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UE1 Biologie cellulaire

Pr Hervé Puy

Le 29/11/2017 à 15h30

Ronéotypeur : Julie Delahaye

Ronéoficheur : Margot Funck

Cours n°8 : Introduction aux radicaux libres et espèces

réactives de l’oxygène

Le Prof a expliqué qu’il ne faisait qu’un cours dans cette UE et que la probabilité qu’il tombe est

faible (mais ne pas faire d’impasse). Néanmoins, il nous a dit le QCM et le QR qu’il a proposé si son

cours tombait aux partiels que nous vous avons indiqué à la fin de la ronéo. Il a choisi de ne pas

traiter l’ensemble des diapos concernant les pathologies.

Ronéo 10 cours n°8

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SOMMAIRE

I. Les espèces réactives de l’oxygène (ROS)

A. Le rôle de l’oxygène

B. La toxicité de l’oxygène

C. Les principales ROS

D. La production des ROS

a. Généralités

b. Cascade de réactions

c. Réaction de Fenton et cycle de Haber Weiss

d. Schéma de synthèse sur la formation des espèces radicalaires de l’oxygène

E. L’origine des ROS

F. Le rôle des peroxysomes

G. Les effets des ROS

H. Les méfaits des ROS

II. Stress oxydant : adaptation et défense

A. Les différentes lignes de défense

B. Protection

a. Confinement en organelle

b. Protection non spécifique en aval

c. Protection spécifique

C. Systèmes de défense enzymatiques

D. Le système glutathion

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I. Les formes réactives de l’oxygène

A. Le rôle de l’oxygène

L'oxygène, O2, est indispensable à la vie des êtres pluricellulaires possédant un mécanisme en

aérobie. Contrairement à certains micro-organismes, anaérobies pour lesquels l'oxygène est inutile,

voir même toxique. Elle est nécessaire aux transferts d'électrons couplé aux phosphorylations

oxydatives, qui correspond à la principale source de leur énergie.

L'anoxie est mortelle à court terme. En effet, celle-ci entraine entraîne une chute de l'ATP cellulaire

que l’on doit à un arrêt de la chaine respiratoire.

Les tissus résistent inégalement à l'anoxie : le cerveau est détruit en 3 minutes ; suivi du foie, du rein et

du myocarde en quelques heures et enfin le muscle, la peau et les phanères beaucoup plus tard.

(Exemple de la morgue ou l’on rase les morts car les poils continuent de pousser longtemps après le

décès)

En situation normale, l'oxygène se transforme en dioxyde de carbone et en eau et produit par cette

réaction de l'ATP, dans la mitochondrie. En effet la compartimentalisation de la répartition de

l’oxygène dans l’organisme est un mécanisme protecteur. Ainsi l’O2 se trouve en quantité importante

dans les mitochondries et les peroxysomes.

B. La toxicité de l’oxygène

Cependant, l'oxygène est toxique pour l'organisme, par son effet pro oxydant. Son utilisation requiert

des mécanismes protecteurs. Le caractère toxique de l'oxygène participe en effet à la pathogénie de

nombreuses maladies.

Toutes les réactions qui impliquent de l'oxygène et des ions métalliques peuvent induire des 'bavures'

que l'on appelle ROS (Reactive Oxygen Species) qui sont des produits accidentels mais qui restent

physiologiques. (Le prof insiste sur le fait qu’il est normal d’en produire).

Cependant produit en grande quantité elles peuvent engendrer du stress oxydant considéré comme

pathologique. Dans ce cas pathologique, la production des espèces oxygénées réactives dépasse les

capacités de défense du tissu. C’est le non contrôle physiologique de production qui entraine des

altérations des composants cellulaires comme les lipides, acides nucléiques et les protéines.

C. Les principales ROS

Les principales ROS sont : l’ion super oxyde (O2-.), le radical hydroxyle (OH.), l'ion hydroxyde (OH

-)

et le peroxyde d'hydrogène (H2O2). Ils proviennent des chaînes respiratoires mais pas uniquement.

Les ROS sont donc composées d’espèces radicalaires et d’espèces non radicalaires.

Un radical libre est constitué par tout atome, groupe d'atome ou molécules où au moins un électron

non apparié occupe une orbitale externe noté [.]

Ce radical est donc doté d'une réactivité particulière, il cherche à stabiliser sa couche externe en

échangeant des électrons avec son environnement. Ainsi il peut se comporter, selon le cas comme un

oxydant (il donne) ou un réducteur (il prend), afin d'apparier son électron célibataire.

C'est donc une espèce chimique qui possède un électron non apparié ('célibataires') et qui a une

existence indépendante ('libre'). Il est généralement écrit R. et certains sont électriquement neutres et

d'autres chargés : il y a des radicaux cationiques R.+ et anioniques R.-.

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(C’est la diapo ci-dessous qui tombe aux partiels)

Dans les formes réactives de l'oxygène (ROS), il faut donc bien différencier les formes radicalaires

(RLO) qui sont le super oxyde (O°-), l'hydroxyde (OH°), le peroxyde (ROO°), l'alkoxyde (RO°) et

l'hydroperoxyde (HOO°), et les formes non radicalaires qui sont le peroxyde d'hydrogène (H2O2),

l'acide hypochloreux (HOCl), l'ozone (O3), l'oxygène singulet et le peroxynitrite. A connaître

parfaitement.

