Toxicité Mitochondriale – Inhibiteurs de la chaine de transport d'électrons

Il existe deux moyens par lesquels les produits chimiques peuvent interférer avec la bioénergétique mitochondriale: soit en interférant avec la production de potentiel de protons ou en provoquant sa dissipation.

L’ intoxication aiguë par les inhibiteurs de complexes de transport d’électrons provoquent des symptômes tels que la faiblesse musculaire, fatigabilité, hypotension, maux de tête, du visage, bouffées de chaleur, nausées, confusion, et l’aggravation de l’angine de poitrine infarctus latent. Cette incapacité à utiliser l’ oxygène se traduit par une hypoxie cytotoxique dans laquelle le toxique provoque une acidose métabolique et une hyperpnée, malgré la pA normale de l’oxygène et l’absence d’une cyanose. Les Inhibiteurs des substrats réducteurs de la chaîne respiratoire, tels que les fluoroacétates et acétamides, provoquent remarquablement un syndrome métabolique similaire difficile à distinguer des inhibiteurs de la chaîne de transport des électrons.

Inhibiteurs de la chaîne respiratoire

Inhibiteurs du complexe I

Les détails du mécanisme de transfert d’électrons à travers les composants du complexe I, la stoechiométrie exacte du pompage de protons, son mécanisme ne sont pas claires. cependant, des progrès significatifs ont été réalisés et plusieurs excellents commentaires récents sont disponibles (3-5). Cette enzyme est le plus vulnérable des complexes de la chaîne respiratoire aux dysfonctionnements induit par des substances toxiques. Plus de 60 types de substances d’origine naturelle et synthétiques sont connus pour inhiber l’activité du complexe I mitochondrial. Les caractéristiques des divers inhibiteurs de ce complexe, les mécanismes d’inhibition,
et les relations structure-activité pour les principales classes d’inhibiteurs du complexe I sont tous bien élucidés.

Les inhibiteurs du complexe I comprennent les pesticides; neuroleptiques et  les neurotoxines naturelles; les antihistaminique, antiangoreux et les substances antiseptiques; rodenticides; les polluants phénoliques; les colorants fluorescents ; antibiotiques. Le grand nombre et la diversité structurelle des inhibiteurs du complexe I sont en excellente concordance avec la sommation de Degli Esposti ^[1]Degli Esposti M. 1998. Inhibitors of NADH-ubiquinone reductase: an overview. … Continue reading qui a noté :  » … les puissants inhibiteurs du complexe I ont une similitude avec ubiquinone, avec une «tête» cyclique. . . et un matériau hydrophobe formant une structure en ‘queue’. »

Tous les inhibiteurs peuvent être classés dans l’une des trois catégories basées sur leur spécificité envers complexe I. Le premier groupe comprend les composés qui inhibent au niveau de l’interaction du NADH flavine, tels que la rhéine. De tels composés ne sont pas spécifique au complexe I, car ils affectent également une variété d’autres déshydrogénases. La deuxième catégorie est représentée par des antagonistes quinole, qui sontinhibiteurs à la fois des complexes I et BC1. Des exemples de ce groupe comprennent le myxothiazol et la quinolone produits par Pseudomonas aeruginosa et Stigmatella aurantiaca. Ces composés interfèrent avec la liaison quinol, certains sont deux fois plus puissants que la roténone dans l’inhibition des NADH Déshydrogénases mitochondriales des mammifères ^[2]Degli Esposti M. 1998. Inhibitors of NADH-ubiquinone reductase: an overview. … Continue reading. Le troisième groupe est constitué d’inhibiteurs des composés qui semblent être des inhibiteurs spécifiques et puissants de complexe I, agissant à des concentrations suffisamment faibles pour n’avoir aucun effet sur d’autres complexes de la chaîne respiratoire. Parmi les substances appartenant à ce groupe : la roténone : un inhibiteur classique, qui est appartient à la famille des rotenoides, des isoflavonoïdes d’origine naturelle produites par des plantes légumineuses. Dans les mitochondries isolées à partir des cellules du cœur ou du foie du bœuf, la concentration inhibitrice 50 (IC50) pour la roténone est de 0,07 nmol / mg de protéine avec un Ki de 4 nM. L’inhibiteur le plus puissant et le plus spécifique est la rolliniastatine-1, qui appartient à la famille des acétogines produite par les plantes Annonaceae. Pour le complexe I, elle a une IC50 de 0,03 nmol / mg de protéine avec un Ki de 0,3 nM.

