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Propriétés cinétiques
La vitesse d‟une réaction chimique (thermodynamiquement spontanée) est un paramètre crucial de la réactivité entre deux molécules (radicalaires ou non). Rappelons brièvement que la vitesse d‟une réaction chimique entre deux réactifs est proportionnelle à la concentration de ces réactifs, le coefficient de proportionnalité symbolisé par k étant appelé la constante de vitesse. Celle-ci est toujours inférieure ou au plus égale à une valeur limite supérieure (1010mol.L.s-1) imposée par la diffusion des molécules. Par exemple, les réactions chimiques entre espèces non radicalaires ont généralement des constantes de vitesse plutôt faibles (comprises entre 10-2 et 102 mol-1.L.s-1) ce qui traduit le fait que ces réactions ne peuvent avoir lieu sans un apport énergétique supplémentaire (énergie d‟activation) limitant ainsi la vitesse de la réaction.
Au contraire, dans le cas des réactions chimiques mettant en jeu des espèces radicalaires, les constantes de vitesse sont généralement très élevées et par conséquent très proches de la valeur limite (1010mol-1.L.s-1), ce qui signifie que la réaction se produit à chaque rencontre entre un radical et sa cible moléculaire (sans apport énergétique particulier).
Prenons le cas du radical hydroxyle •OH qui illustre parfaitement notre propos. Ses constantes de vitesse avec de nombreux substrats biologiques (bases de l‟ADN, nucléotides, acides aminés, peptides, acides gras polyinsaturés, phospholipides…) sont de l‟ordre de 108 à 1010mol-1.L.s-1 (Buxton GV. 1988). Par conséquent, la durée de vie d‟un radical hydroxyle en milieu biologique est extrêmement faible, elle ne dépasse pas quelques microsecondes (10-6s).
Le radical •OH est donc une espèce qui ne diffuse quasiment pas au sein des milieux biologiques et qui réagit sur le lieu même de sa production, ce qui lui confère une toxicité extrême.
Le radical superoxyde (O2•-) a une réactivité beaucoup plus nuancée dans la mesure où, mis à part quelques cibles spécifiques (en particulier les enzymes superoxyde dismutases, SODs, dont il est le substrat (k (O2•- + SOD) = 2.10 mol-1.L.s-1)), il réagit très lentement avec les molécules biologiques. Ses constantes de vitesse sont généralement inférieures à 102mol-1.L.s-1, vis-à-vis de nombreux substrats bio-organiques (ADN et ses constituants, protéines et leurs constituants, lipides membranaires…) (Bielski BHJ et al 1985). Cependant, le radical superoxyde se dismute relativement rapidement à pH = 7 (constante de vitesse: 6.105mol-1.L.s-1 (Bielski BHJ et al 1985)), en l‟absence d‟enzyme, si bien qu‟il disparaît plus vite en réagissant sur lui-même qu‟en attaquant les systèmes moléculaires. Par conséquent, le radical superoxyde ne présente pas de toxicité « directe » vis-à-vis des matériaux biologiques. Toutefois, la présence in vivo d‟enzymes telles que les SODs, qui accélèrent sa dismutation, semble impliquer un effet relativement délétère des radicaux O2•-.
D‟autres radicaux libres, comme les radicaux peroxyles RO appartenant eux aussi à la famille des ERO, possèdent des propriétés cinétiques intéressantes. Ces dernières seront évoquées à l‟occasion de la description du mode d‟action des radicaux hydroxyles.
Certains radicaux sont beaucoup plus stables que ne le laisse prévoir l‟énergie de la réaction. On parle alors de stabilité cinétique par opposition à la stabilité thermodynamique. Le facteur principalement responsable de cette stabilité est l‟encombrement stérique du centre radicalaire. L‟encombrement autour du centre radicalaire quand il devient important diminue fortement sa réactivité vis-vis d‟un substrat.
Le concept de stabilité appliqué à l‟ensemble des radicaux libres conduit à les classer en deux catégories en fonction de leur durée de vie. Ainsi on aura:
les radicaux libres fugaces :
Ils sont très réactifs ou fugaces avec une durée de vie est inférieure à 10-3s. ils ont la capacité de réagir avec eux même ce qui limitent considérablement leur durée de vie. Ces radicaux sont impliqués dans la plupart des processus radicalaires en particulier les réactions en chaine. C‟est le cas du radical hydroxyle •OH, qui est un oxydant puissant non seulement parce que son potentiel standard d‟oxydoréduction est très élevé (•OH/H2O = +2,34V à pH 7) mais également parce que ces constantes de vitesse sont très importantes. Cela signifie que lorsqu‟un radical hydroxyle rencontre un substrat il réagit dès la première collision sans qu‟un apport énergétique soit nécessaire. Il résulte de cette réactivité que le radical hydroxyle est une espèce qui diffuse très peu et par conséquent qui réagit quasiment sur le lieu de sa production ou à quelques dizaines de nanomètres de distance. Ce sont donc des radicaux peu sélectifs qui n‟ont pas de cibles moléculaires privilégiées. Une autre conséquence importante de cet aspect cinétique, est le fait que leur dosage va être difficile.
les radicaux libres persistants :
Ils sont stables avec une durée de vie supérieure à 10-3s. Une telle durée de vie peut être due à deux effets: un effet thermodynamique dû à une grande délocalisation du radical, on parle alors de radicaux stables ou un effet cinétique du au fort niveau d‟encombrement du radical, on parle alors de radicaux persistants.
