Radicaux libres et antioxydants

La découverte des radicaux libres et des antioxydants a été une étape aussi importante pour la science médicale que la découverte des micro-organismes et des antibiotiques, car les médecins ont reçu non seulement une explication de nombreux processus pathologiques, y compris le vieillissement, mais également des méthodes efficaces pour les combattre.

La dernière décennie a été marquée par des avancées dans l'étude des radicaux libres dans les objets biologiques. Ces processus se sont avérés être un maillon métabolique essentiel au fonctionnement normal de l'organisme. Ils participent aux réactions de phosphorylation oxydative, à la biosynthèse des prostaglandines et des acides nucléiques, à la régulation de l'activité lipidique et aux processus de division cellulaire. Dans l'organisme, les radicaux libres se forment le plus souvent lors de l'oxydation des acides gras insaturés, un processus étroitement lié à la peroxydation lipidique (LPO).

Que sont les radicaux libres?

Un radical libre est une molécule ou un atome qui possède un électron non apparié dans son orbite externe, ce qui le rend agressif et capable non seulement de réagir avec les molécules de la membrane cellulaire, mais également de les convertir en radicaux libres (une réaction d'avalanche auto-entretenue).

Le radical contenant du carbone réagit avec l'oxygène moléculaire pour former le radical libre peroxyde COO.

Le radical peroxyde extrait l'hydrogène de la chaîne latérale des acides gras insaturés, formant un hydroperoxyde lipidique et un autre radical contenant du carbone.

Les hydroperoxydes lipidiques augmentent la concentration d'aldéhydes cytotoxiques et le radical contenant du carbone favorise la réaction de formation de radicaux peroxydes, etc. (en chaîne).

Il existe différents mécanismes de formation de radicaux libres. L'un d'eux est l'effet des rayonnements ionisants. Dans certains cas, lors de la réduction de l'oxygène moléculaire, un électron est ajouté au lieu de deux, ce qui forme un anion superoxyde (O) hautement réactif. La formation de superoxyde est l'un des mécanismes de défense contre les infections bactériennes: sans radicaux libres oxygénés, les neutrophiles et les macrophages ne peuvent détruire les bactéries.

La présence d'antioxydants dans la cellule et dans l'espace extracellulaire indique que la formation de radicaux libres n'est pas un phénomène épisodique causé par les effets des rayonnements ionisants ou des toxines, mais un phénomène constant qui accompagne les réactions d'oxydation dans des conditions normales. Les principaux antioxydants comprennent les enzymes du groupe des superoxydes dismutases (SOD), dont la fonction est de convertir catalytiquement l'anion peroxyde en peroxyde d'hydrogène et en oxygène moléculaire. Les superoxydes dismutases étant omniprésentes, il est raisonnable de supposer que l'anion superoxyde est l'un des principaux sous-produits de tous les processus d'oxydation. Les catalases et les peroxydases convertissent le peroxyde d'hydrogène formé lors de la dismutation en eau.

La principale caractéristique des radicaux libres est leur extraordinaire activité chimique. Comme s'ils ressentaient leur infériorité, ils tentent de récupérer l'électron perdu, le prenant agressivement aux autres molécules. À leur tour, les molécules « offensées » deviennent des radicaux et commencent à se voler elles-mêmes, prenant des électrons à leurs voisines. Toute modification d'une molécule – qu'il s'agisse de la perte ou de l'ajout d'un électron, de l'apparition de nouveaux atomes ou groupes d'atomes – affecte ses propriétés. Par conséquent, les réactions radicalaires qui se produisent dans une substance modifient ses propriétés physiques et chimiques.

L'exemple le plus connu de processus radicalaire est la dégradation de l'huile (rancissement). L'huile rance a un goût et une odeur particuliers, dus à l'apparition de nouvelles substances, formées lors des réactions radicalaires. Plus important encore, les protéines, les graisses et l'ADN des tissus vivants peuvent participer à ces réactions. Cela conduit au développement de divers processus pathologiques qui endommagent les tissus, favorisent le vieillissement et favorisent le développement de tumeurs malignes.