Bien que complexe I soit présent dans tous les organismes eucaryotes qui possèdent des mitochondries et dans de nombreuses bactéries, la structure de cette enzyme et sa sensibilité envers les inhibiteurs est très variable dans les différentes espèces. D’une manière générale, chez les insectes et les poissons les mitochondries sont plus sensibles à l’inhibition du complexe I alors que les mitochondries de champignons et des plantes sont résistantes. Chez les mammifères, les mitochondries des cellules nerveuses ont tendance à être plus sensibles aux inhibiteurs du complexe I.

Malgré plus de 50 années d’études du complexe I, aucun inhibiteur n’est connu pour être responsable du blocage du flux d’électrons à l’intérieur de l’enzyme. Les inhibiteurs hydrophobes comme la roténone ou piericidine plus susceptibles de perturber le transfert d’électrons entre le  FeS , N2 et l’ubiquinone. Il a été démontré que l’ inhibition systémique à long terme du complexe I par la roténone peut induire une dégénérescence sélective des neurones dopaminergiques ^[3]Watabe M, Nakaki T (July 2008). « Mitochondrial complex I inhibitor rotenone … Continue reading.

Le Complexe I est également bloqué par le ribose adénosine diphosphate- c’est un inhibiteur compétitif réversible de l’oxydation du NADH – en se liant à l’enzyme au niveau du site de liaison nucléotidique. ^[4]Zharova TV, Vinogradov AD (July 1997). « A competitive inhibition of the … Continue reading  Les deux NADH hydrophiles et ubiquinone hydrophobes analogues agissent au début et à la fin de la voie de transport interne d’électron.

Le médicament antidiabétique Metformine induit une inhibition légère et transitoire du complexe I de la chaîne respiratoire mitochondriale, cette inhibition semble jouer un rôle clé dans son mécanisme d’action. ^[5]Viollet B, Guigas B, Sanz Garcia N, Leclerc J, Foretz M, Andreelli F (March … Continue reading

L’Inhibition du complexe I a été impliquée dans l’hépatotoxicité associée à une variété de médicaments, par exemple le flutamide et la néfazodone . ^[6]Nadanaciva, Sashi; Will, Yvonne (2011). « New Insights in Drug-Induced … Continue reading

Inhibiteurs du Complexe II

Il existe deux classes distinctes d’inhibiteurs du complexe II: ceux qui se lient au site de liaison situé dans le succinate et ceux qui se lient au site de liaison situé dans l’ubiquinone. Les inhibiteurs de type ubiquinone comprennent carboxine et thénoyl-trifluoroacétone. Les inhibiteurs analogue du succinate comprennent un composé synthétique malonate ainsi que les intermédiaires du cycle TCA, le malate et l’oxaloacétate . En effet, l’oxaloacétate est l’un des plus puissants inhibiteurs du complexe II.

Pourquoi un cycle de TCA intermédiaire commun inhiberait le complexe II n’est pas entièrement compris, bien qu’il puisse exercer un rôle protecteur pour réduire au minimum le transfert inverse électrons médié par la production du superoxyde par le Complexe I. ^[7]Muller FL, Liu Y, Abdul-Ghani MA, Lustgarten MS, Bhattacharya A, Jang YC, Van … Continue reading

Les inhibiteurs de type ubiquinone ont été utilisés comme fongicides agricoles depuis les années 1960. La carboxine a été principalement utilisée pour lutter contre les maladies causées par des basidiomycètes telles que les souches de rouilles et les maladies causées par la Rhizoctonia. Plus récemment, d’autres composés ayant un spectre plus large contre une gamme d’agents pathogènes des plantes ont été développés notamment boscalide , penthiopyrade et le fluopyram. ^[8]Avenot HF, Michailides TJ (2010). « Progress in understanding molecular … Continue reading Certains champignons importants pour l’agriculture ne sont pas sensibles envers les molécules de la nouvelle génération d’inhibiteurs de type ubiquinone ^[9]Dubos T, Pasquali M, Pogoda F, Casanova A, Hoffmann L, Beyer M (January 2013). … Continue reading.

