Les!Espèces!Actives!de!l’Oxygène!(EAO)!sont!des!espèces!dérivées!de!l’oxygène!sous!forme! de! radicaux! libres! ou! de! molécules! (Calderon! and! Roberfroid! 1988.;! Gomez=Cabrera! et! al.! 2012;! Gutteridge!1994;!Liu!et!al.!2014;!Venditti!et!al.!2013)!(Figure!18!A).!Un!radical!libre!peut!être!une! molécule!ou!un!atome!neutre!ou!chargé,!qui!a!la!particularité!de!porter!un!électron!célibataire!(ou! non! apparié)! sur! sa! couche! externe.! Cette! molécule,! généralement! instable,! est! capable! de! réagir! plus! ou! moins! rapidement! avec! d’autres! molécules! environnantes!:! en! arrachant! un! électron! (réduction)!ou!en!cédant!un!électron!(oxydation).!Ces!réactions!radicalaires!conduisent!souvent!à!la! formation! d’un! nouveau! radical,! phénomène! pouvant! se! propager! par! des! réactions! en! chaîne.! La! molécule!d’oxygène!possède!deux!électrons!non!appariés!sur!sa!couche!externe!et!a!tendance!à!!
! !
Symbole" Espèces"AcXves"de"l’Oxygène"(EAO)
" O2.:" Anion(superoxyde( .1O 2" Oxygène(singulet( H2O2" Peroxyde(d’hydrogène( .OH" Radical(hydroxyle( R." Radical(alkyle( ROO." Peroxyle( LOO." Lipide(peroxyle( NO" Oxyde(nitrique( ONOO." Peroxynitrate( HOCl" Acide(hypochlorique( ProducXon" des"EAO" Molécules"impliquées" Cytosol" Xanthine(oxydase( Lipoxygénase/Cyclooxygénase( RéXculum"
endoplasmique" Cycle(redox(des(xénobio2ques(Cytochrome(P5450( Mitochondrie" Chaine(respiratoire(mitochondriale( Cycle(redox(des(xénobio2ques( Monoamine(oxydase( Peroxysome" Peroxydase( Phagosome" NAD(P)H(oxydase( Membrane" plasmique" NAD(P)H(oxydase(
A"
B"
Figure!18!–!Nature!et!production!des!Espèces!Actives!de!l’oxygène!(EAO)! (A)!Tableau!qui!résume!les!principales!Espèces!Actives!de!l’Oxygène!présentes!dans!la!cellule.!Les! espèces!dérivées!de!l’oxyde!nitrique!(NO)!ne!sont!pas!mentionnées!ici.!(B)!Tableau!qui!indique!la! localisation!intracellulaire!et!les!molécules!impliquées!dans!la!production!des!EAO.!! Pour&revue&Nickel&A.&et&al.,&2014.! !accepter!les!électrons!un!par!un.!Ces!réductions!mono=électroniques!de!l’oxygène!donnent!naissance! à!différentes!EAO!dont!les!principales!sont!décrites!ci=dessous.!
L’anion!superoxyde!(O2.;)!est!le!premier!radical!produit!par!la!réduction!mono=électronique!
de! l’oxygène.! Cette! molécule! a! une! demi=vie! très! courte.! Elle! est! peu! diffusible! mais! constitue! le! précurseur! d’autres! EAO,! comme! le! peroxyde! d’hydrogène! (H2O2).! O2.=! peut! également,! en! compétition!avec!la!réaction!de!dismutation,!oxyder!les!agrégats!Fer=Souffre!des!déshydratases.!
Le!peroxyde!d’hydrogène!(H2O2)!est!produit,!en!parallèle!de!l’oxygène,!lors!de!la!dismutation!
spontanée! de! l’anion! superoxyde! avec! des! protons.! Cette! molécule! est! plus! stable! et! diffuse! librement! dans! les! milieux! aqueux! et! lipidiques.! H2O2!n’est! pas! réellement! un! radical! mais! par! réduction! mono=électronique,! il! donne! naissance! à! un! des! radicaux! les! plus! réactifs,! le! radical! hydroxyle.!
Le!radical!hydroxyle!(.OH)!peut!être!produit!suite!à!de!nombreuses!réactions!:!i)!la!scission!
homolytique! de! la! liaison! =O=O=! de! l’H2O2! qui! donne! 2!.OH,! ii)! la! réaction! de! Fenton! induit,! en! présence!d’ions!ferreux!(Fe2+)!et!de!peroxyde!d’hydrogène,!la!formation!d’ions!ferriques!(Fe3+)!et!de! radical!hydroxyle,!iii)!la!réaction!d’Haber!Weiss!qui!donne!naissance!à!cette!molécule!en!présence! d’O2.=!et!d’H2O2!et!enfin,!iv)!ce!radical!peut!être!généré!par!la!réaction!du!monoxyde!d’azote!(NO.)!et! de! O2.=! dans! certains! types! cellulaire! (cellules! endothéliales,! neurones,! macrophages).! Le! radical! hydroxyle! a! une! très! grande! réactivité! et! oxyde! pratiquement! toutes! les! molécules! avoisinantes! comme!les!acides!nucléiques,!les!protéines,!les!acides!gras!polyinsaturés!et!les!glucides.!