Les radicaux libres les plus agressifs sont les radicaux libres d'oxygène. Ils peuvent provoquer une avalanche de réactions radicalaires dans les tissus vivants, aux conséquences potentiellement catastrophiques. Les radicaux libres d'oxygène et leurs formes actives (par exemple, les peroxydes lipidiques) peuvent se former dans la peau et tout autre tissu sous l'influence des rayons UV, de certaines substances toxiques présentes dans l'eau et l'air. Mais surtout, des formes actives d'oxygène se forment lors de toute inflammation ou de tout processus infectieux survenant sur la peau ou tout autre organe, car elles constituent la principale arme du système immunitaire, grâce à laquelle il détruit les micro-organismes pathogènes.

Il est impossible de se protéger des radicaux libres (tout comme il est impossible de se protéger des bactéries, mais il est possible de s'en protéger). Certaines substances se distinguent par le fait que leurs radicaux libres sont moins agressifs que ceux d'autres substances. Ayant cédé son électron à l'agresseur, l'antioxydant ne cherche pas à compenser cette perte au détriment d'autres molécules, ou plutôt, ne le fait que dans de rares cas. Ainsi, lorsqu'un radical libre réagit avec un antioxydant, il se transforme en une molécule à part entière, et l'antioxydant devient un radical faible et inactif. Ces radicaux ne sont plus dangereux et ne créent pas de chaos chimique.

Que sont les antioxydants?

Le terme « antioxydants » est générique et, à l'instar d'« agents antinéoplasiques » et d'« immunomodulateurs », il n'implique pas l'appartenance à un groupe chimique spécifique. Leur spécificité réside dans leur lien étroit avec l'oxydation lipidique par radicaux libres en général et la pathologie radicalaire en particulier. Cette propriété unit différents antioxydants, chacun possédant ses propres caractéristiques d'action.

Les processus d'oxydation radicalaire des lipides sont de nature biologique générale et, de l'avis de nombreux auteurs, constituent un mécanisme universel de lésion cellulaire au niveau membranaire lorsqu'ils sont fortement activés. Dans ce cas, dans la phase lipidique des membranes biologiques, les processus de peroxydation lipidique entraînent une augmentation de la viscosité et de l'ordre de la bicouche membranaire, modifient les propriétés de phase des membranes et réduisent leur résistance électrique, et facilitent également l'échange de phospholipides entre deux monocouches (ce que l'on appelle la bascule phospholipidique). Sous l'influence des processus de peroxydation, la mobilité des protéines membranaires est également inhibée. Au niveau cellulaire, la peroxydation lipidique s'accompagne d'un gonflement des mitochondries, d'un découplage de la phosphorylation oxydative (et, dans les processus avancés, d'une solubilisation des structures membranaires), ce qui, à l'échelle de l'organisme, se manifeste par le développement de pathologies dites radicalaires.

Radicaux libres et dommages cellulaires

Aujourd’hui, il est devenu évident que la formation de radicaux libres est l’un des mécanismes pathogéniques universels dans divers types de lésions cellulaires, notamment les suivants:

• reperfusion des cellules après une période d'ischémie;
• certaines formes d’anémie hémolytique induites par des médicaments;
• intoxication par certains herbicides;
• gestion du tétrachlorure de carbone;
• rayonnement ionisant;
• certains mécanismes du vieillissement cellulaire (par exemple, l'accumulation de produits lipidiques dans la cellule - céroïdes et lipofuscines);
• toxicité de l'oxygène;
• athérogenèse due à l'oxydation des lipoprotéines de basse densité dans les cellules de la paroi artérielle.

Les radicaux libres participent aux processus:

• vieillissement;
• cancérogenèse;
• dommages chimiques et médicinaux aux cellules;
• inflammation;
• dommages radioactifs;
• athérogenèse;
• toxicité de l'oxygène et de l'ozone.

