II.2.2.1. Le stress oxydatif mitochondrial
La majorité des ERO sont produites par la respiration mitochondriale. Environ 1 à 2% de l’oxygène moléculaire consommé dura
libres. La réduction de l’oxygène moléculaire produit un intermédiaire stable, l’O sert de précurseur à la plupart des ERO (
: Représentation schématique de la chaîne de transport d’électrons : complexe I ou NADH deshydrogénase ; II : complexe II ou succinate Q : complexe III ou cytochrome c réductase cytochrome b-c1 ; IV
; citric acid cycle : cycle de Krebs (illustration http://fr.wikipedia.org/wiki/Chaîne__respiratoire).
Le métabolisme des ERO dans la mitochondrie
Le stress oxydatif mitochondrial
La majorité des ERO sont produites par la respiration mitochondriale. Environ 1 à 2% de l’oxygène moléculaire consommé durant la respiration est converti en radicaux libres. La réduction de l’oxygène moléculaire produit un intermédiaire stable, l’O sert de précurseur à la plupart des ERO (Figure 33).
Page 91
: Représentation schématique de la chaîne de transport d’électrons : complexe II ou succinate Q ; IV : complexe IV ou illustration extraite de
La majorité des ERO sont produites par la respiration mitochondriale. Environ 1 à nt la respiration est converti en radicaux libres. La réduction de l’oxygène moléculaire produit un intermédiaire stable, l’O2•- qui
Page 92
Figure 33 : Production et inactivation des ERO dans la mitochondrie. GSH : glutathion réduit ; GSSG : glutathion disulfure ; GPx : glutathione péroxydase ; Grx : glutarédoxine ; IDHm : isocitrate mitochondriale deshydrogénase ; NADP : nicotinamide adénine dinucléotide phosphate ; Prx : péroxyrédoxine ; SOD : superoxyde dismutase ; TH : transhydrogénase ; Trx : thiorédoxine ; TrxR : thiorédoxine réductase (Ott et al., 2007).
La chaîne de transport d’électrons mitochondriale (Figure 32) contient plusieurs centres oxydo-réducteurs qui peuvent capturer des électrons à l’oxygène moléculaire, servant donc de source primaire à la production d’ERO dans les cellules (Andreyev et al., 2005). Cette génération est très importante comparée à la production d’ERO cytosolique. De plus, des travaux ont révélé qu’il existait des liens étroits entre la mitochondrie et le système NADPH oxydase (Lee et al., 2006; Wosniak et al., 2009).
La production d’ERO mitochondriale débute par le transfert d’un électron de l’oxygène moléculaire, au niveau des complexes I et III, qui conduit à la formation d’O2
•-(Turrens, 1997). L’O2•- est ensuite capturé par la Mn-SOD entraînant la formation d’H2O2
(Figure 33). Enfin, l’H2O2 réagit en présence de métaux de transition réduits comme le fer et entraîne la production d’•OH.
La mitochondrie est également une source de •NO. Le •NO est généré par la famille des oxydes nitriques synthases (NOS) qui incluent la NOS neuronale (nNOS), la NOS endothéliale (eNOS) et la NOS inductible (iNOS). Ces enzymes synthétisent le •NO en utilisant la L-arginine comme substrat et le NADPH comme donneur d’électrons. Des études ont suggéré qu’un isoforme NOS était présent dans la mitochondrie (Bates et al., 1996; Frandsen et al., 1996; Kobzik et al., 1995).
Page 93 La fonction principale des NOS est de réguler les taux respiratoires en inhibant de façon réversible la cytochrome c oxydase (Giulivi, 2003). La réaction du •NO avec O2
•-génère une espèce hautement réactive, le ONOO- qui est à l’origine de l’oxydation et de la nitration des protéines (Radi et al., 1991).
Enfin, l’1O2 peut avoir également un rôle dans l’état oxydo-réducteur de la mitochondrie. Cette ERO est à l’origine des dommages de l’ADN mitochondrial induits par les UVA (Berneburg et al., 1999) et agit sur la voie intrinsèque de l’apoptose en libérant les protéines pro-apoptotiques (Danial and Korsmeyer, 2004).
