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LE STRESS OXYDANT ET SES EFFETS CELLULAIRE :
IMPLICATION EN PATHOLOGIE
I. Définitions
A. Le stress oxydant
Le stress oxydant se définit comme un déséquilibre entre production d'espèces activées de
l'oxygène (EAO) et les défenses antioxydantes.
Les EAO sont des produits normaux de la vie aérobie. Ainsi, la chaîne respiratoire mitochondriale
est la principale source des EAO. 3-5% de l'oxygène consommé est converti en EAO.
B. Les EAO (Espèces Activées de l'Oxygène)
1. Catégories
Il en existe deux grandes catégories :
 Les espèces radicalaires qui sont, ce qu'on appelle les radicaux libres. Ce sont des molécules
avec un électron célibataire. Les principales sont :
 L'anion radical superoxyde O2°- qui est celui produit de façon la plus courante
 Le radical hydroxyle : OH° Il est produit en moins grande quantité mais est très toxique
 Les radicaux lipidiques qui dérivent des acides polyéthylénique comme l'alcoxyle (LO° et
alcoperoxyle (LOO°) avec L : la chaîne grasse
 Le monoxyde d'azote : NO°
 Les espèces non radicalaires comme :
 Le peroxyde d'hydrogène (eau oxygénée) : H2O2
 L'oxygène "singulet" : 1O2
Kevin CHEVALIER
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2. Réactivité des EAO
Ils ont un pouvoir variable : les plus actifs sont probablement le radical hydroxyle (OH°), les
"radicaux lipidiques" et l'oxygène singulet.
Néanmoins, certaines espèces sont relativement peu réactive (H2O2, NO°) mais peuvent être
converties secondairement en espèces hautement réactives.
Le problème c'est que même si ces espèces sont peu agressives au départ, elles peuvent diffuser
dans la cellule, voire même sortir de la cellule pour aller dans le milieu extracellulaire voire même
vers une cellule voisine. Ainsi, s'ils sont convertit d'un état peu réactif à un état réactif on a une
propagation de la toxicité.
C. Conversion des EAO
1. Réaction de Fenton et cycle de Haber-Weiss
La réaction de Fenton et le cycle de Haber-Weiss entraînent la formation du radical hydroxyle en
présence en métaux de transition : Fer, Cu.
La somme de ces deux réactions est appelée cycle de Haber-Weiss :
Il est à noter qu'à partir de 2 espèces assez peu réactives, on a formé le radical OH° qui est lui
extrêmement réactif et beaucoup plus toxique.
On a donc un rôle aggravant des métaux de transition (fer, cuivre) s'ils sont présents à l'état libre.
2. Formation du peroxynitrite et du radical hydroxyle
On a la formation de l'anion peroxynitrite qui est très réactif et détruit les protéines tyrosine.
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II. Principales sources d'EAO
A. La chaine mitochondrial
On a ici une modalisation de la chaîne mitochondriale respiratoire.
Pour ne pas avoir d'accumulation d'EAO, il faudrait que ces 4 étapes soient synchrones. Si 1 ou 2
étapes sont plus lentes que l'étape précédente ou suivante, on aura une accumulation d'un élément.
Ainsi, 3 à 5% de l'oxygène consommé donnera des EAO, principalement l'anion superoxyde O2°-. La
chaîne mitochondriale est donc la principale source d'EAO.
B. L'inflammation (chronique +++)
La voie de la cyclo-oxygénase via la PGH-2-synthase permet la synthèse des prostaglandines
(médiateurs de l'inflammation). Cette synthèse est augmentée en cas de processus inflammatoire
aigue entraînant la production du radical hydroxyle.
NB : On a également la 5-lipoxygénase (synthèse des leucotriènes) qui jouent un rôle.
L'inflammation chronique est donc source+++ d'EAO : cancers, athérosclérose, obésité/diabète II,
resténose, sur stents, maladies dégénératives du SNC (Alzheimer), ou autres : Crohn, …
C. Le NADPH oxydase (PNN, cellules endothéliales)
C'est un système enzymatique membranaire complexe, dépendant de l'activation de récepteurs au
TNF-α, aux agents chémo-attractants, (soit bactériens 5LPS, soit endogènes 5LTB4), ou encore de
l'adhésion des PNN à l'endothélium.