SOURCES DES ESPECES REACTIVES DE L’OXYGENE
Sources endogènes
Une des plus grandes sources endogènes de production de radicaux libres est la mitochondrie. Les peroxysomes, les microsomes et les leucocytes sont aussi d’importantes sources de production de radicaux libres. Le stress psychologique, l’inflammation (infection, maladies chroniques), le cancer, l’ischémie-reperfusion et la mort cellulaire sont aussi des facteurs endogènes de production des radicaux libres (Moller et al., 1996)
L’auto-oxydation des petites molécules
L’auto-oxydation de molécules telles que la dopamine, l’adrénaline, les flavines et les hydroquinones, est une des sources de production ERO (Freeman BA, Crapo JD. 1981).
L’auto-oxydation de la dopamine est en partie impliquée dans le processus apoptotique lors de pathologies neuro-dégénératives, notamment lors de la maladie de Parkinson (Thannickal VJ, Fanburg BL 2000). Il a été mis en évidence que la formation de quinone par auto-oxydation de la dopamine endogène jouait un rôle majeur dans la dysfonction dopaminergique observée de cette maladie (Miyazaki I, Asanuma M. 2009), (Miyazaki I, 2000)
NADPH oxydase ou NOX
C‟est une oxydase transmembranaire capable de transférer des électrons au travers des membranes biologiques. Elle catalyse la réduction monoélectronique de l‟oxygène en utilisant le NADPH ou le NAD comme donneur d‟électrons selon la réaction suivante : NADPH oxydase 2O2+ NADPH → 2O2•-+ NADP+ + H+
Elle a été initialement décrite dans les cellules phagocytaires ou elle joue un rôle fondamental dans la réponse immunitaire et plus précisément dans la lutte contre les micro-organismes (Dellatre et al, 2007). Par ce phénomène la NADPH oxydase phagocytaire représente une source majeure de production d‟EROs dans le poumon (Krause, 2004).
Xanthine oxydase (XO)
La production des EROs par la xanthine oxydase est faible en condition basale mais jouerait un rôle important lors de l‟ischémie-reperfusion par hyperproduction d‟anions superoxyde (Couden, 1994).
Dans la reperfusion, la xanthine oxydase oxyde l’hypoxanthine accumulé en xanthine, et la xanthine en acide urique, et réduit l’O2 en O2•- et H2O2 (Hille and Massey, 1981).
Hypoxanhine Xanthine + O2 + H2O → xanthine + O2 + H2O → Acide urique + + H2O2 H2O2 2002).
La xanthine oxydase entraîne la réduction de l‟oxygène en O2•-. Cependant, in vivo, l‟essentiel de l‟oxydation de la xanthine et de l‟hypoxanthine est assuré par la xanthine déshydrogénase qui utilise préférentiellement comme accepteur d‟électrons la NAD+ (Stirpe F, et Della Corte E. 1969) Dans les conditions normales, le métabolisme des bases puriques entraine donc une source négligeable d‟anion superoxyde (Halliwell B, et Gutteridge JM. 1988)
La conversion de la XDH en XO peut cependant survenir au cours du syndrome d‟ischémie-reperfusion. Une forte production d‟anion superoxyde est alors être observée au cours de ce phénomène (Halliwell B, et Gutteridge JM. 1988).
NO synthase
L‟espèce radicalaire le monoxyde d‟azote (ou NO•) est produite par des systèmes enzymatiques que sont les différentes NO synthase (ou NOS) à des fins de médiations cellulaires. Rappelons que la production concomitante dans un même site de NO• et de superoxyde s‟avère très dommageable en donnant naissance au radical peroxynitrite (Favier, 2003).
Enzymes de la voie de l’acide arachidonique
L‟acide arachidonique provient de l‟hydrolyse des phospholipides par la phospholipase A2. L’acide arachidonique est un acide gras polyinsaturé qui joue un rôle de second messager via une voie de signalisation impliquant le contrôle de la protéine kinase C et de la MAP kinase p38. Ainsi dans les phénomènes d‟apoptose ou de prolifération cellulaire, on observe la libération de grandes quantités d‟espèces réactive de l‟oxygène (Hille R, Nishino T. 1995). L’acide arachidonique est le substrat de la lipo-oxygénase pour la synthèse des leucotriènes.