Effets des radicaux libres

L'oxydation des acides gras insaturés dans les membranes cellulaires est l'un des principaux effets des radicaux libres. Ces derniers endommagent également les protéines (en particulier celles contenant des thiols) et l'ADN. L'oxydation des lipides pariétaux entraîne la formation de canaux de perméabilité polaires, augmentant la perméabilité passive de la membrane aux ions Ca2+, dont l'excès se dépose dans les mitochondries. Les réactions d'oxydation sont généralement inhibées par des antioxydants hydrophobes tels que la vitamine E et la glutathion peroxydase. On trouve des antioxydants de type vitamine E, qui brisent les chaînes d'oxydation, dans les fruits et légumes frais.

Les radicaux libres réagissent également avec les molécules des milieux ionique et aqueux des compartiments cellulaires. Dans ce milieu, des molécules de substances telles que le glutathion réduit, l'acide ascorbique et la cystéine conservent leur potentiel antioxydant. Les propriétés protectrices des antioxydants deviennent évidentes lorsque, après épuisement de leurs réserves dans une cellule isolée, des modifications morphologiques et fonctionnelles caractéristiques sont observées, dues à l'oxydation des lipides de la membrane cellulaire.

Les types de dommages causés par les radicaux libres dépendent non seulement de l'agressivité des radicaux produits, mais aussi des caractéristiques structurelles et biochimiques de la cible. Par exemple, dans l'espace extracellulaire, les radicaux libres détruisent les glycosaminoglycanes, substance principale du tissu conjonctif, ce qui peut être l'un des mécanismes de destruction articulaire (par exemple, dans la polyarthrite rhumatoïde). Les radicaux libres modifient la perméabilité (et donc la fonction barrière) des membranes cytoplasmiques en formant des canaux à perméabilité accrue, ce qui entraîne une perturbation de l'homéostasie eau-ions de la cellule. Il est considéré comme nécessaire d'apporter aux patients atteints de polyarthrite rhumatoïde des vitamines et des microéléments, notamment pour corriger les carences en vitamines et en microéléments par l'oligogal E. Ceci est dû au fait qu'une activation notable des processus de peroxydation et une suppression de l'activité antioxydante ont été démontrées. Il est donc essentiel d'inclure des bioantioxydants à forte activité antiradicalaire dans les thérapies complexes, notamment les vitamines antioxydantes (E, C et A) et le sélénium (Se). Il a également été démontré que l'utilisation d'une dose synthétique de vitamine E, moins bien absorbée que la vitamine naturelle, entraîne une diminution des maladies cardiovasculaires (de 53 %). Cependant, la réponse à l'efficacité des antioxydants sera obtenue lors d'études contrôlées à grande échelle (de 8 000 à 40 000 patients), menées en 1997.

Les forces protectrices qui maintiennent le taux de LPO à un certain niveau comprennent des systèmes enzymatiques inhibant la peroxydation et des antioxydants naturels. Il existe trois niveaux de régulation du taux d'oxydation des radicaux libres. Le premier niveau est celui de l'antioxygène, qui maintient une pression partielle d'oxygène relativement basse dans la cellule. Cela inclut principalement les enzymes respiratoires qui entrent en compétition pour l'oxygène. Malgré la grande variabilité de l'absorption d'O₃ dans l'organisme et de la libération de CO₂, les pO₂ et pCO₂ dans le sang artériel restent normalement relativement constantes. Le deuxième niveau de protection est celui de l'antiradicalaire. Il est constitué de diverses substances présentes dans l'organisme (vitamine E, acide ascorbique, certaines hormones stéroïdes, etc.) qui interrompent les processus de LPO en interagissant avec les radicaux libres. Le troisième niveau est celui de l'antiperoxyde, qui détruit les peroxydes déjà formés à l'aide d'enzymes appropriées ou par des moyens non enzymatiques. Cependant, il n'existe toujours pas de classification unifiée ni de points de vue unifiés sur les mécanismes régulant le taux de réactions des radicaux libres et l'action des forces protectrices qui assurent l'utilisation des produits finaux de la peroxydation lipidique.

