La réaction d’oxydation compte parmi les plus importantes du vieillissement moléculaire des protéines puisqu’elle est capable de causer des dommages directs mais aussi de fournir de nombreux métabolites réactifs impliqués dans d’autres MPTNE, comme la carbonylation ou la glycoxydation (voir plus loin). Elle est due à l’action des espèces réactives de l’oxygène (ERO, ou reactive oxygen species [ROS] en anglais), et plus particulièrement des radicaux libres oxygénés (RLO) [2].

Les RLO sont formés à partir du dioxygène, oxydant puissant qui attire des électrons célibataires pour donner naissance à des espèces partiellement réduites. La chaîne de réduction monovalente du dioxygène qui consiste en l’addition un à un des électrons, permet la formation successive de l’ion superoxyde (O₂ ^•-), du peroxyde d’hydrogène (H₂O₂) puis du radical hydroxyle (^•OH).

L’ion superoxyde peut être formé par différents mécanismes : soit au cours du métabolisme normal de l’oxygène dans la chaîne respiratoire mitochondriale, soit par voie enzymatique (NADPH [nicotinamide adénine dinucléotide phosphate réduit] oxydase, xanthine oxydase), ou encore par des réactions d’auto-oxydation non enzymatiques. Le peroxyde d’hydrogène est formé soit par réaction de dismutation enzymatique^1, de l’ion superoxyde (par la superoxyde dismutase), soit par des réactions catalysées par des oxydases, présentes surtout dans les peroxysomes^2,. Il est peu réactif mais est rapidement converti, en présence de métaux de transition, en radical hydroxyle •OH, qui est le plus réactif des RLO (réaction de Fenton³).

Dans certaines situations, la production de RLO augmente fortement sans être contre-balancée par les systèmes antioxydants de défense, conduisant à un stress oxydant. Les RLO peuvent alors interagir avec les molécules environnantes, dont les protéines, pour provoquer le clivage de liaisons peptidiques ou former des produits d’oxydation avec les chaînes latérales des acides aminés. Les acides aminés soufrés et aromatiques sont les plus sensibles aux réactions d’oxydation. Enfin, l’oxydation des chaînes latérales d’acides aminés peut conduire à la formation de groupements hydroxyles ou carbonyles qui peuvent induire des réticulations intra- ou intermoléculaires⁴ [3].

Outre les RLO, les ERO comprennent aussi d’autres espèces radicalaires dérivant directement ou non de l’oxygène, comme l’ion hypochlorite OCl^- ou le peroxynitrite ONOO^-, qui présentent également une toxicité importante, notamment via des réactions de chloration ou de nitration.

L’ensemble des composés issus de l’action des ERO sur les protéines sont regroupés sous le terme d’advanced oxidation protein products (ou AOPP), parmi lesquels la méthionine sulfoxyde, la dityrosine et la 3-nitrotyrosine [4].

Pour des informations complémentaires sur les RLO et le stress oxydant, on pourra se référer à la Synthèse parue en 2011 dans médecine/sciences [2] (→).

(→) Voir la Synthèse de C. Migdal et M. Serres, m/s n° 4, avril 2011, page 405

La carbonylation correspond à la fixation de dérivés carbonylés⁵ (reactive carbonyl compounds ou RCC) sur les protéines. La formation des RCC dépend en grande partie de mécanismes oxydatifs, dont le plus connu est la peroxydation lipidique. En effet, l’oxydation d’acides gras polyinsaturés conduit à la formation d’aldéhydes réactifs comme le dialdéhyde malonique (MDA) et des aldéhydes α,β-insaturés dont le 4-hydroxy-2-nonénal, le 4-oxo-2-nonénal et l’acroléine [5].

Les RCC peuvent se fixer directement sur les chaînes latérales des acides aminés (surtout des résidus de lysine, cystéine et histidine) via la formation d’une base de Schiff^6, ou suite à une addition de Michael⁷ [6]. Comme la plupart des RCC dérivent de la peroxydation lipidique, les produits terminaux issus de la réaction de carbonylation sont fréquemment appelés advanced lipoxidation end-products (ALE). Les ALE les plus couramment décrits sont la 4-hydroxy-2-nonénal-lysine, la malondialdéhyde-lysine, la N^ε-carboxyéthyl-lysine et des composés plus complexes comme des liaisons croisées de type pyrrole^8, [6].

