MINISTERE DE L'ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET 1 • • '- REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE
DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE
Université de mEL - Faculté des sciences Département de Biologie moléculaire et cellulaire.
Mémoire
De fin d'étude en we de l'obtention du diplôme d'étude supérieur en Biologie (DES)
Option : BIOCHIMIE
MITOCHONDRIE, STRESS OXYDANT APOPTOSE ET STRATEGIES DE
PREVENTION
Devant le Jury :
Encadreur : KEBSA Wided
Examinateur : BENGUEDOUER Lamia
Promotion juin 2007
Présenté par :
Chékireb ZinebOtmani Siham Yousfi Naima
Remerciement
Au terme de ce travail:
Nous tenons à remercier tout d'abord Dieu le tout puissant et maître de l'univers qui nous a donné la capacité nécessaire , la forte volonté et la patience afin d'accomplir ce travail et qui nous a toujours guider vers le bon chemain.
Puis, nous tenons à cœur à exprimer notre profonde gratitude à notre encadreur Wided KEBSA qui nous a suivi tout au long de ce travail et à les remercier infiniment pour leur conseils avisés, pour leur disponibilité continuelle et pour leur encadrement déterminé. Merci de nous avoir partager vos . connaissances avec tant d'enthousiasme, de patience et de gentillesse.
Nous remercions vivement notre examinatrice Lamia BENGUEDOUER d'avoir accepté de faire partie de notre jury et qui a sacrifié de sàn'
iëmps - â]iii
d'examiner et d'évaluer...
ce travail. Nous son témoignons toutes nos reconnaissances.
Nos plus vifs remerciements et toutes nos reconnaissance vont à tous les enseignants du département de Biochimie-Microbiologie de l'université de Jijel et en particuliers ceux qui nous ont transmis leur savoir durant les quatres ans. Nous leurs témoignons toute notre reconnaissance.
Nous ne serions bien sûr jamais arrivées là sans l'aide et le soutien de nos familles. Merci à nos parents pour avoir toujours cru en nous. Merci de nous avoir soutenue dans cette voie, merci de votre présence, de vos encouragements, de vos conseils, de vos attentions constantes, merci pour tout. Nous espérons vous rendre le bonheur que vous nous apportez.
Cfzékjre6 Zine6 Otmani Sifzam 'Yousfi :N'aima
ADN ADP AIF AGPI
ANT
Apaf-1
ATP
Bcl-2 Bax
CAT DIABLO DPPH
0FAD FADD FADH FMN GPX GSH GSSG
H202
HSP
IAP
IL1 IL6 MDA NADH NAD PH NO NOS
02-0
ONOO- PTD PTP
RE
ROS ROM
Smac
SOD TTNF NF-R TRADD TRAIL VDAC
VIH 'Pm
LISTE DES ABRÉVIATIONS
Acide désoxyribonucléique Adénosine diphosphate Facteur induisant l'apoptose.
Acide gras poly insaturé adenine nucléotide transporter Apoptosis protease-activating factor- Adénosine triphosphate
B-cell lymphoma-2
Bcl-2-associated protein X Catalase
Direct IAP Binding protein with Low pl 2,2-diphénylpicrylhydrasyl
Flavine-adénine dinucléotide Fas-associated death domain
Flavine-Adénosine-Dinucléotide, forme réduite Flavine mononucléotide
Glutathion peroxydase Glutathion réduit Glutathion oxydé Peroxyde cl.hydrogène Heat Shock Proteins Inhibitors of apoptosis Interleukine-!
Interleukine-6 Malondialdehyde
Nicotinamide-Adenine-Dinucleotide
Nicotinamide-Adenine-Dinucleotide-Phosphate Nitric oxide
Nitric oxide synthase Anion superoxyde Peroxynitrite
Protein transduction domain Permeability transition pore Retiticulum endoplasmic Reactive oxygen species Reactive oxygen metabolite
Second Mitochondria-derived Activator of Caspase Superoxyde dismutase
Tumor N ecrosis Factor Receptor Tumor N ecrosis Factor Receptor TNF receptor associated death domain TNF-related apoptosis-inducing ligand Voltage-dependent anion channel Virus d'immuno déficience humaine Différence de potentiel de la membrane mitochondriale
TABLE DES MATIÈRES
INTRODUCTION... 1
SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE L GENERALITES ~lJR. LA :MITO<:HONDRIE.. •• • •••••• •• • •• • •• • • • • •• • •• • •• • • • • •• ••• • ••••••••• •• • •• • ••• 3
1. l
. DEFIN1TION... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31.2. HISTOIRE DE DECOUVERTE.................. 3
1.3 .PHYLOGENESE DE LA MITOCHONDRIE... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
I.4 .RENOUVELLEMENT DES MITOCHONDRIES... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1. 5. ORGANISATION GENERALE DE LA MITOCHONDRIE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
I. 5 .1. Membrane externe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
I.5.2. Membrane interne................................ 4
I.5.3. Espace intermembranaire... ... ... . . . . . . . . .. .. . .. . . .. . . . . . . ... .. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . .. . .. 4
I.5.4. La matrice mitochondriale........... 5
I.5.5.Le génome mitochondrial................................... 5
1.6.Le transport au travers de l'enveloppe mitochondrial......... 5
I. 7. STRUCTURE ET FONCTIONNEMENT DE LA CHAINE RESPIRATOIRE MITOCHONDRIALE...... 5
I. 7. l .Le complexe I: NADH ubiquinone oxydoréductase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
I.7.2. Le complexe II: Succinate ubiquinone réductase . .. . . . . .. . . . . . .. . . ... .. . . . .. . . . .. 6
1.7.3. Le complexe fil: Ubiquinol cytochrome C réductase ... 6
I.7.4. Le complexe IV: Cytochrome C oxydase. ... ... ... ... .. . ... ... ... . .. ... ... . .. .. . ... ... 6
I.7.5. Le complexe V: F1F0-ATP synthase .. . ... ... ... . . . .. . . . . ... .. . ... . .. . . ... .. .. . . ... 7
I.8. LES PRINCIPALES FONCTIONS DE LA MITOCHONDRIE.............. 7
I.8.1.Production d' ATP................ ... 7
I. 8.1.1. Glycolyse et B-oxydation............ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
I.8.1.2.Cycie de Krebs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 7
I.8.1.3.Phosphorylat.ion oxydative liée la chaîne respiratoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 7
I.8.2.La synthèse des hormones stéroïdes............................ 8
I.8.3. La régulation de l'homéostasie du calcium............... 8
I.8.4.Mitochondrie et production des ROS...... 8
I.8.5.Mitochondrie et apoptose................................. 8
II- LE STRESS OXYDANT. • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • 9 11.1. DEFINITIONS DES RADICAUX LIBRES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
11.2.DEFINIYION DU STRESS OXYDANT... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