Ce système conduit à l'activation de la NADPH oxydase
On a la mise ne jeu d'un cytochrome spécifique : le cytochrome b558.
Si ce cytochrome est absent, on a une maladie génétique rare : la granulomatose chronique. Dans
cette maladie, on a plus la capacité de réagir contre les infections.
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D. Les "oxydases mixtes" (hydroxylation)
C'est une chaîne de transferts d'électrons, situés principalement dans les hépatocytes, utilisant les
cytochromes de la famille p450.
Ces réactions d'hydroxylation permettent de se débarrasser des xénobiotiques qui sont
hydrophobes. Ainsi, au niveau du foie, via les cytochromes et des hydroxylations, on va les rendre
hydrophiles pour qu'ils soient transportés dans le sang jusqu'au rein pour les éliminer.
C'est une source non négligeable d'espèces activées de l'oxygène.
E. Le radical NO° (monoxyde d'azote)
1. Caractéristiques
C'est un gaz diffusible à très faible distance : de cellule à cellule.
C'est une espèce radicalaire peu réactive produite par les No-synthases à partir de l'arginine.
2. Différents types de NOS
On a des NO-synthase constitutives :
 Les bNOS se trouvent dans le SNC (b pour brain)
 Les eNOS se trouvent dans l'endothélium (e pour endothélium). Elles sont impliquées dans
le tonus vasculaires
Mais on a aussi les iNOS niveau des macrophages, de la glie et qui sont inductibles par les cytokines
de l'inflammation et les constituants des parois bactéries.
Ce NO est relativement peu toxique par lui-même mais peut donner, via des interconversion par
activation des macrophages (iNOS) du peroxynitrite, ou de l'OH°
F. Autres sources d'anion superoxyde, d'eau oxygénée ou de radical hydroxyle
Ils proviennent de :




La dégradation des bases nucléiques (Xanthine oxydase).
Les peroxysomes (oxydation d'acides gras, d'acides aminés, etc…)
Du métabolisme microsomial de l'alcool : voir cours "stéatose"
L'auto-oxydation des catécholamines (NB : maladies du SNC, exemple : Dopamine et
maladie de Parkinson (voir après))
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G. Les réactions photosensibilisés
Les chromophores endogènes ou exogènes sont capables d'absorber la lumière et de produire des
espèces activées de l'oxygène.
On a deux types de réactions :
 Les réactions de Type I via les chromophores endogènes aboutissent au radical superoxyde
O2° Les réactions de type II sont plus toxiques et produisent l'oxygène singulet 1O2
Ces réactions sont responsables :
 Du photovieillissement de la peau et de la photocarcinogenèse.
 De porphyries cutanées ou de médicaments phototoxiques (comme les fluoroquinolone
utilisés dans le traitement des infections urinaires).
On utilise la PUVAthérapie pour traiter le psoriasis. On donne des molécules : les psoralènes qui
absorbent les UVA réduisant la prolifération cellulaire (effet antimitotique).
La PCT (photochimiothérapie) ou PDT (photodynamicthérapy) permet le traitement de certains
cancers qu'on peut éliminer directement (peau) ou par fibre optique (œsophage, colon, vessie, …).
On injecte un photosensibilisateur comme les porphyries qui s'accumulent au niveau de la tumeur
(x10 ou x20) puis on introduit le fibroscope qui va illuminer juste la tumeur. L'accumulation du
photosensibilisateur est du au fait que ceux-ci son transporté par les LDH qui sont attirés par les
cellules tumorales grandes consommatrices de cholestérol.
H. La gamma-radiolyse de l'eau
L'eau (grande composante corporelle) peut être ionisée par les rayonnements gamma de forte
énergie en donnant à peu près toutes les espèces activées de l'oxygène notamment OH°, O2°-, …
Cette radiolyse se produit lors d'événements accidentels (Tchernobyl, Fukushima) et la radiothérapie
des cancers (fibroses).
