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2011-2012 MED2 Pr N. Porchet Enseignement Thématique « Bases Moléculaires et Cellulaires des Pathologies » Séminaire : Les interactions métabolisme/signalisation génétique, au travers d’exemples. Le Métabolisme de l’Oxygène et le Rôle du Stress Oxydant en Pathologie. - PowerPoint PPT Presentation
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Le Métabolisme de l’Oxygène et le Rôle du Stress Oxydant en Pathologie
2011-2012 MED2 Pr N. Porchet Enseignement Thématique « Bases Moléculaires et Cellulaires des Pathologies »
Séminaire : Les interactions métabolisme/signalisation génétique, au travers d’exemples
OBJECTIFS ET PREREQUIS
Présenter les bases moléculaires du métabolisme de l’oxygène dans la mitochondrie
Comme suite du cours « La cellule, carrefour du métabolisme » (à connaître) et avec, comme prérequis, le cours du Pr Ph Marchetti (PACES, mitochondrie)
La bioénergétique mitochondriale sera complétée dans le cadre du cours sur le métabolisme glucidique (EI Endocrinologie-Hormonologie-Reproduction)
Illustrer la notion d’homéostasie métabolique et les conséquences pathologiques multiples de la survenue d’un déséquilibre « oxygène réactif-antioxydants » : comment l’oxygène peut-il être toxique ?
Champ des connaissances médicales générales sur le vieillissement, les maladies neurodégénératives, l’athérosclérose, le diabète…….
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Rôle du Stress Oxydant en Pathologie
I- DEFINITIONS, PLAN DU COURS
● L’oxygène est, chez les espèces vivantes aérobies, indispensable à la production d’énergie
● Son métabolisme siège dans la mitochondrie
● La bioénergétique mitochondriale fabrique de l’ATP par phosphorylation oxydative grâce à une chaîne de transport d’électrons et de protons = chaîne respiratoire
● Le métabolisme principal de l’oxygène se conclue en une réduction tétravalente de l’oxygène avec production d’eau et synthèse d’ATP :
02 + 4 e- + 4 H+ → 2 H2O + énergie
● Cependant, une faible quantité de l’oxygène partiellement réduit peut s’échapper de la chaîne respiratoire : espèces chimiques très réactives : ERO.
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant
I- DEFINITIONS, PLAN DU COURS
● Les espèces radicalaires ( appelées aussi radicaux libres) de l’oxygène (appartenant aux ERO) ont longtemps été considérées comme des sous-produits toxiques du métabolisme normal de l’oxygène
● Les ERO sont également impliqués dans les mécanismes de la signalisation cellulaire et participent au maintien de l’homéostasie cellulaire
● Stress oxydant (ou oxydatif) : déséquilibre entre la production d’espèces réactives de l’oxygène et les capacités cellulaires anti-oxydantes
● Les ERO sont capables d’altérer de nombreux types de biomolécules (lipides, protéines, acides nucléiques, sucres)
● Les ERO sont impliqués dans la physiopathologie de nombreuses pathologies
II- METABOLISME DE L’OXYGENE :
1/ Le métabolisme aérobie
A- L’oxygène Oxygène (= dioxygène), O2
- L’atmosphère terrestre s’est enrichie en oxygène il y a 2 milliards d’années - L’oxygène est devenu indispensable à la vie de la plupart des espèces vivant sur Terre : animaux, plantes, bactéries
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant
Ref 1
II- METABOLISME DE L’OXYGENE :
1/ Le métabolisme aérobie
B- Les espèces aérobies
- Espèces vivantes qui ont développé progressivement des mécanismes leur permettant d’utiliser l’oxygène comme source d’énergie :
Des chaînes primitives de transport d’électrons se sont progressivement adaptées au transport d’électrons depuis le NADPH vers l’O2
Forte conservation des structures au cours de l’Evolution :La conformation du cytochrome c est restée constante pendant plus d’un milliard d’années
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant
Ref 1
C- L’oxydation de l’hydrogène
hydrogène + oxygène → eau + énergie
