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Introduction aux radicaux libres et espèces réactives de l’oxygène. Pr H Puy. OXYGENE espèces réactives de l'oxygène (ROS). Il existe des micro-organismes pour lesquels l’oxygène est inutile, et même toxique: anaérobies.

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- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
oxygene esp ces r actives de l oxyg ne ros

OXYGENEespèces réactives de l'oxygène (ROS)

Il existe des micro-organismes pour lesquels l’oxygène est inutile, et même toxique: anaérobies.

L’oxygène est indispensable à la vie des êtres pluricellulaires (aérobies)

L’oxygène est nécessaire à au Tfert d’e- couplé aux phosphorylations oxydatives : source principale de leur énergie

l anoxie est mortelle a court terme
L ’ANOXIE EST MORTELLE A COURT TERME

Entraîne une chute de l’ATP cellulaire

Les tissus résistent inégalement à l’anoxie :

Le cerveau est détruit en 3 minutes

Foie, rein et myocarde en qq heures

Muscle, peau et phanères, bcp plus tard.

caractere toxique de l oxygene
CARACTERE TOXIQUE DE L ’OXYGENE

Cependant, l’oxygène est toxiquepour les organismes

Son utilisation requiert des mécanismes protecteurs

Le caractère toxique de l’oxygène participe à la pathogénie de nombreuses maladies

ros produits accidentels
ROS: PRODUITS ACCIDENTELS

Toutes les réactions impliquant O2 et des ions métalliques peuvent induire des «bavures»

En particulier les flavoprotéines, et surtout les oxydases

principales ros
Principales ROS

ROS (Reactive Oxygen Species)

Ion superoxyde (O2-.)

Radical hydroxyle (OH.)

Ion hydroxyle (OH-),

Peroxyde d ’hydrogène (H2O2)

Origines : chaînes respiratoires mais pas uniquement

slide8
Un radical libre(RL)est constitué par tout atome, groupe d’atomes ou molécules où au moins un électron non apparié occupe une orbitale externe []

Le radical s’en trouve doté d’une réactivité particulière et peut ainsi réagir avec d’autres atomes ou molécules et se comporter, selon le cas, comme un oxydant ou comme un réducteur, afin d’apparier son électron célibataire

Notion de radical libre et définitions I

slide9

Notion de radical libre et définitions II

  • L'oxygène moléculaire diatomique (O2) joue un rôle essentiel dans le métabolisme aérobie comme accepteur terminal d’électrons
  • O2peut former des espèces partiellement réduites, les espèces oxygénées réactives [EOR]radicalaires ou non:

anion superoxyde (O2º-), peroxyde d'hydrogène (H2O2) et radical hydroxyle (HOº)

  • Les espèces oxygénées réactives sont des produits normaux du métabolisme. Leur production basale correspondrait à 3 % de la quantité totale d'oxygène consommé
slide10
Le stress oxydant est observé lorsque la production des espèces oxygénées réactives dépasse les capacités de défense des tissus

Il entraîne des altérations des composants cellulaires, dues aux réactions chimiques des espèces oxygénées réactives avec les lipides, les protéines et les acides nucléiques cellulaires

Notion de radical libre et définitions III

slide11

Radicaux libres (RL)

  • un "radical libre" (RL) est une espèce chimique
  • - qui possède un électron non apparié ('célibataire')
  • - qui a une existence indépendante ('libre')
  • nb:
  • 1/ un RL est généralement écrit R.
  • 2/ certains radicaux sont électriquement neutres
  • tandis que d'autres sont chargés : il existe des radicaux cationiques R.+ et des radicaux anioniquesR.-
slide12

Espèce réactives de l'oxygène (ROS) et

Radicaux libres oxygénés (RLO)

  • Formes réactives de l'oxygène (ROS)
  • _______________________________________________________
  • Formes radicalaires (RLO)Formes non radicalaires
  • _______________________________________________________
    • superoxyde O°-peroxyde d'hydrogène H2O2
    • hydroxyle OH°acid hypochloreux HOCl
    • peroxyle ROO°ozone O3
    • alkoxyle RO°oxygène singulet1Dg
    • hydroperoxyle HOO°peroxynitrite ONOO-
  • _______________________________________________________
slide13

LES FORMES REACTIVES DE L’OXYGENE (FRO/ROS)

Les radicaux libres (RLO): atomes ou molécules ayant un électron non apparié ou célibataire

Les dérivés non radicalaires

NADPH

Oxydase

et autres systèmes

SOD ou

Spontanée en+H+

MPO

HOCl

H2O2

O2

O.-2

NADP - +H +

Fe2+ / Cu2+

NADPH

OH.

