SPECIALITE PHARMACEU
3. Dysfonction mitochondriale
3.2. Physiologie mitochondriale
3.2.10. Régulation du stress oxydatif par la mitochondrie
La mitochondrie est un lieu de formation des radicaux libres oxygénés, au niveau de la chaîne respiratoire et de l’α-cétoglutarate-déshydrogénase (Adam-Vizi 2005). Elle permet aussi la détoxification des radicaux libres au niveau de l’ubiquinone, des superoxydes dismutases 1 et 2 (SOD), de la glutathion peroxydase 4 et de la gluthation réductase. De plus, elle régule la formation des radicaux libres au niveau des protéines découplantes mitochondriales.
Le stress oxydatif est probablement un élément mécanistique participant à la neurodégénérescence notamment dans les pathologies neurodégénératives chroniques associées à des dysfonctions mitochondriales comme la maladie de Parkinson, la maladie d’Alzheimer (Beal 2004b), la SLA (Beal 2001) et la maladie de Huntington (Browne et al. 1999) mais aussi dans les pathologies potentiellement associées à l’excitotoxicité (Coyle and Puttfarcken 1993). Les anomalies du stress oxydatif dans les maladies neurodégénératives seront abordées dans le chapitre excitotoxicité (paragraphe 4 .10.3).
3.2.10.1.
Formation des radicaux libres au niveau de la
chaîne respiratoire mitochondriale
La chaîne respiratoire mitochondriale est le lieu de génération de radicaux libres oxygénés (ROS). Il est en effet estimé qu’un à quatre pourcents de l’oxygène moléculaire O2
se retrouvent réduits par un électron e- sous la forme d’un anion superoxyde O2.- (Boveris 1977). Il est encore actuellement difficile d’isoler les sites de formation de ces radicaux libres, mais il est nécessaire pour cela d’apporter des substrats et d’avoir des coenzymes d’oxydoréduction capables de transférer un électron sur l’oxygène moléculaire (Adam-Vizi 2005). Dans les mitochondries isolées à partir de cerveau, la production de ROS existe au repos et le taux de production de ROS est différent selon le substrat apporté, c'est-à-dire le succinate ou le glutamate/malate (Adam-Vizi 2005). Elle aurait lieu au niveau des complexes I et III, lors d’un apport de succinate et en présence d’un inhibiteur du complexe I, la roténone ou en présence d’un inhibiteur du complexe III, l’antimycine A (Kudin et al. 2004).
Le mécanisme de formation des ROS au niveau du complexe I n’est pas totalement élucidé, mais il pourrait avoir lieu au niveau des FMN(Liu et al. 2002; Kudin et al. 2004), des centres Fer-Soufre et de la semiquinone QH-., intermédiaire de la formation de l’ubiquinol (Figure 46) (Kudin et al. 2004; Adam-Vizi 2005). La production de radicaux libres par les mitochondries du cerveau serait plutôt associée au site FMN car sa production est inhibé par le diphénylèneiodonium, inhibiteur spécifique de ce site (Liu et al. 2002).
Le complexe III est le lieu de formation de radicaux libres sous forme de superoxydes, particulièrement important dans le cœur et les poumons mais aussi dans le cerveau, l’inhibiteur de la réoxydation du cytochrome b du complexe III, l’antimycine A ne bloque pas
contenant la flavine FMN, les centres Fer-Soufre et la semiquinone. FMN : Flavine mononucléotide, DPI : diphénylèneiodonium, Fe-S : centre Fer-Soufre, Q : ubiquinone, QH-. : semiquinone, QH
2 :
ubiquinol. Schéma tiré de (Adam-Vizi 2005)
Figure 47 : Complexe III et sites de formation des ROS
La génération de superoxides au niveau du complexe III peut se faire à deux niveaux : les centres Fer-Soufre et la semiquinone. Schéma tiré de (Adam-Vizi 2005)
Chapitre 1 RAPPEL
BIBLIOGRAPHIQUE
DYSFONCTION MITOCHONDRIALE - 53 -
la production de superoxydes en présence de succinate (Votyakova and Reynolds 2001). Au contraire, le myxothiazole, inhibiteur de la fixation de l’ubiquinol sur le complexe III et I bloque la formation de radicaux libres donc l’ubiquinol pourrait être le métabolite principal
responsable de la formation des radicaux libres (Votyakova and Reynolds 2001). Le
mécanisme de formation des ROS au niveau du complexe III pourrait avoir lieu au niveau des complexes Fer-Soufre et de la semiquinone (Figure 47) (Adam-Vizi 2005).
3.2.10.2.
α-cétoglutarate déshydrogénase et formation
de radicaux libres
l’α-cétoglutarate désydrogénase est une enzyme du cycle de Krebs catalysant la décarboxylation oxidative de l’α-cétoglutarate en présence de CoA en succinylCoA, CO2 et
NADH(Figure 48). Elle est impliquée dans la formation de radicaux libres comme les superoxydes et H2O2, dans les mitochondries isolées à partir de cerveau (Starkov et al. 2004).
C’est un complexe multi-enzymatique comportant trois types d’enzyme : l’α-cétoglutarate deshydrogénase (E1), la dihydrolipoamide succinyltransférase (E2) et la lipoamide deshydrogénase (E3). La production d’H2O2 est maximale quand le rapport NADH/ NAD+ est
élevé et se ferait au niveau de E3 (Tretter and Adam-Vizi 2004).
3.2.10.3. Détoxification des radicaux libres
Plusieurs systèmes enzymatiques mitochondriaux, comme les superoxyde dismutases 1 et 2 (SOD), la glutathion peroxydase 4 et la glutathion réductase, sont impliqués dans la détoxification des radicaux libres.
La SOD1 est une enzyme de 15,8 kDa codée par le chromosome 21, fixant un ion Cu+ et un ion Zn+ par sous-unité, catalysant la détoxification de deux ions superoxydes en présence de 2H+ en un peroxyde d’hydrogène et O2 (Figure 49) (Lieman-Hurwitz et al. 1982).
La SOD 2 est une protéine de 24,7 kDa homotétramérique matricielle codée par le chromosome 6, liant un ion Mn2+ par sous-unité (Beck et al. 1987).
La gluthation peroxydase 4 est l’isoforme de 22,1 kDa codée par le chromosome 19
(Kelner and Montoya 1998), présente dans la matrice mitochondriale après initiation au niveau des méthionines 1 et 28, catalysant la réaction de détoxification des lipides hydroperoxydés. Elle permet en présence du glutathion réduit, la transformation du lipide peroxydé en lipide et glutathion oxydé (Figure 50).
La glutathion réductase est une enzyme homodimérique de 56 kDa codée par le chromosome 8 et exprimé dans le cytosol et la mitochondrie selon l’initiation (Kelner and Montoya 2000). Elle lie un FAD et un NADPH par sous-unité et catalyse la formation de glutathion oxydé et de NADPH, H+ en présence de NADPH et gluthation réduit (Figure 51).