliser une chaîne de transport de protons et d’électrons jusqu’à l’oxygène et le stockage de leur énergie sous forme chimique (ATP)


Ref 1

Ref 2

II- METABOLISME DE L’OXYGENE

C- L’oxydation de l’hydrogène

● Les atomes d’hydrogène proviennent du catabolisme des substrats carbonés

● Ils sont transférés au cours de ces réactions enzymatiques à des coenzymes qui passent de l’état oxydé à l’état réduit :

Nicotinamide Adénine Dinucléotide (NADH, H+) Flavine Adénine Dinucléotide (FADH2)

● les coenzymes réduits deviennent les substrats de cette chaîne de transport = la chaîne respiratoire


Ref 3

II- METABOLISME DE L’OXYGENE

D- Les coenzymes : des couples oxydo-réducteurs

● NAD/NADH, NADP/NADPH et FAD/FADH2 : molécules permettant les réactions métaboliques d’oxydation et de réduction des substrats


Ex : biosynthèse du cholestérol

Ref 1

D- Les coenzymes : couples oxydo-réducteurs

● NADH, NADPH et FADH2 : molécules « riches en énergie » car possèdent une paire d’électrons à haut potentiel de transfert

1/ capture d électrons

2/ don d’électrons


Ref 2

Ref 1

E- La mitochondrie


● les coenzymes réduits sont formés majoritairement dans les mitochondries

● les coenzymes oxydés formés dans le cytoplasme rejoignent la mitochondrie grâce à des navettes

mitochondrie

● la mitochondrie est une micro-usine chimique spécialisée dans les réactions d’oxydo-réduction(quelques milliers de mitochondries par cellule)

● la zone de travail chimique est essentiellement représentée par la matrice et la membrane interne

● 500 l d’oxygène sont absorbés par l’homme chaque jour dont 90% sont utilisés dans les mitochondries pour des réactions d’oxydo-réduction : respiration cellulaire

Ref 3

F- La chaîne respiratoire mitochondriale

► = Outil permettant le transfert de protons et d’électrons

1/ Produit de l’eau coenzymes réduits → hydrogène respiration → oxygène2/ Stocke l’énergie libérée : synthèse d’ATP par phosphorylation de l’ADP

► la chaîne d’oxydo-réduction = 6 complexes moléculaires


4 complexes fixes (membrane interne mitochondriale) :

Complexes I, II, III, IV

2 complexes mobiles (solubles) :

Ubiquinone ou coenzyme Q

Cytochrome c

matrice

membrane interne

Ref 1

Ref 3

= systèmes rédox capables de recevoir puis céder 1/ des électrons 2/ des protons

Mais aussi de les guider de complexe en complexe, sans rupture du flux selon une succession précise de réactions exergoniques

Les protons sont expulsés vers l’espace inter-membranaire par des pompes à protons


En fin de chaîne, la cytochrome c oxydase catalyse la réduction de l’oxygène moléculaire en eau (500l/j) :

~ 40 protéines, cytochromes, complexes fer-soufre, ions cuivre, flavoprotéines

G- Les composants de la chaîne respiratoire

Ref 3

H- Le couplage de la réoxydation des coenzymes et de la production d’ATP


les électrons atteignent leur but : l’oxygène

leur énergie a permis la formation d’un gradient électrochimique de protons

Ces protons vont permettre d’activer l’ATP synthase

Volumineux complexe de protéines formé de 2 sous-ensembles :

F0 intramembranaire : canal à protons

F1 dans la matrice : phosphoryle l’ADP

circuit du gradient de protons = gradient de voltage + gradient de pH

Ref 1

Ref 3

ATP synthase appelée complexe V

H- la production d’ATP : résumé


1/ trajet des électrons et des protons le long de la chaîne respiratoire

2/ réduction de l’oxygène en eau

3/ synthèse d’ATP

Ref 1 Ref 3

I- Régulation des oxydations phosphorylantes et de la production d’ATP


● Il existe une coordination entre production et consommation d’ATP

- très peu d’ATP, ADP libres : fonctionnement « à flux tendu »

- si le gradient de protons n’est pas utilisé par l’ATP synthase, le transport d’électrons s’arrête

- l’ATP synthase est capable d’hydrolyser l’ATP s’il est en excès (activité ATPasique)

● Il existe une régulation spécifique à chaque type cellulaire

● Il existe un couplage des mécanismes 1/de transport des électrons et 2/ d’oxydations phosphorylantes (= simultanéité) dans la plupart des cellules

● Il existe un découplage dans certains tissus (tissu adipeux brun), ce qui permet de produire de la chaleur (animaux en hibernation, enfants nouveaux-nés)