La glycation est, avec l’oxydation, une des MPTNE les plus étudiées à ce jour. Cette réaction, qui est également appelée réaction de Maillard dans le monde de l’agroalimentaire, consiste en la fixation d’oses simples ou de leurs dérivés (par exemple phosphorylés) sur les groupements aminés des protéines [7]. L’étape initiale, souvent réversible, conduit à la formation d’une base de Schiff instable, qui subit par la suite un réarrangement moléculaire, dit d’Amadori, pour former une liaison cétoamine⁹ stable. Les produits d’Amadori les plus connus et utilisés en médecine pour le suivi de l’équilibre glycémique chez les patients diabétiques sont l’HbA_1c (forme prépondérante de l’hémoglobine glyquée) et les fructosamines [8].

Dans des phases plus tardives, les produits d’Amadori subissent des modifications supplémentaires de type clivage ou cyclisation, qui génèrent un groupe de composés hétérogènes appelés advanced glycation end-products (ou AGE). Comme ces étapes tardives incluent de nombreux phénomènes oxydatifs, ce processus est souvent dénommé « glycoxydation » [9]. De nombreux AGE ont été identifiés dont la pentosidine ou la N^ε-carboxyméthyl-lysine.

D’autres AGE peuvent être également formés de façon indépendante par fixation de RCC, comme le glyoxal ou le méthylglyoxal, produits lors de la dégradation d’oses ou des métabolites associés (par exemple : le glycéraldéhyde-3-phosphate et la dihydroxyacétone-phosphate) [10]. Les RCC interagissent directement avec les résidus d’arginine pour former des AGE de type hydroimidazolone comme le glyoxal-hydroimidazolone-1, le méthylglyoxal-hydroimidazolone-1 ou l’argpyrimidine [11]. Même si le terme AGE est moins adapté dans ce cas car il s’agit plutôt de produits de carbonylation, ces composés sont néanmoins décrits comme AGE dans la littérature.

La carbamylation se caractérise par l’addition non enzymatique d’un groupement « carbamoyl » (CONH₂) sur les groupements fonctionnels des acides aminés libres, des peptides et des protéines. La formation du groupement carbamoyl résulte majoritairement de l’interaction entre l’acide isocyanique, forme réactive du cyanate, et les groupements aminés des protéines. Cette réaction peut se produire sur les groupements α-NH₂ des acides aminés libres ou en position N-terminale des peptides et des protéines, mais également sur les groupements ε-NH₂ des chaînes latérales des résidus de lysine, générant alors un produit de carbamylation (carbamylation derived-product, ou CDP) caractéristique, l’homocitrulline (HCit) [12]. L’acide isocyanique peut aussi interagir avec d’autres groupements, comme les groupements thiols ou phénols, mais de façon réversible [13].

Dans l’organisme, la source principale d’acide isocyanique est l’urée, qui se dissocie spontanément en milieux aqueux en cyanate et ammoniaque, selon un équilibre défavorable à cette dissociation (moins de 1 % de cyanate formé à l’équilibre). Cependant, le cyanate est produit de manière continue car, dès sa formation, il est transformé en acide isocyanique, qui réagit immédiatement avec les groupements aminés voisins. Une seconde voie de formation de l’acide isocyanique, probablement moins importante, est la transformation enzymatique du thiocyanate par la myéloperoxidase en présence de peroxyde d’hydrogène [14]. Le thiocyanate est apporté notamment par l’alimentation, et sa concentration sérique peut être augmentée chez les fumeurs. La myéloperoxidase étant très active dans les cellules inflammatoires, cette réaction se produirait préférentiellement au sein des plaques d’athérome [15]. Enfin, la possibilité d’un apport exogène d’acide isocyanique provenant de la combustion de biomasse a été décrite, mais cette source paraît mineure [16].

La modification des chaînes latérales des acides aminés est à l’origine de changements de charge et d’un encombrement stérique plus important, qui se répercutent sur la structure tridimensionnelle des protéines. Par exemple, l’analyse par dichroïsme circulaire¹⁰ de l’albumine glyquée a permis de mettre en évidence des changements conformationnels significatifs [17, 18].

Ces altérations structurales ont souvent pour conséquence de modifier la solubilité des protéines et d’entraîner leur agrégation, ce qui peut contribuer au développement de certaines pathologies [19]. Ainsi, la fixation de cholestérol oxydé (formant un dérivé carbonylé) sur le peptide β-amyloïde augmente son agrégation et donc sa neurotoxicité, contribuant ainsi au développement de la maladie d’Alzheimer [20].