Cette synthèse met en jeu une série d‟oxydations qui implique la production de ERO. La production de ERO par cette voie pourrait jouer un rôle dans le cadre de l’initiation de la réponse inflammatoire. (Becuwe P, et al. 2003)
Les lipo-oxygénases :
Ce sont des dioxygénases qui oxydent les acides gras en des sites spécifiques pour donner des hydroperoxydes d‟acides gras insaturés. Selon l‟emplacement de l‟atome carboné ou a lieu préférentiellement l‟attaque oxydative (le substrat de référence étant l„acide arachidonique), on distingue 5-LOX, 12-LOX, et 15-LOX. La 5-LOX est l‟enzyme la mieux connue pour son rôle dans la biosynthèse des leucotriénes A4, B4, C4, D4 et E4. Elle a été identifiée comme source potentielle d‟EROs sur des préparations lymphocytaires (Bonozzi et al 2000): les métabolites qu‟elle génère notamment en réponse à IL-1 modifient l‟homéostasie redox intracellulaire probablement par la production de peroxyde d‟hydrogène régulant ainsi certaines voies de signalisation redox sensibles.
Cyclo-oxygénases (COX)
Les COX ont une activité enzymatique de type Prostaglandine H synthase (PGH synthase). Deux isoenzymes ont été identifiées: PGH synthase-1 ou COX-1, et la PGH synthase-2 ou COX 2 (Smith et al 2000). COX-1 semble être impliqué dans la production cellulaire d‟EROs en réponse à une stimulation par le TNF-α, l‟IL-1 ou le lipopolysaccharide (LPS).
Les mécanismes moléculaires impliqués dans l‟action des COX sur la production radicalaire ont été décrits par Van der Donk et ses collaborateurs (2002)
Enzymes des organites cellulaires Enzymes mitochondriales
Les EROs sont générés au niveau de la membrane mitochondriale interne, près de laquelle est localisé l‟ADN mitochondrial. La mitochondrie est le siège d‟un métabolisme important de l‟oxygène. Lorsque ce métabolisme est incomplet, des EROs sont produits et peuvent sortir de la mitochondrie. Les complexes I et III de la chaîne mitochondriale semblent être à l‟origine de la fuite des électrons. Ainsi, compte tenu de l‟intense activité de la chaîne respiratoire dans les organismes aérobies, la fuite des électrons d‟origine mitochondriale semble être la source majoritaire d‟EROs dans la cellule, devançant les activités de la NADPH oxydase membranaire.
La mitochondrie est un organite intracellulaire ubiquitaire hautement spécialisé dans la production d‟énergie sous forme d‟ATP, indispensable aux fonctions cellulaires. La production d‟énergie sous forme d‟ATP se fait à partir du catabolisme des nutriments. Ceux-ci sont pris en charge par le cycle de Krebs, voie métabolique particulière qui libère très peu d‟énergie sous forme de liaison phosphate mais permet l‟oxydation complète de l‟acétyl CoA. L‟énergie ainsi libérée est transformée sous forme d‟équivalents réduits, NADH,H+ et FADH2, substrats donneurs d‟électrons à la chaîne respiratoire mitochondriale. Les électrons sont transférés tout le long de la chaîne respiratoire au cours des réactions d‟oxydoréduction jusqu‟à l‟accepteur final, l‟oxygène. Les formes réduites, NADH,H+ et FADH2, cèdent respectivement leurs électrons au complexe I et II de la chaîne respiratoire mitochondriale. En condition physiologique, 80% des EROs de la cellule sont produites par la mitochondrie. Une proportion significative de l‟oxygène (2 à 6%) échappe à la réduction complète en molécule d‟eau et subit une réduction mono-électronique au niveau des complexes I et III de la chaîne respiratoire, pour produire l‟anion superoxyde O2•⎯.
La contribution relative des différents complexes de CRM (chaine respiratoire mitochondriale) à la production totale mitochondriale d‟O2•⎯ dépend fortement du tissu examiné (Kwong, Sohal 1998). Le complexe III a longtemps été considéré comme le site principal de production d‟O2•⎯ (Turrens, Boveris 1980). Néanmoins, ces dernières années, il a été largement montré que le complexe I joue aussi un rôle important dans la production d‟O2•⎯, notamment dans les cellules cérébrales (Barja 1999), en condition physiologiques et pathologiques comme lors du vieillissement ou de maladies neurodégénératives telles que la maladie de Parkinson (Schapira, 1998).
