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Une grande variété de composés indispensables à nos activités quotidiennes sont réputés comme substances découplantes de la phosphorylation oxydative mitochondriale. Les plus abondants sont composés utilisés comme médicaments ou comme pesticides. L’activité de découplage est considéré comme une caractéristique commune des agents anti-inflammatoires qui possèdent un groupe ionisable [1]Petrescu I, Tarba C. 1997. Uncoupling effects of diclofenac and aspirin in ...continue; Les médicaments anti-inflammatoires non stéroïdiens (diclofénac, l’aspirine, le nimésulide, le méloxicam, piroxicam et indométacine) exercent un effet découplant dans les mitochondries isolées et dans le foie de rat perfusé à des concentrations qui correspondent à des doses pharmacologiques utilisées dans les traitements antipyrétiques et anti-inflammatoires [2]Moreno-Sanchez R, Bravo C, VasquezC, Ayala G, ...continue.

Les médicaments antipsychotiques et antidépresseurs [3] Burbenskaya NM, Nartsissov YR, Tsofina LM, Komissarova IA. 1998. ...continue [4]Souza ME, Polizello AC, Uyemura SA, Castro-Silva O, Curti C. 1994. Effect ...continue, certains des médicaments antitumoraux [5]Schwaller MA, Allard B, Lescot E, Moreau F. 1995. Protonophoric activity of ...continue, un certain nombre de plastifiants, des médicaments hypolipidémiants et autres substances à effet proliférateur sur les peroxysomes [6]Keller BJ, Marsman DS, Popp JA, Thurman RG. 1992. Several nongenotoxic ...continue, les antimycosiques, les médicaments utilisés pour traiter la trypanosomiase et la leishmaniose [7]Moreno SN. 1996. Pentamidine is an uncoupler of oxidative phosphorylation in ...continue, de nombreux anthelmintiques [8]McCracken RO, Carr AW, Stillwell WH, Lipkowitz KB, Boisvenue R, et al. ...continue, les médicaments antispermatogène, des agents qui sont impliqués dans l’apparition du syndrome de Reye et divers herbicides et insecticides [9] Olorunsogo OO, Malomo SO, Bababunmi EA. 1985. Protonophoric properties of ...continuesont tous rapportés à effet découplant sur des mitochondries isolées.

Le terme découpleur désigne une substance qui altère et/ou inhibe le mécanise de la phosphorylation oxydative, ou ses composés ce qui a un impact direct sur la production d’ATP mitochondrial. Le découplants sont des composés qui diminuent l’efficacité de la production d’ATP. Malheureusement, une telle définition brouille implicitement le concept fondamental selon lequel que toutes les autres fonctions métaboliques connues dépendantes de l’énergie des mitochondries soient également touchées par tous les découpleurs connus de la phosphorylation oxydative.

On entend par le terme découplage tout processus qui a pour finalité de dissiper l’énergie de façon compétitive avec l’énergie mitochondriale produite dans la routine, induisant ainsi un gaspillage énergétique inutile. Ceci explique la fièvre qui est caractéristique de l’intoxication causée par les découpleurs de la phosphorylation oxydative mitochondriale. Sous cette définition, toute implication des xénobiotiques dans toute fonction mitochondriale consommatrice d’énergie (telle que le transport d’ions, métabolites, ou de protéines à travers la membrane intérne) serait également considérée comme découplage de la phosphorylation oxydative.

Les sections suivantes examinent certaines des propriétés de découpleurs représentatives de différentes classes chimiques que nous croyons être le plus important pour la domaines de la pharmacologie et de la toxicologie sur la base des caractéristiques d’abondance et d’utilisation.

Acides faibles lipophiles

La majorité des composés possédant une activité protonophorique sont des acides lipophiles faibles (Figure 2) avec un pKa situé dans entre 5-7.

De nombreuses études sur des membranes bicouches artificielles révèlent deux mécanismes majeurs de la translocation de protons. Selon le premier modèle, une molécule d’acide faible lipophile (HA) pénètre dans le noyau lipidique de la membrane, aussi bien sous forme H protonée et sous forme ionisée A1. Ce modèle décrit le mécanisme de protons de la navette découplants puissants tels que FCCP, CCCP, S-13, et SF6847. Dans les mitochondries, une molécule à effet découplant non dissociées se dissout dans les lipides de la membrane mitochondriale interne, traverse, et libère le proton dans la matrice mitochondriale (M), qui est légèrement plus alcaline que le milieu extérieur. Cette décharge le Delta-PH; à son tour, ionise les molécules chargées négativement qui se diffuse à travers la membrane, le long du gradient du champ électrique, et les rejets le potentiel de membrane. Au niveau du côté cytoplasmique de la membrane (C), ces molécules peuvent encore se lier à un proton et achever le cycle. Le deuxième modèle de navette de protons diffère en ce que le molécule chargée d’un découpleur traverse la membrane en tant que dimère HA2- , un complexe de la forme protonée (HA) et anionique (A-) de l’acide faible. Ce mécanisme décrit la translocation de protons par découplants tels que au 2,4-dinitrophénol et benzimidazoles substitués. Les deux mécanismes entraînent le transport net de protons catalysée par le mouvement cyclique d’une molécule découplante, qui dissipe le potentiel de proton.

