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Stress Oxydant
Stress Oxydant
Damien Roussel
I.
[email protected]
ROS & Stress oxydant
A. « Reactive Oxygen Species »
B. Balance oxydative
I. ROS & Stress oxydant
C. Dégâts & Défenses
II. Sources & Modulations
II. Sources & Modulations
III. Eco-Phy
III. Eco-Physiologie
Laboratoire d’Ecologie des Hydrosystèmes Naturels et Anthropisés
UMR 5023 CNRS, Université de Lyon
I. ROS & Stress Oxydant
Définitions
I. ROS & Stress Oxydant
Définitions
Stress Oxydant (Stress oxydatif) : Mécanismes par lesquels les formes
« réactives » de l’oxygène provoquent des perturbations (oxydations) au
niveau d’une cellule, d’un organe, ou d’un organisme.
Oxydation : réactions mettant en jeu des protons (H+) et des électrons (e-)
Ared
Oxydation
Aox + ne-
Stabilité chimique : Organisation
de la couche électronique externe
 électrons appariés 2 à 2
O
Radical libre : Au moins un
électron non apparié sur la couche
externe  très réactif.
. O2
O2
Ared/Aox = couple redox
S + 2H+ + 2e-
SH2
Réduction
Oxygène + NADH + H+
(oxydé)
(réduit)
H2O
(réduit)
+
NAD+
(oxydé)
A B
-
A + B+
Ions
A B
A + B
Radicaux
Oxydation
1
I. ROS & Stress Oxydant
« Reactive Oxygen Species »
I. ROS & Stress Oxydant
« Reactive Oxygen Species »
O2
Nutriments
NH3 - CO2
H2 O
1 e. O2
ADP+Pi
Travail cellulaire
ATP
Chaîne Respiratoire
NADH + H+
4 H+ + 4 e-
Oxygène
½ O2
2 e-
1
e-
2
1 H+
.
H2O + OH
1
H2O
NADH/NAD+
½ O2 / H2O
e-
 ~10-9 s
Radical hydroxyle
1 H+
Réactivité/Toxicité : Plus l’électron est instable
 plus la ½ vie courte
 plus il est toxique
 moins il diffuse
2 H2O
I. ROS & Stress Oxydant
« Reactive Oxygen Species »
 ~ minutes (enzymatique)
Peroxyde d’hydrogène
H 2O 2
1 e-
2 H+
NAD+
 ~10-6 s (enzymatique)
Anion superoxide
H+
I. ROS & Stress Oxydant
« Reactive Oxygen Species »
H 2O
Nat Rev Mol Cell Biol 8, 813-824 (2007)
NADPH oxydases
. O2
O2
Superoxide
dismutase
(SOD)
Catalase
Glutathion peroxydase (GPx)
H2O2 Fe / Cu
Fenton
Lipides
Protéines
ADN
Xanthine oxydase
Arginine
.
NO
ONOO-
Monoxyde d’azote
Peroxynitrite
NO synthase
.