● L’oxygène apporté par l’hémoglobine aux cellules est l’accepteur final des électrons de l’hydrogène
● Ces électrons proviennent du catabolisme des nutriments (AA, AG, glucose)
● La combustion libèrerait l’énergie instantanément (A) et sous forme de chaleur (mécanisme incompatible avec la vie)
● L’oxydation biologique (B) sépare l’hydrogène en protons (H+) et électrons (e-) : 2 H+ + 2 e-
● Elle permet de réaliser une chaîne de transport de protons et d’électrons jusqu’à l’oxygène et le stockage de leur énergie sous forme chimique (ATP)
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant
Ref 1
Ref 2
II- METABOLISME DE L’OXYGENE
C- L’oxydation de l’hydrogène
● Les atomes d’hydrogène proviennent du catabolisme des substrats carbonés
● Ils sont transférés au cours de ces réactions enzymatiques à des coenzymes qui passent de l’état oxydé à l’état réduit :
Nicotinamide Adénine Dinucléotide (NADH, H+) Flavine Adénine Dinucléotide (FADH2)
● les coenzymes réduits deviennent les substrats de cette chaîne de transport = la chaîne respiratoire
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant
Ref 3
II- METABOLISME DE L’OXYGENE
D- Les coenzymes : des couples oxydo-réducteurs
● NAD/NADH, NADP/NADPH et FAD/FADH2 : molécules permettant les réactions métaboliques d’oxydation et de réduction des substrats
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant
Ex : biosynthèse du cholestérol
Ref 1
D- Les coenzymes : couples oxydo-réducteurs
● NADH, NADPH et FADH2 : molécules « riches en énergie » car possèdent une paire d’électrons à haut potentiel de transfert
1/ capture d électrons
2/ don d’électrons
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant
Ref 2
Ref 1
E- La mitochondrie
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant
● les coenzymes réduits sont formés majoritairement dans les mitochondries
● les coenzymes oxydés formés dans le cytoplasme rejoignent la mitochondrie grâce à des navettes
mitochondrie
● la mitochondrie est une micro-usine chimique spécialisée dans les réactions d’oxydo-réduction(quelques milliers de mitochondries par cellule)
● la zone de travail chimique est essentiellement représentée par la matrice et la membrane interne
● 500 l d’oxygène sont absorbés par l’homme chaque jour dont 90% sont utilisés dans les mitochondries pour des réactions d’oxydo-réduction : respiration cellulaire
Ref 3
F- La chaîne respiratoire mitochondriale
► = Outil permettant le transfert de protons et d’électrons
1/ Produit de l’eau coenzymes réduits → hydrogène respiration → oxygène2/ Stocke l’énergie libérée : synthèse d’ATP par phosphorylation de l’ADP
► la chaîne d’oxydo-réduction = 6 complexes moléculaires
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant
4 complexes fixes (membrane interne mitochondriale) :
Complexes I, II, III, IV
2 complexes mobiles (solubles) :
Ubiquinone ou coenzyme Q
Cytochrome c
matrice
membrane interne
Ref 1
Ref 3
= systèmes rédox capables de recevoir puis céder 1/ des électrons 2/ des protons
Mais aussi de les guider de complexe en complexe, sans rupture du flux selon une succession précise de réactions exergoniques
Les protons sont expulsés vers l’espace inter-membranaire par des pompes à protons
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant
En fin de chaîne, la cytochrome c oxydase catalyse la réduction de l’oxygène moléculaire en eau (500l/j) :
~ 40 protéines, cytochromes, complexes fer-soufre, ions cuivre, flavoprotéines
G- Les composants de la chaîne respiratoire
Ref 3
H- Le couplage de la réoxydation des coenzymes et de la production d’ATP
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant
les électrons atteignent leur but : l’oxygène
leur énergie a permis la formation d’un gradient électrochimique de protons
Ces protons vont permettre d’activer l’ATP synthase
Volumineux complexe de protéines formé de 2 sous-ensembles :
F0 intramembranaire : canal à protons
F1 dans la matrice : phosphoryle l’ADP