J- Dynamique du réseau mitochondrial


II- METABOLISME DE L’OXYGENE 1- Le métabolisme aérobie

● Les mitochondries sont assemblées en un réseau superposable à celui du réticulum endoplasmique● L’organisation de ce réseau est corrélée au niveau de production énergétique et aux besoins de la cellule● Le réseau peut être fractionné (phase S) ou fusionné (phase G1), en fonction des besoins énergétiques tout au long de la vie cellulaire

Ref 3

A- Les espèces réactives de l’oxygène


II- METABOLISME DE L’OXYGENE2- Le « 2ème métabolisme » de l’oxygène

● Lors du métabolisme normal de l’oxygène = réduction tétravalente de l’oxygène, Il se forme, au cours des 4 étapes électroniques, une petite quantité d’intermédiaires partiellement réduits, appelés radicaux primaires qui appartiennent à un ensemble appelé :

ERO = Espèces Réactives de l’Oxygène ROS = Reactive Oxygen Species)

Ces entités peuvent être radicalaires ou moléculaires et sont beaucoup plus réactives que l’oxygène

● Les ERO radicalaires (= radicaux libres) sont des espèces chimiques possédant 1 électron célibataire sur leur couche périphérique ce qui leur confère un fort degré de réactivité

B- Diversité des ERO : molécules et radicaux libres


2- Le « 2ème métabolisme » de l’oxygène

Ref 5

● Les ERO sont des espècesmoléculaires : ex: le peroxyde d’hydrogène H202

radicalaires : ex : l’anion superoxyde : O●- ex : le radical hydroxyle :●OH

● Les ERO primaires sont : - l’anion superoxyde - le peroxyde d’hydrogène - le radical hydroxyle

● Les ERO secondaires sont ceux qui se forment par oxydation de biomolécules : - le radical peroxyle - l’hydroperoxyde - le radical alkoxyle

Ref 5

C- Anabolisme des ERO primaires



Ref 5

● L’anion superoxyde (1):

O●- provient d’une réduction partielle de l’oxygène dans la chaîne respiratoire (~ 2% de l’oxygène consommé par la mitochondrie),

il se forme durant la 1ère réduction électronique de l’oxygène au niveau de l’ubiquinone (coenzyme Q)

Les 4 étapes de réduction monoélectronique de l’oxygène




● L’anion superoxyde (1):

O●- est également le produit de certaines activités enzymatiques :

NADH déshydrogénase (membrane mitochondriale interne)

NAD(P)H oxydases membranaires (NOX) (cellules vasculaires et endothéliales, cytoplasme)

Auto-oxydation (oxydation par l’oxygène) de biomolécules endogènes

noyau aromatique (adrénaline, noradrénaline, dopamine),

thiols (cystéine),

coenzymes réduits à flavine

Oxydation de xénobiotiques par les cytochromes P450 (réticulum endoplasmique)




Ref 5

● Le peroxyde d’hydrogène (2): est produit dans les mitochondries mais aussi dans les peroxysomes et le cytoplasme au cours de différentes réactions enzymatiques :

SOD : superoxyde dismutases :

OXYDASES :

AA oxydases, glycolate oxydase, urate oxydase, xanthine oxydase




Ref 5

● Le radical hydroxyle (3): est produit quand le peroxyde d’hydrogène entre en contact dans des conditions de pH acide favorables avec des ions ferreux :

Le radical hydroxyle (différent de l’anion basique –OH) est très toxique : c’est l’un des oxydants naturels les plus puissants (utilisé dans l’industrie)

D- Anabolisme des ERO secondaires



Le radical hydroxyle ●OH génère l’espèce réactive R●

● oxydant puissant selon 3 mécanismes :

Ref 5

D- Anabolisme des ERO secondaires



● L’espèce réactive R● oxyde d’autres biomolécules : des réactions d’oxydation en chaîne

● Les espèces réactives de l’oxygène interagissent entre elles

peroxynitrites

E- Effets délétères des ERO au niveau moléculaire



L’espèce la plus réactive et la plus toxique : le radical hydroxyle :●OH

● est le plus dommageable en raison de son extrême réactivité

● aussi sa ½ vie est très brève (<1μs) et ses effets délétères se manifestent sur son lieu de production

● s’attaque à toutes les biomolécules impliquées dans 1/ les structures biologiques (ex: membranes), 2/ l’information 3/ le métabolisme

● biomolécules-cibles : ADN mitochondrial ou nucléaire, protéines, lipides, sucres

surtout la guanine

Peroxydation lipidique : acides gras polyinsaturés, phospholipides, lipoprotéines

Altérations des protéines, AA aromatiques, soufrés….sites enzymatiques….

