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Le Stress Oxydant Alain FAVIER Département de Biologie Intégrée CHU Laboratoire Lésions des Acides Nucléiques CEA [email protected]

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Le Stress Oxydant

Alain FAVIERDépartement de Biologie Intégrée CHU

Laboratoire Lésions des Acides Nucléiques CEA

[email protected]

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Qu’est ce que le stress ?

• Rupture dans le fonctionnement d’une fonction biologique traduisant un défaut d’adaptation à l’environnement– Stress psychologique: fatigue, dépression– Stress nerveux: adrénaline– Stress oxydant

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Stress environnement et nutrition

Grenoble 10 décembre 1993 GREP

ULTRA VIOLETSPb

SO2NO2

O3

TABAC ALCOOL

PROTECTION couche d'ozone

micronutriments antioxydants: vitamines E, C caroténe oligoéléments Se Cu Zn Mn

supplémentation Vitamines Oligoéléments Herbicides

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Les radicaux et les espèces actives de l’oxygène

• L’oxygène singulet

• L’anion superoxyde

• Le peroxyde d’hydrogène

• Le monoxyde d’azote

• Le peroxynitrite

• Le radical Hydroxyle

1O2

HOONO

O2°

HOOH

NO°

OH°

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D’où viennent les espèces actives et radicaux de l’oxygène

• De cellules spécialisées: – les macrophages, monocytes et polynucléaires

• De nos toutes nos cellules:– Par la source d’énergie, la mitochondrie

• De l’oxydation de composés:– Enzymes oxydases, Cycle redox, P450

• De comportements dangereux:– Tabac, alcool

• De l’environnement et de la pollution: – Rayonnement radioactif, ultraviolets, pesticides,

Cadmium, Fer, Ozone, NOx

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Phagocytose de E coli par

polynucléaire neutrophile

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Comment nous protégeons nous?

• En neutralisant les radicaux par des piégeurs venant de la nutrition

• En neutralisant les radicaux par des piégeurs fabriqués par nos cellules

• En prévenant leur formation par des protéines qui contrôlent le Fer

• En les éliminant par des enzymes antioxydants

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Les piégeurs de radicaux

ou « scavengers »

R° + PiégeH RH + [P°]

Prennent l’électron célibataire du radical en formant un nouveau radical non dangereux qui sera détruit et éliminé

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Les antioxydants apportés par l’alimentation

• Les antioxydants majeurs

• Vitamines:– Ascorbat– Vitamine C– Bêta carotène– Ubiquinone

• Oligoéléments– Zn, Cu, Se, Mn

• Autres antioxydants• Caroténoïdes • Poly phénols• Dérivés soufrés• Essences antioxydantes• Dérivés indoliques

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Les produits végétaux du sud sont très riches en antioxydants

• La photosynthèse génère beaucoup de radicaux libres

• Les antioxydants protégent les plantes contre:– Le soleil– La sécheresse– Les bactéries et virus

O2°

O2°

H2O2

1O2

chloroplaste

• Tomate: lycopéne• Romarin: huiles essentielles• Safran africain: curcumine• Sauge: acide salvianolique• Ail, oignon: centaines de dérivés soufrés• Thé: aflavines

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Les enzymes antioxydants

O2

H2O2 ONOOH

NOO2

oxygè ne

anion superoxy de

peroxy de d’hydrogène

Arginine

monoxyded’azote

perox initrite

HO

glutathion peroxydase

superoxyde dismutase

superoxyde dismutase

thioredox ine peroxydase H2O

ADN oxydés Proté ines oxy déesLipides oxydés

radical hydroxy le

sélénopro téine P

CuZn

Mn

Se

thioredox ine réducta se Se

SeFeCuucatalase Fe

Ils sont codés par des gènes qui s’adaptent à la teneur en radicaux

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Le stress: rupture d’adaptation antioxydante

Stress !!

1 1

5050

Déficit d’adaptation Forte capacité d’adaptation

Pas d’exposition Pas d’exposition

surproduction

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Les

con

séqu

ence

s du

stre

ss o

xyda

nt oxydation ADNoxydation lipides

oxydation protéines

regulation redox des signaux cellulaires

oxydation LDL

atherome

activation de génes

redox sensibles

mutations

cancer

proliferation

apoptose

fibrose

détivés secondaires toxiques (MDA,HNE)

stress oxydant

autoimmunité

protéines modifiées

réparation G ---> Cadduit radical

protéine

adduit aldehydes peroxydes

cellules spumeuses

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Nos apports alimentaires en antioxydants sont ils suffisants

