La peroxydation lipidique : mécanismes, impacts et protections

Introduction 

Définition :

La peroxydation des lipides, également appelée lipoperoxydation, désigne un processus d'oxydation des lipides polyinsaturés, caractérisés par la présence de plusieurs doubles liaisons carbone-carbone (C=C). Ce phénomène peut être initié soit par des espèces réactives de l'oxygène (radicaux libres), soit par des enzymes spécifiques qui catalysent cette réaction.

Signification biologique :

La peroxydation lipidique joue un rôle clé dans plusieurs phénomènes biologiques et industriels. Par exemple, elle est l'une des principales causes du rancissement des aliments. Ce dernier entraîne une altération des propriétés organoleptiques des produits, comme leur odeur et leur viscosité, affectant ainsi leur qualité et leur acceptabilité.

Rappels sur la structure membranaire

Composition :

• La membrane cellulaire est principalement constituée d'une bicouche phospholipidique.
• Elle intègre également des éléments protéiques, tels que des récepteurs et des canaux, qui assurent diverses fonctions spécifiques.

Rôle principal :

• La membrane joue un rôle essentiel en protégeant la cellule contre les agressions du milieu externe et en régulant les échanges avec celui-ci.

schéma      

Fluidité membranaire :

• Les lipides et les protéines au sein de chaque couche de la bicouche phospholipidique peuvent diffuser rapidement de manière latérale.

• Cependant, les échanges entre les deux couches de la bicouche sont rares.

• La fluidité de la membrane dépend du degré d’insaturation des chaînes d'acides gras qui la composent.

• Cette fluidité est cruciale pour le maintien des fonctions biologiques, comme l’activité des récepteurs cellulaires et d'autres processus vitaux.

Processus de peroxydation lipidique

La peroxydation lipidique est un processus en chaîne impliquant des réactions radicalaires. Elle se déroule en trois étapes principales : Initiation, propagation, terminaison

1. Initiation de la peroxydation lipidique

L’étape d’initiation commence par la formation d’un radical libre, un processus déclenché par l’arrachement d’un atome d’hydrogène à une molécule de lipide (acide gras insaturé). Cette réaction est généralement provoquée par une espèce radicalaire hautement réactive, telle que le radical hydroxyle (•OH).

Mécanisme de l’initiation :

1. Arrachement d’un atome d’hydrogène :

• Les acides gras insaturés possèdent des groupes méthylène (-CH₂-) situés entre deux doubles liaisons, ce qui rend ces groupes particulièrement vulnérables à une attaque radicalaire.
• La réaction chimique typique est la suivante :

$$-C{H}_2-+\cdot OH\to -\cdot CH-+H_{2}O$$

Ici, le radical hydroxyle (•OH) attaque un acide gras, éliminant un atome d’hydrogène et générant un radical centré sur le carbone (-•CH-).

2. Réarrangement moléculaire :

• Le radical formé subit un réarrangement moléculaire interne, stabilisant la structure grâce à la formation d’un diène conjugué (deux doubles liaisons alternées). Ce réarrangement augmente la réactivité du radical, le préparant pour l’étape suivante.

3. Combinaison avec l’oxygène moléculaire :

• Le radical carboné (-•CH-) réagit avec une molécule d’oxygène (O₂), qui est hydrophobe et se concentre naturellement dans les membranes.

• Cette réaction forme un radical peroxyle (-CH-O₂•), selon l’équation :

  $$-\cdot CH-+O_2\to -CH-O_2^{\cdot }$$

Le radical peroxyle est un intermédiaire clé qui agit comme un propagateur dans les étapes suivantes de la peroxydation.

2. Propagation de la peroxydation lipidique

Les radicaux peroxyles (ROO•), formés lors de l'étape d'initiation, jouent un rôle clé dans la propagation de la réaction en chaîne. Ces radicaux hautement réactifs attaquent les lipides voisins en arrachant un atome d’hydrogène, ce qui génère de nouveaux radicaux libres et prolonge la réaction.

Mécanisme de propagation :

1. Attaque sur un acide gras voisin :

• Un radical peroxyle (ROO•) réagit avec un groupe méthylène (-CH₂-) d’un acide gras situé à proximité.

• Cette interaction arrache un atome d’hydrogène, formant un nouveau radical centré sur le carbone (-•CH-) et un hydroperoxyde lipidique (ROOH).

        −CH2−+ROO⋅→−⋅CH−+ROOH

2. Formation de nouveaux radicaux :

• Le radical carboné généré (-•CH-) peut, à son tour, réagir avec une molécule d’oxygène (O₂), produisant un nouveau radical peroxyle (ROO•).

• Cette réaction continue de manière cyclique, affectant de plus en plus de lipides.

3. Terminaison de la peroxydation lipidique

L'étape de terminaison met fin à la réaction en chaîne de la peroxydation lipidique par la recombinaison de deux radicaux libres. Ce processus forme des produits stables, arrêtant ainsi la propagation des dommages.