Les! radicaux! alkyles! (R.)! et! peroxyles! (ROO.)!sont!générés!par!l’action!oxydante!du!radical!
hydroxyle!sur!les!acides!gras!polyinsaturés.!Ces!réactions!en!chaînes!sont!donc!responsables!de!la! peroxydation!lipidique.!!
L’oxyde! nitrique! (NO)! est! synthétisé! à! partir! de! la! L=arginine! et! de! l’oxygène! par! les! NO!
synthases!(NOS)!dans!la!plupart!des!cellules!de!mammifères.!Cette!famille!d’enzymes!comprend!les! isoformes!nNOS!(neuronal!NOS!ou!NOS1),!iNOS!(inducible!NOS!ou!NOS2)!et!eNOS!(endothelial!NOS! ou!NOS3).!En!plus!de!ces!trois!isoformes!cytoplasmiques,!les!cellules!de!mammifères!expriment!une! isoforme!mtNOS!(mitochondrial!NOS)!au!niveau!de!la!mitochondrie.!!
!
III. 2. Origines des EAO dans la cellule
III. 2. 1. La mitochondrie
La!mitochondrie!est!le!site!majeur!de!production!cellulaire!des!EAO.!En!effet,!dans!les!cellules! non! phagocytaires,! elle! représente! le! siège! de! 80! %! de! la! production! intracellulaire! d’EAO! totaux! (Turrens! 2003).! Une! faible! proportion,! 2! à! 6! %,! de! l’oxygène! n’est! pas! totalement! transformé! en! molécules! d’eau! par! la! mitochondrie,! donnant! lieu! à! une! réduction! mono=électronique! de! l’O2! en! anion!superoxyde!(Dröge!2002;!Gomez=Cabrera!et!al.!2012;!Turrens!1997;!Turrens!2003).!
III. 2. 1. 1. Site de production des EAO
Les! sites! principaux! responsables! de! la! production! mitochondriale! des! EAO! sont! les!
complexes! I,! II! et! III! de! la! chaîne! respiratoire.! La! part! respective! de! chacun! des! complexes!
dépendrait! du! type! cellulaire,! des! substrats! disponibles! et! des! conditions! expérimentales! (Popa= Wagner!et!al.!2013;!Ray!et!al.!2012).!Le!complexe!I,!qui!contrôle!majoritairement!la!respiration!et!la! production! d’ATP! dans! le! cerveau,! est! considéré! comme! un! site! majeur! de! la! production! des! EAO! dans! ce! tissu! (Davey! et! al.! 1998;! Robinson! et! al.! 1998;! Schapira! 1998).! Cette! production! se! fait! majoritairement! lors! du! transport! reverse! des! électrons,! du! succinate! (complexe! II)! vers! le! NAD+! (complexe! I)! (Liu! et! al.! 2002;! Selivanov! et! al.! 2011;! Turrens! and! Boveris! 1980;! Votyakova! and! Reynolds! 2001).! La! production! de! l’anion! superoxyde! au! niveau! du! complexe! I! serait! due! i)! à! l’addition!directe!d’un!électron!à!l’oxygène!par!l’un!des!7!centres!Fe=S!qui!composent!ce!complexe,! ou!ii)!de!manière!indirecte!lors!de!la!réduction!des!semiquinones.!Le!groupement!prosthétique!FMN! (Flavine!MonoNucléotide)!serait!également!capable!de!générer!l’anion!superoxyde!(Liu!et!al.!2002).!!
Le! complexe! III! est! responsable! de! la! production! d’O2.=! par! l’intermédiaire! du! coenzyme! Q! sous! sa! forme! ubisemiquinone,! comme! il! a! été! montré! lors! d’analyses! réalisées! dans! le! tissu! cardiaque!de!rat!(Turrens!et!al.!1985).!!
Certains!travaux!ont!récemment!révélé!que!des!EAO!pouvaient!également!être!générées!à! partir!du!complexe!II.!C’est!le!cas!chez!les!plantes!(Gleason!et!al.!2011)!ou!lors!de!la!formation!de! tumeurs!de!manière!contrôlée!par!le!facteur!HIF=1alpha!(Guzy!et!al.!2005).!