1O2

O.-2 anion superoxyde; H2O2 péroxyde d’hydrogène ou eau oxygénée; OH.radical hydroxyl; HOCl acide hypochloreux; 1O2 oxygène singulet, SOD superoxyde dismutase, MPO myélopéroxydase

slide14

1

O

2

.

-

OH

O2

.

-

NO

ONOO

Métabolites réactifs de l’oxygène

Métaux

h

Monooxygénases

Quinones

Oxydases

UVA

.

SOD

O

H2O2

2

Fenton

NOS

Arg

Toute fuite d’électrons en présence d’O2 conduit

à la formation d’ERO (Espèces Réactives de l ’Oxygène)

demi vie de diff rentes eor
Demi Vie de Différentes EOR

Espèces réactives

Demi-vie

(s)

Conc.Physiol

(mol/l)

Hydroxyl radical (OH)

Alcoxyl radical (RO)

Singlet oxygen (1O2)

Peroxynitrite anion (ONOO-)

Peroxyl radical (ROO)

Nitricoxide (NO)

Hydrogenperoxide (H2O2)

Superoxide anion (O2-)

Hypochlorousacid (HOCl)

10-9

10-6

10-5

0.05 – 1.0

7

1 - 10

spontan. heures/jour

(accelere par enzymes)

spontan. heures/jour

(SOD accel. 10-6)

10-9

10-9 - 10-7

10-12 - 10-11

slide17
L’oxygène singulet :

Il existe sous deux formes :

l’oxygène noté 1Σ g+ où les deux électrons célibataires sont de spin opposé. Cette forme très instable se transforme en :

1Δg non radicalaire

Formes activées de l’oxygène

slide18
L’anion super oxyde (O2º-) :

Par capture d’un électron, l’oxygène triplet est réduit en anion superoxyde

O2 + 1e-O2 º-

Il est produit majoritairement par la chaîne mitochondriale, mais également par les oxydases

Formes activées de l’oxygène

slide19
Le peroxyde d’hydrogène (H2O2) :

Par réduction divalente de l’oxygène:

O2 + 2e- + 2H+H2O2 (oxydases)

Par dismutation de O2.-:

2 O2º- + 2H+H2O2 + O2

slide20
Le radical hydroxyle (OH.) :

La coexistence de l’anion superoxyde et du peroxyde d’hydrogène peut engendrer cette espèce oxygénée très réactive

Cette réaction est catalysée par des métaux de transition (comme Fe2+ et Cu+):

Réaction de Fenton

H2O2 + Fe2+ Fe3+ + OH- + OHº

slide22
Fe2+ est reconstitué par divers réducteurs dont l’anion superoxyde.

Fe3+ + O2- Fe2+ + O2

L’ensemble de ces réactions donne le bilan de Haber Weiss ou cycle de Haber Weiss.

H2O2 + O2º- O2 + OH- + OHº

slide23
L’acide hypochloreux (HOCl) :

Par l’action desmyéloperoxydases, H2O2 donne naissance à HOCl au cours de la réaction suivante

H+ + Cl- + H2O2 HOCl +H2O

Pathologies inflammatoires: granulomatoses

Absence de Myeloperoxidase

Augmentation de la susceptibilite aux infections

slide24
Le monoxyde d’azote (NO) :

L-arginine + 2 NADPH + O2 L-citrulline + NOº + 2NADP+

La production concomitante de NOº et de superoxyde à un même site entraîne la formation du peroxynitrite (OONO-) qui est hautement cytotoxique