circuit du gradient de protons = gradient de voltage + gradient de pH
Ref 1
Ref 3
ATP synthase appelée complexe V
H- la production d’ATP : résumé
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant
1/ trajet des électrons et des protons le long de la chaîne respiratoire
2/ réduction de l’oxygène en eau
3/ synthèse d’ATP
Ref 1 Ref 3
I- Régulation des oxydations phosphorylantes et de la production d’ATP
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant
● Il existe une coordination entre production et consommation d’ATP
- très peu d’ATP, ADP libres : fonctionnement « à flux tendu »
- si le gradient de protons n’est pas utilisé par l’ATP synthase, le transport d’électrons s’arrête
- l’ATP synthase est capable d’hydrolyser l’ATP s’il est en excès (activité ATPasique)
● Il existe une régulation spécifique à chaque type cellulaire
● Il existe un couplage des mécanismes 1/de transport des électrons et 2/ d’oxydations phosphorylantes (= simultanéité) dans la plupart des cellules
● Il existe un découplage dans certains tissus (tissu adipeux brun), ce qui permet de produire de la chaleur (animaux en hibernation, enfants nouveaux-nés)
J- Dynamique du réseau mitochondrial
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant
II- METABOLISME DE L’OXYGENE 1- Le métabolisme aérobie
● Les mitochondries sont assemblées en un réseau superposable à celui du réticulum endoplasmique● L’organisation de ce réseau est corrélée au niveau de production énergétique et aux besoins de la cellule● Le réseau peut être fractionné (phase S) ou fusionné (phase G1), en fonction des besoins énergétiques tout au long de la vie cellulaire
Ref 3
A- Les espèces réactives de l’oxygène
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant
II- METABOLISME DE L’OXYGENE2- Le « 2ème métabolisme » de l’oxygène
● Lors du métabolisme normal de l’oxygène = réduction tétravalente de l’oxygène, Il se forme, au cours des 4 étapes électroniques, une petite quantité d’intermédiaires partiellement réduits, appelés radicaux primaires qui appartiennent à un ensemble appelé :
ERO = Espèces Réactives de l’Oxygène ROS = Reactive Oxygen Species)
Ces entités peuvent être radicalaires ou moléculaires et sont beaucoup plus réactives que l’oxygène
● Les ERO radicalaires (= radicaux libres) sont des espèces chimiques possédant 1 électron célibataire sur leur couche périphérique ce qui leur confère un fort degré de réactivité
B- Diversité des ERO : molécules et radicaux libres
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant
2- Le « 2ème métabolisme » de l’oxygène
Ref 5
● Les ERO sont des espècesmoléculaires : ex: le peroxyde d’hydrogène H202
radicalaires : ex : l’anion superoxyde : O●- ex : le radical hydroxyle :●OH
● Les ERO primaires sont : - l’anion superoxyde - le peroxyde d’hydrogène - le radical hydroxyle
● Les ERO secondaires sont ceux qui se forment par oxydation de biomolécules : - le radical peroxyle - l’hydroperoxyde - le radical alkoxyle
Ref 5
C- Anabolisme des ERO primaires
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant
2- Le « 2ème métabolisme » de l’oxygène
Ref 5
● L’anion superoxyde (1):
O●- provient d’une réduction partielle de l’oxygène dans la chaîne respiratoire (~ 2% de l’oxygène consommé par la mitochondrie),
il se forme durant la 1ère réduction électronique de l’oxygène au niveau de l’ubiquinone (coenzyme Q)
Les 4 étapes de réduction monoélectronique de l’oxygène
C- Anabolisme des ERO primaires
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant
2- Le « 2ème métabolisme » de l’oxygène
● L’anion superoxyde (1):
O●- est également le produit de certaines activités enzymatiques :
NADH déshydrogénase (membrane mitochondriale interne)
NAD(P)H oxydases membranaires (NOX) (cellules vasculaires et endothéliales, cytoplasme)
Auto-oxydation (oxydation par l’oxygène) de biomolécules endogènes
noyau aromatique (adrénaline, noradrénaline, dopamine),
thiols (cystéine),
coenzymes réduits à flavine