• Pas de déficits sévères entraînant des carences

• Des apports insuffisant en nombreuses vitamines et oligo-éléments par rapport aux recommandations

• Les apports diminuent chez le sujet âgé

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Pourcentages de femmes dont les apports sont inférieurs aux Apports Nutritionnels Conseillés (ANC) dans l ’étude SU.VI.MAX

(moyenne de 12 enregistrements alimentaires de 24 h sur 2 années)

0

10

20

30

40

50

60

%

Vitamine

EVita

mineB1

Vitamine

B2Niac

ineVita

mine B6

Folacin

e (vit

B9)Vita

mine B12

Vitamine

CCalc

ium Fer2/3 ANC< <ANC<2/3 ANC

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Apports en Se en Europe

321976

45

65

129

42

52 1131986

67

38

70

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Maladies héréditaires par mutations de gènes antioxydants

• A. Sclérose latérale amyotrophique– vers 40 ans elle entraîne une atrophie musculaire progressive

puis la mort par paralysie respiratoire en 2 à 3 ans. Le gène anormal a été identifié comme étant celui de la Cu-Zn SOD cytosolique

– Ex Exon 2 GGA -> AGA (Gly 37 -> Arg)

• B. dégénérescence maculaire– augmentation de la fréquence de l'allèle alanine et du génotype

alanine /alanine de la SOD

• C. Chorée de Huntington– fraxatine régule le fer intrra mitocho,ndriale

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ALS : Sclérose latéraleamyotrophique

• Apparaissant vers 40 ans l’ALS entraine une atrophie musculaire progressive puis la mort par paralysie respiratoire en 2 à 3 ans. L'incidence est de 1 à 2 /100000 habitants en Europe et Amérique du Nord, et 5 à 10 % des cas sont familiaux et donc héréditaires .

• Certaines formes familiales de cette maladie dégénérative des motoneurones sont liées à une anomalie du chromosome 21q. Un géne anormal a étéidentifié comme étant celui de la Cu-Zn SOD cytosolique.

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Le transfert du gène muté des malades est létal pour la souris

survival analysi of mice transgenic for G93A SOD mutation (from Gurney

0

20

40

60

80

100

120

age (days

life span of control mic

Le gène muté dans les formes familiales est celui de la SOD Cu-Zn

ATT -> ACT

CTC -> GTC

GAA -> GGA

GGT -> GCT

GGT -> TGT

GGC -> CGC

CAT -> CGC

GGC -> GAC

GGC -> AGC

CTG -> GTG

GGA -> AGA

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GREP

Theories of aging

molecular cross linking

changes in immunologicafunction

senescence genes

O

metabolic rate

somatic mutationError

catastrophe

Pearl 1928

Orgel 1963

Bjorksten 1968

Harman 1956

Hayflick 1968

Szilard 1959

La théorie radicalaire du vieillissement:Harman un visionnaire?

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Que se passe il lorsque nous vieillissons ?

• Les sujet âgé ont des apports diminués en antioxydants– Folates, vitamine C– Sélénium, zinc

• Baisse de l’absorption intestinale: zinc, bêta carotène

• Mitochondrie relâche beaucoup plus de RLO• Gènes antioxydants perdent leur inductibilité par

RLO et donc leur adaptation• Fréquence de l ’inflammation activant les

phagocytes

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GREP

effect of age on capacity ofSOD induction in Caenorhabditis e.

SOD

act

ivity

% o

f con

trol

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 3H 24H 48H

SOD

act

ivity

% o

f con

trol

0

50

100

150

200

250

0 24h 48h 72h

young

middle

old

stimulation, by plumbagin hyperbaric oxygen

Darr 1995

Effet du vieillissement sur l’adaptation des gènes d’un vers au stress

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correlation between maximum lifespan potential and SOD (from Cutler 1985

04

08

12

16

SOD(U/mg prot)/ SMR (cal/gxday)

20 40 60 80 100LifespanYears

man

chimpanzee

gorillababoon

green monkey

squirrel monkey

deer mouse

house mouse

rhesus

tree shrew

Relation entre la richesse en SOD des espèces et leur espérance de vie maximale

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Augmentation des peroxydes lipidiques avec l’âge

• Résultats obtenus au laboratoire du CHU de Grenoble

• Méthode fluorométrique àl’acide thiobarbiturique

1,5

1,7

1,9

2,1

2,3

2,5

2,7

2,9

11 ans 33 ans 50 anssuvimax

86 ansMinvitaox

MDA

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Peut on vivre plus longtemps en modifiant nos défenses antioxydantes?

