Types de radicaux libres
Types de radicaux libres
Prof. Dr. Rachid Mohammed Rachid
Département des sciences de la vie / Faculté des sciences /Université d'Al-Anbar
Les radicaux libres peuvent être définis comme des atomes possédant des électrons non appariés dans leur couche électronique externe. En raison de leur manque d'un nombre fixe dans leur dernière couche, ils sont en mouvement constant à la recherche d'un autre atome ou d'une autre molécule avec laquelle se lier pour atteindre la stabilité. Les espèces réactives de l'oxygène (Reactive oxygen species or ROS) sont des produits secondaires du métabolisme normal de l'oxygène et jouent des rôles importants dans la signalisation cellulaire et l'équilibre cellulaire. Les espèces réactives de l'oxygène sont un élément essentiel de la fonction cellulaire, et elles existent à des niveaux bas et constants dans les cellules vivantes normales. Les espèces réactives de l'oxygène participent aux processus métaboliques, mais elles peuvent causer des dommages à l'ADN, ce qui indique que les espèces réactives de l'oxygène peuvent avoir un double rôle dans les organismes vivants (agents nuisibles ou agents protecteurs) ou signalent l'équilibre entre la production d'espèces réactives de l'oxygène et leur élimination au bon moment et au bon endroit, car la toxicité des espèces réactives de l'oxygène peut résulter d'une production incontrôlée ou d'une élimination inefficace par le système antioxydant. Les niveaux d'espèces réactives de l'oxygène peuvent augmenter considérablement pendant les périodes de stress auxquelles la cellule est soumise, telles que l'exposition aux rayons ultraviolets ou à la chaleur, entraînant des dommages importants aux structures cellulaires. Ce dommage, lorsqu'il s'accumule, est connu sous le nom de stress oxydatif. La production d'espèces réactives de l'oxygène est fortement influencée par la réponse aux facteurs de stress, et les facteurs qui augmentent la production d'espèces réactives de l'oxygène comprennent : la déshydratation, l'augmentation de la concentration des ions, la diminution de la capacité des cellules à se défendre contre les agents pathogènes, la carence en nutriments, l'intoxication par des métaux et les rayons ultraviolets, le tabagisme, etc. Les espèces réactives de l'oxygène se forment également à partir de sources externes telles que les radiations ionisantes, ce qui entraîne des effets sur la croissance des tissus chez les animaux et les plantes.
Les types d'oxygène réactif et d'azote peuvent être radicaux ou composés non radicaux. La réduction de l'oxygène moléculaire par quatre électrons produit de l'eau sans générer de ROS, tandis que la réduction par un seul électron produit le radical superoxyde O2•− et le peroxyde d'hydrogène H2O2 hydrogen peroxide et le radical hydroxyle HO• hydroxyl radical. Les (OH•) et ( O2•−) ont des électrons non appariés dans leurs orbitales externes, et sont donc définis comme des radicaux libres, tandis que le composé H2O2 ne contient pas d'électrons non appariés et n'est donc pas un radical. Les composés d'oxygène non radicaux comprennent le peroxyde d'hydrogène (H2O2), l'ozone ozone (O3) et l'oxygène singulet singlet oxygen 1O2. Les types de radicaux d'azote sont (NO• , ONOO , NO2• ).
Types de radicaux libres Types of free radicals
1. Radical Superoxyde (O2•−)
Les types de ROS apparaissent constamment lors des activités vitales à l'intérieur de la cellule dans les mitochondries ou les plastes, le réticulum endoplasmique et de nombreux autres organites cellulaires, en tant que résultat inévitable de la respiration aérobie. L'un des résultats les plus importants des processus d'oxydation et de réduction est la production de ce radical libre résultant de l'interaction de l'oxygène avec la chaîne de transport des électrons ETC, où l'oxygène est réduit par un seul électron, produisant ce radical Superoxyde Radical (O2•−), qui est le premier type de ROS généré. La formation de ce radical peut stimuler la formation d'autres radicaux tels que l'hydroxyle (•OH), qui peut provoquer l'oxydation des lipides membranaires et l'affaiblissement de la cellule, et peut former le radical HO2 avec une charge négative au-dessus de la membrane plasmique, qui attaquera à son tour les acides gras polyinsaturés Polyunsaturated fatty acids (PUFAs). La demi-vie de ce radical est de 1 à 1000 microsecondes. L'une de ses réactions les plus importantes est son interaction avec le proton d'hydrogène H+ pour produire le radical Hydroxyperoxyl radical très actif, qui peut traverser les membranes cellulaires, et deux de ses molécules peuvent interagir pour donner de l'oxygène et du peroxyde d'hydrogène H2O2. Ce radical a également la capacité de réduire le fer ferrique Fe+3 et Cu +2 et Cu+1 et d'interagir avec le peroxyde d'hydrogène.