Oxydation de xénobiotiques par les cytochromes P450 (réticulum endoplasmique)
C- Anabolisme des ERO primaires
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant
2- Le « 2ème métabolisme » de l’oxygène
Ref 5
● Le peroxyde d’hydrogène (2): est produit dans les mitochondries mais aussi dans les peroxysomes et le cytoplasme au cours de différentes réactions enzymatiques :
SOD : superoxyde dismutases :
OXYDASES :
AA oxydases, glycolate oxydase, urate oxydase, xanthine oxydase
C- Anabolisme des ERO primaires
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant
2- Le « 2ème métabolisme » de l’oxygène
Ref 5
● Le radical hydroxyle (3): est produit quand le peroxyde d’hydrogène entre en contact dans des conditions de pH acide favorables avec des ions ferreux :
Le radical hydroxyle (différent de l’anion basique –OH) est très toxique : c’est l’un des oxydants naturels les plus puissants (utilisé dans l’industrie)
D- Anabolisme des ERO secondaires
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant
II- METABOLISME DE L’OXYGENE2- Le « 2ème métabolisme » de l’oxygène
Le radical hydroxyle ●OH génère l’espèce réactive R●
● oxydant puissant selon 3 mécanismes :
Ref 5
D- Anabolisme des ERO secondaires
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant
II- METABOLISME DE L’OXYGENE2- Le « 2ème métabolisme » de l’oxygène
● L’espèce réactive R● oxyde d’autres biomolécules : des réactions d’oxydation en chaîne
● Les espèces réactives de l’oxygène interagissent entre elles
peroxynitrites
E- Effets délétères des ERO au niveau moléculaire
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant
2- Le « 2ème métabolisme » de l’oxygène
L’espèce la plus réactive et la plus toxique : le radical hydroxyle :●OH
● est le plus dommageable en raison de son extrême réactivité
● aussi sa ½ vie est très brève (<1μs) et ses effets délétères se manifestent sur son lieu de production
● s’attaque à toutes les biomolécules impliquées dans 1/ les structures biologiques (ex: membranes), 2/ l’information 3/ le métabolisme
● biomolécules-cibles : ADN mitochondrial ou nucléaire, protéines, lipides, sucres
surtout la guanine
Peroxydation lipidique : acides gras polyinsaturés, phospholipides, lipoprotéines
Altérations des protéines, AA aromatiques, soufrés….sites enzymatiques….
R1 R2
Lésions de l’ADN, coupures et mort cellulaire, altération des bases
oxydation des sucres : glucose
E- Effets délétères des ERO au niveau moléculaire
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant
II- METABOLISME DE L’OXYGENE2- Le « 2ème métabolisme » de l’oxygène
Une espèce peu réactive : l’anion superoxyde : O●-
● une ½ vie longue (qq dizaines de s) qui lui permet de diffuser hors de son site de production
● sa toxicité est indirecte et vient de sa capacité à interagir avec d’autres ERO pour former des ERO à toxicité forte : radical hydroxyle, peroxynitrites
F- les systèmes de défense enzymatiques anti-oxydants
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant
2- Le « 2ème métabolisme » de l’oxygène
Ref 5
● Les SOD (superoxyde dismutases) catabolisent l’anion superoxyde
Mox : SOD sous forme oxydée
Mred : SOD sous forme réduite
1/
2/
Plusieurs enzymes ayant comme cofacteur :
Ref 4
Mn (mitochondries) : Mn -SOD Cu et Zn (cytosol) : Cu,Zn-SOD
F- les systèmes de défense enzymatiques anti-oxydants
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant
2- le « 2ème métabolisme » de l’oxygène
Ref 5
● La catalase et les glutathion peroxydases
Catalase (4)(peroxysomes)
Glutathion peroxydases (4) (cytosol de nb types cellulaires)
Ref 6
G- les systèmes de défense non enzymatiques : capteurs d’ERO
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant
2- Le « 2ème métabolisme » de l’oxygène
● Vitamines : C (acide ascorbique), E (α tocophérol), A (β carotène)
● Oligoéléments : Se, Cu, Zn
● Composés à groupement thiol (-SH)
● Polyphénols (acide caféique, quercétine, flavonoïdes…..)