En général, les exigences structurelles pour l’activité de découplage comprennent la présence d’un groupe acide dissociable, des groupes lipophiles encombrants, et une fraction électrophile. Ces propriétés déterminent les caractéristiques importantes du transport de protons par  les acides faibles lipophiles qui affectent leur efficacité de découplage, comme la solubilité dans Les membranes lipidiques, la stabilité de la forme ionique dans la membrane, et la capacité de libérer et de se lier à un proton. Les découpleurs les plus représentatifs de cette classe sont : les phénols substitués, trifluoromethylbenzimidazoles, salicylanilides et carbonyle phénylhydrazones de cyanure.

2,4-dinitrophénol et autres phénols substitués :

Les Phénols substitués sont les molécules les mieux représentées et la classe des poisons mitochondriaux la plus étudiée. Certains de ces composés, tels que le 2,4-dinitrophénol (DNP) ont une histoire longue et curieuse. Le  DNP a été considéré comme un médicament miracle, un nouvel espoir dans un lutte éternelle de l’humanité contre l’obésité.

Jusqu’aux années 1930,  l’utilisation à grande échelle de DNP et des composés tels que les herbicides phénoliques
et les insecticides a soutenu l’intérêt dans ce mode de toxicité. Chez homme, le syndrome de l’intoxication par le DNP est décrit par une lassitude, malaise, maux de tête, augmentation de la transpiration, la soif et la dyspnée et qui peut évoluer vers hyperthermie, perte profonde de poids, une insuffisance respiratoire, et la mort. [10]Leftwich RB, Floro JF, Neal RA, Wood AJ. 1982. Dinitrophenol poisoning: ...continue. Chez les souris, la DL50 pour le DNP est de 141 µmole / kg (121). L’efficacité de l’action découplante des substitués phénolsiques (Exprimée en tant que la concentration induisant 50% de découplage) varie de 30-100 µM pour les découplants relativement inefficaces comme dicoumarol et DNP, à 5-10 nM
pour SF6847 [2,6-di-tert-butyl-4- (2 ‘, 2’-dicyanovinyl) phénol]. Ce dernier composé est le découplant le plus puissant connu. Le chiffre du turnover de la molécule SF6847 dans les membranes mitochondriales est proche du maximum théorique selon le mouvement brownien de la molécule découplante [11]Terada H. 1981. The interactionofhighly active uncouplers with ...continue. Des études Structure-activité sur divers phénols substitués [12]Miyoshi H, Tsujishita H, Tokutake N, Fujita T. 1990. Quantitative analysis ...continueont confirmé le mécanisme protonophorique de leur action dans les mitochondries et révélé des corrélations importantes entre l’activité de découplage et certaines propriétés physicochimiques telles que l’hydroélectricité, hydrophobie, l’acidité et la stabilité de l’intermédiaire ionisée dans la phase lipidique de la membrane.