11.3.LES PRENCIPAUX DERIVEES REACTIFS DE L'OXYGENE (ROS)...................... 10
11.4.LESPRINCIPAUX SOURCES DES RADICAUX LIBRES..... ... ... ... ... . .. .. . ... ... ... ... .. . .... 11
II.4.1. Sources exogènes........................................ 11
11.4.2. Sources endogènes............................. 11
11.5.Poduction des ROS par la mitochondrie.................................... 12
II. 5. l .Le complexe 1 et transfert reverse des électrons. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
II.5.2. le complexe
m
et le cycle Q............ 1411.6. LES DEGATS OXYDATIFS DES ROS.............................. 15
II.6.1. La peroxydation lipidique................ 15
Il.6.2. L'oxydation des protéines............... 15
Il.6.3. Oxydation del' ADN........................... 15
II.6.4. Oxydation des carbohydrates............... .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . .. . . . . . . . . . . . . .. 16
Il.6.5.Activation du pore de transition de perméabilité.............. 16
II. 7.Les phénomènes radicalaires... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
II. 7.1.Propagation dans les tissus... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
11.7.2.Amplification... ... ... ... ... ... ... .. . ... ... ... .. . ... . . . .. . . . . . . . ... ... ... ... ... ... ... ... ... .... 17
II.7.3.Intérruption... ... ... . .. .. . . .. . . . ... ... .. . .. . ... ... . .. .. . ... .. . . .. .. . .. . .. . . .. ... ... ... .. . ... 18
Il. 8. SYSTEMES DE DEFENSE CONTRE LES ROS... . . . 18
II.8.1.Systémes antioxydants enzymatiques... ... 18
II.8.2.Systémes antioxydants non enzymatiques... 19
II.9.Comment mettre en évidence un stress oxydant?... 21 II. IO.Les radicaux libres sont ils indispensables à la vis?... 22
III . .t\J>()J>'f()SE ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••..•••••••••••••••••••••••.•.•••••• ••••••••..••••• 23
ill. l .HISTORIQUE ET DEFINITION DE L'APOPTOSE... . . 23
ill.2.APoPTOSE ET NECROSE... . . . 23
ill.3 .LES GRANDES ETAPES DEL' APOPTOSE... . . . 23
fil. 4 .LA MODIFICATION DES DEFENSES ANTIOXYDANTS DANS L'APOPTOSE . . . 24
fil. 5. EFFECTEURS MOLECULAIRES MAJORITAIRES DEL' APOPTOSE. . . 24
ill.5.1. Les caspases ... . ill.5.2. Les protéines de la famille Bcl-2 ... . III.6. MECANISMES MOLECULAIRES ET VOIES DE SIGNALISATION L'APOPTOSE ... . ill.6.1. La voie mitochondriale ou voie intrinsèque ... . ill.6.2. La voie des récepteurs de mort ou voie extrinsèque ... . ill.7. REGULATIONDEL'APOPTOSE ... . fil. 7. J .LES PROTEINES INHIBITRICES DEL' APOPTOSE ... . ill.7.2.Les facteurs favorisant l'apoptose ... . 24 25 25 25 27 28 28 28 VI. MITOCHONDRIE, STRESS, APOPTOSE ET PATHOLOGIES HUMAINES... 29
VI.1.L'ISCHEMIE-REPERFUSION... . . 29
Vl.2.LE VIEILLISSEMENT... 29
Vl.3.LES MALADIES NEURODEGENERATIVE... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 30
Vl.4.LE CANCER... 30
VI.5.MALADIES OCULAIRES ...•... Vl.6.ATAXIE DE FRIEDRICH ... . VI.7.Diabète type Il ... . VI.8 .. Sida ... . 31 31 31 31 V. STRATEGIES DE PREVENTION ET LUTTE CONTRE LE STRESS OXYDANT ET L'APOPTOSE 32 V.1. LA P.REV ANTION NUTR"UTIONELLE •• •..•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• V.1.1. LES ~AVONOIDES .. ...•..•...••.•.•...•...••.•.•.•..••.••. V.1.1.1. DEFINITION ET STRUCTURE CHIMIQUE ... . V.1.1.2. LOCALISATION ... . V.1.1. 3. DIS1R.IBUTION ... . V.1.1.4. CLASSIFICATION ... . V.1.1. 5. BIOSYNTHESE DES FLAVONOIDES ... . V.1.1. 6.BIODISPONIBILITE ET METABOLISME DES FLA VONOîDES ... . V.1.1. 7. PROPRIETES DES FLAVONOIDES ... . V.1.2.LES CAROTENOIDES .. .•••...•...•.••...•.••••.•••..•.•.•.•...•..•....••.•••••••..••... 32 32 32 32 33 33 33 35 35 38 V.1.3.LES OLIGO-ELEMENT ET LES VITA.MIN'ES.. •• • • • •• • • •• • •• • •• • ••• •• • ••• •• • •• •••••••••• •• • •• 39
V.2.LES ANTIOXYDANTS NON NUTRITIONNELS ET DE SYNTHES.. •• ••• • • •• •• ••• • ••• •• • •• ••• ••• •• 39
DISCUSSION... 42
CONCLUSION... 47
~~~l'lC~S... 49
LISTE DES FIGURES ET DES TABLEAUX
Figure 1 :Chaîne respiratoire mitochondriale ... 6
Figure 2 : Production de ROS au niveau de la chaîne respiratoire mitochondriale ... 13
Figure 3: Transfert reverse (RTE) et transfert normal (FTE) des électrons au niveau du complexe I. ... 14
Figure 4 : Mécanisme de la production du superoxyde au niveau du complexe
m
de la chaîne respiratoire mitochondriale ... 14Figure 5 : Composition moléculaire du pore de transition de perméabilité mitochondriale P'I'P ... 17
Figure 6 : Action antioxydants de la glutathion peroxydase ... 19
Figure 7 :Réactions d'élimination des radicaux lipidique par les Vitamines E et C ......... 20
Figure 8 : Principe voies de dommages oxydant et de réparation ... 21
Figure 9: Formation de l'apoptosome, activation des caspases et induction du processus apoptotique ... 26
F'gure 10: Voies intrinsèque et extrinsèque de l'apoptose et les facteurs libérés la mitochondrie lors du processus .apoptotique ... ·: ... 28
F'igurell :Squelette de base des flavonoïdes ... .32
Figurell :Voies de biosynthèse des flavonoïdes ... 34
Figure13 :Piégeage des ROS par les flavonoïdes ... .36
Figurel 4 : Flavonoïdes et leurs sites proposés pour la chélation des ions métalliques ... 3 7 Figure 15: Elément essentiels pour l'activité antiooxydants des Flavonoïdes ... 38
Tableau 1 :Principaux ROS comparaison des pouvoirs oxydant ... 10
INTRODUCTION
Introduction
INTRODUCTION
La mitochondrie; minuscule organite présent par centaines dans toutes les cellules, contribue non seulement à la synthèse d' ATP en brûlant les glucides et les lipides au feu de l'oxygène, mais aussi au contrôle de l'homéostasie du calcium intracellulaire et à la production des espèces réactives de l'oxygène (ROS) (L'henaff., 2006). Ces substances, produisant spontanément et d'une manière continue au sein de notre organisme, sont formées en quantités pathologiques lorsque la chaîne respiratoire ne peut réduire complètement la totalité de l'oxygène qu'elle reçoit. Les complexes I et III de la chaîne respiratoire sont les sites majeurs de cette production (Femendez-Checa., 1998). Pour lutter contre ces radicaux libres nocifs, notre organisme a développé des systèmes de défense qui pemiettent de réguler la production des ROS. Ces systèmes sont des antioxydants enzymatiques et non enzymatiques, synthétisés par l'organisme ou apportés par l'alimentation (Aurousseau., 2002).