On pense que, selon leur intensité et leur durée, les modifications de la régulation des réactions LPO peuvent: premièrement, être réversibles et revenir ensuite à la normale; deuxièmement, conduire à une transition vers un autre niveau d'autorégulation; et troisièmement, certains effets désunissent ce mécanisme d'autorégulation et, par conséquent, rendent impossible la mise en œuvre des fonctions régulatrices. C'est pourquoi la compréhension du rôle régulateur des réactions LPO dans des conditions d'exposition à des facteurs extrêmes, notamment le froid, est une étape nécessaire de la recherche visant à développer des méthodes scientifiquement fondées pour la gestion des processus d'adaptation et la thérapie complexe, la prévention et la réadaptation des maladies les plus courantes.

L'un des antioxydants les plus fréquemment utilisés et les plus efficaces est un complexe d'antioxydants, comprenant du tocophérol, de l'ascorbate et de la méthionine. L'analyse du mécanisme d'action de chacun de ces antioxydants a révélé les points suivants: les microsomes sont l'un des principaux sites d'accumulation du tocophérol introduit de manière exogène dans les cellules hépatiques. L'acide ascorbique, oxydé en acide déhydroascorbique, peut agir comme donneur de protons. De plus, la capacité de l'acide ascorbique à interagir directement avec l'oxygène singulet, les radicaux hydroxyles et les radicaux anions superoxydes, ainsi qu'à détruire le peroxyde d'hydrogène, a été démontrée. Il a également été démontré que le tocophérol présent dans les microsomes peut être régénéré par les thiols et, en particulier, par le glutathion réduit.

Ainsi, il existe dans l'organisme un certain nombre de systèmes antioxydants interconnectés, dont le rôle principal est de maintenir les réactions oxydatives enzymatiques et non enzymatiques à un niveau stable. À chaque étape du développement des réactions peroxydiques, un système spécialisé assure ces fonctions. Certains de ces systèmes sont strictement spécifiques, d'autres, comme la glutathion peroxydase et le tocophérol, ont une plus grande étendue d'action et une moindre spécificité de substrat. L'additivité de l'interaction des systèmes antioxydants enzymatiques et non enzymatiques assure la résistance de l'organisme aux facteurs extrêmes possédant des propriétés prooxydantes, c'est-à-dire la capacité de créer dans l'organisme des conditions prédisposant à la production de formes activées de l'oxygène et à l'activation des réactions de peroxydation lipidique. Il ne fait aucun doute que l'activation des réactions de peroxydation lipidique est observée sous l'influence de nombreux facteurs environnementaux sur l'organisme et dans des processus pathologiques de natures diverses. Selon V. Yu. Kulikov et al. (1988), en fonction des mécanismes d'activation des réactions LPO, tous les facteurs affectant le corps peuvent être divisés avec un certain degré de probabilité dans les groupes suivants.

Facteurs de nature physico-chimique contribuant à l'augmentation des précurseurs tissulaires et activateurs directs des réactions LPO:

• oxygène sous pression;
• ozone;
• oxyde nitrique;
• rayonnements ionisants, etc.

Facteurs de nature biologique:

• processus de phagocytose;
• destruction des cellules et des membranes cellulaires;
• systèmes de génération de formes d'oxygène activées.

Facteurs qui déterminent l'activité des systèmes antioxydants de nature enzymatique et non enzymatique du corps:

• activité des processus associés à l'induction de systèmes antioxydants de nature enzymatique;
• facteurs génétiques associés à la dépression de l’une ou l’autre enzyme régulant les réactions de peroxydation lipidique (déficit en glutathion peroxydase, catalase, etc.);
• facteurs nutritionnels (manque de tocophérol, de sélénium, d’autres microéléments, etc. dans les aliments);
• structure des membranes cellulaires;
• la nature de la relation entre les antioxydants de nature enzymatique et non enzymatique.

Facteurs de risque qui potentialisent l’activation des réactions LPO:

• activation du régime d'oxygène du corps;
• état de stress (froid, température élevée, hypoxie, impact émotionnel et douloureux);
• hyperlipidémie.

