VIEILLISSEMENT ET STRESS OXYDANT...Catalase (porphyrine, Fe) : H2O2 => H2O + 1/2 O2 Antioxydant de...

Enseignement Coordonné des Capacités de Gérontologie Franciliennes Année 2004 - Cours du Pr Myara

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Capacité de Gérontologie (2003 – 2004)

VIEILLISSEMENT ET STRESS OXYDANT

Pr. Jacques MYARA

Laboratoire de Biochimie, Hôpital Charles Foix (Ivry)

RADICAUX LIBRES ET ESPECES REACTIVES DE L’OXYGENE

DEFINITION

Un radical libre est une molécule ou un atome qui possèdent, sur sa couche externe, un électron

célibataire

Les radicaux libres possèdent une grande réactivité (demi-vie courte), car ils ont tendance : - soit à capter un autre électron ; c'est alors un radical oxydant (ex : OH° + e- => OH-) - soit à le céder ; c’est alors un radical réducteur En biologie, les radicaux libres sont formés le plus souvent par gain d’électron à partir de l’O2

Les espèces réactives de l’oxygène (Reactive Oxygen Species : ROS) regroupent l’ensemble des dérivés radicalaires de l’oxygène mais également d’autres composés non radicalaires très réactifs (ex : hydroperoxydes ROOH et peroxyde d’hydrogène H2O2)

Principales espèces réactives de l'oxygène :

Oxygène 3O2 Oxygène singulet

1O2

Anion superoxyde O2°- Radical hydroxyle OH° Radical hydroperoxyle HOO° Radical peroxyle ROO° Hydroperoxyde ROOH Radical alkoxyle RO° Peroxyde d'hydrogène H2O2

Radical oxyde nitrique NO° Peroxynitrite ONOO- Hypochlorite ClO -

Pouvoir oxydant : OH° > RO° > HOO° > ROO° > NO° Des traces de métaux de transition favorisent la formation des ROS

Fe3+ + O2°- => Fe2+ + O2 Fe2+ + H2O2 => Fe3+ + OH° + OH- (réaction de Fenton)


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Au total : O2°- + H2O2 => O2 + OH° + OH- (réaction d'Haber Weiss) Fer


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ORIGINE CELLULAIRE DES ROS Phosphorylation oxydative

e- e- e- e-O2 O2°- H2O2 OH° H2O

Au cours de la respiration cellulaire, la mitochondrie génère de l’ATP à travers la réduction de l’oxygène par une série d’addition d’électrons et d’ions H+ (membrane interne de la mitochondrie) Au cours du transport électronique il y a production de O2°- et H2O2 à deux niveaux :

? NADH - ubiquinone - oxydoréductase (NADH déshydrogénase) (complexe I) ? Ubiquinol - cytochrome c oxydoréductase (complexe III)

Les ROS produits par la respiration cellulaire dans les conditions physiologiques correspondent à moins de 5% de l’O2 rentrant dans la chaîne respiratoire (l’organisme humain consomme environ 250 g d’oxygène par jour)

Le complexe IV (cytochrome c oxydase) nécessite pour son activité la présence de cardiolipine qui est un lipide susceptible de subir une peroxydation

Il n’y a pas de production de ROS au niveau du comlexe II (Succinate - ubiquinone - déshydrogénase)

Si accumulation O2°- et H2O2 : - à faible concentration : rôle de second messager dans le métabolisme des cellules

musculaires lisses (CML) et des fibroblastes - à forte concentration : effets toxiques

Cytochromes P-450 (microsomes) qui produisent des radicaux libres en agissant sur : - des substrats endogènes. Ex : stéroïdes - des substrats exogènes : détoxification de molécules étrangères

NADPH oxydase : 2O2 + NADPH => 2O2°- + NADP + H+

Myéloperoxydase ? Oxydation des chlorures (Cl-) en hypochlorites (ClO -) en présence de H2O2 Les hypochlorites formés réagissent avec :

- H2O2 pour former de l’oxygène singulet - O2°- pour former OH°

? Oxydation de la L-tyrosine => formation du radical thyrosyl

NO synthase Présente normalement dans la cellule endothéliale : arginine => NO° + citrulline (si inflammation, production de NO° par les macrophages et les cellules musculaires lisses -CML) Puis NO° + O2°- => ONOO- (anion peroxynitrite) qui se décompose facilement en OH° et NO2° NO : - rôle important dans le tonus vasculaire (action vasodilatatrice)