Le découplage de la phosphorylation oxydative mitochondriale

Le découplage de la phosphorylation oxydative mitochondriale médié par A23187. le mécanisme implique la libération de cations et une fuite de pH-suivie de la recapture de la Ca2+, ce mécanisme est médié par un uniport Ca2+ électrogénique de la membrane mitochondriale interne. L’absorption de Ca2+ par l’uniport diminue la potentiel de membrane, reforçant ainsi la fuite énergétique. Un autre mécanisme spécifique des mitochondries quant au découplage de la phosphorylation oxydative médiée par A23187 est lié à la capacité de ce ionophore à lier et transporter Mg2+. Il a été rapporté que A23187 peut gravement appauvrir les mitochondries de Mg2+ endogène. En présence de concentrations physiologiques de K+, l’épuisement Mg2+ active une voie latente de K+ assurée par un uniport dans la membrane mitochondriale interne. Ceci, à son tour, induit l’absorption électrogénique des ions potassium, qui est accompagnée par la dépolarisation membranaire et la stimulation de la respiration. la protéine conférant l’activité de l’uniport des K+ n’a pas été identifiée; toutefois, la participation de l’uniport des Ca2+ a été proposée. La voie de l’uniport me+ activée par la déplétion Mg2+ dans les mitochondries peut être un mécanisme plus universel du découplage induit par l’ionophore bivalent . Un antibiotique synthétisé par les Streptomyces, l’oléficine, a été démontré pour avoir une action découplante sur les mitochondries du foie, les caractéristiques étant semblables au mécanisme du catiophore divalent A23187. Le découplage induit par A23187 a été démontré dans les régions isolées de mitochondrie et peut également se produire in situ, dans les tissus, et dans des cellules isolées. cependant, en tenant compte des concentrations élevées de Ca2+ dans les fluides biologiques et la haute activité de l’uniport Ca2+ mitochondrial, il est probable que l’exposition à A23187 spécifiquement provoque une découplage de la phosphorylation oxydative mitochondriale in situ, même sans interagir directement avec organites. Les surcharges du cytosol cellulaire avec Ca2+ stimulerait l’absorption électrogénique cationique continue dans les mitochondries, qui sera en concurrence avec d’autres processus dépendant de l’énergie et induira un gonflement osmotique et l’endommagement des organites. Divers peptides courts (en particulier d’origine fongique) sont connus pour augmenter la conductance des lipides de la bicouche membrainaire. De tels peptides sont généralement amphipathiques, composés de 15-20 acides aminés, et enrichis en acide aminoisobutyrique. Ils forment des canaux de différentes tailles dans les bicouches lipidiques membranaires, induisant ainsi une grande perméabilité aux ions et des solutés pour lesquels les membranes sont normalement imperméables. L’Alaméthicine est le peptide le plus largement étudié de cette classe; il forme des pores voltage-dépendants et exerce de nombreuses activités biologiques. Les Exigences structurelles pour l’action de découplage a été étudiée avec des dérivés synthétiques de l’alaméthicine A. Il a été démontré qu’une longueur minimale de la chaîne peptidique de 13 résidus est nécessaire pour l’activité de découplage. Les Peptides esters sont plus puissants que les formes acides correspondantes, et en général les exigences structurelle pour l’activité de découplage sont semblables à celles pour l’activité ionophorétiques des liposomes.

2-Trifluoromethylbenzimidazoles :

Les Trifluoromethylbenzimidazoles (TFBS) ont été introduits au début des années 1960 comme une nouvelle classe d’herbicides puissants et insecticides. La toxicité élevée de ces composés sur les animaux a été immédiatement mise au point, et beaucoup de dérivés synthétiques ont été mis à l’épreuve afin d’obtenir un ‘herbicide acceptablement sûr et actif’ ‘. Au niveau des mitochondries, beaucoup de ces composés agissent de façon similaire au DNP ; cependant, leur rendement est nettement plus élevé. Le découplant les plus actifs de cette classe est 4,5,6,7-tétrachloro-2-trifluorométhylbenzimidazole (TTFB), qui produit 50% découplage de la phosphorylation oxydative (mesurée par rapport à la synthèse d’ATP) à 8 x 10e-8 M dans les mitochondries hépatiques isolées (127) (contre 8 x 10-6 M pour le DNP dans les mêmes conditions expérimentales). Semblable à d’autres découplants acides, l’efficacité des dérivés TFB augmente avec l’acidité du groupe -NH- dissociable.

La toxicité d’un nombre de substitués TFBS chez la souris, et les mouches domestiques, les abeilles domestiques
a été comparée à l’efficacité du découplage dans des mitochondries isolées. La DL50 chez la souris pour certains TFBS et autres découplants, tels que le salicylanilide, le dinitrophénol, et le phénylhydrazone, a été tracée
contre leur activité découplante dans les mitochondries isolées des cellules du foie et du cerveau de souris. Une assez bonne corrélation a été obtenue; généralement, la toxicité augmente avec l’augmentation de l’efficacité du découplage. Dans la même étude, il a été également constaté qu’avec certains des dérivés TFB, les mitochondries du cerveau étaient trois à cinq fois plus sensible que les mitochondries hépatiques. Les principales manifestations de la toxicité des TFBS injectés étaient une dyspnée, salivation occasionnelle, faiblesse et la mort, ce qui est typique chez les autres découplants mitochondriaux.