• Par les manipulations génétiques

• En évitant les expositions• En augmentant nos apports en

antioxydants

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GRP

lifespan curves of adult Cu-Zn SOD-transgenic andcontrol Drosophila ( from Fleming 1992)

perc

ent a

live

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 20 40 60 80 100

controlP (bSOD)11

age (days)

Les manipulations génétiques

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Suppression du gène p66 chez la souris

Le knock out d’un gène chez la souris prolonge l’espérance de vie de 30% (36 mois au lieu de 26). L’absence de la protéine correspondante p66 protége les cellules des radicaux libres générée par les UV ou H2O2 . La protéine p66 exercerait un effet inhibiteur sur les mécanismes de réparation de l’ADN

Migliaccio M. Nature 1999, 402 ; 309

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L’enrichissement en antioxydants de l’alimentation et la prévention des

maladies liées à l’âge• Troubles oculaires• Vieillissement cutané• Cancers• Dégénérescence neurologique

Que peut faire la nutrition:Améliorer la durée de vie moyenne en diminuant la fréquence de ces maladiesPeu d’effet sur l’espérance maximale de vie

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Maladies liées à l’âgeÀ 70 ans un sujet a 100 fois plus de risque de faire un cancer qu’à 20 ans

incidence des cancers

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Dégénérescence maculaire

• Dégénérescence du centre visuelle de la rétine: la macula

• Altération du champ de la vision centrale• D’abord gène à la lecture grave déficience• 25% des personnes au delà de 80 ans• Teneur en lutéine, zéaxanthine diminuées avec

âge et tabac

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Lutéine et MLA

Apport moyen en France1,25 mg/J

Aliments riches luteine:choux , broccoli, épinards

Aliments riches en zéaxanthine:maïs , oranges, épinards

Extraites de la rose d’Inde (tagetes erecta)

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Carcinogénes générant des radicaux libres

• HAP• Ultraviolets A• Rayons gamma• Cr6+, Fe2+, • Amiante• Particules de diesel• nitrosamine

• CCl4• Tabac• Alcool

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Etude SUVIMAX

Etude de l ’effet d ’un apport nutritionnel d ’antioxydant en prévention des maladies du vieillissement: cancer,

maladies cardiovasculaires, cataracte….15000 volontaires de 40 à 60 ans

Randomisée placebo ou supplément1994 2002

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0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0 365 730 1095 1460 1825 2190 2555 2920time (days)

Inci

denc

e ra

te

Intervention

Placebo

Log-Rank test p<0.01

SUVIMAX: Kaplan-Meier curves for the cumulative incidence of total cancer in the

intervention and the placebo group

men

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13 (82)

11 (70)

6 (37)

7 (44)

32 (203)

9 (57)

14 (89)

23 (146)

120 (761)

5 (32)

6 (37)

12 (74)

3 (19)

6 (37)

29 (179)

6 (37)

6 (37)

17 (105)

1 (6)

86 (531)

0 20 40 60 80 100 120 140

Total

Oral cavity

Digestive tract

Respiratory tract

Skin

Genital

Urinary tract

Thyroid

Haematological

Others

SUVIMAXCancer incidence in men

More details the 21 of June 2003

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potential risk induced by betacarotene:the Finland study

"Alpha tocopherol Beta carotene Cancer Prevention Study"

Betacarotene

no beta carotene2 4 6 years

p=O.O1 by the log rank test50 mg vitE 20 mg carot 5OmgE+20 mg car placebo

29133 male smokers

5 to 8 yearsincidence of lung cancer

474443

Attention aux excès d’antioxydants

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Comment enrichir notre alimentation

Plus de légumes: choux, broccoli: vitamine C, quercétinecarottes, tomates: caroténe, lycopéne

Plus de fruits: vitamine C, caroténoides, antocyanes, cuivreCéréales complétes, Germe de blé: apigénine, sélénoiumMoins de viandes rouges FerDes huiles végétales (raisin, noix, colza): vitamine EDu poisson: sélénium, zincDe l’ail et de l’oignon: diallyle sulfide, allicine, quercétineDes épices: curcumine, ac salvianolique…Thé: aflavine Raisin et vin rouges : resvératrol

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conclusions• Les radicaux libres jouent un rôle physiologique

important, reconnu maintenant par les grandes équipes de recherche

• Le vieillissement favorise le stress oxydant • Un stress oxydant est démontré exister dans de

nombreuses maladies humaines• On ne peut pas espérer prolonger l’espérance de vie

maximale de façon considérable• On peu espérer mieux vieillir et faire régresser la

fréquence de certaines de ces maladies par un apport supplémentaire d’antioxydants

• Ces conclusions rejoignent les recommandations des nutritionnistes et du PPNAS