- intervient également dans l’agrégation plaquettaire et la différenciation des CML ONOO- : intervention dans la peroxydation lipidique et dans la nitration des protéines Xanthine oxydase Xanthine + H2O + 2O2 => acide urique + 2O2°- + 2H+ Si réoxygénation brutale d’un organe (ischémie/reperfusion) => ∨ xanthine oxydase Autres : peroxydase, amino acide oxydase, acyl CoA oxydase (dégradation des acides gras dans les peroxysomes) (H2O2 et ROOH), monoamine oxydase (MAO) (désamination de la dopamine => production H2O2) cyclooxygénases et lipoxygénases (synthèse des prostaglandines => formation de


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ROOH)

Dans les conditions physiologiques, les mitochondries constituent la principale source de production des ROS (à l’exception du foie : microsomes)


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En pathologie, les macrophages produiraient au sein des vaisseaux la majorité des O2°-

Normalement, il existe un équilibre entre la production de ROS et la capacité antioxydante des cellules. Si l’équilibre est rompu => stress oxydant

SYSTEMES DE DEFENSE ANTIOXYDANTS

Systèmes non enzymatiques

Substances liposolubles : vitamine E, β-carotène, lycopène, ubiquinol-10, bilirubine, flavonoïdes Substances hydrosolubles : vitamine C, G-SH, urates, protéines (ferritine, céruloplasmine)

Enzymes Défenses primaires : SOD O2°- + O2°- + 2H+ => H2O2 + O2

Cu/Zn-SOD : cytoplasme, matrice mitochondriale, extracellulaire Mn-SOD : uniquement mitochondriale

Glutathion peroxydase (GPx) (Se) : 2G-SH + H2O2 => G-S-S-G + 2H2O 2G-SH + ROOH => G-S-S-G + H2O + ROH

Catalase (porphyrine, Fe) : H2O2 => H2O + 1/2 O2 Antioxydant de 2ème intention qui intervient après la GPx

Défenses secondaires : Glutathion réductase : G-S-S-G + NADH,H+ => 2 G-SH + NADP+

Glutathion transférases Système de réparation de l'ADN

Interrelations entre les principaux systèmes de protection antioxydants


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O2

UV e-

1O2 O2°- ONOO-

NO°

SOD

Catalase H2O2 H2O

GPx Fenton

2G-SH G-S-S-G

GSSG réductase HClO OH°

O2°- NADP NADPH

En l’absence de NO°, O2°- est rapidement pris en charge par la SOD pour être transformé en H2O2 plus stable. L’action de la SOD doit être couplée à celle de la GPx ou de la catalase pour éviter l’accumulation d’H2O2 (=> formation de OH° par la réaction de Fenton). Si les systèmes de défense sont débordés, il y a apparition d’OH° très toxique pour lequel il n’existe aucun système de détoxification efficace

STRESS OXYDANT ET MOLECULES BIOLOGIQUES

Protéines et acides aminés

Oxydation des protéines => fragmentation et formation de liaisons croisées => composés carbonylés (R-CHO, R-CO-R, R-CO-CO-R)

Oxydation des acides aminés - noyau indole (tryptophane) et phényle (phénylalanine et tyrosine) - chaîne latérale. Ex : groupement sulfhydryle (SH) (cystéine, méthionine) Peroxynitrites + tyrosine => 3-nitrotyrosine et 3,3’-dityrosine

Oxydation des enzymes => perturbations du métabolisme Oxydation des constituants de la matrice extracellulaire => atteintes tissulaires

Lipides

Oxydation des lipides = peroxydation Les membranes (plasmiques ou intracellulaires) et les lipoprotéines contiennent des phospholipides

riches en acides gras polyinsaturés (AGPI) susceptibles de subir une peroxydation

La peroxydation lipidique se décompose en trois phases :


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Phase d'initiation : Un radical libre (ex : radical OH°, HO2°, RS°) va s’attaquer à un premier AGPI (RH) :

