The Unified Concept of Oxidative Stress Pr A. Avignon Service des Maladies Métaboliques Hôpital Lapeyronie Montpellier

The Unified Concept of Oxidative Stress ?

What is Oxidative Stress ? OXIDANTS ANTIOXIDANTS Specific Enzymes Vitamin E, Vitamin C, Carotenoids, Selenium Oxygen Free Radicals Nitrogen Free Radicals

Any molecule containing one or more unpaired electrons Free Radicals Any molecule containing one or more unpaired electrons Reactive Oxygen Species (ROS) - Reactive Nitrogen Species (RNS) - NO. Reactive Metabolites or Intermediates - metabolic activation of drugs, toxins, pollutants, cigarette smokes, etc.

Reactive Oxygen Species (ROS) Superoxide (O2.-) Hydrogen Peroxide (H2O2) Hydroxyl Radical (OH.) - product of Fenton reaction catalyzed by free Fe and Cu Singlet Oxygen (1DgO2) - oxygen at an excited state, requiring photosensitizers and photons

Sources of oxygen free radicals La chaîne mitochondriale de transport d'électrons (section 4.2.1) : L'oxygène y est le récepteur final. Cette chaîne respiratoire fournit plus de 80 % de l'adénosine triphosphate (ATP) nécessaire aux besoins de la cellule et est la source la plus importante de production d'ERO. Environ 2 % de l'oxygène utilisé par les mitochondries aérobies intactes est partiellement réduit par des électrons qui s'échappent des transporteurs d'électrons de la chaîne respiratoire, formant ainsi le O2-(Ferrari et al, 1991). Xanthine oxydase : à l'état normal, les tissus contiennent peu de xanthine oxydase (XO), laquelle se retrouve principalement dans les cellules endothéliales. Au cours de l'ischémie, l'activation d'une protéine kinase convertit la xanthine déhydrogénase, une enzyme qui ne produit pas de ERO, en XO. La dégradation de l'ATP cellulaire conduit à l'accumulation d'hypoxanthine (Goldhaber et Weiss, 1992) qui, en présence d'oxygène à la reperfusion, est transformé par la XO en xanthine, puis en acide urique. Cette production s'accompagne de la formation de O2·- et de H2O2 (McCord, 1985). Il y a une certaine controverse dans le syndrome d'ischémie-reperfusion chez l'humain, car certains auteurs rapportent que le coeur ne possède peu ou pas de XO (Jong de et al, 1990; Eddy et al, 1987; Grum et al, 1989) alors que d'autres en rapportent la présence (Friedl et al, 1990; Wajner et Harkness, 1989). NADPH-oxydase et myéloperoxydase : les neutrophiles sont les leucocytes les plus abondants au début du processus de reperfusion ou d'athérogenèse et ils contiennent dans leur membrane plasmique une NADPH-oxydase qui réduit l'oxygène moléculaire en O2·-. Les neutrophiles activés sécrètent aussi l'enzyme myéloperoxydase (MPO) qui catalyse la formation de l'acide hypochlorique (HOCl) (Reimer et al, 1989), en plus d'induire la conversion de la xanthine déhydrogénase en XO dans les cellules endothéliales. Bien que ce rôle soit controversé (Ferrari, 1990), plusieurs auteurs lui attribuent une contribution importante dans la production d'ERO dans les coeurs reperfusés (Litt et al, 1989; Lucchesi, 1990). Cyclo-oxygénase et lipoxyénase : l'activation des phospholipases peut induire une libération d'acide arachidonique qui est métabolisé en prostaglandines et leucotriènes durant l'ischémie (Tesfamariam et Cohen, 1992). Cette activité implique un transfert d'électrons qui pourrait initier la formation d'ERO, par la cylo-oxygénase et la lipoxygénase, bien que ce rôle ne soit pas encore bien défini (Kukreja et Hess, 1992). Catécholamines : les catécholamines produites dans les membranes cellulaires et libérées de façon importante lors de la reperfusion pourraient aussi contribuer à une formation d'ERO. L'oxydation des catécholamines catalysée par une enzyme ou des métaux traces serait le mécanisme le plus probable. Système des oxydases à fonctions mixtes : le système des oxydases à fonctions mixtes est constitué par une chaîne de transport d'électrons similaire à celle de la chaîne respiratoire mitochondriale et comprend entre autre, des cytochromes P450 et le NADPH. L'O2 moléculaire pourrait être activé par ce système et être transformé en substances toxiques comme l'O2·- (Urban et al, 1995). Bien que le rôle de ce système ait été démontré dans le foie (Bondy et Naderi, 1994), il ne semble pas jouer un rôle important dans le syndrome d'ischémie-reperfusion cardiaque. NADH-oxydase : une NADH-oxydase non-mitochondriale, dépendante d'un cytochrome b558, a été mise en évidence dans des microsomes de cellules endothéliales provenant d'artères coronaires bovines (Mohazzab et al, 1996; 1994), de muscles lisses vasculaires et de myocytes (Mohazzab et al, 1997) comme étant une source majeure de la production intracellulaire de O2. Des études antérieures (Nohl, 1987; VandePlassche et al, 1990) avaient aussi mis en évidence une NADH-oxydase mitochondriale non-reliée à la chaîne de transport d'électrons dont l'activité augmentait proportionnellement à la gravité de l'ischémie dans le coeur de lapin. Autres voies : l'accumulation d'équivalents réducteurs pendant l'ischémie tels que le NADH, le NADPH, le lactate, les quinones et les flavoprotéines qui peuvent réagir entre eux ou avec l'oxygène, pourrait induire la formation d'ERO.