Étant donné que le Radical Superoxyde (O2•−) est un radical libre très réactif, il peut endommager les molécules (ADN, protéines, lipides). Il peut également être produit dans le système immunitaire pour tuer les micro-organismes envahissants ; les cellules phagocytaires, telles que les neutrophiles, les monocytes, les macrophages, les mastocytes et les cellules dendritiques, sont attirées chimiquement vers le site d'infection bactérienne et les tuent. Les bactéries sont tuées par un processus médié par le Superoxyde Radical (O2•−).
2. Radical Hydroxyle (•OH)
Chimiquement, c'est le radical libre le plus réactif formé dans l'organisme. C'est un oxydant puissant qui se forme dans une large gamme de conditions environnementales et a la capacité de décomposer les composés organiques, y compris l'ADN, les protéines, les glucides et les lipides, causant des dommages très importants par rapport aux autres types de ROS. Il se forme par
1- la réaction de Fenton, où le peroxyde d'hydrogène H2O2 réagit avec des ions métalliques de fer ou de cuivre liés à diverses protéines telles que la ferritine Ferritin, qui stocke le fer, et la céruloplasmine, qui est la protéine de transport du cuivre. En cas de stress, l'augmentation de (O2•−) libère un ion libre de la ferritine, et cet ion participera à la réaction de Fenton pour former le Radical Hydroxyle (HO•). Le fer ferrique Fe+3 est réduit en fer ferreux Fe+2 par le radical (O2•−), et ensuite le fer ferreux devient capable d'entrer dans les réactions de Fenton et de produire le radical Hydroxyle (OH•)
(Fe+3) + O2•− →(Fe+2) +( O2•) )
(Fe+2) + H2O2→ (Fe+3) +(OH−) + (OH•) )
2- Il se forme également par la réaction entre le radical superoxyde et le peroxyde d'hydrogène dans une réaction appelée réaction Haber-Weiss.
Le radical hydroxyle est un électrophile, ce qui signifie qu'il peut attirer une paire d'électrons et a une forte affinité pour les sites riches en électrons, en particulier les molécules contenant du soufre. La plupart des ROS se transforment généralement en ce radical, il est donc considéré comme le composé final de la plupart des radicaux libres. Enfin, ce radical est le principal responsable des dommages oxydatifs aux protéines, lipides et acides nucléiques, et il participe directement à la signalisation de la mort cellulaire programmée. On estime que · OH est responsable de 60 à 70 % des dommages tissulaires causés par les radiations ionisantes. Les radicaux hydroxyles participent également à de nombreux troubles, tels que les maladies cardiovasculaires et le cancer.
3- Radical Peroxyle (ROO•)
Les radicaux alkoxyle (RO•) et peroxyle (ROO•) sont des radicaux organiques centrés sur l'oxygène, ayant la capacité d'accepter des électrons puis de se réduire. Ces radicaux ont une capacité de réduction très élevée (1000 à 1600 millivolts). Les radicaux peroxyles et alkoxyles peuvent être générés par la décomposition des peroxydes alkyles (ROOH) induite par la chaleur ou les radiations, ou par réaction avec des ions métalliques de transition et d'autres oxydants capables de libérer de l'hydrogène. Ils peuvent également se former par oxydation des protéines et de l'ADN. Ces radicaux réagissent directement avec des molécules biologiques, telles que l'ADN et les groupes thiol liés à l'albumine Albumin -SH-groups. Ils peuvent également extraire de l'hydrogène d'autres molécules ayant une capacité de réduction standard inférieure, comme observé dans la phase de propagation de la peroxydation lipidique. Le ROO• peut se propager à des parties éloignées des cellules. Leur demi-vie est de l'ordre de quelques secondes. Certains radicaux peroxyles se décomposent et libèrent l'anion superoxyde, ou réagissent entre eux pour générer de l'oxygène singulet.