RH + OH° => R° + H2O Attention O2°- n'est pas suffisamment réactif pour initier directement la peroxydation, il faut qu’il soit transformé en un autre radical plus réactif

Phase de propagation : R° + O2 => ROO° ROO° + RH => ROOH + R° R° + O2 => etc

Phase de terminaison (rencontre de 2 espèces radicalaires) R° + R° => R-R

ou RO° + R° => ROR ou ROO° + ROO° => ROOR + O2 ou ROO° + R° => ROOR

Formation de nombreux dérivés au cours de la peroxydation lipidique : diènes conjugués, hydro et endoperoxydes, aldéhydes (4-hydroxynonénal, malondialdéhyde, acroléine, etc)

Propriétés des aldéhydes : condensation avec les groupements aminés des protéines => réticulation et agrégation (ex : apolipoprotéine B des LDL)

Si fixation, sur les protéines, des dérivés libérés au cours de la peroxydation lipidique : => formation de lipofuschines => modification de l’antigénicité des protéines => formation d’Ac (ex : Ac anti LDL oxydées)


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Peroxydation de l'acide arachidonique

14 11 8 5 COOH

Arrachement- H°

COOH

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°Réarrangementmoléculaire

11 ° COOH

Diène conjugué (DC) (absorbance 234 nm)

O2

O° O

Radical peroxyle DC

H O RH O R° O O

DC DC COOH

Hydroperoxyde lipidique Endoperoxyde

O2

4-hydroxynonénal + Malondialdéhyde (MDA) + autres produits (acroléine)

CH3 - (CH2)4 - CHOH - CH = CH-CHO CHO - CH2 - CHO


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Acides nucléiques Oxydation des sucres Oxydation des bases de l’ADN => formation de nombreux produits de dégradation

Deux principales bases oxydées : ? thymine glycol ? 8-hydroxyguanine [à l’origine de la formation de la 8-hydroxy-2’désoxyguanosine (8-OHdG)]

Système de réparation : excision des bases oxydées

Nitrosylation de l’ADN par le NO°

Mutations : les produits libérés lors de la peroxydation lipidique forment des adduits avec l’ADN Sensibilité particulière de l’ADNm à un stress oxydant car : ? ADNm (membrane interne) présent à proximité de la chaîne respiratoire ? Absence d’histones (protéines présentes dans le noyau)


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? Capacité de réparation moindre comparée à l’ADN nucléaire : - l’ADN polymérase mitochondriale ne possède pas d’activité exonucléasique - les dimères de pyrimidine et l’alkylation sont difficilement réparables - les lésions provoquées par les UV sont difficilement réparables dans l’ADNm

=> 10 fois plus de mutations sur l’ADN mitochondrial que sur l’ADN nucléaire

Les ROS produits par les mitochondries => dégâts sur l’ADN mitochondrial (mutations ponctuelles et nombreuses délétions dont la plus fréquente est une délétion de 4977 pb) => perturbations dans le fonctionnement de la mitochondrie

Rappels sur l’ADN mitochondrial 1000 mitochondries par cellules (chez l’homme) Chaque mitochondrie contient 5 à 10 molécules d’ADN ADN double brin, circulaire, 16 569 paires de bases (chez l’homme) Séquence entièrement déterminée Absence d’introns et de promoteur individualisé Transmission maternelle car les mitochondries de l’oeuf proviennent de l’ovule L’ADN mitochondrial code uniquement pour 13 protéines parmi la centaine de protéines

intervenant au niveau de la chaîne respiratoire (complexes I-IV) et de l’ATP synthétase (complexe V) : - 7 sous-unités de la NADH oxydoréductase (complexe I) - 1 sous-unité de la cytochrome c réductase (complexe III) - 3 sous-unités de la cytochrome c oxydase (complexe IV) - 2 sous-unités de l’ATP synthétase (complexe V)