Salicylanilides

Salicylanilide (dérivés du 2-hydroxy-N-phénylbenzamide) : il a été démontré que ces dérivés possèdent une activité bactériostatique, fongicide, et molluscicide; certains des membres de cette classe sont largement utilisés comme anticestodal, antitrematodal, et antihelmintique. Beaucoup de ces produits chimiques sont découplants protonophorique de la phosphorylation oxydative mitochondriale [13]Jones OT, Watson WA. 1965. Activity of 2-trifluoromethylbenzimidazoles ...continue. Le découplant le plus efficace de cette classe est le S-13, 2 ‘, – 5-dichloro-4′-nitro-3-tert-butyl-salicylanilide, qui induit un découplage complet à seulement 0,2 molécule par la cytochrome oxydase Aa3 (ce qui correspond à environ 42 pmol de découplant par mg de protéine mitochondriale). Le le mécanisme d’action de découplage est similaire à celui des autres protonophores A- [14] Jones OT, Watson WA. 1967. Properties of substituted ...continue. La Relations structure-activité avec 28 dérivés substitués à la fois au niveau de fragment acide salicylique et le fragment d’aniline ont révélé que le pouvoir hydrophobe et le pouvoir électrophyle sont nécessaires pour l’activité de découplage. Phénylhydrazones carbonyl cyanide p-carbonyl cyanure trifluromethoxyphenyl hydrazone (FCCP) et carbonyl cyanure méta-chlorophenylhydrazone (CCCP) sont probablement les découpleurs les plus fréquemment utilisés en biologie expérimentale. Chez les souris, FCCP et CCCP induisent une mort rapide après une injection intra-péritonéale [15]Ilivicky J, Casida JE. 1969. Uncoupling action of 2,4-dinitrophenols, ...continue, avec une DL50 de 32 et 40 µmol / kg, respectivement. Ces composés ont été introduits au début des années 1960 par Heytler & Prichard [16]Heytler PG. 1963. Uncoupling of oxidative phosphorylation by carbonyl cyanide ...continue et depuis ce temps sont restés parmi les découplants protonophoriques les plus puissants disponibles dans le commerce . L’activité de ces découplants phénylhydrazones est en bonne corrélation avec leur activité protonophorique, et les exigences
pour une efficacité maximale de découplage sont : lipophilie (coefficient partition octanol /tampon ) au dessus de 2x 10e-3 et un pKa (en solution aqueuse diluée) entre 4,5 et 5,5 [17]Balaz S, Sturdik E, Durcova E, Antalik M, Sulo P. 1986. Quantitative ...continue. L’activité protonophorique, cependant, ne peut pas être le seul mécanisme par lequel ces composés interagissent avec les mitochondries. Le FCCP peut former des complexes stables avec d’autres composés actif au sein des mitochondries, tels que les anesthésiques locaux , les amines lipophiles et K+-valinomycine. FCCP, CCCP, et d’autres analogues carbonyl cyanide phénylhydrazone substitués au niveau du noyau réagissent facilement avec les thiols et aminothiols (cystéine, glutathion) mitochondriaux, donnant des dérivés substitués N- correspondants (substitué phényle) -N ‘- (alkylthiodicyano)  -methylhydrazine. La réactivité du phénylhydrazone cyanure de carbonyle avec les thiols est comparable à la réactivité phényle isothiocyanate et N-éthylmaléimide, (des modificateur du groupe SH bien connus). Les thiols sont connus pour protéger et inverser les effets de découplage provoqués par le FCCP dans les mitochondries [18] Toninello A, Siliprandi N. 1982. Restoration of membrane potential in ...continue in vitro.

Autres types de découplants

Le découplage médié par des acides gras libres endogènes et exogènes à longue chaîne qui sont connus depuis longtemps pour être d’efficaces découpleurs de la phosphorylation oxydative mitochondriale in situ (par exemple dans le foie perfusé foie) et in vitro. Les études au cours de la dernière décennie révèlent que l’adénine nucléotide translocase, une protéine intégrale de la membrane mitochondriale interne, est impliquée dans l’action découplage par les acides gras à longue chaîne[19]Andreyev AYu, Bondareva TO, Dedukhova VI, Mokhova EN, Skulachev VP, et al. ...continue. Le découplage médié par l’adénine nucléotide translocase – des mitochondries représente un mécanisme important de toxicité des acides gras libres, car de nombreuses pathologies sont associées à l’accumulation des ces substances à longue chaîne dans les tissus affectés. Il convient de prévoir qu’une augmentation de la fraction libre des acide gras serait préférentiellement la cause du gaspillage au nivea de l’énergétique mitochondriale en inhibant la respiration à des concentrations élevées. Dans les tissus riches en mitochondries, l’effet de l’accumulation des acide gras libre à chaine longue peut être dévastateur, entraînant une  forte  augmentation de la température locale et la consommation d’oxygène au détriment des substrats oxydables [par exemple, comme cela est le cas dans l’hyperthermie musculaire maligne [20] Cheah KS, Cheah AM, Fletcher JE, Rosenberg H. 1989. Skeletal ...continue]. Les acides gras tels que l’acide perfluorodécanoïque, sulfuramide, et les substitués méthyl de l’acide hexadécanedioïque, sont des substances découplantes apparemment par le même mécanisme. [21] Langley AE. 1990. Effects of perfluoro n-decanoic acid on the respiratory ...continue

Les ionophores

Les ionophores sont des composés de diverses structures chimiques qui sont capables de transporter les petits ions à travers une membrane lipidique. Il y a des centaines de tels composés d’origine naturelle ou synthétique. Les propriétés physique et chimique des différents ionophores, les mécanismes de transport d’ions, et leurs activités biologiques ont été profondément étudiés. Ici, nous allons nous intéresser uniquement aux propriétés générales des ionophores qui les rendent découplants efficaces de la phosphorylation oxydative mitochondriale.