4. Radical Hydroperoxyle (HO2•)
Il est généralement appelé radical hydroperoxyle ou radical perhydroxyle, c'est la forme la plus simple du radical peroxyle, qui est produit par l'addition d'un proton au radical anion superoxyde ou par décomposition du peroxyde d'hydrogène. Environ 0,3 % de l'oxyde superoxyde présent dans le cytosol est sous forme protonée. Le radical HO2• produit le composé H2O2 qui peut réagir avec des métaux, y compris le fer et le cuivre, pour catalyser les réactions de Fenton ou Haber-Weiss. Le radical hydroperoxyle peut également libérer des atomes d'hydrogène de NADH. Le radical hydroperoxyle joue un rôle important dans la chimie de la peroxydation lipidique. C'est un oxydant beaucoup plus puissant que le superoxyde en raison de sa capacité à libérer des atomes d'hydrogène des acides gras, ce qui indique son rôle dans le déclenchement de l'oxydation des lipides.
5. Peroxyde d'hydrogène (H2O2)
Le peroxyde d'hydrogène se forme naturellement dans une réaction catalysée par l'enzyme SOD. Ce n'est pas un radical, mais il peut causer des dommages à la cellule à des concentrations faibles. Ce composé traverse facilement les membranes cellulaires et n'a pas d'effet direct sur l'ADN, mais son effet peut être indirect par la production du radical hydroxyle qui endommage les cellules. Les enzymes antioxydantes capables de l'éliminer sont les enzymes catalase et glutathion peroxydase (GPX, CAT). Le peroxyde est produit par la réduction de deux électrons d'une molécule d'oxygène dans les cellules sous des conditions de stress telles que des températures extrêmes, des rayons ultraviolets, des blessures ou des infections par des agents pathogènes. C'est une molécule ayant une durée de vie relativement longue, et étant la seule capable de se diffuser à travers les canaux d'eau membranaires Aquaporin, elle traverse de plus longues distances à l'intérieur de la cellule, ce qui lui permet de causer des dommages à des zones plus éloignées de son lieu de production à l'intérieur de la cellule. Elle est également d'une importance exceptionnelle car elle agit comme un signal participant à la régulation des événements biologiques spécifiques contre le stress et les pressions environnementales.
6. Oxygène singulet (1O2)
Bien que l'oxygène singulet soit presque équilibré et ait une durée de vie courte dans les cellules, une partie de celui-ci peut se propager sur des distances raisonnables et attaquer les acides nucléiques, les pigments, les lipides et les protéines, oxydant rapidement les molécules ayant des liaisons doubles -C-C, formant Hydroperoxidase et Endoperoxidase ; il attaque les acides aminés, les groupes thiol SH et les acides gras insaturés ainsi que les bases de la quinine dans les acides nucléiques.
7. Ozone (O3)
Il est moins efficace que HO• et est un oxydant beaucoup plus puissant que l'oxygène. Des radicaux libres peuvent être produits par l'oxydation de molécules biologiques et causer des dommages oxydatifs aux lipides, protéines et acides nucléiques, et il peut également provoquer des anomalies chromosomiques. L'ozone joue également un rôle important dans les processus inflammatoires.
8. Acide hypochloreux (HOCl)
C'est un type très réactif participant aux réactions d'oxydation et de chloration des composants protéiques et lipidiques. Il est produit par l'activation des cellules neutrophiles au site de l'inflammation par la réaction entre le peroxyde d'hydrogène et le chlorure, une réaction catalysée par l'enzyme myéloperoxydase.
9. Anion radical carbonate (CO3•−)
Il peut être produit par la décomposition radioactive des solutions aqueuses de bicarbonates/carbonates ; il peut également se former lorsque •OH réagit avec des ions carbonates ou bicarbonates. Des niveaux élevés de bicarbonate (25 millimoles) dans le plasma sanguin permettent à cette réaction de se produire. Bien qu'il ne soit pas un oxydant puissant comme le radical hydroxyle, le (CO3•−) a une demi-vie beaucoup plus longue que (•OH) et peut donc se propager plus loin et oxyder les molécules cellulaires. Une variété de molécules biologiques peut être oxydée par lui ; étant un oxydant majeur pour les protéines et les acides nucléiques, il oxyde les bases de la quinine de l'ADN par un processus de transfert d'un électron qui conduit à la formation de produits d'oxydation stables de la quinine. Il est connu pour jouer un rôle important dans la modification des acides aminés dans les protéines sous des conditions de stress oxydatif, de vieillissement, d'inflammation et dans des cas de dégénérescence nerveuse, de troubles cardiovasculaires et de diabète.