Le complexe I semble le site le plus vulnérable La plupart des protéines mitochondriales sont codées par des gènes nucléaires, puis sont

traduites dans le cytoplasme et transloquées dans la mitochondrie Contrairement à l’activité des enzymes codés par l’ADN mitochondrial, celle des enzymes codés par

l’ADN nucléaire ne sont pas modifiées au cours du vieillissement

REPONSE CELLULAIRE A UN STRESS OXYDANT La cellule qui subit un stress réagit par l’expression de très nombreux gènes : enzymes antioxydantes, enzymes de réparation de l’ADN (ex : méthyl-guanidine-ADN-méthyltransférase), protéines de choc thermique (HSP), protéines liées au transport du glucose, facteurs de transciption, messagers secondaires, etc. Si le stress n’est pas trop important, tout rentre dans l’ordre, sinon => vieillissement et mort cellulaire La réponse cellulaire à un stress nécessite de l’énergie (la quantité d’énergie produite diminue avec l’âge)


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Les cellules différenciées sont les plus vulnérables au stress oxydant (ex : cellules nerveuses et musculaires)


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EXPLORATION

MESURE DIRECTE

La mesure directe des ROS est difficile (résonance para-électronique) car demi-vie courte et concentration faible => intérêt des marqueurs indirects

MESURE INDIRECTE Mesure des ROS

Anion superoxyde : - réductrion du bleu de tétrazolium (NBT), cytochrome c - chémiluminescence NO° : dosage des nitrites (NO2-) et des nitrates (NO3-)

Activité des enzymes antioxydantes

SOD (cytosolique, mitochondriale et extracellulaire), GPx, Catalase, Glutathion réductase Activité des enzymes générant des ROS

NADPH oxydase, myéloperoxydase Xanthine oxydase

Antioxydants non enzymatiques

Vitamines : vitamine A, E et C, flavonoïdes, bêta-carotènes Glutathion, urate, bilirubine, ubiquinone Protéines : ferritine, transferrine, lactoferrine, hémoglobine, myoglobine, céruloplasmine Oligoéléments : Cu, Zn, Mn (cofacteurs de la SOD), Se (cofacteur de la GPx) Pouvoir antioxydant total du plasma (TRAP : « total radical trapping parameter »)

Produits de réaction entre les ROS et les molécules biologiques

Marqueurs de la peroxydation lipidique

? Dosage des aldéhydes - Dosage du MDA, 4-hydroxynonénal et autres aldéhydes par CLHP - Dosage de l’ensemble des aldéhydes après dérivation chimique par :

- le N-méthyl-2-phenylindole (méthode LPO-586) - l’acide thiobarbiturique : TBARS (substances réagissant à l’acide thiobarbiturique) Spectrophotométrique, fluorimétrie, spectrométrie dérivée (moins d'interférences) Dosage peu spécifique, peu sensible

? Diènes conjugués Oxydation des AGPI => formation des diènes conjugués => ∨ absorption à 234 nm Dosage peu spécifique car de nombreuses substances absorbent à cette longueur d'onde


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Attention à la turbidité du milieu réactionnel

? Isoprostanes : produits formés au cours de la peroxydation de l’acide arachidonique Dosages immunologiques ou chromatographiques (GC-SM = méthode de référence)

? Hydroperoxydes lipidiques Dosage de l'ensemble des hydroperoxydes lipidiques

(techniques iodométriques, orange xylenol, chimiluminescence, etc.) Dosage des sous-espèces (hydroperoxydes des CE et des PL)

? Autres marqueurs : - pentane expiré (technique non invasive, CPG) - Ac anti LDL oxydées - oxydes de cholestérol - phospholipides oxydés, etc

Interprétation des résultats

Existe-t-il des produits résultant d'une peroxydation lipidique dans le plasma ? Problèmes : - conservation des prélèvements (traitement immédiat, ne pas congeler) - absence de spécificité des paramètres évalués

Si les produits résultant d'une peroxydation lipidique sont présents dans le plasma, où sont-ils localisés ? Réponse : sur les lipoprotéines

Les produits résultant d'une peroxydation lipidique présents sur les lipoprotéines, traduisent-ils une peroxydation des lipoprotéines ou sont-ils simplement transportés par celles-ci ? S'ils sont transportés, d'où viennent-ils (tissus, alimentation) ?