Les ROS ont une demi vie extrêmement courte (ce qui fait qu’on a du mal à les étudier) et agissent à

de très faible concentration. (Les chiffres ne sont pas à retenir) Ces deux caractéristiques sont

présentées pour illustrer le caractère très réactif de ces espèces.

D. La production des ROS

a. Généralités

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L'oxygène va jouer le rôle essentiel d’accepteur terminal d'électrons dans la chaine respiratoire. (la

partie physiologique est représentée par la diagonale). Elle peut former des espèces partiellement

réduites, les ROS. Le radicale hydroxyle HO° étant le plus réactif. Les espèces oxygénées réactives

sont des produits normaux du métabolisme, ils sont produits en cascade dont les formes non

radicalaires font parti. Leur production basale correspond à 3% de la quantité totale d'oxygène

consommée.

b. Cascade de réactions

En ce qui concerne la cascade de production, tout part de l’oxygène. Celui-ci est transformé en ion

super oxyde par le biais de la NADPH oxydase et d'autres systèmes, lors de cette réaction le NADPH

devient NADP- et H+. Ensuite l'ion super oxyde produit du peroxyde d'hydrogène grâce au SOD (les

Superoxyde dismutase) ou spontanément en présence d'ions hydrogènes. Lors du cycle d'Haber-Weiss

qui comprend la réaction de Fenton, l'ion super oxyde ou le peroxyde d'hydrogène se décompose en

radical hydroxyde, hyper réactif.

Enfin le peroxyde d'hydrogène se dégrade en acide hypochloreux via la MPO (myélopéroxydase) qui

est présente uniquement dans certains tissu (PN et macrophages dans le phagolysosome). Lors des

pathologies inflammatoires, il y a un phénomène de granulomatose qui provoque une absence de

myélopéroxydases et augmente la susceptibilité aux infections.

En effet les globules blancs utilisent l’O2 pour tuer les bactéries qu’ils ont phagocytés. Ainsi les

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

oxygénés. Donc les ROS ont un rôle dans la défense contre les microorganismes.

c. Réaction de fenton et le cycle de Harber Weiss

Concernant la réaction de fenton elle est expliquée plus en détails sur cette diapo. C’est la combinaison

des deux réactions qui est appelée le cycle de Haber Weiss qui aboutit à la production de la forme

radicalaire la plus réactive uniquement en présence de Fer. (Le prof a simplement précisé qu’il fallait

en avoir entendu parler)

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d. Schéma de synthèse sur la formation des radicaux libres de l’oxygène

En rouge sont notées les seules enzymes capables d’initier la production de ROS soit la Cyclo

Oxygénase (COX), la lipo oxygénase, la NADPH oxydase, la Xanthine oxydase et P450.

Auxquelles s’ajoute évidemment la chaine respiratoire.

Il est également possible de produire des ROS à partir de l’arginine grâce à des enzymes, les NOS

présente au niveau de la surface externe des cellules endothéliales. Cette réaction se fait surtout au

niveau du SNC ou dans les vaisseaux. (En vert)

En bleu sont notées les enzymes qui sont considérées comme ayant un effet protecteur anti radicalaire,

qui sont des hémoprotéines. La catalase car à partir du peroxyde d’hydrogène (EOR) elle produit de

l’eau. La peroxydase car elle transforme H2O2 en eau également et les SOD dont l’effet est

contrebalancé entre production de EOR ou protection car c’est l’enzyme de première réaction.

E. L’origine des EOR

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Les sources peuvent être endogènes ou exogènes. La production exogène est principalement dominée

par la mitochondrie (45%), mais les microsomes (20%), les peroxysomes (30%) et le cytosol (5%) en

produisent également.

Au niveau hépatique c’est différent ce sont les microsomes les principaux producteurs le foie étant un

tissu pauvre en mitochondrie.

En ce qui concerne l’utilisation de l’oxygène 95% sert à la chaine respiratoire tandis que seulement

3 à 5 % correspondent à un échappement capable de produire des radicaux. Ainsi lorsque l’on vieillit

les 95% tendent à diminuer à cause de la qualité du fonctionnement de la chaine respiratoire qui est

amoindrie.

F. Le rôle des peroxysomes

Le peroxysome est un métabolite intracellulaire avec des fonctions tissu spécifiques. Il participe au

métabolisme des peroxydes, des espèces réactives de l’oxygène et de l’azote. Il réalise la synthèse des

plasmalogènes comme la B oxydation des AG ou α oxydation des AG. Il participe également au

métabolisme du glyoxylate et des AA.

Les peroxysomes utilisent une part importante de l’oxygène et ils produisent majoritairement de

l’H2O2.

G. Les effets des ROS

Ils ont un effet physiologique sur la croissance cellulaire, l’inflammation. Un effet toxique sur l’ADN,

l’ARN, les lipides et les protéines. Et enfin ils régulent l’adaptation au stress oxydant par l’induction

des gènes « anti oxydants » ou par la répression des gènes « pro oxydant ».