Inhibiteurs du Complexe III

Le complexe III est le deuxième complexe de la chaîne de transport d’électrons mitochondriale. le mécanisme de pompage de protons n’est pas claire, mais la séquence de réaction globale au niveau de ce segment de la chaîne respiratoire est bien comprise ^[10]Iwata S, Lee JW, Okada K, LeeJK,Iwata M, et al. 1998. Complete structure of … Continue reading ^[11]Trumpower BL. 1990. The protonmotive Q cycle. Energy transduction by coupling … Continue reading. La configuration structurale minimale suffisante du complexe BC1 consiste à seulement structure de trois sous-unités comme dans les bactéries Paracoccus denitrificans, cependant, il y a une grande variabilité dans la structure du complexe III dans les mitochondries de différentes espèces. La sensibilité des diverses espèces à un inhibiteur particulier du complexe bc1 varie également considérablement ^[12]Kraiczy P, Haase U, Gencic S, Flindt S, Anke T, et al. 1996. The molecular … Continue reading, ce qui permet une application pratique relativement sûre de certains de ces composés comme fongicides et comme antipaludéens, anti-protozoaire, et des médicaments anticancéreux. ^[13]Wiggins TE, Jager BJ. 1994. Mode of action of the new methoxyacrylate … Continue reading. Les principaux inhibiteurs du complexe bc1 ont été examinés par von Jagow & Link ^[14]von Jagow G, Link TA. 1986. Use of specific inhibitors on the … Continue reading, qui les a classés en quatre groupes selon le site d’action et la partie responsable du transfert d’électrons au sein du complexe bc1 qui est bloqué par un inhibiteur particulier. Le groupe I comprend des composés d’origine naturelle, tels que myxothiazol, strobilurines et oudemansines. Ces antagonistes de quinol contiennent un groupe bêta-methoxyacrylate qui ressemble à une partie de la structure de l’ubiquinone. Par conséquent, ils bloquent l’oxydation de l’ubiquinol au centre Qo. Le Myxothiazol, qui est produit
par la myxobactérie Myxococcus fulvus, est l’inhibiteur le plus puissant dans la mesure où il forme la liaison la plus étroite avec le complexe III. Les mitochondries des cellules cardiaques du boeuf, 0,58 molécule de Myxothiazol par
complexe BC1 responsable de 50% d’inhibition de la respiration ^[15]Thierbach G, Reichenbach H. 1981. Myxothiazol, a new inhibitor of the … Continue reading.

Les inhibiteurs du groupe II ressemblent également à l’ubiquinone dans la mesure où ils contiennent un fragment 6-hydroxyquinone comme élément structurel commun. Ils bloquent le transfert d’électrons entre le centre Fe2S2 et cytochrome c1 des Rieskes, inhibant ainsi la réduction du cytochrome bL. Ce groupe comprend un decylhydroxydioxobenzothiazole (UHDBT) un decylhydroxynaphtoquinone (UHNQ) et des composés similaires. ^[16]von Jagow G, Link TA. 1986. Use of specific inhibitors on the … Continue reading. Le groupe III comprend des inhibiteurs agissant au centre Qi. Les antibiotiques antimycine A, funiculosine et les quinolones tels que le N-oxyde heptylhydroxyquinoline (HHQNO) inhibent le transfert d’électrons de hème bH à une quinone ou à une molécule semiquinone liée au centre Qi. L’acide 2,4-dichlorophénoxyacétique herbicide (2,4-D) peut aussi appartenir à cette classe d’inhibiteurs de complexe III. L’inhibiteur le plus fréquemment utilisé de ce groupe est l’antimycine, qui est produite par diverses espèces  Streptomyces et a la plus forte affinité pour le complexe bc1 parmi tous les autres inhibiteurs (Kd =   3.2 X 10e-11 M). Les facteurs structurels nécessaires à l’inhibition ont été étudiés avec des analogues synthétiques d’antimycine ^[17]Miyoshi H, Tokutake N, Imaeda Y, Akagi T, Iwamura H. 1995. A model … Continue reading. Les mitochondries ne sont pas les seules cibles de l’antimycine dans lacellule, l’antimycine inhibe également la bêta-oxydation des perosxysomes en inhibant l’acyl-coenzyme A oxydase ^[18]Vamecq J, Schepers L, Parmentier G, Mannaerts GP. 1987. Inhibition of … Continue reading et interfère avec le transport des hormones thyroïdiennes au niveau le noyau cellulaire. ^[19]Valdivielso L, Bernal J. 1987. Inhibition of nuclear binding of … Continue reading. Toutefois, tous ces effets nécessitent des concentrations beaucoup plus élevées d’antimycine que nécessaire pour inhiber complètement la respiration mitochondriale.