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III. Les dommages cellulaires
A. Mécanismes généraux
On a une oxydation de tous les principaux constituants de la matière vivante :
 Modification des protéines
 Attaque des acides nucléiques via des composés plus réactifs
 Les lipides insaturés, notamment les acides gras polyéthyléniques peuvent êtres attaqués
par OH° et 1O2. Cette réaction est auto-entretenue (cercle), aboutissant à des aldéhydes qui
peuvent à leur tour attaquer l'ADN en s'additionnant dessus mais également s'additionner
aux résidus aminés des lysines et parfois cystéine des protéines.
1. Protéines
On a une oxydation des cystéines (pont disulfure, récepteurs, …) des histidines, des tyrosines du
tryptophane.
Les tyrosines peuvent aussi être nitrées (peroxyde nitrique).
On a aussi une addition des produits de peroxydation des lipides (aldéhydes) sur les résidus aminés
des lysines.
On a une altération de l'activité d'enzymes, de transporteurs, de canaux ioniques, de récepteurs, de
protéines structurales (cytosquelette, matrice extracellulaire…)
NB : Les dérivés nitrotyrosine (attaque de tyrosine par la peroxynitrite) sont assez caractéristiques
des lésions dans l'athérosclérose et dans les maladies neurodégénératives (Parkinson, Alzheimer).
2. Acides nucléiques
On peut avoir :
 Une oxydation de bases (modifications ou délétions)
 Une addition de produits de peroxydation des lipides (aldéhydes) sur le NH2 des bases
 Une coupure simple ou double brins
On a une tentative de réparation par des enzymes spécifiques. Si échec de cette tentative, on a
l'entrée en apoptose de la cellule. Mais, si les protéines de "contrôle de qualité" (exemple : p53) sont
elles mêmes altérées par le stress oxydant, on a une augmentation+++ des possibilités de
mutations.
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3. Les lipides insaturés
a. Généralités
Ce sont surtout les acides gras polyéthyléniques qui sont touchés.
Ces oxydations sont initiées par OH°, 1O2 puis la réaction est autopropagée par LO°, LOO°. On aura
donc une amplification du stress oxydant.
Cette oxydation est :
 Quantitative : L'oxydation des Acides gras polyéthyléniques, une fois déclenchée, est
autopropagées, sauf si un intercepteur est présent (Exemple : Vitamine E)
 Qualitative : Certains produits terminaux de la peroxydation des acides gras
polyéthyléniques (aldéhydes) peuvent à leur tour réagir avec les protéines ou avec l'ADN.
Au total on a un processus auto-amplifié, formant des "produits terminaux" (aldhéydes), à partir des
hydroperoxydes (LOOH), et plus particulièrement en présence de métaux de transition (FE3+/FE2+,
etc…)
On aura donc des dommages secondaires
b. Les aldhéydes les plus réactifs
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B. Les dommages secondaires vis-à-vis des protéines et des peptides biologiquement actifs
1. MDA et pontages intra ou intermoléculaires
On a une altération de l'activité ou une inactivation de XX protéines (blocage NH2, pontages
intra/intermoléculaires)
2. Interaction du 4-HNE avec les thiols
On a une diminution des défenses antioxydantes (Glutathion).
3. Dommages secondaires vis-à-vis de l'ADN
On a une addition du MDA ou du 4-HNE sur les bases puriques donnant des erreurs de lecture et des
mutations.
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C. Vue globale des dommages causés par les EAO
D. Marqueurs du stress oxydant
1. Dosage sanguins
Le dosage le plus classique est celui du MDA. C'est un dosage facile mais peu sensible.
Le dosage du 4-HNE est difficile et peu utilisée.
Par contre, on peut doser le pouvoir antioxydant du plasma ("PAP") qui se présente sous la forme de
kits. L'intérêt est de pouvoir évaluer le statut antioxydant d'un patient.
2. Au niveau des tissus (biopsies/autopsies)
Ils sont utilisés surtout en recherche pour mettre en évidence le rôle du stress oxydant dans telle ou
telle pathologies. On peut doser :
 Le 4-HNE et ses produits d'addition
 La nitrotyrosine (modifications protéines par le stress oxydant)
 La 8oxodésoxyguanosine (8-ODG) est un témoin de l'ADN. Sa concentration est corrélée à la
fréquence des mutations.
IV. Conséquences sur la vie cellulaire
On peut avoir plusieurs conséquences :
 La cellule meurt soit par nécrose (Exemple : porphyries, irradiations) ou par apoptose
(maladies du SNC comme Parkinson).