OH
D’Autréaux and Toledano (2007) [Nature Rev. Mol. Cell Biol. 8, 813-824]
2
I. ROS & Stress Oxydant
Balance oxydative & Stress oxydant
I. ROS & Stress Oxydant
Dégâts - Lipides
Lipides
Défenses
Antioxydant
s
Défenses :
- Enzymes
- Piégeurs (vitamines)
- Chélateurs (Fer, Cuivre)
- Systèmes réparations
ROS
ROS
Stress oxydant
Vieillissement
Pathologies
Lipides
Protéines
ADN
Protéines
ADN
Malondialdéhyde
4-Hydroxy-2-nonenal
I. ROS & Stress Oxydant
Dégâts - Lipides
I. ROS & Stress Oxydant
Dégâts - Lipides
Susceptibilité des acides gras à la peroxydation
ROS
Peroxydation lipidique
 « Rigidifie » les membranes
 Modification des protéines
 ADN adduite
Homan (1954) in Hulbert et al. (2006) [Physiol. Rev. 87, 1175-1213]
Peroxydation lipidique dépend très fortement
 Richesse des membranes en acides gras polyinsaturés
3
I. ROS & Stress Oxydant
Dégâts - Protéines
I. ROS & Stress Oxydant
Dégâts - Protéines
Lipides
ROS
Lipides
ROS
Protéines
ADN
Hydroxyls R-OH
Carbonyls R-C-H
O
Disulfide cys-S-S-cys
Méthionine sulfoxide Met=O
Anomalies fonctionnelles :
 Dégradation (protéasome)
 Inhibition d’activité enzymatique
Protéines
MDA-Lys
HNE-Lys…
ADN
Anomalies fonctionnelles :
 Dégradation (protéasome)
 Inhibition d’activité enzymatique
I. ROS & Stress Oxydant
Dégâts - Protéines
I. ROS & Stress Oxydant
Dégâts - ADN
Lipides
Protéines
Anomalies fonctionnelles
ROS
ROS
Protéines
ADN
4
I. ROS & Stress Oxydant
Défenses
I. ROS & Stress Oxydant
Défenses - Enzymatiques
Superoxyde
Dismutase (SOD)
Se
1 e-
Mn
H2O2 + O2
Localisée dans la mitochondrie, le cytosol et extracellulaire
Mn
Cu/Zn
Chaîne
respiratoire
2 H+
.
2 O-2
Cu/Zn
Fe
Catalase
Cyt c
2 H 2O 2
2 H2O + O2
Principalement localisée dans le peroxysome
Défenses :
- Enzymes  Superoxyde dismutase – glutathion peroxydase - catalase
- Piégeurs  Vitamines E & C – Caroténoïdes – Cytochrome c
- Chélateurs des métaux  Fer - Cuivre
Se
Peroxydases
H2O2 + AH2
2H2O + A
Localisée dans la mitochondrie, le cytosol et extracellulaire
(le glutathion et la thioredoxine  principaux donneurs d’électrons)
I. ROS & Stress Oxydant
Défenses - Enzymatiques
I. ROS & Stress Oxydant
Défenses - Enzymatiques
[g-glutamate-cystéine-glycine]
Superoxyde
Dismutase (SOD)
.
2 O-2
Cu/Zn
Mn
2
H+
1 e-
H2O2 + O2
Cu/Zn (SOD1)

Cytosol, Noyau
Mn (SOD2)

Matrice mitochondriale
Cu/Zn (SOD3)

Glutathion
Peroxydase (GPx)
peroxydase
Se
H2O2 + AH2
2 A-SH = Glutathion réduit
SH
A = Glutathion oxydé
peroxydase
HS
réductase
Extracellulaire
H2O2
2 GSH
Glutathion Peroxydase
Un seul métal, le cuivre (manganèse
Mn 3+/Mn2+),
est impliqué dans la catalyse
2 H2O
2H2O + A
GS-SG
S
S
NADPH + H+
Glutathion réductase
NADP+
5
I. ROS & Stress Oxydant
Défenses - Enzymatiques
I. ROS & Stress Oxydant
Défenses - Enzymatiques
« peroxydase »
Thioredoxine
Peroxydases
H2O2 + AH2
AH2 = Thioredoxine réduite
2H2O + A
A = Thioredoxine oxydée
« peroxydase »
S
SH
SH
H2O2
S
réductase
NADPH + H+
TRx-H2
Peroxyredoxine
2 H 2O
Thioredoxine réductase
NADP+
TRx
Muller et al. (2007) [Free Rad. Biol. Med. 43, 477-503]