Importance de l’apport alimentaire :
fruits, légumes, thé, vin rouge
● Trop d’anti-oxydants = pro-oxydants : néfaste
H- Le stress oxydant
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant
2- Le « 2ème métabolisme » de l’oxygène
● Etat métabolique résultant de la perte de l’homéostasie du métabolisme de l’oxygène :
balance rédox déséquilibrée
● Causes multiples de la rupture d’homéostasie
1/ production excessive d’ERO - 1/1 stress d’origine exogène - 1/2 stress d’origine endogène
2/ production excessive et durable d’ERO et réponse anti-oxydante insuffisante
3/ diminution des capacités anti-oxydantes
ERO
anti-oxydants
intoxications aux métaux lourds (Hg, Pb, Cd) irradiations (UV, rayons X), infections, SIDA, carences nutrition-nelles, alcoolisme, médicaments (anthracyclines), ozone, polluants…
maladies génétiques du métabolisme de l’oxygène, vieillissement, ischémies, athérosclérose, maladies neuro-dégénératives, diabètepathologies articulaires..…
obésité, tabagisme, emphysème pulmonaire
cancer
1/1
1/2
2
3
I- Le stress oxydant : un rôle biologique ?
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant
2- Le « 2ème métabolisme » de l’oxygène
● NON, un rôle biologique : trop d’anti-oxydants = pro-oxydants : néfaste
Régulation génique : activateurs/régulateurs de voies de signalisation
rôle de transduction et d’amplification de signaux ; régulation de phosphatases et de kinases
Ex : Régulation du tonus vasculaire, relaxation du muscle lisse, adhésion plaquettaire
Régulation de fonctions générales : apoptose, cycle cellulaire, prolifération cellulaire
Réponse et résistance au stress :
réponse immunitaire, inflammation, phagocytose, exercice physique intensif…….
Ex : Défense anti-microbienne : une explosion oxydative pour détruire le pathogène
ERO
anti-oxydants
Une simple imperfection de la chaîne respiratoire?
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant
III- REFERENCES
Les illustrations citées en référence proviennent des livres de biochimie suivants, dont la lecture est recommandée : Ref 3 Chimie, biochimie et biologie moléculaire OMNISCIENCES Collège national des enseignants des facultés de médecine sous la direction de Bernard Sablonnière Ref 6 Biochimie illustrée MALOINE P N Campbell, A D Smith● Ref 2 Biochimie Humaine MEDECINE-SCIENCES, FLAMMARION F Horn, G Lindenmeier, C Grillhösl, I Moc, S Gerghold, N Schneider, B Münster ● Ref 1 Biologie Moléculaire de la Cellule MEDECINE-SCIENCES, FLAMMARION B Alberts, A Johnson, J Lewis, M Raff, K Roberts, P Walter● Ref 4 Biochimie MEDECINE-SCIENCES, FLAMMARION L Stryer, JM Berg, JL TymoczkoAutres sources :Revue m/s médecine/sciences● Ref 5 Espèces Réactives de l’oxygène et stress oxydant C Migdal et M Serres, vol 27, avril 2011L’actualité chimique Ref 7 Espèces réactives de l’oxygène : Comment l’oxygène peut-il devenir toxique? M Gardès-Albert, D Bonnefont-Rousselot, Z Abedinzadeh, D Jore, 2003
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