R1 R2

Lésions de l’ADN, coupures et mort cellulaire, altération des bases

oxydation des sucres : glucose

E- Effets délétères des ERO au niveau moléculaire



Une espèce peu réactive : l’anion superoxyde : O●-

● une ½ vie longue (qq dizaines de s) qui lui permet de diffuser hors de son site de production

● sa toxicité est indirecte et vient de sa capacité à interagir avec d’autres ERO pour former des ERO à toxicité forte : radical hydroxyle, peroxynitrites

F- les systèmes de défense enzymatiques anti-oxydants



Ref 5

● Les SOD (superoxyde dismutases) catabolisent l’anion superoxyde

Mox : SOD sous forme oxydée

Mred : SOD sous forme réduite

1/

2/

Plusieurs enzymes ayant comme cofacteur :

Ref 4

Mn (mitochondries) : Mn -SOD Cu et Zn (cytosol) : Cu,Zn-SOD

F- les systèmes de défense enzymatiques anti-oxydants


2- le « 2ème métabolisme » de l’oxygène

Ref 5

● La catalase et les glutathion peroxydases

Catalase (4)(peroxysomes)

Glutathion peroxydases (4) (cytosol de nb types cellulaires)

Ref 6

G- les systèmes de défense non enzymatiques : capteurs d’ERO



● Vitamines : C (acide ascorbique), E (α tocophérol), A (β carotène)

● Oligoéléments : Se, Cu, Zn

● Composés à groupement thiol (-SH)

● Polyphénols (acide caféique, quercétine, flavonoïdes…..)

Importance de l’apport alimentaire :

fruits, légumes, thé, vin rouge

● Trop d’anti-oxydants = pro-oxydants : néfaste

H- Le stress oxydant



● Etat métabolique résultant de la perte de l’homéostasie du métabolisme de l’oxygène :

balance rédox déséquilibrée

● Causes multiples de la rupture d’homéostasie

1/ production excessive d’ERO - 1/1 stress d’origine exogène - 1/2 stress d’origine endogène

2/ production excessive et durable d’ERO et réponse anti-oxydante insuffisante

3/ diminution des capacités anti-oxydantes

ERO

anti-oxydants

intoxications aux métaux lourds (Hg, Pb, Cd) irradiations (UV, rayons X), infections, SIDA, carences nutrition-nelles, alcoolisme, médicaments (anthracyclines), ozone, polluants…

maladies génétiques du métabolisme de l’oxygène, vieillissement, ischémies, athérosclérose, maladies neuro-dégénératives, diabètepathologies articulaires..…

obésité, tabagisme, emphysème pulmonaire

cancer

1/1

1/2

2

3

I- Le stress oxydant : un rôle biologique ?



● NON, un rôle biologique : trop d’anti-oxydants = pro-oxydants : néfaste

Régulation génique : activateurs/régulateurs de voies de signalisation

rôle de transduction et d’amplification de signaux ; régulation de phosphatases et de kinases

Ex : Régulation du tonus vasculaire, relaxation du muscle lisse, adhésion plaquettaire

Régulation de fonctions générales : apoptose, cycle cellulaire, prolifération cellulaire

Réponse et résistance au stress :

réponse immunitaire, inflammation, phagocytose, exercice physique intensif…….

Ex : Défense anti-microbienne : une explosion oxydative pour détruire le pathogène

ERO

anti-oxydants

Une simple imperfection de la chaîne respiratoire?


III- REFERENCES

Les illustrations citées en référence proviennent des livres de biochimie suivants, dont la lecture est recommandée : Ref 3 Chimie, biochimie et biologie moléculaire OMNISCIENCES Collège national des enseignants des facultés de médecine sous la direction de Bernard Sablonnière Ref 6 Biochimie illustrée MALOINE P N Campbell, A D Smith● Ref 2 Biochimie Humaine MEDECINE-SCIENCES, FLAMMARION F Horn, G Lindenmeier, C Grillhösl, I Moc, S Gerghold, N Schneider, B Münster ● Ref 1 Biologie Moléculaire de la Cellule MEDECINE-SCIENCES, FLAMMARION B Alberts, A Johnson, J Lewis, M Raff, K Roberts, P Walter● Ref 4 Biochimie MEDECINE-SCIENCES, FLAMMARION L Stryer, JM Berg, JL TymoczkoAutres sources :Revue m/s médecine/sciences● Ref 5 Espèces Réactives de l’oxygène et stress oxydant C Migdal et M Serres, vol 27, avril 2011L’actualité chimique Ref 7 Espèces réactives de l’oxygène : Comment l’oxygène peut-il devenir toxique? M Gardès-Albert, D Bonnefont-Rousselot, Z Abedinzadeh, D Jore, 2003

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