Enzymes lysosomiales
Les lysosomes sont des corps sphériques constitués par une membrane et qui contiennent des enzymes telles que la myéloperoxydase (MPO), qui est une enzyme initialement présente dans les polynucléaires neutrophiles (PNN) et les monocytes mais absente dans les macrophages. Lorsque les PNN sont activés, ils sont capables de secréter la MPO, présente dans les granules primaires de ces cellules, les lysosomes (Serteyn et al ,2003). Les macrophages sont alors capables de capturer la MPO devenue extracellulaire par dégranulation ou par lyse des PNN.
La MPO est responsable de la synthèse directe ou indirecte de nombreuses espèces oxydantes qui, s‟ils sont contrôlés participent à la défense de l’hôte. Toutes les MPO isolées à ce jour à partir des neutrophiles de différentes espèces produisent les mêmes familles d‟oxydants, avec en premier l‟acide hypochloreux (HOCl), un oxydant fort, capable d’oxyder et de chlorer de nombreuses molécules (Klebanoff, 1999).
L‟acide hypochloreux réagit avec les acides α-aminés pour former des dérivés chlorés instables tels que les chloramines, évoluant rapidement et avec production d‟espèces radicalaires intermédiaires vers la formation de carbonyles et d‟aldéhydes en libérant du dioxyde de carbone (CO2) et l’ammonium (Hazen et al, 1998). Il réagit également avec le peroxyde d‟hydrogène (H2O2) et avec les nitrites (NO2-, dérivés de la réaction de NO• avec l’oxygène), et même avec le peroxynitrite (ONOO-), pour donner des espèces nitrantes (Radir et al, 2001).
HOCl réagirait avec O2•- pour former le radical hydroxyle (•OH). Par cette voie réactionnelle, la MPO serait responsable de l‟apoptose des cellules transformées comme les cellules tumorales, productrices d‟O2•-, mais ces données restent contestées (Paul et Bauer, 2001).
La MPO intervient dans la nitration et la chloration des acides aminés
aromatiques comme la tyrosine, par l‟oxydation de NO- en NO•2 (Van Dalen et al, 2000) ou par la voie d’un intermédiaire instable, le chlorure de nitryle (NO2Cl), générateur des radicaux NO•2 et •Cl, surtout à pH acide. Ces réactions de nitration et de chloration (avec des rendements variables) sont démontrées in vitro, mais plus difficiles à mettre en évidence in vivo.
Des protéines nitrées sont formées dans les alvéoles pulmonaires au cours des réactions inflammatoires aiguës (bronchopneumonie, syndrome de détresse respiratoire aiguë) en relation avec la présence des neutrophiles et l’activité intra-alvéolaire de la MPO (Van der Vliet et al, 1999 ; Sittipunt et al, 2001).
Les lipoprotéines de faible densité (LDL), les stérols et les résidus tyrosyles sont chlorés par la MPO dans les pathologies d’athérosclérose (Hazen et Heinecke, 1997).
L’activité de la MPO est à l’origine de la production d’oxygène singulet (1O2) par réaction entre HOCl et H2O2 (Karnofsky et al, 1984).
Cette forme de l’oxygène, non radicalaire mais très énergétique, est capable d’oxyder la majorité des composés organiques, mais la réalité de sa production in vivo reste discutée.
L‟intérêt actuel pour la MPO au cours du stress oxydatif résulte de sa fonction primordiale de transformation du peroxyde d‟hydrogène en d‟autres espèces réactives de l‟oxygène et à un possible rôle de marqueur du stress oxydant, au cours de la pathologie d‟athérosclérose par exemple (Brennan et Hazen, 2003).
Le réticulum endoplasmique et le cycle catalytique du cytochrome P450 Le réticulum endoplasmique est un sous compartiment de la cellule. Il est séparé en réticulum endoplasmique rugueux et lisse. Le réticulum endoplasmique lisse contient des enzymes qui catalysent des réactions de détoxification des drogues liposolubles et d‟autres métabolites toxiques. La plus connue de ces enzymes est le cytochrome P450 qui oxyde les acides gras insaturés et les xénobiotiques tout en produisant des ERO. Les cytochromes P450 (CYP450) sont des complexes enzymatiques qui utilisent le dioxygène pour oxyder un substrat (Halliwell B, Gutteridge JM. 1986) ; (Halliwell B, Gutteridge JM. 1988). Le fonctionnement des CYP450 requière un agent réducteur, généralement le NADPH. La réaction catalysée par le CYP450 peut être résumée par l‟équation suivante : Où AH est le substrat et RH2 l‟agent réducteur.
Il existe chez l‟homme de multiples isoformes des CYP450 qui sont chacun spécifique d‟un ou plusieurs substrats. Ces substrats peuvent être un stéroïde, un acide biliaire ou un xénobiotique. La réaction catalysée par le CYP450 peut parfois conduire à la formation d‟O2•- lorsque l‟O2 subit une réduction monovalente. Certains CYP450, tels que le CYP2E1 impliqué dans le métabolisme de l‟alcool, sont particulièrement pourvoyeurs d’O2•-. La majorité des CYP450 sont localisés dans le réticulum endoplasmique. Certains sont cependant de siège mitochondrial (Slaughter RL, Edwards DJ. 1995). Ces CYP450 mitochondriaux possèdent une composante supplémentaire, la ferrédoxine qui joue le rôle de donneur d‟électrons intermédiaire entre le NADPH et le substrat. Cette réaction de transfert est catalysée par la ferrédoxine réductase.