 Le génome est altéré entraînant des mutations (cancer)
 La signalisation cellulaire et les relations intercellulaires sont altérées de façon chronique.
On a des effets sur la régulation du cycle cellulaire, sur la régulation des métabolismes, sur
l'adhésion cellules, les cellules, les cellules-matrices, …
Souvent, cela entraîne une prolifération cellulaire (cirrhose, athérosclérose, fibroses postradiques, etc…) ou des dysrégulations métaboliques (diabète de type II).
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A. La cellule meurt
1. Nécrose ou apoptose
2. Arbre décisionnel
Il est encre mal connu
Lors d'un stress oxydant (SOX) on a des protéines kinases du stress qui vont inhiber une protéine
mdm2, inhibiteur de p53 qui va, à ce moment là, relâcher p53 qui est un facteur de transcription.
p53 va induire un arrêt de la division cellulaire, une tentative de réparation des anomalies avec soit
une reprise de la division soit une apoptose via l'activation de protéines pro-apoptotique comme
Bax, Bad.
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B. La cellule ne meurt pas
Dans ces cellules de mammifères en culture, l'application d'un stress oxydant entraîne l'apparition
de mutation.
A des doses non létales (ici H2O2 = 0,1 mM) on a une prévention des mutations par un traitement
antioxydant (vitamine C)
C. Stress oxydatif et signalisation cellulaire
Le stress oxydant peut altérer :






La membrane
Les récepteurs (comme l'EGFR)
Les voies de transduction
Le métabolisme
Directement les enzymes cytosoliques
Directement les facteurs de transcription et donc l'expression des gènes.
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IV. Exemples montrant l'implication du SOX dans les différentes grandes
pathologies dégénératives
A. Maladies neurodégénératives (Parkinson, Alzheimer)
1. Stress oxydant, apoptose des neurones et maladie de Parkinson
a. Généralités
C'est une maladie neurodégénérative assez fréquente due à une apoptose de neurones
dopaminergiques du locus niger (noyaux de la base du cerveau).
Il existe de rares formes familiales (mutation de l'α-synucléine).
La majorité des formes sont dites sporadiques, sans cause connes.
Les signes cliniques sont surtout :





Akinésie avec la démarche à petit pas
Tremblements
Dépression
Irritabilité
Troubles sphinctériens
b. Stress oxydant dans la maladie de Parkinson
La maladie de Parkinson présente un stress oxydant. Ici, on a mesuré la MDA et la nitrite dans le
liquide céphalo-rachidien de témoins (en noir) et de patients atteints de ma maladie (en blanc).
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c. Aspects mécanistiques
On a plusieurs observations dans le cerveau d'un Parkinsonien :
 La monoamine oxydase (MAO) oxyde la dopamine en dopaquinone et produit du H202 qui
augmente avec l'âge.
 De plus, le taux de fer libre (Fe2+) est augmenté alors que celui de la ferritine (qui le
complexe) est diminué.
 On observe à l'anapathologie de nombreux neurones apoptotiques au niveau du locus niger
et une activation inflammatoire de la microglie
d. Hypothèses initiales
L'association du fer et de la dopamine entraîne la création de radicaux d'H2O2 et de superoxyde qui
attaque la ferritine, qui libère le fer ferrique Fe3+.
On a donc la réaction de Fento qui donne le radical OH° (très toxique) entraînant une apoptose au
niveau du locus niger.
De plus, on a une stimulation de la microglie donnant une inflammation produisant du NO° et du
peroxynitrite détruisant le locus niger.
e. Implication de la mitochondrie
On retrouve des maladie de Parkinson chez des jeunes patients après une intoxication avec des
insecticides ou des pesticides (à base de roténine, paraquat) qui sont des puissants inhibiteurs du
complexe I mitochondrial. Or la France est le 2ème utilisateur de pesticide.
Le MTP est un dérivé du fentanyl qui induit rapidement la maladie de la Parkinson chez le jeune à
cause d'une inhibition du complexe I mitochondrial.
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f. Causes environnementales
La maladie de Parkinson est considérée comme étant d'origine multifactorielle, faisant intervenir
des facteurs environnementaux. Parmi les facteurs environnementaux, les études épidémiologiques
ont montré de manière relativement consistante une association de la maladie de Parkinson avec le
métier d'agriculteur et l'exposition professionnelle aux pesticides.