Ainsi, l'activation des réactions LPO dans l'organisme est étroitement liée au fonctionnement des systèmes de transport et d'utilisation de l'oxygène. Les adaptogènes, notamment l'éleuthérocoque, largement utilisé, méritent une attention particulière. Une préparation à base de racine de cette plante possède des propriétés toniques, adaptogènes, anti-stress, anti-athérosclérotiques, antidiabétiques et autres, et réduit la morbidité générale, notamment la grippe. L'étude des mécanismes d'action biochimiques des antioxydants chez l'homme, l'animal et la plante a considérablement élargi le spectre des pathologies pour lesquelles les antioxydants sont utilisés. Les antioxydants sont utilisés avec succès comme adaptogènes pour la protection contre les radiations, le traitement des plaies et des brûlures, la tuberculose, les maladies cardiovasculaires, les troubles neuropsychiatriques, les néoplasies, le diabète, etc. L'intérêt pour les mécanismes sous-jacents à cette action universelle des antioxydants s'est donc accru.

À l'heure actuelle, il a été établi expérimentalement que l'efficacité des antioxydants est déterminée par leur activité inhibitrice de la peroxydation lipidique, due à leur interaction avec le peroxyde et d'autres radicaux initiant la LPO, ainsi que par leurs effets sur la structure membranaire, facilitant l'accès de l'oxygène aux lipides. La LPO peut également être modifiée par un système d'action antioxydante médié par des mécanismes neurohormonaux. Il a été démontré que les antioxydants influencent la libération de neurotransmetteurs et d'hormones, la sensibilité des récepteurs et leur liaison. À son tour, une modification de la concentration d'hormones et de neurotransmetteurs modifie l'intensité de la LPO dans les cellules cibles, ce qui entraîne une modification du taux de catabolisme des lipides et, par conséquent, de leur composition. La relation entre le taux de LPO et une modification du spectre des phospholipides membranaires joue un rôle régulateur. Un système de régulation similaire a été observé dans les membranes cellulaires d'animaux, de plantes et d'organismes microbiens. Comme on le sait, la composition et la fluidité des lipides membranaires influencent l'activité des protéines membranaires, des enzymes et des récepteurs. Grâce à ce système de régulation, les antioxydants agissent sur la réparation de la membrane, modifiée par l'état pathologique de l'organisme, et normalisent sa composition, sa structure et son activité fonctionnelle. Les modifications de l'activité des enzymes synthétisant les macromolécules et de la composition de la matrice nucléaire, associées à une modification de la composition des lipides membranaires, induites par l'action des antioxydants, peuvent s'expliquer par leur influence sur la synthèse de l'ADN, de l'ARN et des protéines. Parallèlement, des données sur l'interaction directe des antioxydants avec les macromolécules ont été publiées.

Ces données, ainsi que celles récemment découvertes sur l'efficacité des antioxydants à des concentrations picomolaires, mettent en évidence le rôle des voies réceptrices dans leur effet sur le métabolisme cellulaire. Dans les travaux de VE Kagan (1981) sur les mécanismes de modification structurelle et fonctionnelle des biomembranes, il a été montré que la dépendance de la vitesse des réactions LPO dans les biomembranes dépend non seulement de leur composition en acides gras (degré d'insaturation), mais aussi de l'organisation structurale de la phase lipidique des membranes (mobilité moléculaire des lipides, force des interactions protéine-lipide et lipide-lipide). Il a été constaté qu'à la suite de l'accumulation de produits LPO, une redistribution des lipides se produit dans la membrane: la quantité de lipides liquides dans la biocouche diminue, la quantité de lipides immobilisés par les protéines membranaires diminue et la quantité de lipides ordonnés dans la biocouche (clusters) augmente. V.

L'étude de la nature, de la composition et du mécanisme d'homéostasie du système antioxydant a montré que l'effet néfaste des radicaux libres et des composés peroxydes est prévenu par un système antioxydant multicomposant complexe (SAO), qui assure la liaison et la modification des radicaux, empêchant ainsi la formation ou la destruction des peroxydes. Ce système comprend: des substances organiques hydrophiles et hydrophobes aux propriétés réductrices; des enzymes qui maintiennent l'homéostasie de ces substances; et des enzymes antiperoxydes. Parmi les antioxydants naturels, on trouve des substances lipidiques (hormones stéroïdes, vitamines E, A, K, flavonoïdes et polyphénols, vitamine P, ubiquinone) et hydrosolubles (thiols de faible poids moléculaire, acide ascorbique). Ces substances piègent les radicaux libres ou détruisent les composés peroxydes.