Lorsque la concentration de ferrédoxine est limitée, la ferrédoxine réductase peut être responsable de la formation d’O2•- (Rapoport R, et al 1995)
Enzymes peroxysomales
Un peroxysome est un organite cellulaire entouré par une membrane simple et ne contenant pas de matériel génétique. Un peroxysome contient de nombreuses enzymes générant une grande quantité d‟H2O2. Toutefois l’H2O2 généré est rapidement détoxifié par la catalase peroxysomale. Cette utilisation par la catalase joue un rôle particulier dans l‟homéostasie. Cette réaction est particulièrement rénale et hépatique puisqu‟un dysfonctionnement de la catalase peroxysomale accélère l’atteinte rénale chez les patients diabétiques (Hwang I, et al. 2012)
Le peroxysome est une source importante dans la production cellulaire de H2O2 car cet organite contient de nombreuses enzymes: glycolate oxydase, D-aminoacide oxydase, urate oxydase, hydroxyacide oxydase, acylCoA oxydase… générant du H2O2. Toutefois ce dernier est utilisé comme substrat par la catalase peroxysomale afin de réaliser des réactions dans le processus de détoxification présent dans le foie et le rein. Il semble cependant qu‟une faible quantité de H2O2 produit au niveau du peroxysome pourrait échapper à la catalase mais jusqu‟à présent aucun rôle spécifique des EROs d‟origine peroxysomal n‟a été décrit (Delattre et al, 2007).
Enzymes nucléaires
La membrane nucléaire possède également des cytochromes oxydases et une chaine de transfert d‟électrons dont la fonction physiologique est inconnue. Son activité est beaucoup plus faible que celle de son homologue mitochondriale mais une perte d‟électrons peut également intervenir générant ainsi l‟anion superoxyde.
Les effets de ces EROs produits à proximité de l‟ADN nucléaire pourraient être fonctionnellement importants par leur capacité des lésions oxydatives de l‟ADN (Halliwell et Guetteridge, 1999b)
Sources exogènes
Les facteurs exogènes associés à une production accrue et/ou à une diminution de l’élimination de radicaux libres sont très variés. Parmi ces facteurs, on retrouve:
L’alimentation (alcool, café, aliments riches en protéines et/ou en lipides et/ou à indice glycémique élevé, faible consommation d’antioxydants) (Hu et al. , 2006), (Moller et al. , 1996);
le CO2 atmosphérique (Bentes de Souza et al. , 2004)
les polluants (fumée de cigarette, pollution atmosphérique (SO2, NO2, O3), hydrocarbures) ;
les métaux occupationnels (métaux de transition tels le mercure, le fer, le cadmium et le nickel), arsenic, amiante) (Valko et al. , 2006), (Valko et al. , 2005), (Moller et al. , 1996) ;
les métaux lourds ayant une grande affinité avec les groupements sulfhydryles (-SH), ils inactivent facilement les antioxydants contenant du soufre (Houston, 2007) ;
les médicaments (antibiotiques, traitements contre le cancer, psoralène) (Moller et al. , 1996);
les radiations (ionisantes, ultraviolets, micro-ondes) (Moller et al., 1996) ;
l’absorption dermique (insecticides, médicaments) (Moller et al. , 1996);
Métaux
Les métaux sont à la fois bénéfiques et toxiques pour l‟organisme. Absorbés en très faible quantité certains comme le cobalt, le cuivre, le molybdène, le zinc, le fer sont indispensables au métabolisme. A fortes doses ils deviennent toxiques, s‟accumulent et perturbent le fonctionnement de l‟organisme, perturbation qui peut se faire par la génération de radicaux libres. Parmi ces métaux on peut citer: le cadmium, le chrome, le vanadium, le cuivre, le zinc mais également le fer. Rappelons que le fer libre existant lors de surcharges générales ou localisées, génèrent en présence de peroxyde d‟hydrogène (H2O2) des radicaux hydroxyles très réactifs selon la réaction de Fenton. Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + -OH + •OH
Il est rapporté par Mustafa et Cross (1971) que le cadmium en faible quantité déprimerait la phosphorylation oxydative au niveau des macrophages pulmonaires. D‟après une étude menée sur des rats par Saad et al (2011), l‟acétate de plomb aurait un effet sur la concentration du glutathion réduit (GSH) tissulaire et les activités des enzymes antioxydantes que sont : la glutathion peroxydase (GPx), glutathion reductase (GR) et la glutathion S-transférase (GST). Ceci s‟accompagne d‟une augmentation des radicaux libres qui aurait initié la peroxydation lipidique avec une augmentation de la concentration de malondialdéhyde (MDA) hépatique, qui est un biomarqueur de la peroxydation lipidique.