I. ROS & Stress Oxydant
Défenses – Non-enzymatiques
Liposoluble
Hydrosoluble
Vitamine E
(tocophérol)
I. ROS & Stress Oxydant
Défenses – Non-enzymatiques
e-
Vitamine C
Vitamine C
(acide ascorbique)
(acide ascorbique)
2 H+ + 2 e-
NADPH + H+
eNADP+
Radical stabilisé (délocalisé)
6
I. ROS & Stress Oxydant
Défenses – Non-enzymatiques
I. ROS & Stress Oxydant
Défenses – Non-enzymatiques
Vitamine E
(tocophérol)
CH3
CH3
CH3
Vitamine E
Bloque la peroxydation
lipidique
-
H3C
(tocophérol)
e
100 %
Conservateur alimentaire
CH3
α-tocophérol
CH3
CH3
CH3
E306  Extrait riche en tocophérols
E308  γ-tocophérol
E309  δ-tocophérol
LOO
Vit E
Vit C
2 GSH
Glutathion Peroxydase
LOOH
Vit E
Vit C
GS-SG
NADPH + H+
Glutathion réductase
Chélateurs métaux
Conservateur alimentaire
E300  Acide Ascorbique
E301  Ascorbate de sodium
E302  Ascorbate de calcium
E304  Esters d’acides gras de l’acide ascorbique
(Palmitate d’ascorbyle – Stéarate d’ascorbyle)
Liposoluble
CH3
CH3
H3 C
CH3
γ-tocophérol
CH3
CH3
CH3
CH3
δ-tocophérol
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
Signalisation, Fonctionnement cellulaire normal
Niveau physiologique ROS
- Transferrine, Ferritine  Fe
Céruléoplasmine  Cu
- Intégrés aux protéines
CH3
I. ROS & Stress Oxydant
Bilan
- Molécules de stockage et transport
-
CH3
β-tocophérol
CH3
10 %
CH3
I. ROS & Stress Oxydant
Défenses – Non-enzymatiques
Vitamine C
CH3
50 %
3%
NADP+
(acide ascorbique)
CH3
E307  α-tocophérol
Activité biologique
Vitamine C
Pro-oxydants
Fe, Cu
Cytokine, Phagocyte
Hypoxie, Hyperoxie
Radiation ionisante, UV
Pollution, Ozone…
ROS
Défenses Antioxydantes
Enzymes (SOD, GPx, Cat)
Piégeurs (vitamines)
Chélateurs (Fer, Cuivre)
Systèmes réparation
Augmentation ROS
STRESS OXYDANT
Vieillissement, Dysfonctionnement & Mort cellulaire
7
II. Sources & Modulations
Phagocytes
Stress Oxydant
I.
ROS & Stress oxydant
II. Sources & Modulations
A. NADPH & Xanthine oxydase
B. Mitochondrie
- Substrats
- Perméabilité membranaire
- Cytochrome-c oxydase
III. Eco-Phy
II. Sources & Modulations
Phagocytes
II. Sources & Modulations
Xanthine oxydase
Myéloperoxydase
H2O2 + Cl-
ClOHypochlorite
(eau de javel)
2 O2
.
2 O-2
+ 2H+
Xanthine oxydase
.
2 O-2
Phagosome
2 O2
+H2O
NADPH Oxydase
2 NADPH
Xanthine oxydase
.
2 O-2
2 O2
+H2O
2 NADP+
+ 2 H+
8
II. Sources & Modulations
Xanthine oxydase
II. Sources & Modulations
Mitochondrie
Ageing
1-5%
Oxy-radicals
NADP+
90%
+ Ca2+
Reproduction
Oxygen
NADPH
Growth
ATP
Nutriments
Locomotion
Maintenance
NADP+
NADPH
II. Sources & Modulations
Mitochondrie
H+ H+
H+ H+
H + H+
H+ H+
c
e- Q
I
H+
eIII
matrice
FADH2
II. Sources & Modulations
Mitochondrie – « Inhibiteurs & Découplants »
Δp
H+
Cyanure
Azide
IV
eO2
Roténone
H+
+
H+ H
Myxothiazol
FCCP
Antimycine
CCCP
Oligomycine
ATP
Malonate
H2O
NADH
NAD+
TCA
cycle
H+
Succinate
O2
Acetyl-CoA
β-oxidation
Pyruvate
Glycolysis
Fatty acyl-CoA
ATP
Glucose
9
II. Sources & Modulations
Mitochondrie
II. Sources & Modulations
Mitochondrie / Transhydrogénase (NNT)
Membrane ext.