Mécanisme de terminaison :

• Deux radicaux peroxyles (RO₂•) se combinent pour produire un peroxyde lipidique stable (ROOR) et libérer une molécule d’oxygène (O₂) :

  $$RO_2^\cdot + RO_2^\cdot \rightarrow ROOR + O_2$$

Importance de la terminaison :

• En neutralisant les radicaux libres, cette étape prévient de nouveaux dommages aux lipides membranaires.

• La formation de produits stables marque la fin du processus oxydatif, permettant à la cellule de limiter les effets nocifs de la peroxydation.

Initiation de la peroxydation lipidique in vitro

Plusieurs mécanismes expérimentaux permettent de reproduire l’étape d’initiation de la peroxydation lipidique en laboratoire. Ces méthodes utilisent des agents ou des processus qui génèrent des radicaux libres capables de déclencher l’oxydation des lipides insaturés.

Réaction de Fenton

• La réaction de Fenton met en jeu le fer ferreux (Fe²⁺) et le peroxyde d’hydrogène (H₂O₂), conduisant à la formation du radical hydroxyle (•OH), un oxydant très puissant :

Fe2+ + H2​O2​→Fe3+ + ⋅OH + OH− 

• Le radical hydroxyle (•OH) arrachera un atome d’hydrogène à un lipide insaturé, amorçant ainsi la peroxydation. L’ajout de Fe²⁺ à un système lipidique est une méthode couramment utilisée pour initier ce processus.

Radiolyse gamma

Les rayons gamma ionisent l’eau, produisant une série de radicaux libres réactifs tels que :

• Radical hydroxyle (HO•)

• Radical hydrogène (H•)

• Électron hydraté (e⁻ aq) 

• Ainsi que d’autres composés comme le peroxyde d’hydrogène (H₂O₂), le dihydrogène (H₂), et des ions H⁺.

• Ces radicaux, en particulier HO•, peuvent initier l’oxydation des lipides insaturés en arrachant un atome d’hydrogène, reproduisant les conditions d’initiation observées in vivo.

Action enzymatique

Certaines enzymes jouent un rôle dans l’initiation de la peroxydation lipidique :

• Cyclo-oxygénase et lipoxygénase : Ces enzymes catalysent l’oxydation des acides gras polyinsaturés, générant des radicaux libres comme intermédiaires.

• Xanthine/xanthine oxydase : Ce système enzymatique peut également produire des espèces réactives de l’oxygène capables de déclencher la peroxydation lipidique.

Protection contre la peroxydation lipidique

La peroxydation lipidique, bien qu'elle soit un processus naturel, peut causer des dommages significatifs aux membranes cellulaires. La protection contre ce phénomène dépend de plusieurs facteurs, notamment la composition membranaire et la présence d’antioxydants.

Susceptibilité des membranes à la peroxydation

La sensibilité d'une membrane à la peroxydation lipidique varie selon :

Composition lipidique :

• Le rapport phospholipides/cholestérol et la proportion d’acides gras polyinsaturés influencent fortement la susceptibilité. Les membranes riches en acides gras polyinsaturés sont plus vulnérables, car ces derniers sont plus sensibles à l’oxydation.

Comportement des radicaux peroxyles :

• Les radicaux peroxyles (ROO•), plus polaires que les chaînes hydrocarbonées des lipides, migrent vers des zones plus polaires de la membrane, réduisant leur interaction avec l’intérieur hydrophobe.

Rôle des antioxydants

Les antioxydants jouent un rôle clé en empêchant ou en ralentissant la peroxydation lipidique à différents niveaux.

Définition des antioxydants (Halliwell et Gutteridge) :

Un antioxydant est toute substance, même présente en faible concentration par rapport à un substrat oxydable, qui retarde ou inhibe significativement l’oxydation de ce substrat.

Modes d’action des antioxydants :

Réduction des concentrations d'oxygène : Limiter la disponibilité de l'oxygène, nécessaire à l’oxydation.

Capture des radicaux initiateurs : Interception des radicaux hydroxyles (•OH) pour prévenir l’initiation.

Chélation des ions métalliques : Neutralisation des métaux tels que le fer ou le cuivre, qui catalysent les réactions de type Fenton.

Décomposition des peroxydes : Conversion des hydroperoxydes (ROOH) en alcools non radicalaires, stoppant leur potentiel oxydant.

Rupture de la chaîne de peroxydation lipidique : Inhibition de la propagation en neutralisant les radicaux propagateurs.

Exemple : la vitamine E (α-tocophérol)

Nature et localisation :

• La vitamine E est une vitamine liposoluble qui se concentre dans les membranes cellulaires.

Mécanisme d’action :

• Réagit avec les radicaux peroxyles (ROO•) et alkoxyles (RO•) pour arrêter la chaîne de peroxydation : $$R{O}_2^{\cdot }+TH\to ROOH+T^{\cdot }$$
  $$R{O}^{\cdot }+TH\to ROH+T^{\cdot }$$
  
• Le radical tocophéryle (T•) formé est stabilisé par délocalisation de l’électron célibataire sur le noyau aromatique, ce qui le rend peu réactif et incapable d’arracher un atome d’hydrogène aux lipides.