Il y‟a également les particules inhalées telles que l‟amiante et ou la silice qui sont des sources de radicaux par la phagocytose exacerbée qu‟elles déclenchent et aussi parce qu‟elles sont recouvertes de sels de fer en surface.
Agents chimiques
La pénétration dans l‟organisme de certaines substances ou produits toxiques est à l‟origine de production de radicaux libres par la cellule.
La mieux connue et la plus étudiée est le tétrachlorure de carbone (CCl4) qui est un toxique hépatique. Il est actuellement bien démontré que la réaction initiale responsable de son action toxique est sa scission homolytique impliquant le fer ferreux du cytochrome P450 au niveau du réticulum endoplasmique lisse du foie avec production de radicaux libres: le trichlorométhyle (•CCl3) et le chlore monoatomique (•Cl). Le •CCl3 réagirait rapidement avec l‟O2 pour former le radical trichlorométhylperoxyde CCl3O2•. Ce dernier radical plus encore que le trichlorométhyle attaquerait rapidement les acides gras non saturés (Dianzami, 1987). En cas d‟hypoxie au niveau hépatique il y‟a production d‟un radical carbéne encore très réactif dont la fixation tissulaire serait à l‟origine des destructions cellulaire observées (Viala, 1998).
Nous pouvons également donner l‟exemple du benzène qui, après pénétration dans l‟organisme, subit des transformations au niveau du foie qui entrainent la formation in situ de phénols qui serait responsable de sa toxicité. En effet la toxicité médullaire spécifique du benzène s‟expliquerait par les transformations métaboliques réalisées au niveau de la moelle osseuse (MO). Phénols et diphénols formés subiraient l‟action de monooxygénases, responsables de la formation d‟intermédiaires radicalaires : dérivés phénoxy, semiquinone, très réactifs capables de se combiner irréversiblement avec les acides nucléiques cellulaires. Cette oxydation serait favorisée par les concentrations élevées d‟anions superoxydes présentes au niveau de la MO, du fait de l‟absence de SOD dans ce tissu. Au niveau hépatique par contre la concentration de SOD serait suffisamment importante pour assurer la destruction de l‟anion superoxyde formé au cours du métabolisme et inhiber ainsi les réactions radicalaires (Bergeret et al, 1984).
Ce mécanisme est souvent mis en cause pour expliquer la toxicité de l‟alcool, des résidus de la fumée de cigarette, ou de certains médicaments comme la chloroquine, l‟adriamycine, acétaminophène ou paracétamol.
En effet, le paracétamol est un des analgésiques et antipyrétiques les plus utilisés au monde, cependant ce composé entraîne des effets hépatiques graves à forte dose. Ce n‟est pas l‟acétaminophène en lui-même qui est toxique, mais l‟un de ses métabolites, le N-acétyl-p-benzoquinone imine, ou NAPQI, formé par action du cytochrome P450 (James, 2003).
Il y‟a aussi l‟auto-oxydation de la dopamine qui est en partie impliquée dans le processus apoptotique lors de pathologies neurodégénératives, notamment lors de la maladie de Parkinson (Thannickal et Fanburg, 2000).
Il est maintenant connu que l‟éthanol est susceptible in vitro d‟être oxydé en acétaldéhyde par l‟intervention du radical •OH et qu‟une partie de la voie d‟oxydation microsomale de l‟éthanol implique l‟intervention de ce radical. L‟existence d‟une lipoperoxydation accrue laquelle résulte fréquemment d‟un excès cellulaires de radicaux libres a été décelée dans certaines circonstances au niveau du foie après administration d‟alcool (Vaubourdolle, 1997)
La desferroxamine est une substance qui inhibe la biosynthèse du radical •OH à la fois par ces effets de chélation du fer, et par captation directe de l‟anion superoxyde, précurseur de •OH. Il a été démontré que l‟intoxication alcoolique détermine au niveau hépatique une chute remarquable du glutathion ainsi que l‟activité de la catalase extra peroxysomale, éléments impliqués dans la défense antioxydante et dont la perturbation est prévenue par l‟administration de desferroxamine. Cette prévention suggère que ces altérations sont secondaires à un excès cellulaires de radicaux libres (Vaubourdolle, 1997).
Enfin l‟accroissement de la production mitochondriale d‟anions superoxyde mis en évidence lors d‟intoxication alcoolique pourrait être l‟une des causes des altérations fonctionnelles et structurales des mitochondries observées au cours de l‟alcoolisme expérimental et humain (Vaubourdolle, 1997).