L'induction d'un stress oxydant peut également résulter d'une baisse des antioxydants cellulaires, ce phénomène est donc définie comme étant un déséquilibre de la balance antioxydant-prooxydants en faveur de ces derniers. Sous l'influence de différents signaux prooxydants, différentes voies de transduction semblent converger
vers la mitochondrie dans laquelle elles déclenchent un processus appelé transition de
perméabilité caractérisé par l'ouverture de mégacanaux mitochondriaux qui conduit a une altération rapide des fonctions mitochondriales et à la libération de protéine pro- apoptotiques qui vont activer des protéases impliquées dans l'exécution de l'apoptose (Muller., 1999).
Aujourd'hui, le spectre des maladies mitochondriale est donc extra ordinairement vaste dû au dysfonctionnement des mitochondries qui peut concerner tous les organes et survenir a n'importe quel age. On comprend alors l'intérêt du développement d'essais de thérapies antioxydantes pour prévenir ou réduire les conséquences du stress oxydant en régulant les fonctions mitochondriale. Les flavonoïdes, métabolites secondaires appartenant à la famille des polyphénols, largement représentés dans les fruits et les légumes sont largement étudiés dans le domaine médical ou on leurs reconnaît plusieurs activités pharmacologiques.
C'est dans ce cadre que s'inscrivent les objectifs de notre étude qui vise à maître le point sur:
~ Les mécanismes du fonctionnement et les différentes fonctions de la mitochondrie.
~ Les différents mécanismes de la production mitochondriale de ROS et leur régulation.
~ Approfondir le concept du stress oxydant, les différents facteurs déclenchant, principaux dégâts cellulaires et mitochondriaux ainsi que les différents systèmes de défenses antioxydants.
~ Implication de la mitochondrie et du stress oxydant dans les voies et les mécanismes de signalisation et de régulation du processus apoptotique.
~ Les pathologies liées au dysfonctionnement mitochondriale, au stress et à l'apoptose.
~ Et enfin, insister sur les différentes stratégies de lutte et de prévention contre ces dysfonctionnements en se basant essentiellement sur la modulation des fonctions mitochondriales.
SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE
1. Généralité sur la mitochondrie 1.1. Définition
Chapitre 1: Généralités sur la mitochondrie
Les mitochondries constituent la centrale énergétique de la cellule où ont lieu en particulier les réactions de la respiration cellulaire qui permettent la synthèse d' ATP, molécule énergétique utilisable directement par les réactions cellulaires. Il devient clair aujourd'hui qu'elle joue également un rôle clé dans la production des espèces réactives de l'oxygène (ROS) et le processus de mort cellulaire (Bemardi., 1999). Les mitochondries (du grec mitas, fil et chondros, grain) sont des organites intracytoplasmiques semi-autonomes (Wei., 2002), chargées des fonctions d'oxydation phosphorylante, fournissent presque toute l'énergie nécessaire à la cellule. Elles ont des dimensions de 1 à 2 µm de long et de 0.5 à 1 µm de large. Les cellules en contiennent de nombreuses, leur nombre est régulé par l'activité cellulaire. Les mitochondries ne sont pas des organites statique : elles se scindent ou, au contraire , fusionnent couramment ce qui explique leur polymorphisme au sein d'une même cellule (Marc., 1999).
1.2. Histoire de découverte
Les recherches scientifiques sont débutées il y'a 150 ans. En 1857, Kolliker décrit les aspects de la mitochondrie dans le muscle. Trois ans plus tard, en 1890, Altman découvre dans le cytoplasme, des granulations et des filaments qui les dénomma bioblastes (du grec · bios: vie et blastos: germe). En 1940-1943, Claude isole les mitochondries dans les cellules du foie. En 193 7, Benda, reconnaît la présence constante de ces élément (dans i~s eellules eucaryotes), donne a ces "germes de vie" 1e nom de mitochondrie. En 193 7, un scientifique Allemand, Hans Adolf Krebs, construit un modèle qu'il appela ' citric acid cycle'. Ce cycle a lieu dans la mitochondrie chez les eucaryotes. En 1959, Chevremont a découvert la présence de molécules d'ADN dont la structure est fondamentalement différente et indépendante de celle de l'ADN nucléaire (Marc., 2000; Delbart., 2000). L'organisation générale des mitochondries, telle que nous la connaissons actuellement, a été mise en évidence grâce à la microscopie électronique par Palarle (1952) et Sjostrand (1953). En 1981, Anderson et son équipe découvrent la structure génétique de l'ADN mitochondrial humain. Finalement, Boyer et Walker obtiennent le prix nobel pour leurs études sur la structure et le fonctionnement de l' ATP synthase (Marc., 1999).
1.3. Phylogenèse de la mitochondrie
La mitochondrie naquit lorsque deux bactéries, archéobactérie anaérobie (hôte) d'une part et protobactérie aérobie (symbiote) d'autres part, fusionnèrent pour donner un eucaryote primitif duquel tous les eucaryotes actuels dériveraient. Une telle hypothèse sur l'origine de la mitochondrie a été suggérée par la mise en évidence, en 1963, de l'ADN mitochondrial qui est différent de l'ADN du noyau. Il y'a plus d'un milliard d'années, la plupart des gènes de la bactérie ont migré vers le noyau de la cellule eucaryote hôte. La vitesse du transfert génétique vers le noyau a nettement changé, mais toutes les mitochondries connues contiennent des gènes des bactéries au niveau de leurs chromosomes dont la taille est de 16 569 pb chez l'homme (Thomas., 2004).