NOº + O2º- ONOO-

slide25

Synthèse des Voies de formation des EOR

Cyclo-oxygénases

Lipo-oxygénases

Echappement chaîne respiratoire

slide26

Les multiples origines des ERO

  • Physiologiques: respiration, hormones, cytokines, phagocytose
  • Physiopathologiques: déficit en GSH, déficit enzymatique,
  • maladie mitochondriale, inflammation
  • Physique ou chimique: irradiation, xénobiotiques oxydants
  • (médicaments, polluants)
  • Autres stress: stress du réticulum, stress thermique, hypoxie,
  • stress mécanique….
certaines oxydor ductases utilisent l o 2 sans production d nergie
CERTAINES OXYDORÉDUCTASES UTILISENT L’O2 SANS PRODUCTION D’ÉNERGIE

Les oxygénases fixent une molécule d’O2 sur les substrats

Les oxydases oxydent les atomes d’hydrogène des substrats en H2O2

Les hydroxylases fixent un OH sur une chaîne carbonée

Réactions de synthèse : hormones, neurotransmetteurs,….

Réactions de dégradation : acides aminés aromatiques, cholestérol, hème, purines,….

autres syst mes de production
Autres systèmes de production

Auto-oxydation

Cyclo-oxygénase et lipo-oxygénase

Système de transport des électrons dans la membrane nucléaire

Xanthine/xanthine oxydase

O

NH

HN

O

NH

O

NH

Guanine

Hypoxanthine

NAD+

O2

H2O2

O2.

NADH

H2O

NH3

Guanase

Xanthine

oxydase

Xanthine

NAD+

O2

NADH

H2O2

O2.

Acide urique

origine des eor
Origine des EOR

Sources

endogènesexogènes

peroxysome radiation, ultrasons

mitochondrie

cigarette

autooxydation drogues

EOR

phagocytes chaleur

oxyhemoglobine pesticides

enzymes oxydantes infections

detoxification hyperoxie, exercice

pollution (NOx, O3)

slide32
Les mitochondries sont la principale source de production de radicaux libres

Exception pour le foie, où les microsomes sont les principaux producteurs

slide33

Chaîne respiratoire et

production radicalaire au niveau mitochondrial

Tetraréduction

95%

Ion superoxyde

3-5%

Peroxyde

d ’hydrogène

Monoréduction

OH

Radicale hydroxyle

slide34
Métabolisme des peroxydes, des espèces réactives de l’oxygène et de l’azote

Synthèse des plasmalogènes

b-oxydation des acides gras

a-oxydation des acides gras

Métabolisme du glyoxylate

Métabolisme des acides aminés (dégradation des isomères D des acides aminés, catabolisme de la L-lysine, dégradation des polyamines)

ROLES DES PEROXYSOMES

slide35
Oxydases peroxysomales

Glycolate oxydase, D-amino acide oxydase, urate oxydase…

Les peroxysomes utilisent une part importante de l’O2

Production majoritaire de l’ H2O2

slide36
Cytochrome P450 du réticulum endoplasmique

Réaction de mono-oxygenation:

A-H + O2 + NADPH,H+A-OH + H2O + NADP+

Le réticulum endoplasmique est riche en cytochromes P450 impliqués dans les processus de détoxification.

slide37
P450FeIII P450–FeIII-SH

Mécanisme génèse EROS

NADPHCytP450

reductase

2e-

O2

P450-FeIII-SH

SOH

O22-

P450-FeIII-SH + O2-et/ou H2O2

P450-FeIII

ros et d fense contre les micro organismes
ROS ET DÉFENSE CONTRE LES MICRO-ORGANISMES

Les globules blancs utilisent l’O2 pour tuer les bactéries qu’ils ont phagocytés

Les monocytes et polynucléaires neutrophiles ont un mécanisme spécial pour créer des radicaux libres oxygénés

slide41

Complexe actif

O2

O2.-

gp91

gp91

p22

p22

Rap1A

Rac

Rap1A

Rap1A

P

GTP

NADPH + H+

p47

P

activation

P

Rac

p67

NADP

GTP

P

P

p47

P

p67

p40

P

P

p40

P

P

P

Comment se forment les RL, les RLO et les ROS ? (7)

  • Exemples de systèmes enzymatiques générateurs de ROS
  • NADPH oxydase

Assemblage et activation de la

NADPH oxydase des phagocytes

d'après MH Paclet et F. Morel

slide42
H2O2 + Cl-HOCl + OHº

Activation des polynucleaires

NADPH + 2O2 2O2º-+ NADP+ + H +

La NADPH oxydase (FAD, cytochrome b)