Le méthanol par ses deux métabolites que sont le formaldéhyde et l‟acide formique serait responsable d‟un découplage de la phosphorylation oxydative entrainant le blocage énergétique des processus métaboliques avec formation de radicaux acides organiques dans l‟organisme expliquant en partie l‟acidose métabolique observée dans les intoxications aigues au méthanol (Vaubourdolle, 1997).
L‟alloxane qui est un agent oxydant fort exerce une activité cytotoxique sur les cellules β Langhérans par le produit de sa réduction, l‟acide diallurique (Grankvist et al, 1981). Il établit un cycle d‟oxydoréduction avec formation de radicaux superoxydes, associé à l‟internalisation de fortes doses de calcium dans le cytosol provoquant ainsi la destruction rapide des cellules β pancréatiques (Ammon et al, 1983). Cet effet délétère est inhérent à la vulnérabilité de ces cellules au stress oxydatif en raison d‟une part, de leur pauvreté en Cu++/Zn++ super oxyde dismutase, en catalase et en glutathion peroxydase, d‟autre part au faible contenu en glutathion réduit (Grankvist et al, 1981). Cette fragilité intervient dans les mécanismes qui conduisent à la destruction des cellules β sous l‟effet d‟agents diabétogènes tel que l‟alloxane (Grankvist et al, 1981; Ammon et al, 1983).
L‟ozone (O3), le NO2, le phosphagéne, et le paraquat (herbicide) exercent aussi leur action toxique par la production de radicaux libres en particulier en stimulant la réduction par un seul électron l‟oxygène moléculaire en anion superoxyde (Robert , 1992).
L‟O3 est une forme non radicalaire mais très oxydante (E0= +2.07V). Il se forme dans l‟atmosphère sous l‟effet d‟un rayonnement solaire intense en présence de polluants hydrocarbonés et probablement d‟ions métalliques (métaux de transition). Il se forme aussi lors des orages magnétiques. Sa formation in vivo ne parait pas possible mais par contre ses actions oxydantes sont importantes, au niveau pulmonaire notamment : il attaque tous les types de molécules et particulièrement les lipides insaturés pour former des lipoperoxydes et des aldéhydes lipidiques comme le 4-hydroxynonenal, considérés comme de bons témoins de son passage. Son action sur les lipides conduirait aux cycles de lipoperoxydation avec formation d‟espèces intermédiaires radicalaires, avec production de H2O2 et d‟oxygène singulet. Ses effets in vivo ont été particulièrement bien étudiés au niveau pulmonaire (Pryor et al, 1981).
Rayonnements ionisants (RI)
Les êtres humains sont continuellement soumis à des expositions aux RI, qu‟ils soient d‟origine naturelle (tellurique, cosmique), médicale (radiographie, radiothérapie, médecine nucléaire) ou industrielle. Les rayonnements sont par différents mécanismes des sources de radicaux, qu‟il s‟agisse des rayons ionisants X ou gamma, ou des rayons ultraviolets capables de produire des anions superoxydes ou de l‟oxygène singulet après activation de photosensibilisants. (Hininger et Favier, 2003).
Au sein de la cellule, les rayonnements ionisants peuvent provoquer des dommages à l‟ADN. Le mécanisme d‟action impliqué est double : soit direct en ionisant l‟ADN, soit indirect via l‟ionisation d‟une molécule d‟eau avoisinante. En présence d‟eau, le rayonnement ionisant entraîne la radiolyse de l‟eau qui conduit à la formation des radicaux H• et HO• qui est responsable de 65% des effets des RI. Les dommages de l‟ADN sont ainsi en partie de même nature que ceux générées par les EROs, incluant des lésions des bases, des sites alcali-labiles et des coupures simples et doubles-brins (Foehrenbach et al, 2002). Cette voie indirecte est influencée par la présence d‟oxygène dans la cellule. S‟il existe en grande quantité dans la cellule qui subit une irradiation, il va favoriser la formation à partir des radicaux libres d‟eau oxygénée H2O2, ainsi que d‟autres espèces oxydantes, qui pourront également provoquer par eux-mêmes des lésions de l‟ADN (Foehrenbach et al, 2002).
MECANISME D’ACTION ET CIBLES MOLECULAIRES DES RADICAUX LIBRES
En condition physiologique de nombreux ligands sont capables d‟induire la production cellulaire d‟EROs après fixation à leurs récepteurs spécifiques. (Delattre et al 2007). En effet le paradoxe des EROs en biologie est qu‟ils constituent des espèces très dangereuses, susceptibles d’engendrer un nombre considérable de maladies, tout en étant des espèces indispensables à la vie. Elles remplissent de très nombreuses fonctions utiles. Les EROs participent au fonctionnement de certaines enzymes, à la transduction de signaux cellulaires, à la défense immunitaire contre les agents pathogènes, à la destruction par apoptose des cellules tumorales, au cycle cellulaire, à la différentiation cellulaire, à la régulation de la dilatation capillaire, au fonctionnement de certains neurones et notamment ceux de la mémoire, à la fécondation de l’ovule, à la régulation des gènes, phénomène appelé contrôle redox des gènes (Favier, 2003).