Dans les mitochondries, l’inhibition de la chaîne respiratoire par les inhibiteurs du groupe III n’est pas le seul effet nocif. La génération de superoxyde et de peroxyde d’hydrogène (Espèces réactives de l’oxygène) contribue à la fois à la toxicité cellulaire et tissulaire de l’antimycine, funiculoside et l’HHQNO. Le mécanisme de production des espèces réactives d’oxygène consiste à la réduction à un électron d’oxygène par une semiquinone, qui est normalement formée au centre Qo, mais qui est rapidement oxydé par bL: bH (voir ci-dessus). En présence d’inhibiteurs du groupe III, le transfert d’électrons bH de centre Qi est bloqué, ce qui augmente la probabilité de la réduction à un électron de l’oxygène moléculaire par l’ubisemiquinone au centre Qo. Deux autres classes d’inhibiteurs du complexe III d’importance toxicologique à considérer, à savoir les phénols substitués, y compris ceux ayant une capacité de découplage, et les cations métalliques. De nombreux découpleurs phénoliques inhibent partiellement le complexe
III. Ceci peut être facilement observé dans des expériences avec des mitochondries isolées; une courbe de la dépendance de la fréquence respiratoire sur la concentration du découpleur est généralement en forme de cloche
à la fois avec des substrats NADH-dépendants et le succinate (dans le premier cas en raison de l’inhibition des deux complexes I et III). Les relations structure-activité d’inhibition du complexe bc1 par les découpleurs phénoliques et par une série de nitrophénols substitués ont été étudiées; cependant, pas de simples conclusions n’ont été faites.

Des ions de zinc sont également connus pour inhiber le transport d’électrons mitochondrial au niveau du complexe III. Zn²⁺ (5 µM; Ki = 10^-7 à pH 7,0) induit pratiquement une inhibtion complète de l’activité du complexe bc1 isolé de mitochondries du cœur du bœuf; des ions de zinc se lient de manière réversible et avec une grande affinité à un seul site qui selon Link et Von
Jagow  fait partie du canal à protons au centre Qo. Des mitochondries isolée, 2 µM de Zn²⁺ inhibe l’activité de succinate:O2 de 40%, alors que plus de 400 µM est nécessaire pour obtenir 90% d’inhibition. Parmi 20 autres cations métalliques bivalents et trivalents testés, Hg²⁺, Ag⁺, Cu²⁺ et Cd²⁺ ont tous été montrés inhibiteur du complexe III, mais avec une efficacité moindre. Les inhibiteurs du centre Qi tels que l’antimycine, funiculosine et HQNO (N-oxyde hydroxyquinoline)
sont spécifiques du complexe bc1, alors que à l’état naturel les inhibiteurs du centre Qo, qui possèdent la structure ubiquinone-like, sont moins spécifiques et inhibent aussi le complexe I. Il convient de noter, cependant, que les concentrations auxquelles les inhibiteurs du centre Qo affectent l’activité complexe I sont sensiblement supérieure à celles qui sont nécessaires pour bloquer complètement le complexe bc1 ^[20]Degli Esposti M, Ghelli A, Crimi M, Estornell E, Fato R, Lenaz G. … Continue reading.