H2O2

La myeloperoxydase

production O2º- , OH º

mefaits des ros
MEFAITS DES ROS

Stimulées par les radiations ionisantes

Mutations del’ADN

Peroxydation deslipides

Altération des protéines

Perturbent la transduction dessignaux

Modulent les gènes et les protéines de stress régulant la prolifération la différenciation cellulaire et l’apoptose

slide44

Les effets des ERO

  • Effets physiologiques: croissance cellulaire, inflammation
  • Effets toxiques: ADN, ARN, lipides, protéines
  • Adaptation au stress oxydant:
  • induction des gènes « anti-oxydants »
  • répression des gènes « pro-oxydants »
slide45

Toxicité des ERO

  • ADN: génotoxicité; 8-OH-Guanine, Mutagenèse, cancer
  • ARN: oxydation et altération
  • Lipides: peroxydation, toxicité des produits oxydés,
  • signalisation, athérosclérose ?
  • Protéines: oxydation des acides aminés (Cys, Met…)
  • Nitrosylation (NO), Carbonylation
  • dénaturation (protéines chaperon),
  • agrégation, maladies dégénératives ?
  • Glucides: glycation et dérivés
        • Diabète
slide46

Les cibles Moléculaires des

  • espèces réactives de l'oxygène (ROS)
  • - Quelque exemples de dérivés d’oxydation des bases duDNApar les ROS.

Les altérations du DNA peuvent induire des mutations ou la mort de la cellule

slide47

Les cibles Moléculaires des espèces réactives de l'oxygène (ROS).

  • Exemples d’effets
  • des ROS
  • sur leslipides:
  • exemple de la
  • formation de l’isoprostane
slide48

Les cibles Moléculaires des Radicaux libres (RL) et radicaux oxygénés (RLO),

  • espèces réactives de l'oxygène (ROS),
  • - Oxydation des lipides par les ROS

Aldéhydes dérivés

d’acides gras polyinsaturés

Dérivés du cholestérol: oxystérols

slide49

Les cibles moléculaires des espèces réactives de l'oxygène (ROS)

  • - Exemples d’effets
  • des ROS sur les protéines:
  • dérivés d’acides aminés

Les modifications des protéines peuvent induire des altérations fonctionnelles

slide50

Stress oxydant: adaptation et défense

  • 1ère ligne:
  • molécules anti-oxydantes; GSH, Vit C, Vit E, biliverdine ….
  • 2ème ligne:
  • induction ou répression des gènes
  • Activités enzymatiques anti-oxydantes: GPx, Cat, SOD, Hox…
  • Activités enzymatiques pro-oxydantes: CYP, oxydases…
  • Réparation: ADN, protéines (Trx, Trx réductase, chaperon)
  • Dernière ligne:
  • apoptose
adaptation cellulaire au stress oxydant
Adaptation cellulaire au stress oxydant

augmentation

des enzymes

anti-oxydantes

et de réparation

induction

de gènes

stress

oxydant

Adaptation

diminution

des enzymes

productrices des

espèces réactives

de l’oxygène

Répression

de gènes

Toxicité:

ADN,ARN

Protéines

Lipides

protections
PROTECTIONS

Confinement en organelles

Protections non spécifiques

Protections spécifiques

confinement en organelles
CONFINEMENT EN ORGANELLES

Mitochondrie

COX, certaines oxydases

Sensibilité de l’ADN mitochondrial

Peroxysomes

Contiennent de nombreuses oxydases

Mais aussi catalases et peroxydases

en aval non sp cifique les syst mes de r paration
Reparation des lipides oxydés

Excision des bases oxydées

Réparation des protéines oxydées

En aval, non spécifique:les systèmes de réparation
protections non specifiques
PROTECTIONS NON SPECIFIQUES

Certaines molécules naturelles se comportent comme des épurateurs de ROS (« scavengers»)

Alcools et aldéhydes variés

Glucose

Acide urique, hème, bilirubine

Bicarbonate

protections specifiques
PROTECTIONS SPECIFIQUES

L’évolution a sélectionné des mécanismes de protection qui ont permis l’aérobiose

Vitamines antioxydantes

Enzymes destructrices de ROS

Le système Glutathion

vitamines antioxydantes
VITAMINES ANTIOXYDANTES

C’est une partie essentielle de leur rôle biologique

Vitamines hydrophiles

C’est l’acide ascorbique (vitamine C).

