Stress Oxydant. Stress Oxydant. Damien Roussel. I. ROS & Stress oxydant A. «Reactive Oxygen Species» B. Balance oxydative C.

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1 Stress Oxydant Stress Oxydant Damien Roussel I & Stress oxydant III EcoPhy I & Stress oxydant A «Reactive Oxygen Species» B Balance oxydative C Dégâts & Défenses III EcoPhysiologie Laboratoire d Ecologie des Hydrosystèmes Naturels et Anthropisés UMR 503 CNRS, Université de Lyon Définitions 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 Stabilité chimique : Organisation de la couche électronique externe électrons appariés à Radical libre : Au moins un électron non apparié sur la couche externe très réactif Oxydation : réactions mettant en jeu des protons (H + ) et des électrons (e ) A A ox + ne red A red /A ox = couple redox Oxydation SH S + H + + e O O O Réduction Oxygène + NADH + H + H O + NAD + (oxydé) (réduit) (réduit) (oxydé) Oxydation A B A + B + Ions A B A + B Radicaux 1

2 «Reactive Oxygen Species» «Reactive Oxygen Species» O Oxygène Nutriments NH 3 CO H O ADP+Pi ATP Travail cellulaire Chaîne Respiratoire NADH + H + ½ O e H + NAD + H O NADH/NAD + ½ O / H O 4 H e 1 e 1 e O H O H O H + 1 e 1 H + H O + OH 1 e 1 H + Anion superoxide Peroxyde d hydrogène Radical hydroxyle ~10 6 s (enzymatique) ~ minutes (enzymatique) ~10 9 s Réactivité/Toxicité : Plus l électron est instable plus la ½ vie courte plus il est toxique moins il diffuse «Reactive Oxygen Species» «Reactive Oxygen Species» H O Nat Rev Mol Cell Biol 8, (007) O NADPH oxydases O Superoxide dismutase (SOD) Catalase Glutathion peroxydase (GPx) H O Fe / Cu Fenton OH Xanthine oxydase Lipides Protéines ADN D Autréaux and Toledano (007) [Nature Rev Mol Cell Biol 8, 81384] Arginine NO synthase NO ONOO Monoxyde d azote Peroxynitrite

3 Balance oxydative & Stress oxydant Lipides Dégâts Lipides Défenses Antioxydant s Protéines Défenses : Enzymes Piégeurs (vitamines) Chélateurs (Fer, Cuivre) Systèmes réparations Stress oxydant Vieillissement Pathologies Lipides Protéines ADN ADN Malondialdéhyde 4Hydroxynonenal Dégâts Lipides Dégâts Lipides Susceptibilité des acides gras à la peroxydation Peroxydation lipidique «Rigidifie» les membranes Modification des protéines ADN adduite Homan (1954) in Hulbert et al (006) [Physiol Rev 87, ] Peroxydation lipidique dépend très fortement Richesse des membranes en acides gras polyinsaturés 3

4 Lipides Dégâts Protéines Lipides Dégâts Protéines Protéines Protéines MDALys HNELys ADN Anomalies fonctionnelles : Dégradation (protéasome) Inhibition d activité enzymatique Hydroxyls ROH Carbonyls RCH O Disulfide cyssscys Méthionine sulfoxide Met=O ADN Anomalies fonctionnelles : Dégradation (protéasome) Inhibition d activité enzymatique Protéines Dégâts Protéines Lipides Dégâts ADN Anomalies fonctionnelles Protéines ADN 4

5 Défenses Défenses Enzymatiques Chaîne respiratoire Se Mn Cu/Zn Cyt c Superoxyde Dismutase (SOD) Cu/Zn Mn O Fe Catalase H O H O + O Principalement localisée dans le peroxysome H + 1 e Localisée dans la mitochondrie, le cytosol et extracellulaire H O + O Défenses : Enzymes Superoxyde dismutase glutathion peroxydase catalase Piégeurs Vitamines E & C Caroténoïdes Cytochrome c Chélateurs des métaux Fer Cuivre Se Peroxydases H O + AH H O + A Localisée dans la mitochondrie, le cytosol et extracellulaire (le glutathion et la thioredoxine principaux donneurs d électrons) Défenses Enzymatiques Défenses Enzymatiques Superoxyde Dismutase (SOD) Cu/Zn Mn O H + 1 e H O + O [gglutamatecystéineglycine] Glutathion Peroxydase (GPx) Se ASH = Glutathion réduit H O + AH peroxydase A = Glutathion oxydé H O + A Cu/Zn (SOD1) Cytosol, Noyau Mn (SOD) Matrice mitochondriale Cu/Zn (SOD3) Extracellulaire SH HS peroxydase réductase S S H O GSH NADPH + H + Un seul métal, le cuivre (manganèse Mn 3+ /Mn + ), est impliqué dans la catalyse Glutathion Peroxydase Glutathion réductase H O GSSG NADP + 5