Les ionophores peuvent être divisés en deux grands groupes en fonction de leur mécanisme de transport des ions: un type transporteur et un type canal. Ce dernier est typique des peptides courts amphiphiles qui forment des canaux de différentes tailles dans les membranes lipidiques. Ces canaux peuvent être sélectifs envers les petits ions tels que des protons ou K+, en fonction du peptide particulier, la structure de la membrane, et les conditions expérimentales. Les Gramicidines (Gramicidine A, D et S) sont les antibiotiques les plus étudiés de ce type et sont des découplants puissants du transfert d’énergie dans les mitochondries. Les gramicidines linéaires A et D possèdent une conformation hélicoïdale pour former un canal alors que la gramicidine cyclique sous forme S a une structure en feuille bêta, ce qui perturbe le garnissage en lipide de la membrane. L’augmentation de la perméabilité membranaire
envers les protons et le K+ entraînent un effondrement efficace du potentiel protonique dans les mitochondries, en raison soit du recyclage des protons ou du transport électrophorétique du K+ [22]Katsu T, Kobayashi H, Hirota T, Fujita Y, Sato K, Nagai U. 1987. ...continue.

Les ionophores de type transporteur sont capables de former des complexes solubles avec les lipides neutres ou chargés avec un ion pour faciliter son transport électrophorétique (uniport) ou son échange électroneutre avec des protons (antiport) à travers une membrane hydrophobe. En fonction des conditions expérimentales choisies, ces ionophores peuvent ou pas découpler mitochondries isolées in vitro; les échangeurs Me+ / H+ comme la nigéricine
peut, par l’effondrement de la Diff.PH, hyperpolarisent les membranes mitochondriales. Cependant, dans des conditions in vivo, les cations alcalins tels que K+ et les anions inorganiques tels que Pi sont présents à des concentrations élevées, les membranes mitochondriales sont chargée à environ 180 mV. Cela signifie que le transport électrophorétique d’un cation tel que K+ facilitée par la valinomycine ou un ionophore similaire procédera à la baisse du potentiel de membrane, l’effondrement de du potentiel proton et le découplage de la phosphorylation oxydative des mitochondries. En outre, en raison de la présence de Pi et le symporteur Pi/ H+ dans les membranes mitochondriales, une quantité importante de K+ peut être accumulée, qui va induire un gonflement osmotique de l’organite et des dommages physiques à la membrane de couplage. Ce phénomène est mis en évidence par l’utilisation expérimentale commune de la valinomycine pour éliminer sélectivement les mitochondries dans les cellules cultivées.

À des concentrations élevées, même les électroneutres ionophores Me+ / H+ peuvent entraîner un découplage dans les mitochondries. Par exemple, l’échangeur K+ / H+ nigéricine à des concentrations plus élevées alors 1 µM augmente la conductance des couches lipidiques sombres en formant un dimère mobile avec deux molécules de nigéricine protonées et complexées avec un K+. Un tel transfert de charge complexe peut en effet provoquer un découpage du à un transfert électrophorétique de cations [23] Toro M, Gomez-Lojero C, Montal M, Estrada S. 1976. Charge transfer mediated ...continue.

Les ionophores qui sont sélectifs pour Ca2+ ou Mg2+ peuvent avoir un effet découplant sur les mitochondries par plusieurs mécanismes différents. Certains de ces mécanismes sont très spécifiques car ils impliquent des protéines mitochondriales intrinsèques, comme avec le cation divalent ionophore A23187 (calcimycine). Cet antibiotique polyéther carboxylique est produit par Streptomyces chartreusensis. Il forme un complexe liposoluble ionophore 2: 1: Me2+ et transporte des cations bivalents à travers les membranes lipidiques au moyen du mécanisme d’échange électroneutre Me2+ / 2H+. L’induction d’un tel transport cationique se ne provoque pas un découplage des mitochondries. Cependant, en dissipant le gradient de calcium, A23187 établit un flux cyclique de Ca2+ dissipant l’énergie, qui est responsable de l’activité de découplage de ce composé.

Certains des ionophores de type transporteur sont beaucoup plus efficaces dans les membranes mitochondriales
que dans d’autres membranes cellulaires. Par exemple, le complexe valinomycine-K+ avec une abondance d’environ 100 fois plus élevée dans les membranes mitochondriales que dans les globules rouges. Il est également prouvé que la valinomycine et la nigéricine augmentent la conductivité ionique de la membrane mitochondriale interne, mais pas celle de la la membrane plasmique des lymphocytes intacts [24] Felber SM, Brand MD. 1982. Valinomycin can depolarize mitochondria in intact ...continue ou des cellules de levure. Quels sont les facteurs outre le potentiel de membrane qui peuvent contribuer à cette sélectivité de la membrane, ceux-ci restent toujours à identifier.