B. Maladie d'Alzheimer
1. Généralités
C'est une accumulation de polymères de la protéine β-amyloïde provenant du clivage de la protéine
APP.
Il existe deux formes de la maladie d'Alzheimer :
 Un Alzheimer jeune, génétique
 Un Alzheimer vieux, très différent
L'hypothèse au départ était celle d'un stress protéique (prions) dans l'apoptose.
On a la mise en évidence d'un stress oxydant dans la maladie d'Alzheimer
2. Destinée du peptide β-amyloïde et effets sur la mitochondrie
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On a un défaut de clivage du β-amyloïde entraînant une accumulation, puis une agrégation en
fibrine de celui-ci.
Le β-amyloïde peut léser la membrane mais aussi rentrer dans la mitochondrie et altérer la chaîne
mitochondriale. On aura une inhibition du complexe IV (ATP synthase) et une hyperactivité du
complexe III entraînant une surproduction d'anion super-oxyde et donc un stress oxydant.
Ainsi, si le stress oxydant n'est pas forcément un facteur déclenchant, il est au moins un facteur
aggravant de la maladie d'Alzheimer.
C. Dans le cancer
Il existe un stress oxydant dans les cancers : les personnes atteintes de cancer ont un stress oxydant
majoré. Dans le cancer du sein par exemple on a accumulation de produits de peroxydation d’acides
gras poly éthyléniques.
Des expériences sur le hamster ont montré le rôle antioxydant du ß-carotène et de la vitamine E anticancérigène.
1. Comment des mutations de certaines protéines peuvent affecter la croissance cellulaire ?
Il faut plusieurs mutations pour faire apparaître un cancer
Les mutations des gènes codant pour certaines protéines entraînent une "activation constitutive"
des voies mitogènes. On a la notion de "proto-oncogène".
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2. Mutations sur des mécanismes de contrôle : la P53
D. Stress oxydant et altération de la signalisation cellulaire (athérosclérose, diabète de
type II, …)
1. L'athérosclérose
C'est une maladie qui se développe très tôt dans l'existence (enfance, adolescence, …). La lésion
d'athérosclérose se présente sous la forme d'un épaississement de la paroi artérielle.
Dans un premier temps cette lésion est réversible, formant la strie lipidique formée d'esters de
cholestérol et des macrophages. Toutes les causes diminuant les récepteurs des LDL à la surface
cellulaire vont faire diminuer la captation de LDL.
Si on a une mutation de ces récepteurs ou un excès de cholestérol (feedback des récepteurs), les
LDL restent plus longtemps dans le sang et seront oxydés et vont s'accumuler au niveau des parois
endothéliales. On aura sécrétion d’EAO.
Les LDL oxydés vont entrainer la production de cytokines pro-inflammatoires, de facteurs de
croissances, de protéines de la MEC comme le collagène amplifiant cette plaque. Les LDL induisent
la transformation des cellules musculaires lisse qui change de phénotype (contraction musculaire)
en un phénotype non contractile que l'on appelle sécrétoire, on parle de trans-différenciation
(étape fondamentale). Ainsi, la paroi cellulaire va devenir plus rigide mais les cellules vont aussi
sécréter des cytokines pro-inflammatoires, des protéines de la MEC et des facteurs de croissance.
Les LDL oxydés reconnus par des macrophages vont induire l’accumulation d’esters de cholestérol
et donc favoriser la formation de la plaque d’athérome qui va gonfler jusqu’au stade III (réversible)
pour atteindre un stade irréversible au stade IV : dégénérescence fibro-proliférative de la plaque.
C'est donc une maladie inflammatoire fibro-proliférative.
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2. Expérience
Le stress oxydant induit par les LDL oxydés entraîne une prolifération des cellules de la paroi
artérielle (athérosclérose)
Les LDL oxydés sur les modèles de cellules musculaires lisses se comportent comme un facteur de
croissance endogène et mitogène entraînant la prolifération des cellules.
On retrouve dans les LDL oxydés la 4-HNE qui induit le changement de conformation de EGF-R, ainsi
que d’autres molécules du stress oxydatif.
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