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

2. The Unified Concept of Oxidative Stress?

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

4. 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.

5. 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

6. 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.

7. Free Radical Defense System

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

9. Obesity-induced oxidative stress

10. Fatty Acids -Induced Oxidant Stress
J Clin Endocrinol Metab 81: , 1996

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

12. 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

13. 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

14. 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

15. 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

16. 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

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

18. Hyperglycemia / Oxidative Stress / Diabetic Complications
Nature 404, (2000)

19. Conclusion
Oxidative
Stress
Oxidative
Stress

20. Merci