Free Radical Defense System

Oxidative Stress: Consequences shows a hydroxyl radical as it approaches a DNA molecule.

Obesity-induced oxidative stress

Fatty Acids -Induced Oxidant Stress J Clin Endocrinol Metab 81:4244-4248, 1996

Obesity-Induced Oxidant Stress and Insulin Resistance Muscle Cells Obesity-Induced Oxidant Stress and Insulin Resistance

ß-Cell Toxicity, and Oxidative Stress in Type 2 Diabetes Role of ß-cell mitochondria in sensing increases in plasma glucose and inducing insulin secretion. ß-Cell Toxicity, and Oxidative Stress in Type 2 Diabetes FIG. 1. Intracellular peroxide levels determined by a method involving dichlorodihydrofluorescein diacetate and flow cytometer. A: Isolated human islets were incubated in 5.6 or 30 mmol/l glucose with or without 10 mmol/l mannuloheptulose (MH) for 72 h to block glucose entry in the islets. Glucose (30 mmol/l) increased intra-islet peroxides, and MH blocked this increase. B: Isolated rat islets incubated with glucose, ribose, ribose + NAC, or ribose +NAC + buthionine sulfoxamine (BSO) for 72 h. Ribose generated increased levels of intracellular peroxides compared with glucose. The increase caused by ribose was greatly diminished by NAC, but the protective effect of NAC was completely abrogated by BSO. See the study by Tanaka et al. (18). Green K et al, Diabetes 53 (Suppl. 1):S110, 2004

ß-Cell Toxicity, and Oxidative Stress in Type 2 Diabetes FIG. 1. Intracellular peroxide levels determined by a method involving dichlorodihydrofluorescein diacetate and flow cytometer. A: Isolated human islets were incubated in 5.6 or 30 mmol/l glucose with or without 10 mmol/l mannuloheptulose (MH) for 72 h to block glucose entry in the islets. Glucose (30 mmol/l) increased intra-islet peroxides, and MH blocked this increase. B: Isolated rat islets incubated with glucose, ribose, ribose + NAC, or ribose +NAC + buthionine sulfoxamine (BSO) for 72 h. Ribose generated increased levels of intracellular peroxides compared with glucose. The increase caused by ribose was greatly diminished by NAC, but the protective effect of NAC was completely abrogated by BSO. See the study by Tanaka et al. (18). Diabetes 53 (Suppl. 1):S119–S124, 2004

Sensibility to oxidative stress Oxidative stress increased by FFA FFA acids and oxidative stress induce apoptosis of B-cells ß-Cell Toxicity, and Oxidative Stress in Type 2 Diabetes Diabetes 53 (Suppl. 1):S119–S124, 2004

Hyperglycemia / Oxidant Stress / Diabetic Complications Extra-cellular glucose GLUT-1 Kidney Retina Neurones Glucose-6-P Hexokinase Cycle de Krebs Acetyl CoA Phosphohexo isomérase Fructose-6-P PDH pyruvate Glyceraldéhyde-3-P 1,3-Diphosphoglycérate Pyruvate

Hyperglycemia Oxidative Stress Diabetic Complications Glucose extra cellulaire Voie des Polyols Glucose-6-P Hexokinase Voie des Hexosamines Phosphohexo isomérase Fructose-6-P Voie de la Protéine Kinase C (PKC) Glyceraldéhyde-3-P Voie des Produits Terminaux de la Glycation 1,3-Diphosphoglycérate

Hyperglycemia / Oxidative Stress / Diabetic Complications International Journal of Obesity (2006) 30, 400–418.

Hyperglycemia / Oxidative Stress / Diabetic Complications Nature 404, 787 - 790 (2000)

Conclusion Oxidative Stress Oxidative Stress

Merci