Les radicaux libres et les espèces réactives de l’oxygène sont produits pendant le métabolisme normal et peuvent causer des dommages cellulaires contrecarrés par des systèmes antioxydants enzymatiques et non enzymatiques. L’équilibre entre la production d’oxydants et la défense antioxydante détermine le niveau de stress oxydatif de la cellule.

Radicaux libres et espèces réactives de l’oxygène

Les radicaux libres sont des molécules avec un ou plusieurs électrons non appariés, les rendant hautement réactifs. L’anion superoxyde est formé par la réduction monoélectronique de l’oxygène moléculaire, principalement par fuite de la chaîne de transport des électrons mitochondriale pendant la phosphorylation oxydative et par les NADPH oxydases. Le superoxyde peut inactiver les protéines à clusters fer-soufre et libérer du fer libre, qui participe à la chimie de Fenton pour générer des espèces plus dommageables.

Le peroxyde d’hydrogène n’est pas un radical libre mais un produit de réduction à deux électrons de l’oxygène. Il diffuse librement à travers les membranes et peut générer le radical hydroxyle par la chimie de Fenton en présence de fer ferreux. Le radical hydroxyle est le plus réactif des ERO, réagissant à des vitesses limitées par la diffusion avec pratiquement toute biomolécule.

Le peroxynitrite est formé par la réaction du superoxyde avec l’oxyde nitrique. C’est un oxydant puissant et un agent nitrant qui modifie les protéines, les lipides et l’ADN. L’oxygène singulet et l’acide hypochloreux, produits par la myéloperoxydase dans les neutrophiles, sont des oxydants non radicalaires supplémentaires qui contribuent à la destruction des pathogènes mais provoquent également des lésions tissulaires.

Sources d’ERO

La chaîne de transport des électrons mitochondriale est la source endogène principale d’ERO. Les complexes I et III laissent fuir des électrons qui réduisent l’oxygène en superoxyde. Dans des conditions normales, environ 1 à 2 % de l’oxygène consommé est converti en superoxyde. Cela augmente lorsque la chaîne de transport des électrons est endommagée ou lorsque le potentiel membranaire mitochondrial est élevé.

Les NADPH oxydases sont des enzymes dédiées à la production d’ERO qui génèrent du superoxyde pour la signalisation et la défense immunitaire. Les enzymes de la famille NOX sont exprimées dans les phagocytes, les cellules endothéliales et d’autres tissus. D’autres sources comprennent les oxydases peroxysomales, les enzymes du cytochrome P450 et la xanthine oxydase, qui produit du superoxyde pendant la dégradation des purines.

Les sources exogènes d’ERO comprennent les rayonnements UV et ionisants, qui génèrent des radicaux hydroxyles par radiolyse de l’eau. Les polluants atmosphériques, la fumée de cigarette et certains médicaments et toxines augmentent également la production d’ERO. Les métaux de transition tels que le fer et le cuivre catalysent la formation de radicaux libres.

Dommages oxydatifs

La peroxydation lipidique est une réaction en chaîne initiée par l’arrachement d’un atome d’hydrogène par le radical hydroxyle aux acides gras polyinsaturés. Le radical lipidique résultant réagit avec l’oxygène pour former un radical peroxyle lipidique, qui propage la chaîne. Le malondialdéhyde et le 4-hydroxynonénal sont des sous-produits toxiques. La peroxydation lipidique endommage les membranes cellulaires et génère des aldéhydes réactifs qui modifient les protéines et l’ADN.

L’oxydation des protéines modifie les chaînes latérales des acides aminés, en particulier la cystéine, la méthionine et les résidus aromatiques. La formation de ponts disulfure, la carbonylation des protéines et la nitration des résidus tyrosine altèrent la fonction protéique et peuvent cibler les protéines pour dégradation.

L’oxydation de l’ADN produit la 8-oxoguanine comme lésion la plus courante, provoquant des mutations de transversion G vers T si elle n’est pas réparée. Les dommages à l’ADN par les ERO contribuent à la mutagenèse, au vieillissement et au cancer.

Défenses antioxydantes enzymatiques

La superoxyde dismutase, qui nécessite des cofacteurs métalliques, catalyse la dismutation du superoxyde en peroxyde d’hydrogène et oxygène. Trois isoformes existent : CuZn-SOD cytosolique, Mn-SOD mitochondriale et SOD extracellulaire. La SOD est essentielle pour la vie aérobie, et les souris knockout pour Mn-SOD meurent peu après la naissance.

La catalase convertit le peroxyde d’hydrogène en eau et oxygène moléculaire. Elle est concentrée dans les peroxysomes et a l’un des taux de renouvellement les plus élevés de toutes les enzymes. La glutathion peroxydase réduit le peroxyde d’hydrogène et les hydroperoxydes organiques en utilisant le glutathion réduit comme donneur d’électrons. Elle contient de la sélénocystéine au site actif. La thiorédoxine réductase et les peroxyrédoxines fournissent une capacité supplémentaire de réduction des peroxydes.

Antioxydants non enzymatiques

Le glutathion est le thiol intracellulaire le plus abondant et le principal antioxydant non enzymatique. Il maintient les thiols protéiques à l’état réduit et sert de donneur d’électrons pour la glutathion peroxydase. Le glutathion réduit est régénéré par la glutathion réductase utilisant le NADPH.

La vitamine E est le principal antioxydant liposoluble casse-chaîne dans les membranes. Elle donne un atome d’hydrogène aux radicaux peroxyles lipidiques, terminant la peroxydation lipidique. Le radical tocophéroxyle résultant est recyclé par la vitamine C. La vitamine C est un antioxydant hydrosoluble qui piège directement les ERO et régénère la vitamine E. L’acide urique, la bilirubine et l’ubiquinol sont des antioxydants endogènes supplémentaires.

Stress oxydatif dans les maladies

Le stress oxydatif contribue à de nombreuses maladies. Dans l’athérosclérose, l’oxydation des LDL favorise la formation de cellules spumeuses et le développement de plaques. Dans la neurodégénérescence, les dommages oxydatifs s’accumulent dans les maladies d’Alzheimer, de Parkinson et de Huntington. Dans le cancer, les ERO favorisent la mutagenèse et la progression tumorale mais peuvent également induire la mort cellulaire. Dans le diabète, l’hyperglycémie entraîne la production d’ERO par de multiples mécanismes, contribuant aux complications vasculaires. La lésion d’ischémie-reperfusion présente une explosion d’ERO lors de la réoxygénation, causant des dommages tissulaires supplémentaires au-delà de l’insulte ischémique.