Une partie des antioxydants tissulaires a un caractère hydrophile, l'autre un caractère hydrophobe, ce qui permet la protection simultanée de molécules fonctionnellement importantes contre les agents oxydants dans les phases aqueuse et lipidique.

La quantité totale de bioantioxydants crée un « système antioxydant tampon » dans les tissus, doté d'une certaine capacité. Le rapport entre les systèmes prooxydant et antioxydant détermine le « statut antioxydant » de l'organisme. Tout porte à croire que les thiols occupent une place particulière parmi les antioxydants tissulaires. Ceci est confirmé par les faits suivants: la forte réactivité des groupes sulfhydryle, qui entraîne une oxydation très rapide de certains thiols; la dépendance du taux de modification oxydative des groupes SH à leur environnement radicalaire dans la molécule. Ce fait permet de distinguer un groupe particulier de substances facilement oxydables parmi une variété de composés thiols, qui remplissent des fonctions antioxydantes spécifiques: la réversibilité de la réaction d'oxydation des groupes sulfhydryle en groupes disulfures, qui permet, en principe, de maintenir énergétiquement l'homéostasie des antioxydants thiols dans la cellule sans activer leur biosynthèse; et la capacité des thiols à exercer à la fois des effets antiradicalaires et antiperoxydes. Les propriétés hydrophiles des thiols déterminent leur forte concentration dans la phase aqueuse de la cellule et leur capacité à protéger des dommages oxydatifs des molécules biologiquement importantes comme les enzymes, les acides nucléiques, l'hémoglobine, etc. Parallèlement, la présence de groupes apolaires dans les composés thiols assure leur activité antioxydante dans la phase lipidique de la cellule. Ainsi, avec les substances de nature lipidique, les composés thiols jouent un rôle important dans la protection des structures cellulaires contre l'action des facteurs oxydants.

L'acide ascorbique est également sujet à l'oxydation dans les tissus de l'organisme. Comme les thiols, il fait partie de l'AOS et participe à la liaison des radicaux libres et à la destruction des peroxydes. L'acide ascorbique, dont la molécule contient des groupes polaires et apolaires, présente une interaction fonctionnelle étroite avec le SH-glutathion et les antioxydants lipidiques, renforçant l'effet de ces derniers et prévenant la peroxydation lipidique. Il semble que les antioxydants thiols jouent un rôle majeur dans la protection des principaux composants structurels des membranes biologiques, tels que les phospholipides ou les protéines immergées dans la couche lipidique.

À leur tour, les antioxydants hydrosolubles – composés thiols et acide ascorbique – exercent leur action protectrice principalement en milieu aqueux – cytoplasme cellulaire ou plasma sanguin. Il convient de garder à l'esprit que le système sanguin est un environnement interne qui joue un rôle déterminant dans les réactions de défense non spécifiques et spécifiques de l'organisme, affectant sa résistance et sa réactivité.

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Les radicaux libres en pathologie

La question des relations de cause à effet entre les variations de l'intensité de la peroxydation lipidique et la dynamique du développement de la maladie fait encore l'objet de discussions dans la littérature. Selon certains auteurs, c'est la perturbation de la stationnarité de ce processus qui est la principale cause des maladies indiquées, tandis que d'autres estiment que la variation de l'intensité de la peroxydation lipidique est la conséquence de ces processus pathologiques initiés par des mécanismes complètement différents.

Les recherches menées ces dernières années ont montré que des modifications de l'intensité de l'oxydation des radicaux libres accompagnent des maladies d'origines diverses, ce qui confirme la thèse de la nature biologique générale des dommages cellulaires causés par les radicaux libres. De nombreuses preuves ont été accumulées quant à l'implication pathogénique des dommages causés par les radicaux libres aux molécules, aux cellules, aux organes et à l'organisme dans son ensemble, et quant à l'efficacité des traitements pharmacologiques aux propriétés antioxydantes.