Inhibiteurs du complexe IV

C’est une hème/cuivre oxydase terminale qui utilise le cytochrome c comme donneur d’électrons. Selon la classification de Nicholls & Chance ^[21]Nicholls P, Chance B. 1974. Cytochrome c oxidase. In Molecular Mechanisms … Continue reading, les inhibiteurs de la COX sont classés en quatre catégories: (a) Les inhibiteurs  à liaison héménique non compétitifs à la fois avec l’O2 et le cytochrome c (par exemple azoture,
cyanure et sulfure), (b) des inhibiteurs compétitifs de l’oxygène, tel que le monoxyde de carbone (CO) et le monoxyde d’azote (NO), (c) des inhibiteurs compétitifs avec le cytochrome c
(polycations); et (d) les inhibiteurs non compétitifs n’affectant pas les groupes hème, tels que les ions de phosphate et le pH alcalin.

Les inhibiteurs héméniques non compétitifs

Le Cyanide et l’azoture sont les plus anciennes des inhibiteurs les plus fréquemment utilisés comme inhibiteurs de COX connus. Les molécules agissent sur l’hème a3 de façon non compétitive au niveau de l’oxygène ^[22]Nicholls P, Chance B. 1974. Cytochrome c oxidase. In Molecular Mechanisms … Continue reading. Le cyanure n’est pas sélectif et n’est pas spécifique de la COX. Il peut inhiber d’autres enzymes contenant de l’hème (par exemple les peroxydases, cytochrome c) avec la même voire plus grande affinité. L’inhibition de la respiration mitochondriale par l’azoture est plus sensible à l’état 3 de la respiration (IC50 ~ 60 µM) que l’état 4 (≥ 300 µM), et l’inhibition à l’état 3 peut être levée par divers découpleurs protonophoriques. Ces caractéristiques peuvent être expliquées par l’inhibition bien connue de l’azoture sur l’ATP synthase et le découplage de la phosphorylation oxydative. Le sulfure d’hydrogène (H2S) toxique est un composé d’origine naturelle. L’inhalation de concentrations élevées (50-400 ppm) de H2S gazeux inhibe l’activité de la COX dans les mitochondries des poumons des rats à la fois in vivo et in vitro ^[23]Khan AA, Schuler MM, Prior MG, Yong S, Coppock RW, et al. 1990. Effects … Continue reading. L’activité cérébrale de la cytochrome c oxydase a été signalée pour être particulièrement sensible à l’inhibition (IC50 pour H2S = 0,13 µM) ^[24]Nicholson RA, Roth SH, Zhang A, Zheng J, Brookes J, et al. 1998. Inhibition of … Continue reading. Comme le cyanure, le sulfure n’est pas un inhibiteur spécifique de la COX; il inhibe d’autres hémoprotéines ainsi (Par exemple la superoxyde dismutase, la glutathion peroxydase, la glutathion réductase, et la catalase).

l’acide formique (HCOOH) est un produit naturel du métabolisme du méthanol, des éthers de méthyle, des esters et des amides. Sa toxicité est due principalement à l’inhibition de la la respiration mitochondriale entraînant une hypoxie histotoxiques ^[25]Liesivuori J, Savolainen H. 1991. Methanol and formic acid toxicity: … Continue reading. Le Formate inhibe la COX avec une valeur de Ki qui est en fonction du degré de réduction de l’oxydase et variant de 30 µM (100% de réduction) à 1 µM (100% d’oxydation) à pH 7,4. L’affinité apparente augmente avec l’acidité. L’acide formique (HCOOH) se lie au fer ferrique hémique du cytochrome a3, empêchant ainsi sa réduction par le cytochrome c. Dans les mitochondries isolées, les formates
inhibent également la succinate – cytochrome c réductase par une réaction compétitive avec le succinate.

L’Hydroxylamine (NH2OH), est un produit naturel du métabolisme cellulaire, il possède plusieurs effets toxiques . À des concentrations de l’ordre du millimolaire, l’hydroxylamine inhibe la respiration mitochondriale par un mécanisme azoture-like, la phase 3 de la respiration en est particulièrement sensible. l’Hydroxylamine peut former des complexes avec le cuivre et le fer, et il peut également générer NO, un inhibiteur puissant de la COX.