Les découplants cationiques

Plusieurs composés cationiques découplent la phosphorylation oxydative des mitochondries par augmentation de la perméabilité membranaire aux ions. L’action de découplage des composés tels que le complexe colorant cyanine de tri-S-C4 (5), Cu2+- (o-phénanthroline) 2 , et la pentamidine nécessite la présence d’un phosphate inorganique et peut être empêchée par l’inhibition du symporteur Pi:H+ mitochondrial. Le mécanisme d’action moléculaire du découplage de ces composés n’est pas bien élucidé; Cependant, il est fort probable est que tous ces composés Pi-dépendants affectent l’intégrité physique des membranes mitochondriales. En effet, il a été montré récemment que des tri-S-C4 (5) et Cu2+- (o-phénanthroline) 2 découplent en induisant la perméabilité du pore de transition mitochondrial [25] Shinohara Y, Bandou S, Kora S, Kitamura S, Inazumi S, Terada H. ...continue.

Les peptides actifs membranaires

Les peptides actifs membranaires peuvent former les canaux, qui sont plus ou moins sélectifs vis à vis des  cations et / ou des protons ou des alcalino-terreux, ils peuvent former de gros pores permettant la perméation des solutés de haut poids moléculaire (>100 Da). Les peptides porogènes tels que alaméthicine possèdent une affinité élevée envers les membranes mitochondriales parce que l’insertion du peptide dans la membrane et / ou la formation de pores est commandée par le potentiel électrique. Ces peptides induisent des changements de perméabilité non spécifiques, ce qui se traduit par un gonflement oncotique et la perturbation des organites chargés.

De nombreux peptides courts amphipathiques (en particulier d’origine fongique) sont connus pour découpler la phosphorylation oxydative des mitochondries à des concentrations submicromolaires en rendant la membrane mitochondriale interne perméable aux diverses solutés [26]Das MK, Raghothama S, Balaram P. 1986. Membrane channel forming polypeptides. ...continue. Cependant, les peptides membranaires-actifs peuvent également provoquer une découplage des mitochondries d’une manière beaucoup plus spécifique. La Mastoparane, un peptide amphipathique du venin des guêpes et des abeilles, provoque l’ouverture d’une ciclosporine dépendante du Ca2+, un pore de transition de perméabilité mitochondriale sensible. Aux plus haute concentrations, la Mastoparane dépolarise la membrane interne mitochondriale par action au niveau de la phase lipidique sans implication apparente de la transition de perméabilité des pores [27]Pfeiffer DR, Gudz TI, Novgorodov SA, Erdahl WL. 1995. The peptide mastoparan ...continue.

Dans certaines circonstances, les peptides chargés positivement, dont la fonction normalement consiste au ciblage des protéines nouvellement synthétisées des mitochondries, peuvent avoir une action découplante. L’effet des peptides sur l’intégrité mitochondriale dépend de la concentration. A faible ratio peptide / mitochondries, les peptides de signalisation induisent une lyse progressive de la membrane externe et une libération des enzymes de l’espace intermembranaire. Aux rapport peptide / mitochondries élevés, la perméabilité de la membrane interne augmente, ce qui conduit à un découplage de la respiration et la dissipation du potentiel membranaire [28]Nicolay K, Laterveer FD, van Heerde WL. 1994. Effects of amphipathic peptides, ...continue. Le signal du découplage induit par le peptide est d’un grand intérêt. Ces peptides sont synthétisés à l’intérieur de la cellule et ils sont naturellement ciblés de manière sélective dans les mitochondries par leur structure. Dans le cas de dysfonctionnement de la machinerie d’importation protéique, ces peptides peuvent s’accumuler au sein de la mitochondrie, induisant une décharge du potentiel de membrane et en éliminant les organites endommagés.

Récemment, des peptides de signalisation ont été explorés comme prototypes pour la création de nouveaux médicaments qui ciblent sélectivement les mitochondries dans la cellule [29]Murphy MP. 1997. Selective targeting of bioactive compounds to ...continue.

Transporteurs d’électrons alternatifs

Les électrons mitochondriaux sont distribués au hasard dans la membrane interne, mais fonctionnellement ils sont disposés selon leur potentiel d’oxydo-réduction respectifs. ” Chaîne respiratoire ” se réfère à la séquence
d’électrons et de les réactions de transfert de protons. L’efficacité de conversion de l’énergie de l’oxydation des substrats chimique en une forme utile de potentiel de proton dépend de la précision des électrons à suivre leurs «parcours» «prescrits» par le biais d’une séquence ordonnée d’accepteurs d’électrons dans la chaîne respiratoire. Toute autre voie de transfert d’électrons diminue considérablement l’efficacité de la conversion d’énergie, ce qui accélère l’oxydation de substrats et détourne l’excès d’énergie pour la production de chaleur inutile (découplage de la phosphorylation oxydative).