Lorsque les protéines jouent un rôle important dans l’architecture tissulaire, comme les protéines de la matrice extracellulaire, leur vieillissement moléculaire est responsable d’une perte progressive des propriétés mécaniques des tissus concernés. Ainsi, le collagène devient beaucoup plus rigide sous l’effet de la glycation [21] qui réduit également les propriétés élastiques de l’élastine [22].

Enfin, les protéines modifiées peuvent constituer des néoantigènes à l’origine de réactions auto-immunes. La carbamylation des protéines du cartilage est responsable de la production d’auto-anticorps dirigés contre l’homocitrulline qui sont retrouvés dans le sérum de patients atteints de polyarthrite rhumatoïde [23].

Étant donné la relation étroite entre structure et fonction, les altérations structurales engendrées affectent quasi systématiquement les fonctions des protéines modifiées. Ainsi, de très nombreux facteurs de croissance, peptides ou hormones perdent leur activité après glycation ou carbamylation. Par exemple, l’insuline glyquée présente une action hypoglycémiante inférieure de 20 % à celle de l’insuline non modifiée [24].

De même, les activités enzymatiques des protéines sont en règle générale affectées par ces modifications. Par exemple, la diminution de l’activité glutamate déshydrogénase mitochondriale observée chez des rats âgés par rapport à des rats jeunes peut être expliquée par la carbonylation de l’enzyme par le méthylglyoxal [25].

Les changements structuraux des protéines modifiées peuvent altérer leur reconnaissance et donc leur catabolisme par les enzymes dont elles sont les substrats spécifiques. Ainsi, le collagène glyqué, qui présente de nombreux pontages formés par les AGE, présente une plus grande résistance à la pepsine [26]. De la même manière, notre équipe a montré que les modifications structurales de la triple hélice¹¹ induites par la carbamylation perturbaient l’accessibilité et l’affinité des métalloprotéinases matricielles pour le collagène, le rendant plus résistant aux collagénases et plus sensibles aux gélatinases [27].

Parallèlement aux interactions enzyme/substrat, d’autres modes d’interactions protéiques peuvent être impactés. Pour les protéines intracellulaires, il a été montré in vitro que la polymérisation de l’actine ainsi que la formation des microtubules étaient perturbées par la carbamylation [28, 29]. Pour les protéines matricielles, l’analyse du collagène de type I glyqué par microscopie électronique, ou à génération de seconde harmonique, a montré un épaississement et un diamètre irrégulier des fibres, conduisant à une désorganisation du réseau fibrillaire [30]. La glycation est également responsable d’une diminution des interactions entre collagène et protéoglycanes, qui perturbe l’adhérence et la migration cellulaires [31].

Les protéines modifiées peuvent afficher un comportement différent vis-à-vis de leurs récepteurs spécifiques. C’est le cas par exemple des lipoprotéines de basse densité (LDL) qui, lorsqu’elles sont oxydées et/ou carbamylées, présentent une affinité diminuée pour le récepteur des LDL mais augmentée pour les récepteurs de la famille des scavengers (éboueurs) des macrophages, ce qui constitue une des étapes initiales du processus athéromateux [14, 32].

Des interactions de ces protéines modifiées avec de nouveaux récepteurs peuvent conduire à l’activation de voies de signalisation spécifiques responsables d’effets délétères au niveau cellulaire et tissulaire. L’exemple le plus typique est le récepteur RAGE (receptor for advanced glycation end-products), récepteur multi-ligands capable de fixer les AGE et de déclencher un stress oxydant intracellulaire et l’expression de gènes codant des protéines impliquées dans la réaction inflammatoire [33]. De nombreuses études ont mis en évidence le rôle de l’interaction AGE-RAGE en physiopathologie comme responsable de dysfonctionnements cellulaires et tissulaires. Par exemple, l’activation de RAGE par les AGE peut conduire à la différenciation des cellules épithéliales des tubules rénaux en myofibroblastes, entraînant une fibrose tubulo-interstitielle [34]. Un mécanisme similaire a été observé pour les cellules musculaires lisses vasculaires, qui peuvent se différencier en ostéoblastes sous l’action des AGE [35].