6 Défenses Enzymatiques Défenses Enzymatiques Thioredoxine Peroxydases H O + AH «peroxydase» H O + A AH = Thioredoxine réduite A = Thioredoxine oxydée SH SH «peroxydase» réductase S S H O TRxH NADPH + H + Peroxyredoxine Thioredoxine réductase H O TRx NADP + Muller et al (007) [Free Rad Biol Med 43, ] Liposoluble Vitamine E (tocophérol) e Défenses Nonenzymatiques Vitamine C Hydrosoluble (acide ascorbique) Défenses Nonenzymatiques Vitamine C (acide ascorbique) H + + e NADPH + H + e NADP + Radical stabilisé (délocalisé) 6

7 Activité biologique Vitamine E (tocophérol) Bloque la peroxydation lipidique e Défenses Nonenzymatiques Vitamine C Défenses Nonenzymatiques Vitamine E (tocophérol) Conservateur alimentaire E306 Extrait riche en tocophérols E307 αtocophérol E308 γtocophérol E309 δtocophérol CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 H 3 C CH αtocophérol 3 CH CH % 50 % CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 CH3 CH 3 βtocophérol 10 % CH 3 CH 3 CH 3 LOO Vit E Vit C GSH NADPH + H + H 3C CH γtocophérol 3 CH 3 LOOH Vit E Vit C Glutathion Peroxydase GSSG Glutathion réductase NADP + 3 % CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 CH3 CH 3 δtocophérol Vitamine C (acide ascorbique) Conservateur alimentaire E300 Acide Ascorbique E301 Ascorbate de sodium E30 Ascorbate de calcium E304 Esters d acides gras de l acide ascorbique Défenses Nonenzymatiques (Palmitate d ascorbyle Stéarate d ascorbyle) Liposoluble Chélateurs métaux Molécules de stockage et transport Transferrine, Ferritine Fe Céruléoplasmine Cu Intégrés aux protéines Prooxydants Fe, Cu Cytokine, Phagocyte Hypoxie, Hyperoxie Radiation ionisante, UV Pollution, Ozone Bilan Signalisation, Fonctionnement cellulaire normal Niveau physiologique Augmentation Défenses Antioxydantes Enzymes (SOD, GPx, Cat) Piégeurs (vitamines) Chélateurs (Fer, Cuivre) Systèmes réparation STRESS OXYDANT Vieillissement, Dysfonctionnement & Mort cellulaire 7

8 Stress Oxydant Phagocytes I & Stress oxydant A NADPH & Xanthine oxydase B Mitochondrie Substrats Perméabilité membranaire Cytochromec oxydase III EcoPhy Phagocytes Xanthine oxydase ClO Hypochlorite (eau de javel) Phagosome Myéloperoxydase H O + Cl O O + H + Xanthine oxydase O O Xanthine oxydase O O NADPH Oxydase +H O +H O NADPH NADP+ + H + 8

9 Xanthine oxydase Mitochondrie NADP + + Ca + NADPH NADP + NADPH 90% Oxygen Nutriments Oxyradicals Ageing 15% Reproduction ATP Maintenance Growth Locomotion Mitochondrie Mitochondrie «Inhibiteurs & Découplants» matrice I H+ NADH TCA cycle H+ H+ H + AcetylCoA e Q NAD + FADH Succinate H+ H + H + H + e III c βoxidation H + H+ O IV e H O Δp H + H + H + Fatty acylcoa ATP Cyanure Azide Myxothiazol Roténone Antimycine Malonate O FCCP CCCP H + Oligomycine ATP Pyruvate Glycolysis Glucose 9

10 Transhydrogenase NAD + nh + NADPH NADP + I nh + NADH Mitochondrie O Q Glutathion réductase nh O + III O GSSG GSH O c nh+ MnSOD CuZnSOD IV H O ½ O H O Glutathion Peroxydase H O Fe ++ Fe +++ Fenton H O Membrane ext MIM matrice OH + OH Mitochondrie / Transhydrogénase (NNT) Downregulation in cells C57BL/6J C57BL/6 C57BL/6N NNT + NNT Mitochondrie / Transhydrogénase (NNT) Mitochondrie / Transhydrogénase (NNT) Nickel et al (015) [Cell Metab 15, 47484] 10