Inhibiteurs compétitifs de l’oxygène

L’inhibition de la chaine de transport d’électron vers l’oxygène par le CO ou NO est compétitive. La liaison du CO à la cytochrome oxydase est réversible; la dissociation du complexe est fortement stimulée par la lumière. Il existe plusieurs études indiquant l’inhibition de la COX par le CO in vivo ^[26]Miro O, Casademont J, Barrientos A, Urbano-Marquez A, Cardellach F. … Continue reading ^[27]Brown SD, Piantadosi CA. 1990. In vivo binding of carbon monoxide to cytochrome … Continue reading. L’inhibition induite par CO de la COX peut aussi être un mécanisme de toxicité de certains xénobiotiques, tels que le dichlorométhane (chlorure de méthylène), qui libère du CO en tant que produit de son métabolisme par le cytochrome P450 2E1 ^[28]Lehnebach A, Kuhn C, Pankow D. 1995. Dichloromethane as an inhibitor of … Continue reading. Le NO est un métabolite naturel qui exerce un certain nombre d’activités d’importance biologique. Le NO se lie de façon réversible à la COX. Cependant, l’inhibition de la respiration mitochondriale par le NO n’a été démontrée que récemment (voir 51 et références qui y sont). Cette inhibition montre une compétition avec l’oxygène, le Ki étant inférieure à de faibles concentrations d’oxygène. Bien que le mécanisme excte d’inhibition ne soit pas clair, il implique probablement la réaction de NO avec CuB oxydé du centre binucléaire de la COX, ce qui conduit à la réduction de ce métal, et la formation de nitrite.

Inhibiteurs compétitifs du Cytochrome c

Les polycations représentent un type de différent inhibition de l’activité de la COX qui ne comporte pas de liaison directe à l’hème. La polylysine à haut poids moléculaire, les histones, les protéines lysosomiques cationiques, la protamine, et d’autres polycations à haut poids moléculaire, synthétiques et naturels sont connus pour inhiber la respiration mitochondriale ainsi que l’activité de la COX isolée. L’inhibition est compétitive envers le cytochrome c. Ces composés se lient aux sites anioniques des membranes mitochondriales et la COX avec une haute affinité, et sont responsables ainsi de la diminution de la mobilité des cytochromes et / ou l’altération de l’orientation correcte du cytochrome c vers ses sites de réduction et d’oxydation. Un type d’inhibition polycationique a également été suggéré pour expliquer l’effet inhibiteur du complexe adriamycine-Fe³⁺ , où la COX a été inhibée de façon compétitive par le
complexe avec un Ki de 12 µM, alors que l’adriamycine libre était sans effet ^[29]Hasinoff BB, Davey JP. 1988. The iron(III)-adriamycin complex … Continue reading.

Autres inhibiteurs

Les anesthésiques locaux tels que la dibucaïne, la lidocaïne, la tétracaïne sont largement utilisés dans la pratique clinique. In vitro, ces composés inhibent la respiration mitochondriale au niveau de la chaine de transfert d’électrons. En raison de la corrélation entre leur hydrophobie et leur activité d’inhibition, il a été constaté que cette activité reflète l’interaction non spécifique des anesthésiques avec le compartiment lipidique dans lequel la COX est
noyée. D’autres ont montré que la dibucaïne inhibe l’activité oxydase en interagissant avec le cytochrome a et son cuivre associé. Cependant, l’inhibition significative est observée uniquement à des concentrations de l’ordre du millimolaire de la substance anesthésique. Les chélateurs métalliques hydrophobes inhibent l’activité de la COX, très probablement par la chélation d’un atome de cuivre du centre binucléaire. L’inhibition se produit à des concentrations relativement faibles; la bathocuproïne à 14 µM inhibe l’activité de l’oxydase à 75% à la fois dans les mitochondries et dans l’enzyme solubilisée.

Psychosine (galactosylsphingosine), un lipide cytotoxique qui est accumulée dans les cellules du cerveau de certains animaux et des humains atteints de la maladie de Krabbe, est un inhibiteur puissant du complexe IV. In vitro, il produit 50% d’inhibition à des concentrations de 0,1 µg / mg de mitochondries ^[30]Igisu H, Nakamura M. 1986. Inhibition of cytochrome c oxidase by … Continue reading. Le 4-hydroxynonénal, un produit majeur de la peroxydation lipidique, qui peut inhiber l’activité de la COX. Ceci établit un lien direct potentiel entre le stress oxydatif et l’inhibition de la respiration, ce qui peut représenter le principal mécanisme et les dommages induits par le stress oxydatif.