Chapitre I : Généralités sur la mitochondrie
1.4. Renouvellement des mitochondries
Les mitochondries ont une durée de demi vie de l'ordre de 6 à 10 jours selon les cellules. Le remplacement des mitochondries est assuré par la division binaire de mitochondries préexistantes en mitochondries filles plus petites qui augmenteront ensuite de volume. Le mécanisme de division est rapide, de l'ordre de 60 secondes.
Les constituants mitochondriaux sont renouvelés en permanence soit par des synthèses se déroulant dans la mitochondrie, soit par des importations. Les mécanismes d'importation protéiques de la mitochondrie sont extrerement complexes et font intervenir des séquences d'adressage protéiques, des molécules chaperons (Comme par exemple:
les protéines Hsp pour heat Shoek proteins) (Echaniz., 2006).
1.5. Organisation générale de la mitochondrie
La mitochondrie est limitée par une enveloppe formée de deux membranes ; la membrane interne et externe qui délimitent deux compartiments mitochondriaux, l'espace intermembranaire et l'espace matriciel (Lodish., 1997).
1.5.1. Membrane externe
Délimite le pourtour eh.ierne lisse de la mitochondrie (Lodish., 1997). Cette membrane est constituée de 60 % de protéines et 40 % de lipides, perméable à tout les molécules de 5 Kd ou moins grâce à la présence de porines: Le canal VDAC (Voltage- Dépendent Anion Channel) pour le passage des métabolites à travers la membrane externe, des complexes d'importation du cholestérol pour la synthèse des stéroïdes et des translocases TOM (Translocase of the Outer Membrane) impliquées dans l'import des protéines (Marc Maillot., 1999; Peter., 2002).
1.5.2. Membrane interne
Constituée de 80 % de protéines et 20 % de lipides La membrane interne contient de nombreuses particules intra-membranaires riches en protéines et mobiles dans le plan de la membrane. Certaines de ces particules servent au transfert d'électrons de NADH et F ADH2 jusqu'à 02 ainsi qu'à la synthèse d'ATP. Certaines sont des perméases permettant à des molécules, essentiellement imperméable, comme l'ADP et l'ion phosphate, de passer au cytosol. Elle renferme aussi des translocases TIM {Translocase of the Inner Membrane) impliquées dans l'import de protéine ainsi que la cardiolipine lipide particulier à la membrane interne qui réduit la perméabilité de la membrane au proton (Lodish., 1997 ; Marc Maillet., 1999). La membrane interne forme des invaginations apparaissant sous forme des crêtes qui augmentent la surface de la membrane et donc la capacité de phosphorylation oxydative. Grâce à cette caractéristique on peut déduire que si une mitochondrie possède beaucoup de crêtes c'est que la cellule a besoin d'une grande quantité d'énergie et donc elle pourra produire plus d'ATP (Marc., 1999).
1.5.3. Espace intermembranaire
C'est un espace très étroit qui permet le transit de toutes les molécules de taille inférieur à 10 000 Da, comme les ions et des protéines, qui traversent de manière passive la membrane externe grâce aux porines (Pierre., 1996). De plus, il est riche en protons provenant du fonctionnement des complexes 1, II et III de la chaîne respiratoire. L'espace intermembranaire contient des composés clefs impliqués dans la mort cellulaire programmé qui sont la caspase -2 et 3, AIF ainsi que le cytochrome C, qui seront libérées sous l'effet des facteurs proaptotiques (Marc., 1999).
Chapitre 1: Généralités sur la mitochondrie
1.5.4. La matrice mitochondriale
Elle renferme un mélange très concentré de nombreuses enzymes dont celles qui sont nécessaires à l'oxydation du pyruvate et des acides gras et au cycle de l'acide citrique. On trouve également plusieurs copies identiques d'ADN et les protéines nécessaires à sa transcription puis à la traduction de l'ARNm en protéines (Cross., 1993).
1.5.5. Le génome mitochondrial
Chez les animaux et les végétaux supeneurs, l'hérédité mitochondriale est uniparentale. En effet, les mitochondries de l'œuf proviennent du gamète femelle et non du gamète mâle pratiquement dépourvu de cytoplasme. La matrice de chaque mitochondrie renferme plusieurs molécules d'ADN mitochondrial (ADNmt) présentant des caractéristiques se rapprochant de l'ADN bactérien. L'ADNmt est en effet circulaire dépourvu d'histone et souvent fixé aux crêtes de la membrane interne. L'ADNmt se réplique dans la matrice selon le même processus que pour L'ADN nucléaire, c'est-à-dire par w1 mécanisme semi-conservatif (Peter., 2002).
Les ribosomes mitochondriaux ou mitoribosomes sont plus petites (70 s au lieu de 80 s). Le code génétique employé pour la synthèse est différent de celui utilisé dans les synthèses cywsoliques; 4 codons sur 64 ont une signification différente, exemple UGA est transcrit dans le cytosol en codon stop mais dans la matrice UGA est transcrit en tryptophane (Muller., 1999).
1.6. Le transport au travers de l'enveloppe mitochondrial
Les substrats de l'oxydation phorphorylante (pyruvate, acides gras, ADP et Pi) sont transportés du cytosol à la matrice par des perméases, l'oxygène 02 atteint la matrice par diffusion. L'ATP est transférée au cytosol en échange d'ADP et de Pi, le C02 diffuse vers le cytosol à travers les membranes mitochondriales (Lodish., 1997).
1. 7. Structure et fonctionnement de les chaînes respiratoire mitochondriale
La chaîne respiratoire mitochondriale est composée de cinq complexes multienzymatiques (Figl). Ces derniers sont la résultante de l'association d'une cinquantaine de polypeptides. Chaque complexe est indépendant et contient des groupements prosthétiques engagés dans une série de réactions d'oxydoréduction. En terme de flux d'électrons les complexes sont disposée en fonction de leur potentiel d'oxydoréduction ( Dudkina., 2005).
5
Chapitre I: Généralités sur la mitochondrie
espace inhtrmembranairc
succinate
+ Pi-
Figure 1. Chaîne respiratoire mitochondriale (Blandine.,2006).