Ainsi, elles joueraient le rôle de neurotransmetteurs car possédant certaines des caractéristiques classiques attribuées aux seconds messagers que sont, la production locale rapide par mécanisme enzymatique régulés, la dégradation rapide par voie enzymatique, la diffusion limitée par leur courte durée de vie, et la spécificité d‟action due à la localisation de leur production associée à une réaction rapide. Ils permettent également d’induire la réponse cellulaire à de nombreux stress, thermiques, ultraviolets, xénobiotiques, permettant l’expression de gènes de défense. (Dalton, 2002)
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE I : STRESS OXYDATIF ET RADICAUX LIBRES
I. STRESS OXYDATIF
I.1. Définition
I.2. Origine et mécanisme du stress oxydatif
II-RADICAUX LIBRES
II.1. Définition
II.2. Principaux radicaux libres
II.2.1. Anion superoxyde
II.2.2. Peroxyde d’hydrogène
II.2.3. Radical hydroxyle
II.2.4. Oxygène singulet
II.2.5. Oxyde nitrique
II.2.6. Dioxyde nitrique
II.2.7. Peroxynitrite
II.2.8. Les radicaux libres organiques
II.3. Aspects physicochimiques des EROs
II.3.1. Propriétés thermodynamiques
II.3.2. Propriétés cinétiques
III. SOURCES DES ESPECES REACTIVES DE L‟OXYGENE
III.1. Sources endogènes
III.1.1. L‟auto-oxydation des petites molécules
III.1.2. NADPH oxydase ou NOX
III.1.3. Xanthine oxydase
III.1.4. NO synthase
III.1.5. Enzymes de la voie de l‟acide arachidonique
III-2- Sources exogènes
III.2.1. Métaux
III.2.2. Agents chimiques
III.2.3. Rayonnements ionisants
Chapitre II : MECANISME D‟ACTION ET CIBLES MOLECULAIRES DES RADICAUX LIBRES
I. MECANISME D‟ACTION DES EROS
I.1. Altération de l‟état redox intracellulaire
I.1.1. Activation du facteur de transcription AP-1
I.1.2. Régulation de l‟apoptose par la mitochondrie
I.1.3. Espèces réactives de l‟oxygène et transmission du signal dans les leucocytes
I.2. Modification oxydative des protéines
I.2.1. Activation des protéines kinases
I.2.2. Inhibition des phosphatases
II. DOMMAGES CREES AUX BIOMOLECULES PAR LE STRESS OXYDANT
II-1. Lipides
II.2. Protéines
II.3. Glucides
II.4. Acide désoxyribonucléique ou ADN
CHAPITRE III : MALADIES CHRONIQUES ET STRESS OXYDANTS
I. MALADIES CARDIOVASCULAIRES
II. DIABETE ET COMPLICATIONS
III. Pathologies du système nerveux
IV. CANCERS
V. PATHOLOGIES BRONCHO PULMONAIRES
VI. PATHOLOGIES OCULAIRES
VII. STRESS OXYDANT ET INFERTILITE MASCULINE
VIII. LE VIEILLISSEMENT DE LA PEAU
IX. PATHOLOGIES RHUMATISMALES
X. PATHOLOGIES DIGESTIVES
CHAPITRE IV : LES MECANISMES DE DEFENSE
I. DEFINITION
II. SYSTEMES DE DEFENSE ENZYMATIQUE
II.1. Superoxydes dismutases
II.2. La Catalase
II.3. Glutathion peroxydase (GPx) et réductase (GR)
II.4. Peroxyrédoxines
II.5. Autres peroxydases
II.6. Hème oxygénase
II.7. Enzymes de réparation des dommages oxydatifs
III. SYSTEMES NON ENZYMATIQUE
III.1. Protéines transporteurs de minéraux
III.2. Métallothionéines
III.3. Albumine
III.4. Gglutathion
III.5. Bilirubine
III.6. Coenzyme Q ou ubiquinone
III.7. Mélanine
III.8. Antioxydants apportés par l‟alimentation
III.8.1. La vitamine E
III.8.2. Vitamine C ou acide ascorbique
III.8.3. Vitamine A
III.8.4. Les dérivés phénoliques issus des végétaux
IV. MEDICAMENTS ANTIOXYDANTS
IV.1. N-Acétyl-Cystéine
IV.2. Anti-inflammatoires non-stéroïdiens
IV.3. Inhibiteurs de l‟enzyme de conversion de l‟angiotensine
CONCLUSION
REFERENCES
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