11 Mitochondrie / Transhydrogénase (NNT) Mitochondrie / Transhydrogénase (NNT) Nickel et al (015) [Cell Metab 15, 47484] Nickel et al (015) [Cell Metab 15, 47484] Mitochondrie Mitochondrie O CuZnSOD H O Membrane ext Transhydrogenase I nh + nh O + Q III c nh+ IV MIM NAD + nh + NADPH NADP + NADH O Glutathion réductase O GSSG GSH H O ½ O MnSOD H O Glutathion Peroxydase H O Fe ++ Fe +++ Fenton matrice OH + OH Quinlan et al (013) [Redox Biol 1, 30431] 11

12 Mitochondrie Mitochondrie NAD + NADH e e X X X QH Q e cytc 1 Q cytb e Quinlan et al (013) [Redox Biol 1, 30431] Mitochondrie Mitochondrie Brookes (005) [Free Rad Biol Med 38, 13] Q cycle (complexe III) NAD + NADH e e X X X QH Q e cytc 1 Q cytb e 1

13 Mitochondrie Q cycle (complexe III) Nature du substrat Flux réverse des électrons Nature du substrat (Flux réverse des électrons) I Sources Substrats (Acides gras) Quinlan et al (013) [Redox Biol 1, 30431] Brand (010) [Exp Gerontol 45, 46647] 13

14 Nature du substrat Synthèse d ATP ADP 190 mv 3050 mv 30% 80% Flux réverse des électrons Succinate 0 mv Mito Succinate Pyruvate Succinate Pyr Substrat Succ ADP 30% 50% Pyr Succ Succ ADP Perméabilité membranaire (fuites de protons) Perméabilité membranaire Divakaruni & Brand (011) [Physiology 6, 1905] Fuite basale 14

15 Perméabilité membranaire (fuites de protons) Perméabilité membranaire Echtay et al (00) [Nature 415, 9699] Echtay et al (003) [EMBO J] Brand et al (004) [Free Rad Biol Med 37, ] Perméabilité membranaire (fuites de protons) 1, Perméabilité membranaire (fuites de protons) (Rey et al, 010) 40 0,8 30 0, Brand et al (004) [Free Rad Biol Med 37, ] 0 Hypo 5 C 4 C avucp (ARNm) [Collin et al, 003] Activité avucp T3 Hyperthyroïdien Froid (4 C) T3 Euthyroïdien (5 C) Hypothyroïdien avucp C 5 C Hypo Conductance (nmol/minmg) AG UCP H

16 Perméabilité membranaire (fuites de protons) Perméabilité membranaire (fuites de protons) 5 Rey et al (010) [BMC Physiol 10:5] Hypo 5 C 4 C T3 T3 4 C 5 C Hypo 0 Electron leak (%O ) Electron leak Hypothyroïdien 5 Conductance (nmol/minmg) O 4 3 Euthyroïdien (5 C) Froid (4 C) Hyperthyroïdien 1 Activité avucp AG UCP H + Brand et al (004) [Free Rad Biol Med 37, ] FADH /NADH Modulations Cellules + Oligomycine + ADP Pyruvate / Glutamate +Succinate Mozo et al (006) [Biochem J 393, ] Zoccarato et al (009) [J Bioenerg Biomembr 41,387393] 16

17 Cytochromec oxydase Cytochromec oxydase Nutriments Oxygène Nutriments Oxygène Zoccarato et al (009) [J Bioenerg Biomembr 41, ] Chen and Lesnefsky (006) [Free Rad Biol Med 40, 97698] Dégâts Cytochromec oxydase Inactivité cellulaire Nutriments Oxygène Papa et al (1997) [Biosc Reports 17, 331] Singh and Hood (011) [Am J Physiol 300, C138C145] 17

18 1% O Hypoxie Hyperoxie Guzy et al (005) [Cell Metab 1, 401] Campian et al (004) [J Biol Chem 79, ] Hyperoxie Hyperoxie 80% O Respiration Glycolyse Glycolyse anaérobie 0% O Campian et al (004) [J Biol Chem 79, ] Campian et al (004) [J Biol Chem 79, ] 18

19 Hyperoxie Résumé Campian et al (004) [J Biol Chem 79, ] Afflux d e (FADH) Potentiel membranaire Inactivité cellulaire Hyperoxie Inhibition CR Cytc Oxydase Hypoxie 19