1. 7.1. Le complexe 1 : NADH Ubiquinone oxydoréductase
Il s'agit de l'élément le plus volumineux de la chaîne respiratoire, composé d'environ 40 sous-unités et d'un poids moléculaire d'environ 900 KD. Pour chaque molécule de NADH oxydée le complexe I entraîne la migration de 4 protons de la matrice vers l'espace intermembranaire. Le complexe I peut être inhibé par la roténone (Peter., 2002; Thomas., 2004).
1.7.2. Le complexe II: Succinate ubiquinone réductase
Une enzym·:. transmembranaire qui fait partie du cycle de Krebs ou cycle de l'acide citrique. Le complexe II assure le couplage de l'oxydation du succinate en fumarate et la réduction de FAD en FADH2, le complexe II assure le transfert des électrons du F ADH2 vers ubiquinone qui les transporte vers le complexe III, l'utilisation du malonate permet d'inhiber l'activité de ce complexe (Peter., 2002; Thomas., 2004).
1.7.3. Le complexe III: Complexe b-cl (Ubiquinol-cytochrome c céductase)
Les ubiquinones sont des transporteurs libres d'électrons du complexe I et II vers le complexe III. Ce dernier permet un transfert d'électrons à un deuxième transporteur mobile situé dans l'espace intermembranaire, le cytochrome c, qui le relie au dernier complexe de la chaîne respiratoire. Ce transfert d'électron de l 'ubiquinone au cytochrome c est un processus associé à un efflux de proton (Hockenbery., 1993; Etienne., 2004).
L' antimycine A et le myxothiazol inhibent le complexe III à des étapes différentes du transfert d'électrons (Peter., 2002).
1.7.4. Le complexe IV: Cytochrome oxydase
Le complexe IV est constitué de 13 sous-unités, il accepte les électrons provenant de quatre molécules de cytochrome C pour assurer la réduction de l'oxygène moléculaire en deux molécules d'eau (H20) et le pompage de quatre protons hors de la matrice mitochondriale (Peter N., 2002). Les trois sous unités qui forment le cœur catalytique du complexe, sont codées et synthétisées à l'intérieur des mitochondries et assurent le transport des électrons et des protons alors que les dix autres sous-unités sont codées par le noyau. Le cyanure est un inhibiteur de la cytochrome C oxydase (Thomas D., 2004).
6
Chapitre 1: Généralités sur la mitochondrie
1.7.5. L'ATP synthase: F1 F0 - ATP synthase
L 'ATP synthase couple la diffusion facilitée des protons à la synthèse d'A TP à partir d'ADP et de Pi et permet de transformer la différence de potentiel électrochimique de proton en énergie chimique. Elle est constituée de deux complexes principaux F 0 et F 1: le domaine F o fonctionne comme un canal à protons et F 1 comme une ATPase, catalysant l'hydrolyse de l'ATP en ADP et Pi. Ce complexe est inhibé par l'oligomycine qui bloque le transport de protons (Peter N., 2002).
1.8. Les principales fonctions de la mitochondrie
Les mitochondries exécutent plusieurs taches au niveau de la cellule : 1.8.1. Production d'ATP
Les mitochondries sont le site principal de conversion de l'énergie en ATP et reçoivent des produits intermédiaires chimiques riches en énergie prevenant de deux grands voies métaboliques : la glycolyse et l'oxydation des Acides gras. Ces deux voies métaboliques convergent au sein de la matrice mitochondriale vers le cycle de l'acide citrique qui comporte des réactions de conversion d'énergie (Thomas., 2004 ).
1.8.1.1. Glycolyse et B-oxydation
La glycolyse cytoplasmique convertit le glucose en pyruvate qui sert de substrat à la pyruvate déshydrogénase. Les produits de ce dernier le C02, NADH et l'acétyl coenzyme A (COA) sont libérés dans la matrice. Le NADH est un transporteur d'électrons riche ~n énergie. L'Acetyl- COA est un intermédiaire métabolique qui apporte des liaisons riches en énergie au cycle du Krebs (Thomas., 2004 ).
Le métabolisme lipidique donne naissance à des AG liés à l'Acetyl- COA par une liaison thioester, qui sont véhiculés à travers la membrane interne de la mitochondrie reposant sur carnitine, dans la matrice l'acyl-carnitine est convertie en Acyl- COA . Les enzymes matricielles dégradent les Acides gras en molécules à 2 carbones au cours d'une série de réactions oxydatives qui donnent naissance au NADH, F ADH2 et à l'acetyl- COA qui alimente le cycle du Krebs (Thomas., 2004; Març., 1986).
1.8.1.2. Cycle de Krebs
La dégradation de l'Acetyl-COA au cours d'un cycle de l'acide citrique permet la synthèse de trois molécules de NADH, d'une molécule du F ADH2 et de deux molécules du C02• Les électrons riches en énergie provenant du NADH et du F ADH2 alimentent une voie de transport d'électrons (Thomas., 2004 ).
1.8.1.3. Phosphorylation oxydative liée la chaîne respiratoire
Au sein de la membrane interne mitochondriale qui, à son tour, active un cycle chimioosmotique de synthèse de l'ATP. Les électrons prevenant du NADH traversent le complexe I pour gagner le complexe III et le complexe IV. Les électrons prevenant du FADH2 passent successivement à travers les complexes Il, III et IV. Indépendamment des voies de passage, de l'énergie est prélevée pour permettre le transfert de plusieurs protons à travers la membrane mitochondriale interne à partir de l'espace matriciel jusqu'à l'espace intermembranaire. Ce mécanisme permet la création d'un gradient électrochimique de protons en vue de la synthèse de l'ATP (Thomas., 2004).
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Chapitre I : Généralités sur la mitochondrie
1.8.2. La synthèse des hormones stéroïdes
Les molécules de cholestérol nécessaires à la synthèse des stéroïdes pénètrent dans la matrice par l'intermédiaire des complexes transporteurs situés au niveau des accolements transitoires des membranes interne et externe. Des molécules de cytochrome p 450, située dans la membrane, transforment les molécules de cholestérol en molécules de prégnénolone. Les molécules de prégnénolone gagnent le REL qui les transforme soit en oestrogènes, progestérone, androgènes, soit en un métabolite intermembranaire qui retourne vers la matrice mitochondriale pour y être transformé en cortisol ou en aldostérone (Marc., 2000).