Marqueurs de l’oxydation des protéines

? Dosage des groupements carbonylés Par colorimétrie ou fluorimétrie avec la DNPH (2,4-dinitrophénylhydrazine) (formation d’une hydrazone colorée) Par dosage immunologique (ELISA)

? Dosage de la 3-nitrotyrosine Attention aux artéfacts si dosage par CLHP couplée à une détection électrochimique

Marqueurs de l’oxydation de l’ADN

Le plus intéressant : 8-hydroxy-2’désoxyguanosine (8-OHdG) (nucléoside formée à partir de la 8-OH guanine) car détection électrochimique sensible après séparation chromatographique

Matériel coûteux (CLHP, GC-MS) (laboratoires spécialisés) Quantité de matériel biologique importante. Eviter toute oxydation lors de l’isolement de l’ADN Difficilement applicable en routine


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Méthodes histochimiques

Quelques exemples : - réaction de Schiff pour la localisation d’une peroxydation lipidique - Ac anti MDA- ou HNE-protéines


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STRESS OXYDANT ET VIEILLISSEMENT PHYSIOLOGIQUE

Théorie radicalaire du vieillissement formulée dès 1956 par Harman (J. Gérontol, 11, 298) Au cours du vieillissement normal, il apparaîtrait un déséquilibre entre la production de ROS et les

systèmes de protection antioxydants. Cette théorie est compatible avec la théorie stochastique d’Orgel (1963) (erreurs aléatoires) et la théorie déterministe d’Hayflick (1965) (le vieillissement est programmé)

Arguments expérimentaux en faveur de la théorie radicalaire

Quelques résultats expérimentaux :

- La lipofuschine (pigment formé au cours de la peroxydation lipidique) s’accumule avec l’âge dans de nombreux tissus. Pigment également présent chez les patients atteints d’une trisomie 21 (mongolisme, syndrome de Down) (= modèle humain de vieillissement accéléré) - La neuromélanine (pigment formé après oxydation par H2O2 de certains dérivés des catécholamines) s’accumule dans les noyaux catécholaminergiques des sujets âgés => perte neuronale - Les « TBARS » plasmatiques ∨ avec l’âge dans les modèles de vieillissement accéléré chez la souris et dans la trisomie 21

- ADN : ∨ de la 8-OHdG chez l’homme (cerveau et le coeur) et chez le rat (foie) Apparition de délétions dans le génome mitochondrial au cours du vieillissement Résultats divergeants sur la baisse des systèmes de réparation de l’ADN au cours du vieillissement

(∨ dans les mitochondries et ¬ dans les noyaux)

- ∨ de l’oxydation des protéines (dérivés carbonylés) - Mutation nulle de la Mn-SOD chez la drosophile Homozygote => mort Hétérozygote => ∨ sensibilité au stress oxydant

Mécanisme

Deux hypothèses : - ∨ de la production des ROS - ¬ des défenses antioxydantes

1ère hypothèse : le vieillissement physiologique résulte d’une surproduction de ROS Non car la production physiologique de ROS est trop faible dans les conditions physiologiques,

même si une augmentation de ROS (en particulier produites par les mitochondries) a été mise en évidence avec l’âge chez le rat

2ème hypothèse : il existe une baisse des défenses antioxydantes au cours du vieillissement Résultats expérimentaux :

Dans la progeria (vieillissement génétique accéléré) : ¬ Mn-SOD, GPx et catalase


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Travaux de Cutler (1984) : il existe une corrélation positive entre la longévité de nombreuses espèces animales et certains antioxydants (SOD, acide urique, vitamine E, etc). Mais :

- aucune corrélation avec vitamine A, vitamine C, céruléoplasmine - corrélation négative avec G-SH, GPx et TBARS


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Dans la trisomie 21 : - ∨ (50%) de la Cu/Zn-SOD dont le gène est présent sur le chromosome 21

Cette ∨ résulte de l’expression du gène présent sur le chromosome 21 surnuméraire) (le gène de la Mn/SOD est présent sur le chromosome 6)

- ∨ GPx (chromosome 3) : ∨ secondaire à la présence d’un stress oxydant - Catalase : activité normale

Interprétation

L’interprétation des résultats concernant le taux des antioxydants et les activités enzymatiques antioxydantes est difficile

1er cas : une ¬ des défenses antioxydante est observée. Cette ¬ est-elle : - primaire ? Avec pour conséquence l’apparition d’un stress oxydant - secondaire à un stress oxydant ? La ¬ observée serait alors le reflet d’une consommation

2ème cas : une ∨ des défenses antioxydante est observée. Cette ∨ traduit-elle : - l’existence d’une protection antioxydante renforcée ? - un phénomène adaptatif à un stress oxydant ?

