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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
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
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant
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
Ref 1
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant
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
Ref 1
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant
C- L’oxydation de l’hydrogène
Ref 2
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)
Ref 1
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant
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
Ref 3
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant
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
Ex : biosynthèse
du cholestérol
Ref 1
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant
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
Ref 2
2/ don d’électrons
Ref 1
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant
E- La mitochondrie
● les coenzymes réduits sont formés
majoritairement dans les mitochondries
● les coenzymes oxydés formés dans le
cytoplasme rejoignent la mitochondrie grâce à
des navettes
● 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
mitochondrie
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant
F- La chaîne respiratoire mitochondriale
► = Outil permettant le transfert de protons et d’électrons
1/ Produit de l’eau
coenzymes réduits → hydrogène
respiration → oxygène
2/ Stocke l’énergie libérée :
synthèse d’ATP
par phosphorylation de l’ADP
matrice
membrane
interne
Ref 1
► la chaîne d’oxydo-réduction
= 6 complexes moléculaires
4 complexes fixes (membrane
interne mitochondriale) :
Complexes I, II, III, IV
Ref 3
2 complexes mobiles (solubles) :
Ubiquinone ou coenzyme Q
Cytochrome c
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant
G- Les composants de la chaîne respiratoire
= systèmes rédox capables de recevoir puis
céder 1/ des électrons
2/ des protons
~ 40 protéines, cytochromes, complexes
fer-soufre, ions cuivre, flavoprotéines
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 intermembranaire par des pompes à protons
Ref 3
En fin de chaîne, la
cytochrome c oxydase
catalyse la réduction de
l’oxygène moléculaire
en eau (500l/j) :
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant
H- Le couplage de la réoxydation des coenzymes et de la production
d’ATP
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
circuit du gradient de protons
= gradient de voltage
+ gradient de pH
Ref 1
Ref 3
Volumineux complexe de protéines
formé de 2 sous-ensembles :
F0 intramembranaire : canal à protons
F1 dans la matrice : phosphoryle
l’ADP
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant
H- la production d’ATP : résumé
2/ réduction de l’oxygène en eau
3/ synthèse d’ATP
Ref 1
ATP synthase appelée
complexe V
Ref 3
1/ trajet des électrons et des protons le
long de la chaîne respiratoire
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant
I- Régulation des oxydations phosphorylantes et de la production
d’ATP
● 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)
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant
II- METABOLISME DE L’OXYGENE
1- Le métabolisme aérobie
J- Dynamique du réseau mitochondrial
● 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
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant
II- METABOLISME DE L’OXYGENE
2- Le « 2ème métabolisme » de l’oxygène
A- Les espèces réactives 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
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant
2- Le « 2ème métabolisme » de l’oxygène
B- Diversité des ERO : molécules et radicaux libres
● Les ERO sont des espèces
moléculaires :
ex: le peroxyde d’hydrogène H202
radicalaires :
ex : l’anion superoxyde : O●ex : le radical hydroxyle :●OH
Ref 5
Ref 5
● 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
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant
2- Le « 2ème métabolisme » de l’oxygène
C- Anabolisme des ERO primaires
Les 4 étapes de réduction monoélectronique 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)
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant
2- Le « 2ème métabolisme » de l’oxygène
C- Anabolisme des ERO primaires
● 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)
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant
2- Le « 2ème métabolisme » de l’oxygène
C- Anabolisme des ERO primaires
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
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant
2- Le « 2ème métabolisme » de l’oxygène
C- Anabolisme des ERO primaires
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)
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant
II- METABOLISME DE L’OXYGENE
2- Le « 2ème métabolisme » de l’oxygène
D- Anabolisme des ERO secondaires
Le radical hydroxyle ●OH génère l’espèce réactive R●
● oxydant puissant selon 3 mécanismes :
Ref 5
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant
II- METABOLISME DE L’OXYGENE
2- Le « 2ème métabolisme » de l’oxygène
D- Anabolisme des ERO secondaires
● L’espèce réactive R● oxyde d’autres biomolécules : des réactions
d’oxydation en chaîne
● Les espèces réactives de l’oxygène interagissent entre elles
peroxynitrites
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant
2- Le « 2ème métabolisme » de l’oxygène
E- Effets délétères des ERO au niveau moléculaire
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
Lésions de l’ADN, coupures et mort
cellulaire, altération des bases
Altérations des protéines, AA
aromatiques, soufrés….sites
enzymatiques….
surtout la guanine
R1
R2
oxydation
des sucres :
glucose
Peroxydation lipidique :
acides gras polyinsaturés,
phospholipides, lipoprotéines
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant
II- METABOLISME DE L’OXYGENE
2- Le « 2ème métabolisme » de l’oxygène
E- Effets délétères des ERO au niveau moléculaire
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
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant
2- Le « 2ème métabolisme » de l’oxygène
F- les systèmes de défense enzymatiques anti-oxydants
● Les SOD (superoxyde dismutases) catabolisent l’anion superoxyde
Plusieurs enzymes ayant comme cofacteur :
Mn (mitochondries) : Mn -SOD
Cu et Zn (cytosol) : Cu,Zn-SOD
Ref 5
1/
Mox : SOD sous
forme oxydée
Mred : SOD sous
forme réduite
2/
Ref 4
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant
2- le « 2ème métabolisme » de l’oxygène
F- les systèmes de défense enzymatiques anti-oxydants
● La catalase et les glutathion peroxydases
Catalase (4)(peroxysomes)
Ref 5
Glutathion peroxydases (4) (cytosol de nb types cellulaires)
Ref 6
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant
2- Le « 2ème métabolisme » de l’oxygène
G- les systèmes de défense non enzymatiques : capteurs d’ERO
● 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
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant
2- Le « 2ème métabolisme » de l’oxygène
H- Le stress oxydant
1/1 intoxications aux métaux lourds (Hg,
Pb, Cd) irradiations (UV, rayons X),
infections, SIDA, carences nutritionnelles, alcoolisme, médicaments
(anthracyclines), ozone, polluants…
● Etat métabolique résultant de la perte de
l’homéostasie du métabolisme de l’oxygène :
balance rédox déséquilibrée
anti-oxydants
ERO
1/2
● 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
maladies génétiques du
métabolisme de l’oxygène,
vieillissement, ischémies,
athérosclérose, maladies
neuro-dégénératives, diabète
pathologies articulaires..…
2
3
cancer
obésité, tabagisme,
emphysème pulmonaire
Le Métabolisme de l’Oxygène et le Stress Oxydant
2- Le « 2ème métabolisme » de l’oxygène
anti-oxydants
I- Le stress oxydant : un rôle biologique ?
ERO
Une simple imperfection de la chaîne respiratoire?
● 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
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 Tymoczko
Autres sources :
Revue m/s médecine/sciences
● Ref 5 Espèces Réactives de l’oxygène et stress oxydant
C Migdal et M Serres, vol 27, avril 2011
L’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