II.2.2.2. Le système antioxydant mitochondrial
La plus importante des protections antioxydantes dans la mitochondrie est le GSH et les enzymes antioxydantes qui lui sont liées comme la GPx1 et la GPx4 (Figure 33). Elles catalysent la réduction de l’H2O2 et des hydropéroxydes lipidiques, avec le GSH comme donneur d’électrons. La GPx4 réduit les groupements hydropéroxydes des phospholipides, des lipoprotéines et des esters de cholestérol. En raison de sa petite taille et de l’importance de sa surface hydrophobe, la GPx4 peut interagir avec les hydropéroxydes des lipides membranaires et ce, plus efficacement que la voie de la phospholipase A2-GPx1 (Antunes et al., 1995).
Le système thiorédoxine mitochondrial, qui inclut la thiorédoxine 2 (Trx2) et la thiorédoxine réductase 2 (TrxR2), permet de maintenir les protéines mitochondriales sous forme réduite (Figure 33). Le système thiorédoxine peut également interagir avec les péroxyrédoxines (Prx), une famille de péroxydases spécifiques des fonctions thiols, afin de réduire l’H2O2 et les hydropéroxydes lipidiques (Chae et al., 1999). Un isoforme de la Prx, la PrxIII, est exclusivement retrouvé dans la mitochondrie (Watabe et al., 1997).
Page 94 II.2.3. Les conséquences du stress oxydatif mitochondrial sur l’apoptose
II.2.3.1. Oxydation de la cardiolipine et libération du cytochrome c
Le cytochrome c est normalement lié à la membrane interne mitochondriale par une association avec la cardiolipine, un phospholipide anionique. La cardiolipine est seulement présente dans la mitochondrie où elle confère fluidité et stabilité aux membranes. L’oxydation de la cardiolipine diminue son affinité de liaison pour le cytochrome c ce qui facilite sa mobilisation (Figure 34).
Figure 34 : Rôle des ERO dans le contrôle de la mort cellulaire au sein de la mitochondrie. cardioL : cardiolipine ; cardioL-ox : cardiolipine oxydée ; cytc : cytochrome c ; PTP : pore de perméabilité transitionnel ; ERO : espèces réactives de l’oxygène (Ott et al., 2007).
La libération du cytochrome c durant l’apoptose est un processus en deux étapes. Dans la première étape, le cytochrome c se détache de la membrane interne mitochondriale puis dans la seconde étape, on assiste à une perméabilisation de la membrane externe mitochondriale et à une libération du cytochrome c dans le cytosol (Ott et al., 2002).
Page 95 Les ERO facilitent la dissociation entre le cytochrome c et la cardiolipine (Shidoji
et al., 1999) en activant la péroxydation lipidique (Kirkland et al., 2002) ce qui se traduit
par une libération du cytochrome c dans le cytosol via les pores formés par les protéines pro-apoptotiques (Figure 34). De plus, la production d’ERO entraîne une oxydation de la cardiolipine combinée à une inhibition du complexe IV de la chaîne de transport d’électrons (Petrosillo et al., 2005).
II.2.3.2. Les modulateurs pro-oxydants des ERO
Une source possible d’ERO dans la mitochondrie des cellules apoptotiques est la protéine p66Shc, une enzyme qui utilise les équivalents réduits de la chaîne de transport d’électrons pour oxyder le cytochrome c (Giorgio et al., 2005) (Figure 34). Cette enzyme forme un complexe avec Hsp70 qui est dissocié pendant l’apoptose. Cette dissociation est suivie d’une libération de p66Shc qui se lie au cytochrome c ce qui génère de l’H2O2.
Le facteur de transcription p53 est également impliqué dans la régulation de l’oxydation cellulaire. L’interaction des ERO avec l’ADN entraîne des dommages importants qui induisent une stabilisation de p53. L’augmentation de l’activité de p53 déclenche alors l’expression des protéines pro-apoptotiques Bax et PUMA entraînant une libération du cytochrome c et l’activation de la cascade apoptotique.