1.8.3. La régulation de l'homéostasie du Ca++
Le Ca++ intracellulaire est régulé par plusieurs processus. Sa concentration cytosolique est ajustée par fixation sur les protéines non membranaires, par le réticulum endoplasmique et principalement par la mitochondrie. Les mitochondries sont capables de prendre de grande quantité de Ca++ cytosolique. De ce fait, elles agissent en tant que dispositifs de sécurité contre des augmentations potentiellement toxique du Ca +t
cytosolique. Eile capte et libère le Ca++ par des modes de transport différent. Ainsi le Ca++ entre à travers les uniporteurs Ca++, et il est libéré essentiellement par un transport antiport (Na+/ Ca++) (Na+/ I r ) au niveau de la membrane mitochondriale interne (Crompton., 1999). La concentration matricielle du Ca++ libre varie entre 0.2 et 10 µM, concentration nécessaire pour le bon fonctionnement des activités mitochondriales tels la régulation de l'activité des enzymes clés de métabolisme énergétique ( pyruvate déshydrogénase, isocitrate déhydrogènese,.. . ), la régulation de la synthèse protéique et celle des acides nucléiques. Les variations de cette concentration conduisent au dysfonctionnement mitochondriale tel l'ouverture Ju PTP et l'induction de l'apoptose (Steiman., 1995).
1.8.4. Mitochondrie et production des ROS
Une conséquence de la respiration mitochondriale est la génération des électrons impairs. L'interaction de ces derniers avec l'oxygène moléculaire conduit à la synthèse d'une gamme d'espèces réactives de l'oxygène. Il existe neuf sites mitochondriaux producteurs de ROS essentiellement le complexe 1 et III. En conditions pathologiques, ces ROS induisent un stress oxydant lorsqui'il y aura un déséquilibre entre leur synthèse et leur détoxification (Barja., 1999).
1.8.5. Mitochondrie et apoptose
La mitochondrie joue un rôle intégrateur des voies de mort cellulaire programmée. Une collection hétérogène de protéines impliquées dans la régulation de l'apoptose est localisée dans les mitochondries. La perméabilité d'un méga canal PTP (pore de transition de perméabilité) traversant les membranes interne et externe de la mitochondrie est déterminante. En effet, la phase effectrice de l'apoptose implique l'ouverture de ce pore et la libération des molécules apoptogènes tel que le cytochrome c et l' AIF (Anti- apoptotique lnducing Factor), capables de déclencher l'apoptose via l'activation des caspases (Kroemer., 2000)
Chapitre!!: Stress oxydant
II. Le stress oxydant
Le corps humain a besoin de l'oxygène pour survive. L'02 est indispensable au fonctionnement cellulaire mais il est aussi la source des espèces réactives de l'oxygène (ROS) qui peuvent oxyder les macromolécules telles que l 'ADN, les protéines et les lipides. Mais nous devons ajouter que les ROS sont également essentiels pour le fonctionnement cellulaire. Pour définir le stress oxydant il faut avant tout connaître ce que sont les radicaux libres.
11.1. Définition des radicaux libres
En dehors de toutes pathologies, une première ongme du stress oxydant est la formation initiale des radicaux libres. Un radical libre est un atome ou une molécule dont la structure chimique est caractérisée par la présence d'un électron libre rendant cette espèce chimique beaucoup plus réactive que l'atome ou la molécule dont il (elle) est issu (e). D'autres entités non radicalaires de l'oxygène peuvent être produites comme le peroxyde d'hydrogène (H202) ou l'oxygène singulet (102) (Gutteridge., 1992). Les radicaux oxygénés libres sont aussi nommés dérivés réactifs de l'oxygène (DRO) ou, pour les Anglo-Saxons, réactive oxygen spécies' (ROS), réactive oxygen intermédiaire (ROI) ou encore réactive oxygen métabolites (ROM). Ces radicaux libres sont produits par divers mécanismes physiologiques car ils sont utiles pour l'organisme à dose raisonnable ; mais la production peut devenir excessive conduisant à un état de stress oxydant (Pryor., 1986; Aurousseau., 1999).
II.2. Définition du stress oxydant
Dans les circonstances normales, il· existe un équilibre entre productüm et 61imination des ROS, on dit que la balance ( antioxydants- prooxydants) est en équilibre, si tel n'est pas le cas, que ce soit par déficit en antioxydant ou suite à une surproduction de radicaux, il survient un «Stress oxydant », qui est défmi comme un déséquilibre de cette balance en faveur des ROS (Favier., 2003). La cellule ne contrôle alors plus cet excès de radicaux qui va engendrer de nombreux dégâts cellulaires; une situation que l'on trouve dans le processus de vieillissement et dans la plupart des pathologies humaines (Alzheimer, diabète, cancer, parkinson, sida, ... ) (Blandine., 2006).
LE STRESS\ -OX~'DANT
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Chapitre/[· Stress oxydant
11.3. Les principals dérivées réactifs de l'oxygène (ROS)
Parmi toutes les espèces radicalaires susceptibles de se former dans les cellules, il convient de distinguer un ensemble restreint des composés radicalaires qui jouent un rôle particulier en physiologie et que nous appellerons radicaux primaires. Les autres radicaux libres, dits radicaux secondaires, se forment par réaction de ces radicaux primaires sur les composés biochimiques de la cellule. Ces radicaux primaires dérivent de l'oxygène par des réductions à un électron tels l'anion superoxyde (02· -) et le radical hydroxyle (OH), ou de !'Azote tel le monoxyde d'Azote (NO") (Yoshikawat., 2000). D'autres espèces dérivées de l'oxygène dites espèces actives de l'oxygène, comme l'oxygène singulet 102, le peroxyde d'hydrogène (H20 2) ou le nitropéroxyde (ONOOH) ne sont pas des radicaux libres, mais sont aussi réactives et peuvent être des précurseurs de radicaux. L'ensemble des radicaux libres et de leurs précurseurs est souvent appelé espèces réactives de l'oxygène (Alain Favier., 2003). La dismutation de 0 2· - entraîne la formation d'oxygène fondamental et de peroxyde d'hydrogène (H20 2).
Selon la réaction de Fenton, l'H20 2 se décompose en présence d'ions Ferreux (Fe2+), en un ion OH- et un radical hydroxyle (OH) (H202 + Fe2+ --+ "OH + OH- + Fe3+). Cette réaction s'interrompe rapidement par épuisement du fer ferreux, excepte en présence d'anion superoxyde (02" -) qui régénère Fe3+ en Fe2
+ selon la réaction d'Haber-Weiss (02" - + Fe3+--+ 0 2 + Fe2
+ ). Ainsi, la présence simultanée de peroxyde d'hydrogène (H20 2), d'anion superoxyde (02" -) et de fer permet la production de radical hydroxyle (OH). L' "OH, avec une demi-vie de l'ordre de la nanoseconde, est la plus instable et la plus réactive de toutes les espèces dérivées de l'oxygène. La diffusion limitée de ce radical lui permet de réagir avec de nombreuses espèces moléculaires se trouvant à proximité (protéines, lipides, ADN ... ) entraînent ainsi de multiples dommages cellulaires. l' "OH apparaît comme l'espèce radicalaire ayant un rôle majeur dans la cytotoxicité des ROS (Gutteridge., 1993).