. O2
nH+
Transhydrogenase
I
O2
nH+
H2O2
nH+
c
III
Q
CuZnSOD
IV
MIM
O2
Downregulation in cells
C57BL/6
matrice
NAD +
H2O
nH+
½ O2
NADH
. O2
C57BL/6J
C57BL/6N
- NNT
+ NNT
Fe+++
MnSOD
Fe++
NADP +
GSSG
Glutathion réductase
NADPH
H2O2
Fenton
•OH + OH-
Glutathion Peroxydase
2 GSH
2 H2O
II. Sources & Modulations
Mitochondrie / Transhydrogénase (NNT)
II. Sources & Modulations
Mitochondrie / Transhydrogénase (NNT)
ROS
Nickel et al. (2015) [Cell Metab.. 15, 472-484]
10
II. Sources & Modulations
Mitochondrie / Transhydrogénase (NNT)
II. Sources & Modulations
Mitochondrie / Transhydrogénase (NNT)
Nickel et al. (2015) [Cell Metab.. 15, 472-484]
Nickel et al. (2015) [Cell Metab.. 15, 472-484]
II. Sources & Modulations
Mitochondrie
II. Sources & Modulations
Mitochondrie
Membrane ext.
. O2
nH+
Transhydrogenase
I
O2
Q
nH+
CuZnSOD
H2O2
nH+
c
III
IV
MIM
O2
matrice
NAD +
H2O
nH+
NADH
½ O2
. O2
Fe+++
MnSOD
Fe++
NADP +
Glutathion réductase
NADPH
GSSG
H2O2
Fenton
•OH + OH-
Glutathion Peroxydase
2 GSH
2 H2O
Quinlan et al. (2013) [Redox Biol. 1, 304-312]
11
II. Sources & Modulations
Mitochondrie
NAD+
X2. X
eX
NADH
e-
QH2
Q
e. Q
e-
II. Sources & Modulations
Mitochondrie
cytc1
cytb
Quinlan et al. (2013) [Redox Biol. 1, 304-312]
II. Sources & Modulations
Mitochondrie
II. Sources & Modulations
Mitochondrie
Brookes (2005) [Free Rad. Biol. Med. 38, 12-23]
Q cycle (complexe III)
NAD+
X2. X
eX
NADH
e-
QH2
Q
e. Q
e-
cytc1
cytb
12
II. Sources & Modulations
Mitochondrie – Q cycle (complexe III)
II. Sources & Modulations
Nature du substrat
Flux réverse des électrons
II. Sources & Modulations
Nature du substrat (Flux réverse des électrons)
Quinlan et al. (2013) [Redox Biol. 1, 304-312]
II. ROS & Stress Oxydant
Sources – Substrats (Acides gras)
Brand (2010) [Exp. Gerontol. 45, 466-472]
13
II. Sources & Modulations
Nature du substrat
II. Sources & Modulations
Synthèse d’ATP
ADP
190 mV
↓ 30-50 mV
Flux réverse des électrons
Mito
Succinate
Pyruvate
-30%
Pyr
Succ
Substrat
-80%
ADP
0 mV
Succinate
Succinate
-30% -50%
PyrSucc
Succ
II. Sources & Modulations
Perméabilité membranaire (fuites de protons)
ADP
II. Sources & Modulations
Perméabilité membranaire
Divakaruni & Brand (2011) [Physiology 26, 192-205]
Fuite basale
14
II. Sources & Modulations
Perméabilité membranaire (fuites de protons)
II. Sources & Modulations
Perméabilité membranaire
Echtay et al. (2003) [EMBO J.]