3ème cas : aucune modification des défenses antioxydantes n’est observée : - absence d’un stress antioxydant ?

- u résultante des deux premiers cas ?

La longévité est-elle améliorée lorsqu’on augmente les défenses antioxydantes ? 1ère approche : alimentation enrichie en antioxydants (ex : glutathion, vitamine E) - Chez les mammifères, aucune amélioration de la longévité

Mais effet préventif sur certaines pathologies - Chez les animaux inférieurs (drosophile, nématodes, moustiques) : ∨ longévité 2ème approche : animaux transgéniques surexprimant les enzymes antioxydantes

- Chez la souris transgénique surexprimant la Cu/Zn-SOD, résultats décevants car l’∨ de l’activité SOD se traduit par une peroxydation lipidique accrue dans le cerveau et par la présence d’une dégénérescence neuronale

- Chez la drosophile transgénique pour la SOD ou la catalase : résultats contradictoires

Conclusion

Chez les organismes inférieurs, si la protection antioxydante ∨ => longévité ∨

Chez les mammifères, les résultats sont moins probants Le rôle du stress oxydant dans le vieillissement physiologique serait mineur


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Mais rôle important des ROS dans les pathologies qui accompagnent le vieillissement


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STRESS OXYDANT ET VIEILLISSEMENT PATHOLOGIQUE

INFLAMMATION Au sein du foyer inflammatoire, activation des granulocytes et macrophages => production de ROS (origines : NADPH oxydase, Myéloperoxydase, NO synthase)

ATHEROSCLEROSE

Théorie oxydative de l'athérosclérose

PLASMA

Monocytes

LDL n Cellules endothéliales

n n n n n n n n n n

n LDL LDLox

ROS

n Macrophage

INTIMA

°n °°

° °°° Cellule spumeuse

Cellule musculaire lisse

MEDIA

Principales cellules à l’origine de la production de ROS : monocytes/macrophages (NADPH oxydase),

cellules endothéliales, cellules musculaires lisses (CML), fibroblastes L'oxydation des LDL n'apparaît qu'après consommation de la vitamine E présente dans les LDL


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Etude de la sensibilité à l'oxydation des LDL Notion de « lag phase » (temps de latence à l’oxydation)


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Composition en acides gras et en antioxydants des LDL (mol/mol LDL)

Acides gras :

palmitique (C16) 695 palmitoléique (C16:1) 45 stéarique (C18) 145 oléique (C18:1) 455 linoléique (C18:2) 1100 arachidonique (C20:4) 155 autres AGPI 30 Total acides gras 2625 AGPI 1285 Antioxydants : α-tocophérol 6 γ-tocophérol 0,5 β-carotène 0,3 α-carotène 0,1 lycopène 0,15 cryptoxanthine 0,15 cantaxanthine 0,02 Ubiquinol 10 0,1 autres 0,1 Total 7,5

Si supplémentation en vitamine E

=> ∨ concentration en vitamine E dans les LDL => ∨ lag phase

Sans supplémentation : pas de corrélation entre le taux de vitamine E des LDL et la lag phase Explications : - présence d’autres antioxydants dans les LDL

- influence de la nature des AGPI

Intérêt de l’administration de vitamine E pour prévenir l'athérosclérose ? - Chez l’animal, la supplémentation en vitamine E permet de ralentir l’athérosclérose - La mortalité cardio-vasculaire plus faible observée dans les populations du sud de l’Europe s’expliquerait en partie par une alimentation plus riche en antioxydants. Résultats négatifs avec l’étude SUVIMAX - Les sujets supplémentés en vitamine E ont-ils un risque cardio-vasculaire diminué ?