Le tableau ci-dessous représente les principaux dérivés réactifs de l'oxygène:
Tableau 1. Principaux ROS et comparaison des pouvoirs oxydants (Haton, 2005)
Anion superoxyde 0··2
radical hydroxyle •OH
Radical hydroperoxyde HOO•
Radical peroxyle ROO•
Radical alkoxyle RO•
Peroxyde d'hydrogène H202
Radical oxyde nitrique NO•
peroxonitrite ONOO•
Hypochlorite CIO
Pouvoir oxydant: •OH> RO•> HOO•> ROO•> NO•
10
11.4. Les principaux sources des radicaux libres 11.4.1. Sources exogènes
Chapitre//: Stress oxydant
L'environnement dans le quel nous vivant mais aussi notre mode de vie sont à l'origine d'une augmentation du stress oxydant dans notre organisme. On peut citer comme facteur . exogène induit le stress oxydant : exposition prolongée au soleil, exposition en radiation X, ô, contacts avec des agents cancérigènes (amiante), tabagisme, prise de médicaments, pratique trop intense ou mal gérée du sport, consommation excessive d'alcool, stress intellectuel, stress thermique, ozonothérapie, pollution, agent infectieux et l'alimentation déséquilibrée (Dardik., 2000).
11.4.2. Sources endogènes
Dans l'organisme, il existe de nombreuses sources de ROS parmi les quelles l'autooxydation des petites molécules, la xanthine oxydase et la NADPH oxydase, le réticulum endoplasmique, NO synthase, les ions métalliques et les péroxysomes (Blandine., 2006).
114.2.a. L'auto-oxydation des molécules
L' autooxydation de la dopamine, l'adrénaline, les flavines et les hydroquinones est une importante source de ROS (Freeman., 1981 ). Le produit direct de ces auto-oxydation est souvent 1'02' -. Ainsi, l'auto-oxydation de la dopamine est en partie impliquée dans le processus apoptotique lors de pathologies neurodégénératives, notamment lors de la maladie de Parkinson (Thannickal., 2000).
IL4.2.b. La Xanthine oxydase
Cette enzyme catalyse la dégradation de l'hypoxanthine en acide urique en condition de forte demande d'ATP et de déficit en oxygène, mais elle peut également catalyser l'oxydation de la xanthine en acide urique, notamment lors d'ischemie- reperfusion ou d'hypoxie. Dans cette réaction, l'oxygène moléculaire agit comme un accepteur d'électron produisant ainsi
ro
2·- selon la réaction ci-dessous (Mckelvey., 1988;Parks., 1988).
Xanthine oxydase Xanthine + 202 + H20 - - - - 114.2.c. La NADPH oxydase
Acide urique + 202 • -
+
2H+La NADPH oxydase joue un rôle fondamental dans la réponse immunitaire et plus précisément dans la lutte contre les microorganismes (Babior., 1999). En effet, lors de la phagocytose, cette enzyme présente dans la membrane plasmique des phagocytes, catalyse la formation d'02° -. Il existe aussi une NADPH oxydase dans des cellules non phagocytaires dont le rôle serait la régulation de la croissance cellulaire (Krause., 2004).
NADPH oxydase 202+NAPH
114.2.d Le réticulum endoplasmique lisse
Il contient des enzymes qui catalysent une sene de réactions pour détoxifier les molécules liposolubles et d'autres produits métaboliques toxiques (Freeman., 1983; Turrens., 1982). La plus connue de ces enzymes est le cytochrome P 450 qui oxyde les acides gras insaturés et les xéno biotiques, produisant ainsi des ROS (Morel., 1999).
Chapitre!!: Stress oxydant
IL4.2. e. La NO synthase
Beaucoup de cellules sont capables de produire du monoxyde d'azote (NO') à partir de l'arginine et de l'oxygène, dans une réaction catalysée par la NO synthase (NOS), selon la réaction ci-dessous :
L - argeniRe + 02 + NADPH NOS L -citruline +NO'+ NADP.
- - - -
En effet, les études réalisées
à
l'aide des enzymes purifiées ont montré que la NOS, est capable de générer des anions superoxydes dans des situations de déficit en son substrat, la L-arginine, ou de ces cofacteurs d'activation (Servais., 2004; Haton., 2005; Xia., 1998).IL4.2.f. Les ions métalliques
Les ions métalliques comme le fer et le cuivre, sont de remarquable promoteurs des processus radicalaires : ils transforment l'H202 en radical hydroxyle encore plus toxique, selon la réaction de Fenton décrite précédemment, et accélèrent la péroxydation lipidique.
En situation physiologique, la concentration libre de fer ou de cuivre est particulièrement basse, ces métaux étant séquestrés par des protéines spécialisées, de sorte que cette réaction n'a pas lieu. En revanche, les destructions cellulaires entraînent une libération de ces métaux pouvant engendrer un stress oxydant (Giratti., 1998 ; Brunet., 1999 ; Stohs., 1995).
IL4.2 g. Les péroxysomes
Les péroxysomes constituent une importante source de production d'H,,02 cellulaire (Boveris., 1972). Toute fois, l'H202 est utilisé comme substrat de la catalase péroxysomale (enzyme antioxydant) à fin de réaliser des réactions de péroxydation d'autres substrats. Ces réactions sont importantes dans les processus de détoxification présent dans le foie et le rein. Seule une faible quantité d'H202 produit au niveau du péroxysome pourrait échapper à la catalase. Cependant, la principale source de ROS est la mitochondrie par l'intermédiaire de sa chaîne respiratoire. Elle produit en effet 90 % des ROS cellulaires (Balabane., 2005).
11.5. Production des ROS par la mitochondrie
La chaîne respiratoire est une source permanente de ROS. Selon certains auteurs, environ 1 à 3 % de l'oxygène utilisé par la mitochondrie sont incomplètement réduits et produisent des ROS (Boveris., 1972; Boveris., 1973). Mais ces estimations sont réalisées à partir de mesure in vitro sur des mitochondries isolées en présence d'une pression partielle en oxygène non physiologique et de concentration saturante en substrat. Il est vraisemblable que la production mitochondriale de ROS in vivo soit beaucoup plus faible (0.4 à 0.8 %). En fait il existe neuf sites mitochondriaux producteurs de ROS, mais les plus important sont le complexe I et le complexe III (Hansford., 1997) (Fig 3).