Techniquement parlant, au moins deux types de voies alternatives d’électrons peuvent être distingués. Le premier groupe est constitué des accepteurs d’électrons terminaux, qui sont des composés capables d’être réduits par un porteur d’électrons du complexe respiratoire, ainsi en concurrence avec l’accepteur naturel pour ce transporteur. Ces composés interceptent le flux d’électrons et le détournent vers leur propre réduction. En théorie, ces composés
peuvent participer cycle redox secondaire, où un composé est réduit par la chaîne respiratoire à la charge de l’énergie provenant de substrats, puis oxydée en retour dans une réaction secondaire. Les réactions secondaires peuvent inclure une réduction univalente directe de l’oxygène, ou réagir avec les thiols de la protéine ou le glutathion. Dans tous les cas, la réaction nette est une stimulation de la respiration insensible au cyanure et de la consommation
de l’oxygène et des substrats réducteurs sans métabolisme de la molécules mère. Comme avec tous les autres découplants, cette combustion mitochondriale conduit à une dissipation rapide de tous les gradients transmembranaires, y compris le potentiel proton.

Le deuxième groupe d’accepteurs d’électrons alternatifs est appelé shunts d’électrons, qui acceptent les électrons et alimente  la chaîne respiratoire à un plus haut potentiel redox. Cela permet aux électrons de contourner une partie du complexe respiratoire un un segment entier, en l’excluant de la production d’énergie. Dans ces cas, l’accepteur électronique secondaire qui complète le cycle redox est le complexe terminal de la chaîne de transport d’électrons mitochondriale, et non pas l’oxygène moléculaire. Par conséquent, de tels composés ne génèrent pas de radicaux et ne stimulent pas la respiration insensible au cyanure dans la même mesure que les accepteurs redox d’électrons recyclés .

Il existe plusieurs exemples de composés qui agissent en alternance cyclique redox avec les accepteurs d’électrons pour découpler la phosphorylation oxydative mitochondriale. Ces composés comprennent l’adriamycine, le paraquat et les substituées naphtoquinones et les N-nitrosoamines [30] Henry TR, Wallace KB. 1995. Differential mechanisms of induction of the ...continue. L’essence de leur activité est l’instabilité du radical libre univalent intermédiaire, qui dans des conditions physiologiques s’auto-oxyde au détriment de la réduction de l’oxygène moléculaire en radiaux anioniques libres superoxydes. On associe à cela une stimulation dramatique de la consommation d’oxygène et de l’oxydation du substrat, les deux mécanismes sont insensibles à l’inhibition Par le cyanure. Ces produits chimiques stimulent la libération des radicaux libres dans les Mitochondries isolées, ce qui explique très probablement leur cytotoxicité observée.

L’agent antinéoplasique la doxorubicine (DXR) (adriamycine) représente un exemple d’un composé qui possède une action redox sur le transport d’électrons mitochondriaux [31]Wallace KB. 1999. Doxorubicin-induced mitochondrial cardiomyopathy. In ...continue. Avec un potentiel redox d’environ -320 mV, le DXR est un bon accepteur alternatif d’électrons mitochondriaux. L’incubation de DXR avec des mitochondries cardiaques stimule la respiration de l’état 4 et diminue le taux de contrôle respiratoire, tout comme pour un accepteur d’électrons alternatif. Le DXR accepte les électrons exclusivement du complexe I de la chaîne respiratoire mitochondriale pour engendrer des radicaux intermédiaire libres à semiquinone réduit. Cet intermédiaire est hautement instable et s’autooxyde rapidement à la quinone parente au détriment de la réduction de l’oxygène moléculaire au radical libre d’anion superoxyde. La réaction globale est contrôlée par l’état redox du complexe I; les inhibiteurs des Complexes III et IV, qui augmentent l’état de réduction du complexe I, stimulent Le taux de consommation d’oxygène induite par DXR et la production de radicaux libres. L’oxydation du glutathion mitochondrial, l’induction de la perméabilité mitochondriale, et l’oxydation cardiosélective  L’ADN in vivo des mitochondries atteste de l’importance du cycle rédox mitochondrial comme voie critique dans le mécanisme de cardiotoxicité induite par DXR.

L’amine aromatique 2-nitrosofluorène et son hydroxylamine réduite, N-hydroxy-aminofluorène, sont des métabolites du carcinogène 2-acétylaminofluorène. Le 2-nitrosofluorène est réduit au niveau du complexe I et du complexe III, et le Le N-hydroxy-aminofluorène réduit peut être oxydé directement par l’oxygène pour libérer des Radicaux libres d’oxygène, qui semblent être au centre de des réponses pathologiques [32] Klohn PC, Brandt U, Neumann HG. 1996. 2-Nitrosofluorene and ...continue.