10. Oxyde nitrique (NO•)
L'oxyde nitrique (NO•), le dioxyde d'azote (NO2•) et le peroxynitrite (ONOO−) ainsi que les non-radicaux HNO2 et N2O4 (tétroxyde de diazote) sont inclus sous le titre des espèces azotées réactives (RNS). L'oxyde nitrique ou le monoxyde d'azote est un radical libre avec un électron non apparié, et sa réaction chimique est quelque peu limitée, donc sa toxicité directe est inférieure à celle des ROS. Cependant, il réagit avec O2•− et produit l'anion peroxynitrite (ONOO−), qui est très nocif pour les protéines, lipides et acides nucléiques. L'oxyde nitrique réagit également avec l'oxygène moléculaire et l'azote pour former du dioxyde d'azote ou du trioxyde de diazote, qui sont tous deux des agents oxydants toxiques. L'oxyde nitrique est produit dans les tissus biologiques par des synthases spécifiques d'oxyde nitrique, par la réaction de H2O2 avec l'arginine ou par la décomposition des thiols S-nitrosés en présence d'ions métalliques.
L'oxyde nitrique est soluble dans l'eau et les graisses, se propage donc facilement à travers le cytoplasme et la membrane plasmique. Si le plasma sanguin humain est exposé à l'oxyde nitrique, les concentrations d'acide ascorbique et d'acide urique s'épuisent et le peroxyde lipidique est activé. Les espèces dérivées de l'oxyde nitrique dans les membranes cellulaires et les protéines lipidiques réagissent rapidement avec les acides gras et les radicaux peroxyles lipidiques pendant l'oxydation des lipides, produisant des produits oxydés de lipides libres et de cholestérol. L'oxyde nitrique participe également à de nombreux processus physiologiques tels que la transmission nerveuse, la relaxation des muscles lisses, la vasodilatation et la régulation de la pression artérielle, l'expression génique, les mécanismes de défense et la fonction cellulaire, la régulation des mécanismes d'inflammation et d'immunité, ainsi que dans les processus pathologiques tels que les troubles neurodégénératifs et les maladies cardiaques.
11. Dioxyde d'azote (NO2•): Contrairement à l'oxyde nitreux (N2O), le dioxyde d'azote peut être considéré comme un radical libre car les électrons ne sont pas appariés. Il se forme par la réaction entre le radical peroxyle et le NO dans l'air pollué et la fumée. C'est un oxydant puissant avec des molécules organiques. Deux (NO2•) peuvent se coupler pour former le tétraoxyde de diazote hautement réactif. Le dioxyde d'azote peut affecter les mécanismes d'action des antioxydants, provoquant l'oxydation de l'acide ascorbique et entraînant ainsi l'oxydation des lipides et la production de radicaux libres.
12. Peroxynitrite (ONOO−)
Il se forme par la réaction entre l'oxyde nitrique et l'anion superoxyde. Il est très toxique et peut réagir directement avec le dioxyde de carbone pour former des nitroso-peroxo-carboxylates hautement réactifs (ONOOCO2−) ou de l'acide peroxynitreux (ONOOH), qui peut subir une décomposition supplémentaire pour produire (HO•) et NO2• ou se réorganiser pour produire NO3. Le peroxynitrite (ONOO−) se propage facilement à travers les membranes cellulaires ; il peut oxyder les lipides, les résidus de méthionine et de tyrosine dans les protéines et l'ADN en nitroguanine. Il agit comme un agent oxydant de manière similaire au radical hydroxyle. Ses résidus sont des marqueurs de dommages cellulaires causés par le peroxynitrite et ont été associés au vieillissement des tissus, provoquant également des lésions tissulaires et oxydant les lipoprotéines de basse densité (LDL) ; il semble se former dans les sites d'inflammation.
13. Espèces de soufre réactives
Les effets biologiques du sulfure d'hydrogène sont principalement attribués au processus de persulfidation des protéines (qui est le processus d'oxydation des groupes thiol cystéine (R-SH) en groupes persulfure). Il semble que le sulfure d'hydrogène inhibe l'athérosclérose et l'agrégation plaquettaire. Il a été prouvé qu'il protège contre les dommages dus à l'ischémie et à la reperfusion en préservant la fonction mitochondriale.