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Chapitrell: Stress oxydant
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Figure 3. Production de ROS au niveau de la chaîne respiratoire mitochondriale (Servais, 2004).
11.5.1. Le complexe 1 et transfert reverse des électrons
Le complexe III a longtemps été considéré comme le plus important site de production d'02 • - et le complexe 1 comme un acteur secondaire (Cadenas., 1980 ; Turrens., 1985). Cependant, ces premières études utilisaient comme substrat respiratoire du succinate (Fournisseur du FADH2) combiné à la roténone, de récentes mesures ont permis de mettre en évidence l'existence d'un flux inverse d'électrons. Ce flux d'électrons issus de l'oxydation du FADH2 remonte du complexe II vers le complexe 1 atteignant ainsi le site de production de ROS du complexe 1. Il a alors été clairement défini que la source majeure de ROS était le complexe 1 via ce flux inverse d'électrons (Fig 4) (Borfa., 1999; Hansford., 1997; Herreo., 1997). Ce flux d'électrons entraîne également la réduction du NAD+ en NADH (Tiu., 2002).
A ce jour, le site de la production de ROS du complexe 1 reste encore controversé. Trois hypothèses sont émises : cette production aurait lieu au niveau 1°) des quinones (Q) (Cadenas., 1977), 2°) du groupe des Flavines mononucleotides FMN (Liu., 2002), ou 3°) du groupe Fer-soufre [Fe/S] (Genova., 2001; Kaslinareva., 2002). Comme ces trois structures sont très proches les unes des autres et interagissent les unes avec les autres (Burbaev., 1989; Herero., 2000), il est difficile de dire la quelle intervient spécifiquement dans la production des ROS : NADH ~ FMN ~ [Fe/S] ~ Q.
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Figure 3. Transfert reverse (F.E.T) et transfert normal (R.T.E) des électrons au niveau du complex I (Andrain., 2001)
11.5.2. Le complexe III et cycle
Q
La production des ROS au niveau du complexe III quant à elle, résulte de la réduction partielle de l'ubiquinone, l'électron libre prevenant du transfert à travers la chaîne respiratoire s'apparie avec l'ubiquinone (Q) formant le radical semi-ubiquinone (Oa) qui est instable.· Un deuxième électron est donc nécessaire pour le stabiliser et permettre le transfert de proton grâce à l'intermédiaire ubiquinol (QH2). Toutefois, il existe une prnbabilité pour que le ~adical semie-ubiquinone rencontre une molécule d'02 avant d'être stabilisé par le deuxième électron. La molécule d'oxygène va alors capter l'électron libre générant ainsi un anion superoxyde (Fig 4) (Turrens., 1985). La production de ROS au niveau du complexe I a lieu uniquement dans la matrice alors que la production au niveau du complexe III a lieu dans l'espace matriciel ainsi que dans l'espace intermembranaire (Chen., 2003; Han., 2003; St pierre .. , 2002; Turrens., 2003).
A
fate
matrieieh
Figure 4. Mécanime de la production du superoxyde au niveau du complexe III de la chaîne respiratoire mitochondrial (Andrain., 2001).
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Chapitre!/: Stress oxydant
11.6.Les dégâts oxydatifs des ROS
Les phénomènes radicalaires de base sont utiles au bon fonctionnement de l'organisme. L'altération des composants cellulaires et des structures tissulaires intervient lorsque l'intensité de ces phénomènes augmente anormalement. Tous les tissus et tous leurs composants peuvent être touchés : lipides, protéines, glucides et ADN (Wolff., 1987; Halli., 1993; Jaeschke., 1995 ; Meneghini., 1997). Une série de phénomènes radicalaires potentiellement nuisible à l'organisme interviennent alors.
11.6.1. La peroxydation lipidique
Les premières cibles du ROS sont les lipides, notamment ceux présents dans les membranes cellulaires et subcellulaires. Les membranes riches en acides gras polyinsaturés (AGPI) sont très sensibles à l'oxydation en raison de leur degré élevé d'insaturation (Hulberth., 2005 ; Panplona., 2000). L'oxydation des lipides génère des peroxydes lipidiques qui sont eux même très réactifs. La peroxydation des lipides induit une modification de fluidité, de la perméabilité et de l'éxitabilité des membranes (Hong., 2004). Elle fournit également une grande variété de produits qui peuvent réagir avec les protéines et l'ADN (Marnett., 1999). Parmi les produits formés lors de la peroxydation lipidique, le malondialdéhyde (MDA) et le 4-lydroxynonenal (4-HNE) qui sont étudiés comme marqueurs de la peroxydation lipidique.
11.6.2. L'oxydation des protéines
De façon comparable à l'oxydation des lipides, les protéines sont aussi susceptibles d'être oxydées par les ROS. Cette oxydation provoque l'introduction d'un groupe carbonyl dans la protéine (Levine., 2002; Peng., 2000). Ces réactions d'oxydation, fréquemment influencées par les cations métalliques comme le Cu2+ et le Fe+2, peuvent être classées en deux catégories : celles qui cassent les liaisons peptidiques et modifient la chaîne protéique et les modifications par l'addition de produits issu de la peroxydation lipidique. Ces changements sont tels qu'ils conduisent à une modification structurale des protéines dont les conséquences sont majeures (perte de fonction catalytique, augmentation de la sensibilité aux protéases. ) (Levine., 2002). Les protéines oxydées vont êtres prises en charge également par des protéines spécifiques dites protéines du stress ou protéines de chocs thermique HSP (Haet Shoch Protéin), qui permettent à la cellule de répondre à des stress de façon rapide. Parmi ces protéines, les membres de la famille des HSP70 et des HSP72(Essig.,1997).
11.6.3. Oxydation de l'ADN
Le stress oxydant étant principalement d'origine mitochondriale, ces organites sont les premières cibles des ROS. En effet, le génome mitochondrial présente une susceptibilité au stress oxydant qui est 10 fois plus supérieurs à celle du génome nucléaire (Richer., 1988). Les mécanismes explicatifs proposés sont : 1) l'absence d'histones protectrices autour de l'ADN mitochondrial, 2) sa localisation proche de la membrane interne, 3) des mécanismes de réparation frustres, et 4) une structure circulaire sans introns augmentant statistiquement le risque de mutation pathogène (Ames., 1993;
Can., 1983; Cortopassi., 1992; Richter., 1988). L'idée d'un " cercle vicieux " ou d'une théorie avec un feed-back positif et avancée pour expliquer les altérations mitochondriales dues au vieillissement : des dysfonctionnements de la chaîne respiratoire
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