Résultats contradictoires pour plusieurs raisons : - doses administrées et/ou durée du traitement variables en fonctions des études Apports alimentaires : 10-30 UI/jour Supplémentation : 100-800 UI/jour (∨ lag phase si > 400 UI/jour)

- dans certaines conditions (faible production radicalaire), la vitamine E serait pro-oxydante


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- la vitamine E n’est pas efficace sur tous les ROS (ex : peroxynitrites) Tendance : effet bénéfique en prévention primaire mais peu d’effet en prévention secondaire (les lésions sont déjà installées)


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CANCERS

Arguments en faveur d’un lien entre cancers et stress oxydant : 1 – Des agents chimiques et physiques favorisant l’apparition d’un stress oxydant, provoquent également des cancers :

- agents physiques : radiations ionisantes (formation OH°) et UV (formation OH° et 1O2) - agents chimiques : tabac, alcool, polluants atmosphériques (ozone, oxydes d’azote),

xénobiotiques NO double action : forte concentration => mort des cellules tumorales faible concentration => ∨ croissance cellulaire et métastases Peroxynitrites : action mutagène

2 – Présence d’une inflammation dans de nombreux cancers

3 – Cancers et antioxydants ? De nombreuses études cliniques et épidémiologiques démontrent une relation inverse entre l’apport d’antioxydants et certains cancers (colon, prostate, estomac). Mais, la prise massive de bêta-carotène chez les fumeurs favorise l’apparition du cancer du poumon ! ? Etude SUVIMAX : prise d’antioxydant pendant 8 ans chez l’homme => réduction de 30% des cancers (aucun effet chez les femmes car la prise d’antioxydants était > à celle des hommes au début de l’étude) ? Les antioxydants s'opposent à la formation de dérivés cancérigènes (nitrosamines) ? La vitamine E :

- favorise la réponse immunitaire - inhibe la prolifération de certaines lignées tumorales Des essais de supplémentation en antioxydants sont en cours

? Diminution de l’activité MnSOD et augmentation du 8-OHdG dans les cellules cancéreuses ? Animaux transgéniques : transfection des cellules tumorales par le cDNA de la MnSOD => inhibition de la croissance cellulaire


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MALADIES NEURODEGENERATIVES

Le cerveau est particulièrement sensible au stress oxydant pour les raisons suivantes : - le métabolisme de l’oxygène est intense => production importante de ROS - la concentration en antioxydants est faible (G-SH, SOD, GPx et catalase) - le cerveau est particulièrement riche en AGPI et en métaux de transition - les cellules nerveuses ne se répliquent pas => accumulation des dommages sur l’ADN

Maladie d’Alzheimer Deux caractéristiques biochimiques principales :

? dépôts extracellulaires de la protéine β amyloïde (Aβ) présente au sein de la plaque amyloïde (« plaque sénile »). Formation de la protéine Aβ par clivage protéolytique à partir d’un précurseur transmembranaire (peptide de 39 à 43 aa : la forme de 42 aa semble la plus impliquée dans les dépôts)

? agrégation intracellulaire (neurone) des protéines microtubulaires tau hyperphosphorylées => accumulation de filaments pathologiques (PHF : « paired helical filaments », filaments appariés en hélice) => mort neuronale

10% des cas : origine familiale mise en évidence chez des sujets jeunes présentant des mutations. Trois protéines touchées par ces mutations : précurseur de la protéine Aβ et préséniline 1 et 2

90% : cas sporadiques (sujets âgés combinant des facteurs génétiques et environnementaux) Arguments en faveur de la présence d’un stress oxydant dans la maladie d’Alzheimer : Cerveau de patients autopsiés :

- ∨ de la peroxydation lipidique : ∨ MDA, TBARS, 4-hydroxynonénal (HNE), acroléine, isoprostanes, ¬ AGPI. Localisation préférentielle au niveau des aires corticales affectées par la maladie

- ∨ de l’oxydation des protéines : ∨ dérivés carbonylés, ∨ peroxynitrites (formation de 3-nitrotyrosine)

- ∨ de l’oxydation de l’ADN (8-OHdG) nucléaire et mitochondrial - Accumulation de métaux de transition, AGEs (« advanced glycation endproducts ») (produits

avancés de la glycation) - Résultats contradictoires pour l’activité des enzymes antioxydantes (tendance à une ∨) ∨ expression de l’aldéhyde déshydrogénase (enzyme qui détoxifie le HNE)

LCR : ∨ HNE, isoprostanes, 8-OHdG, 3-nitrotyrosine

Plasma, urines et GR : résultats contradictoires

Souris transgéniques : - Présence d’un stress oxydant dans le cerveau. Un traitement par antioxydant => diminution du

stress et une baisse de la formation de la substance amyloïde - ∨ isoprostanes dans plasma et urine, précède l’apparition de la plaque amyloïde