Echtay et al. (2002) [Nature 415, 96-99]
Brand et al. (2004) [Free Rad. Biol. Med. 37, 755-767]
II. Sources & Modulations
Perméabilité membranaire (fuites de protons)
1,2
II. Sources & Modulations
Perméabilité membranaire (fuites de protons)
40
(Rey et al., 2010)
30
0,8
20
0,4
10
0
0
Hypo 25°C
Brand et al. (2004) [Free Rad. Biol. Med. 37, 755-767]
avUCP (ARNm)
[Collin et al., 2003]
4°C
T3
T3
4°C
Activité avUCP
Conductance
(nmol/min.mg)
Hyperthyroïdien
40
25°C Hypo
Froid (4°C)
30
AG
UCP
20
Euthyroïdien (25°C)
10
avUCP
Hypothyroïdien
0
0
0.4
0.8
H+
1.2
15
II. Sources & Modulations
Perméabilité membranaire (fuites de protons)
5
II. Sources & Modulations
Perméabilité membranaire (fuites de protons)
40
Rey et al. (2010) [BMC Physiol. 10:5]
4
30
3
20
2
10
1
0
0
Hypo 25°C
Electron leak
(%O2  ROS)
4°C
T3
T3
Electron leak
25°C Hypo
Conductance
(nmol/min.mg)
Hypothyroïdien
5
Euthyroïdien (25°C)
4
Froid (4°C)
3
O2
4°C
AG
UCP
Brand et al. (2004) [Free Rad. Biol. Med. 37, 755-767]
2
ROS
Hyperthyroïdien
1
0
Activité avUCP
0
10
20
30
H+
40
II. Sources & Modulations
FADH2/NADH
II. Sources & Modulations
Modulations
Cellules
+ Oligomycine
+ ADP
Pyruvate /
+Succinate
Glutamate
Mozo et al. (2006)
[Biochem. J. 393, 431-439]
Zoccarato et al. (2009)
[J. Bioenerg. Biomembr. 41,387-393]
16
II. Sources & Modulations
Cytochrome-c oxydase
II. Sources & Modulations
Cytochrome-c oxydase
Nutriments
Oxygène
Nutriments
Oxygène
ROS
ROS
Zoccarato et al. (2009) [J. Bioenerg. Biomembr. 41, 387-393]
Chen and Lesnefsky (2006) [Free Rad. Biol. Med. 40, 976-982]
ROS
II. Sources & Modulations
Cytochrome-c oxydase
II. Sources & Modulations
Inactivité cellulaire
Nutriments
Oxygène
ROS
Dégâts
Papa et al. (1997) [Biosc. Reports 17, 23-31]
Singh and Hood (2011) [Am. J. Physiol. 300, C138-C145]
17
1%
O2
II. Sources & Modulations
Hypoxie
II. Sources & Modulations
Hyperoxie
Campian et al. (2004) [J. Biol. Chem. 279, 46580-46587]
Guzy et al. (2005) [Cell Metab. 1, 401]
II. Sources & Modulations
Hyperoxie
80%
O2
II. Sources & Modulations
Hyperoxie
Respiration
Glycolyse
Glycolyse anaérobie
20%
O2
Campian et al. (2004) [J. Biol. Chem. 279, 46580-46587]
Campian et al. (2004) [J. Biol. Chem. 279, 46580-46587]
18
II. Sources & Modulations
Hyperoxie
II. Sources & Modulations
Résumé
d’e-
Campian et al. (2004) [J. Biol. Chem. 279, 46580-46587]
Afflux
(FADH2)
Inactivité
cellulaire
Inhibition CR
ROS
↑ Potentiel
membranaire
↓ Cyt-c Oxydase
Hypoxie
Hyperoxie
19
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