Les naphtoquinones, à la fois substituées et non substituées, représentent un autre une classe d’accepteurs d’électrons alternative que le cycle redox de la respiration mitochondriale. Comme le DXR, les naphtoquinones sont réduits par le complexe I à leur Semiquinones correspondantes, qui s’autooxydent en quinone dans des solutions aérobies et génèrent des radicaux libres anions superoxydes à partir des molécules d’oxygène. Des études de structure-activité indiquent qu’un potentiel redox univalent de -170 mV à +50 mV est le principal déterminant qui permet de savoir si les naphtoquinones sont de bons accepteurs d’électrons alternatifs pour la chaîne respiratoire mitochondriale . En outre, les taux de génération de radicaux libres sont en corrélation avec le degré de la dysfonction mitochondriale et de l’étendue de la cytotoxicité, ce qui implique le dysfonctionnement des mitochondries et la génération de radicaux libres comme facteurs critiques dans le mécanisme de la destruction cellulaire par des naphtoquinones rédox actifs [33] van Toxopeus C, Holstein I, Thuring JWF, Blaauboer BJ, Noordhoek J. ...continue. Cependant, pas tous les naphtoquinones sont des accepteurs d’électrons terminaux purs. La Menadione (Vitamine K3, 2-méthyl-1,4-naphtoquinone) est un accepteur d’électron alternatif classique qui possède une réactivité chimique mixte. Les deux exercent une action redox sur la chaîne respiratoire mitochondriale pour générer des radicaux libres d’oxygène, électrophile, ce qui explique la réaction d’arylation des nucléophiles cellulaires critiques.

Sa cytotoxicité est corrélée avec l’épuisement de l’ATP dans les hépatocytes [34] Redegeld FA, Moison RM, Barentsen HM, Koster AS, Noordhoek J. ...continue, qui peuvent être contournées en fournissant des substrats glycolytiques [35] Henry TR, Wallace KB. 1996. Differential mechanisms of cell killing by ...continue. Comme tout
Les naphtoquinones actifs sur le plan redox, la ménadione stimule la consommation d’oxygène dans les cultures cellulaires. Cependant, au lieu de réduire l’oxygène moléculaire, la ménadione sert de shunt électronique. Elle accepte les électrons du complexe I et les alimente au retour au complexe IV, contournant une partie de la chaîne de transport d’électrons [36]Kolesova GM, Karnaukhova LV, Iaguzhinskii LS. 1991. Interaction of menadione ...continue. Certaines naphtoquinones fongiques hépatotoxiques, telles que le xanthomégnine et la vioméléline,  agissent de la même façon que la ménadione. Un autre exemple de shunts alternatifs d’électrons sont les p-phénylènediamines (par exemple N, N, N ‘, N’-tétraméthyl-p-phénylènediamine), Qui sont des produits chimiques industriels et ménagers largement utilisés [37]Munday R. 1992. Mitochondrial oxidation of p-phenylenediamine derivatives in ...continue. Un nombre de Ces composés provoquent une nécrose dans les tissus musculaires cardiaques et squelettiques, Une diminution concomitante du contrôle respiratoire et des rapports ADP: O. Bien que les accepteurs d’électrons terminaux qui exercent un cycle redox sur la chaîne de transport d’électrons mitochondriale pour générer de l’oxygène et les radicaux libres soient toxiques et sans avantages pour la cellule, des shunts d’électrons ont été utilisés thérapeutiquement pour combattre les désordres bioénergétique. Le raisonnement thérapeutique est que les troubles associés à l’inhibition ou le dysfonctionnement du complexe III de la chaîne respiratoire peut être causés par la navette d’électrons du complexe I au complexe IV, en contournant le dysfonctionnement de la chaîne. Le meilleur exemple de cette stratégie thérapeutique est l’utilisation de la ménadione pour traiter les encéphalomyopathies mitochondriales [38]Toscano A, Fazio MC, Vita G, Cannavo S, Bresolin N, et al. 1995. ...continue. Ce trouble est caractérisé par une déficience fonctionnelle dans le complexe bc1 (complexe III) et implique plusieurs systèmes d’organes, en particulier ceux riches en mitochondries, tels que les nerfs et les muscles. Les symptômes comprennent une ataxie et une désorientation, des crampes et des faiblesses musculaires, des niveaux de phosphocréatine et d’ATP bas, et acidose lactique. L’administration de menadione résout les carences bioénergétiques (l’acidose lactique et les taux faibles de phosphocréatine et ATP), avec une amélioration significative de la performance neurologique et musculaire.

Interaction des accepteurs d’électrons alternatifs avec la chaîne respiratoire mitochondriale. Des accepteurs terminaux d’électrons alternatifs peuvent être réduits par un transporteur d’électron du complexe respiratoire, concurrençant ainsi un accepteur naturel de ce transporteur. Ces Les composés interceptent le flux d’électrons et le détournent vers leur propre réduction. Les Shunt Électron peuvent être à la fois réduits et oxydés par la chaîne respiratoire, permettant ainsi aux électrons de contourner une partie d’un complexe respiratoire ou un segment entier de la chaîne respiratoire en l’excluant par conséquent de la production d’énergie.

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Références   [ + ]

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