Vitamines liposolubles

vitamines A & E

slide61

- hydrosoluble

- piégeur de radicaux superoxyde, hydroxyle, peroxyle

- grande oxydabilité  précautions lors du dosage

syst mes anti oxydants non enzymatiques
b - carotène: anti-oxydant liposoluble, dosable dans plasma et lipoprotéines.Systèmes anti-oxydants non enzymatiques
  • Ubiquinol (coenzyme Q10) : anti-oxydant liposoluble (particulièrement important dans la résistance des LDL à l’oxydation)
slide63

Systèmes de Défense enzymatiques

O2.-

Première ligne de défense

Superoxidedismutases

(Cu/Zn-Mn)

Fe3+

Fe2+

.OH

H2O2

GSH-Peroxidase

Catalase

GSH

GSSG

H2O

H2O+ O2

enzymes protectrices des ros
ENZYMES PROTECTRICES DES ROS

Superoxyde dismutases (SOD): Détruit l’ion superoxyde O2.- en le métabolisant en H2O2 par une réaction de dismutation :

2H+ + O2-. + O2-. H2O2 + O2

Trois isoenzymes :

SOD1 cytosolique CuZn-dépendante

SOD2 Mitochondriale Mn-dépendante

SOD3 extra-cellulaire CuZn-dépend.

  • Peroxydases : RH + H2O2 --> ROH + H2O
slide66
Catalase

Ce sont des enzymes tétramériques, chaque unité portant une molécule d'hème et une molécule de NADPH

La réaction se fait en deux étapes:

Catalase-(Fe III) + H2O2 --------> O=Fe(IV)-E+H2

O=Fe(IV)-E + H2O2 --> Fe(III)-E + H2O

2 H2O 2------------> O2 + 2 H2O

H2O2

slide67

Les catalases sont présentes dans un grand nombre de tissus mais sont particulièrement abondantes dans le foie et les globules rouges

  • Elles sont localisées dans les peroxysomes et sont aussi impliquées dans la detoxification de différents substrats

H2O2 + R’H2 R’ + 2H2O

Cat

le systeme glutathion
Le glutathion est un tripeptide (glycine, glutamate, cystéine)

Dans toutes les cellules à des concentrations élevées

Forme réduite: groupement –SH

Forme oxydée: 2 tripeptides se lient de manière covalente (S-S, pont disulfure)

2 atomes d ’H libérés: H2O2 --> 2H20

LE SYSTEME GLUTATHION
slide69

Le Glutathion: tripeptide formé à partir de glutamate, cysteine et glycine.

La forme réduite (GSH) maintien l’état réduit normal de la cellule.

Forme Réduite (GSH)

slide71

Le produit de l’oxydation

de la GSH conduit à un dimère lié par un pont disulfure: GS-SG.

L’enzyme glutathion reductase utilise le NADPH comme cofacteur pour réduire le GSSG en 2 GSH.

le systeme glutathion2
LE SYSTEME GLUTATHION

Le Glutathion réduit H2O2 en deux étapes

Glutathion peroxydase (GS Px Se ou glutathion-S-transférases non sélénodépendantes) :

H2O2 + 2GSH  2H2O + 1GSSG

Il existe une Glutathion peroxydase cytosolique, une plasmatique, une gastrointestinale et un isoenzyme spécifique des phospholipides oxydés: la HPGPx

Glutathion réductase :

GS-SG + NADPH2 --> 2GSH + NADP+

glutathion erythrocytes
Glutathion & Erythrocytes

GSH importance +++ en environnement oxygéné+fer => GR +++++

RBCs matures n’ont pas de mitochondrie et sont dépendant de [NADPH] pour régénérer le GSH à partir du GSSG via la glutathion reductase.

Plus de 10% du glucose consommé par les erythrocytes => voie des pentoses.

Maintien des résidus cysteines de l’hémoglobine à l’état réduit.