III. 2. 1. 2. Modulation de la production des EAO mitochondriales
La!production!d’O2.=!par!les!complexes!I,!II!et!III!est!un!processus!non!enzymatique,!contrôlé! par!la!loi!d’action!de!masse.!Elle!dépend!de!la!concentration!en!oxygène!et!de!l’état!de!réduction!des! transporteurs! de! la! chaîne! respiratoire.! La! concentration! en! oxygène! a! un! effet! direct! sur! la! production!de!radicaux!libres.!Une!hyperoxie!(à!partir!de!60!%!d’oxygène)!induit!une!augmentation! de!la!quantité!de!ces!molécules!réactives!(Turrens!et!al.!1985;!Turrens!et!al.!1982).!En!suivant!la!loi!
d’action!de!masse,!lors!d’une!hypoxie!(1!à!5!%!d’oxygène),!la!production!d’EAO!devrait!être!diminuée.! Or,! de! façon! surprenante,! de! nombreuses! études! montrent! une! augmentation! de! la! production! d’EAO!par!la!mitochondrie!(principalement!le!complexe!III)!(Guzy!et!al.!2005;!Li!et!al.!2012;!Schroedl! et!al.!2002).!Toutefois,!en!anoxie!(0!à!0,5!%),!la!production!d’EAO!diminue!(Schroedl!et!al.!2002).!De! nombreuses! hypothèses! ont! été! soulevées,! comme! par! exemple! l’implication! d’une! signalisation! faisant!intervenir!le!monoxyde!d’azote!(NO)!(Cooper!and!Davies!2000).!En!hypoxie,!le!NO!inhiberait! le! complexe! IV! ce! qui! augmenterait! l’état! de! réduction! des! complexes! en! amont! et! donc! la! production!d’anion!superoxyde.!
Lors!d’un!apport!excessif!de!substrats!par!rapport!aux!réels!besoins!énergétiques!de!la!cellule! (rapport! ATP/ADP! élevé),! l’arrivée! massive! d’électrons! sans! dissipation! du! potentiel! de! membrane! par!l’ATP!synthase!peut!être!à!l’origine!d’une!surproduction!d’EAO.!Ainsi,!l’hyperglycémie!augmente! la!production!d’EAO!(Nishikawa!et!al.!2000).!!
Des! molécules! endogènes! ou! des! agents! pharmacologiques! comme! la! roténone! (inhibiteur! du!complexe!I),!le!malonate!(inhibiteur!du!complexe!II),!l’antimycine!ou!le!céramide!(inhibiteur!du! complexe! III),! le! monoxyde! d’azote! ou! le! cyanure! (inhibiteurs! du! complexe! IV),! ou! l’oligomycine! (inhibiteur! du! complexe! V),! sont! utilisés! pour! augmenter! la! production! d’EAO! (García=Ruiz! et! al.! 1997;!Kumar!et!al.!2013;!Moncada!and!Bolaños!2006;!Papa!et!al.!2000;!Xiong!et!al.!2012).!Ces!agents! permettent!de!mimer!un!stress!oxydant!et!d’étudier!les!effets!de!ce!processus!délétère!sur!la!cellule.! À!l’inverse,!diminuer!de!façon!modérée!le!potentiel!de!membrane!permet!de!diminuer!la!production! d’O2.=!:!c’est!la!théorie!du!mild!uncoupling!(Shabalina!and!Nedergaard!2011;!Skulachev!1996).!En!effet,! lors! d’un! découplage! modéré! entre! le! fonctionnement! de! la! chaîne! respiratoire! et! celui! de! l’ATP! synthétase,!les!transporteurs!d’électrons!sont!dans!un!état!plutôt!oxydé!et!la!production!d’O2.=!est! faible.! Les! protéines! découplantes! UCP! (UnCoupling! Protein),! insérées! dans! la! membrane! interne! mitochondriale,!permettent!de!faire!transiter!les!protons!de!l’espace!intermembranaire!à!la!matrice,! sans!générer!de!l’ATP,!et!sont!ainsi!capables!de!moduler!la!production!d’EAO!(Nègre=Salvayre!et!al.! 1997).!Ainsi,!les!animaux!génétiquement!invalidés!pour!le!gène!UCP3!présentent!des!signes!de!stress! oxydant! notables! (Vidal=Puig! 2000).! De! même,! des! agents! pharmacologiques,! comme! le! FCCP! (Carbonyl! cyanide=p=trifluoromethoxyphenylhydrazone)! ou! le! CCCP! (Carbonyl! cyanide! m= chlorophenyl!hydrazone),!activent!la!chaîne!respiratoire!jusqu’à!son!maximum,!entraînent!une!chute! du! potentiel! de! membrane! mitochondrial! et! une! diminution! des! EAO.! Cependant,! ces! molécules,! entraînant!un!découplage!sévère,!peuvent!induire!des!phénomènes!de!mitophagie!pour!éliminer!les! mitochondries!endommagées!(Feng!et!al.!2013;!Narendra!et!al.!2008;!Otera!et!al.!2013;!Perkins!et!al.! 2009).!!