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Des essais de supplémentation en antioxydants sont en cours


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Origine du stress oxydant

Origine primaire ? - Le stress oxydant ne semble pas résulter d’une déficience primaire en enzymes antioxydantes - ∨ du fer et de la ferritine dans le cerveau => origine ou contribution au stress oxydant ? - La protéine Aβ est capable de produire des ROS (rôle important de la méthionine en position 35? ) à

l’origine de l’activation de la NADPH oxydase ? - Le précurseur de la protéine Aβ fixe les ions cuivriques => production de ROS Les ROS formés => production d’aldéhydes (HNE, acroléine) toxiques pour les neurones

Origine secondaire ? Rôle de l’inflammation ? (inflammation => activation des cellules gliales => ∨ NO)

Conséquences du stress oxydant :

- Atteinte de la chaîne respiratoire mitochondriale par ¬ de l’activité de la cytochrome c oxydase (complexe IV). Si ¬ de l’activité de la cytochrome c oxydase => ¬ ATP et déviation des électrons vers la synthèse des ROS => atteinte des membranes mitochondriales

- Oxydation de certaines enzymes nécessaires à l’activité neuronale (glutamine synthétase, CK) - Dégradation de l’ADN - Formation accélérée de la substance β amyloïde :

Précurseur de la subs tance Sub stance P laqueβ amyloïde β amyloïde amy loïde

RO S +

Sclérose latérale amyotrophique (SLA)

Dégénération des neurones moteurs => paralysie progressive Origine familiale dans 2% des cas

Mutations sur le gène de la Cu/Zn-SOD chez 10-20% des patients Forme sporadique : 98% des cas Dans les formes familiales et sporadiques : ∨ MDA dans les tissus nerveux, plasma et LCR

Autres pathologies neurodégénératives

- Maladie de Parkinson (¬ de l’activité du complexe I de la chaîne respiratoire dans les noyaux gris centraux des patients atteints) - Maladie de Huntington


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DENUTRITION

Deux situations opposées :

Restriction calorique modérée : => protection contre le stress oxydant (rongeurs) => ¬ du métabolisme => ¬ production des ROS => ¬ des dommages de l’ADN mitochondrial et nucléaire

Conséquences : ∨ longévité

Dénutrition importante et/ou déséquilibre nutritionnel : => ∨ stress oxydant => défaut en antioxydants (vitamine E) et/ou surcharges en oxydants Ex : carences d’apports en sélénium. Maladie de Keshan observée dans la province de Keshan (Chine) => cardiomyopathie. Traitement = sélénite de sodium

DIABETE

Glycation non enzymatique (= réaction de Maillard) des protéines (hémoglobine, collagène, cristallin) La glycation contribue au stress oxydant : protéines glyquées + O2 => production d’O2°- Glycation des protéines β amyloïde et tau => rôle dans la maladie d’Alzheimer ?

CATARACTE Production de ROS par action de la lumière (UV) Vitamine C et autres antioxydants présents dans l’humeur aqueuse => protection Relation inverse entre la prise alimentaire d’antioxydants et la formation de la cataracte

MEDICAMENTS Deux possibilités : 1 - Médicaments à l‘origine de la formation directe de ROS (bléomycine, adriamycine) 2 - Bioransformation des médicaments par le foie Oxygénases microsomales à cytochrome P450 => formation de ROS

Ex : paracétamol, phénobarbital, propranolol, adriamycine

Problème de la polymédication chez les personnes âgées


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CONCLUSION

Le vieillissement biologique résulte de nombreux facteurs : activité métabolique, prise alimentaire, génétique, hygiène de vie, facteurs environnementaux Quelle est la place du stress oxydant dans le vieillissement ? Quel est l’impact d’une supplémentation en antioxydants ? Dans le vieillissement physiologique : aucun effet sur la longévité

Dans le vieillissement pathologique : action bénéfique dans certaines pathologies ? (ex : athérosclérose)

VIEILLISSEMENT ET STRESS OXYDANT...Catalase (porphyrine, Fe) : H2O2 => H2O + 1/2 O2 Antioxydant de...

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