GSH essentiel pour la structure normale des RBC en gardant l’Hb sous forme Fe++

Les GR à taux bas en GSH sont + hémolysables => Patients avec réduction GSH sont sujets à hémolyse accrue.

slide75

Système Thioredoxine /thioredoxine reductase

Cofacteur: Acide lipoïque

Substratox

Produitrex

NADPH+H+ NADP+

TrxR

Trx-(SH)2

Trx-S2

Thiorédoxine-SH

GSH

Acide Lipoique-SH...

Proteine-(SH)2Proteine-S2

Déhydro-lipoate

GS-SG

Thiorédoxine oxydée…

eros en pathologie organes cibles
EROS en pathologie: ORGANES CIBLES

rein

Voies respiratoires

intestin

NO

HOCl

OH

O2-

H2O2

Coeur et vaisseaux

Cerveau et nerfs

pathologies cancer
PATHOLOGIES: CANCER

Les mutations sur l’ADN peuvent

activer desoncogènes

ou inactiver desantioncogènes

altérer des gènes deréparation de l’ADN et ceux du déclenchement de l’apoptose

ATHEROSCLEROSE

  • La peroxydation des lipides des lipoprotéines en relation avec la formation des plaques d’athérome qui obstruent les vaisseaux sanguins
inflammation
INFLAMMATION

L’apparition de ROS aggrave l ’inflammation

VIEILLISSEMENT

  • Altération de l ’ADN, des lipides et des protéines
  • Altération mitochondriale (ROS ++)
  • Athérosclérose, inflammation, Cancer
  • Théorie radicalaire somatique du vieillissement: les ROS seraient responsables du vieillissement et des maladies qui lui sont associées
slide79

Certaines conditions physiopathologiques vont modifier les conditions de fonctionnement de ces systèmes Cas de l’ischémie reperfusion

d synchronisation de la cha ne respiratoire durant l isch mie reperfusion 1
Désynchronisation de la chaîne respiratoire durant l’ischémie reperfusion (1)

A l’ischémie: découplage avec excés e- et anoxie

e-

e-

II

I

III

ANT

IV

V

modifications de la cha ne respiratoire durant l isch mie reperfusion 2
Modifications de la chaîne respiratoire durant l’ischémie reperfusion (2)

A la reperfusion: apport massif O2 sur les e- accumulés

MnSOD

H2O2

O2º-

O2º-

O2

II

I

III

ANT

IV

V

conclusions
CONCLUSIONS

les substances réductrices protègent les organismes aussi bien contre le vieillissement que contre l’athérosclérose et les effets des radiations ionisantes

vitamine C, carotènes, la vitamine E, Sélénium, Melatonine

slide84

Le désequilibre entre production et élimination des EOR survientdurant:

    • inflammation,
    • ischemie/reperfusion,
    • alterations du metabolisme,
    • toxiques, polluants, etc.
techniques d exploration des syst mes anti oxydants
Techniques d’exploration des systèmes anti-oxydants

1- Dosage des Isoprostanes  :

La peroxydation de l’acide arachidonique , indépendante de l’action des enzymes cyclooxygénase et lipooxygénase , conduit à la formation de dérivés de la famille des prostacyclines les Isoprostanes, dont la 8-epi PGF2 alpha.

2- Dosage des hydroperoxydes lipidiques :

Aldéhydes stables comme le Malondialdéhyde (MDA) et les 4 hydroxyalkenals comme le 4 HNE (4hydroxynonenal).

3- Dosage du glutathion :Stress oxydant   rapport glutathion réduit/glutathion oxydé

4- Dosage des défenses: acide ascorbique, a-tocophérol, b-carotène, ubiquinol, …

.

techniques d exploration de la peroxydation 2
Techniques d’exploration de la peroxydation (2)

Total antioxydant status :

mesure la capacité totale antioxydante du plasma à défaut de mesurer chaque antioxydant individuellement.

Marqueurs de la peroxydation des protéines:

Protein adducts on protéines carbonylées.

Marqueurs de la peroxydation des acides nucléiques:

8-0H-deoxyguanosine.

Marqueurs de l’activation des PN:

Dosage de la myeloperoxydase, de la Lactoferrine et de l’elastase.

Dosages d’enzymes anti oxydantes:

la SODs, la Glutathion peroxydase selenium dept ou indept, la catalase.