H. Les méfaits des ROS

Ils sont stimulés par les radiations ionisantes. Ils peuvent entrainer des mutations de l’ADN, une

peroxydation des lipides, une altération des protéines, ils perturbent la transduction des signaux et

peuvent moduler les gènes et les protéines de stress régulant la prolifération, la différenciation

cellulaire et l’apoptose.

Par exemple au niveau de l’ADN les ROS, en cas de stress oxydant, peuvent par des oxydations

donner des dérivés comme la 8-Hydroxyguanine. Dans ce cas le pool de guanine disponible

s’amoindrit ce qui peut avoir des conséquences en pathologie. On peut doser la 8-Hydroxyguanine qui

est donc une représentation du stress oxydant au niveau de l’ADN.

Au niveau des lipides les ROS peuvent engendrer la formation d’isoprostane.

En ce qui concerne les lipides ils peuvent produire des aldéhydes dérivés d’acides gras polyinsaturés

ou des oxystérols qui dérivent du cholestérol.

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II. Stress oxydant : adaptation et défense

A. Les différentes lignes de défense

La première ligne de défense contre le stress oxydant correspond aux molécules anti oxydantes

comme la vitamine C, la vitamine E, la biliverdine…

La deuxième ligne correspond à l’induction ou la répression des gènes, les activités enzymatiques

anti oxydantes et pro oxydantes et la réparation de l’ADN ou des protéines.

La dernière ligne est l’apoptose.

Un exemple d’adaptation au stress oxydant :

Induction de gènes qui augmentent la production d’enzymes anti oxydantes et de réparation

Répression de gènes des enzymes productrices des espèces réactives de l’oxygène

Dans les molécules antioxydantes on retrouve au niveau membranaire la vitamine A, E ou encore le

cholestérol. Tandis qu’en solution on a la vitamine C, le glutathion réduit ou encore le glucose, l’acide

urique ou la bilirubine.

B. La protection

Elle se fait à différentes échelles, tout d’abord le confinement en organelles. Puis les protections non

spécifiques et les protections spécifiques

a. Le confinement en organelle

Les deux organites sont la mitochondrie qui contient des COX, des oxydases et dont l’ADN est très

sensible. Et les peroxysomes qui contiennent de nombreuses oxydases mais également des catalases et

des peroxydases.

b. La protection non spécifique en aval

Elle se fait grâce a des systèmes de réparation. Par la réparation des lipides oxydés, l’excision des

bases oxydées et la réparation des protéines oxydées.

Certaines molécules naturelles se comportent comme des épurateurs de ROS appelées les

« scavengers ». L’alcool, le glucose, l’acide urique, hème, la bilirubine et le bicarbonate possèdent un

rôle protecteur.

c. La protection spécifique

Par les vitamines antioxydantes, les enzymes destructrices de ROS, le système Glutathion ou encore

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

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C. Systèmes de défense enzymatique

(qui reprend la cascade de réactions vu précédemment)

Ces deux réactions permettent la synthèse d’eau et d’oxygène. Cela à partir de formes radicalaires de

l’oxygène, grâce à la superoxyde dismutase qui catalyse la transformation de l’ion superoxyde O2.-

en peroxyde d’hydrogène, qui est une ROS d’où le contrebalancement entre production et protection

contre les ROS, mais qui reste une étape nécessaire pour leur élimination donc considérées comme

protectrice.

Et deuxièmement le peroxyde d’hydrogène est pris en charge par la catalase ou la peroxydase pour

produire de l’eau.

Une autre réaction peut se produire, la réaction de fenton mais elle n’est pas protectrice car (comme vu

plus haut), elle aboutit à la synthèse d’autres formes radicalaires.

(la diapo ci-dessous tombe également aux partiels)

A noter que le système enzymatique de défense peut être dépendant du Cu, du Zn, du Mn, du Fe mais

également de sélénium qui peuvent faire l’objet de supplémentation par exemple chez les personnes

âgées en cas de carence.

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Les enzymes protectrices sont donc les superoxyde dismutase dépendante du Cu Zn ou celle

dépendante du Mn (qui catalysent ion superoxyde en H2O2). La catalase, la glutathion peroxydase et

la thioredoxine peroxydase (qui nécessite au préalable la thioredoxine réductase) qui catalysent la

transformation du peroxyde d’hydrogène en eau.

D. Le système glutathion

Le glutathion est un tripeptide, il est présent dans toutes les cellules à des concentrations élevées. Il

existe sous forme réduite avec un groupement -SH ou sous forme oxydée dans ce cas deux tripeptides

se lient de manière covalente par pont disulfure. Il permet de libérés deux atomes d’H par la réaction

H2O2 2H2O qui est réalisé en deux étapes.

La glutathion peroxydase (GS Px Se ou GS transférase non sélénodépendante) catalyse :

H2O2 + 2 GSH 2 H2O + 1 GSSG

La glutathion réductase :

GS-SG + NADPH2 2GSH + NADP+

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