Importance biologique du zinc dans les organismes vivants

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Historique et importance biologique du zinc dans les organismes vivants

En biologie, Raulin (1869) découvre qu’Aspergillus niger contient du zinc. Quelques années plus tard, Lechartier and Bellamy (1877) constatent sa présence dans divers organismes végétaux et animaux; la même année, Raoult and Breton révèlent sa présence dans le foie humain. Dans les années qui suivent, le zinc a été mis en évidence dans la plupart des plantes et des animaux à des concentrations un peu moins élevées que le fer, mais plus importantes que celles du manganèse et du cuivre. En 1934, la diminution des performances de croissance des rats et des souris, induite par la réduction de l’apport alimentaire de zinc a révélé le caractère essentiel de cet élément. Cette observation a été rapportée presque simultanément en Europe (Bertrand and Bhattacherjee, 1934) et en Amérique (Todd et al., 1934).

En 1940, le zinc fut identifié dans l’enzyme anhydrase carbonique isolée et purifiée (Kielin and Mann, 1940). En 1955, le caractère essentiel du zinc préalablement démontré chez le rat et la souris, a été mis en évidence chez le porc (Tucker and Salmon, 1955) et en 1958 chez les poulets de chair (O’Dell et al., 1958).

Définition et caractéristiques générale du zinc

Le zinc est un métal de transition, caractérisé par une bonne conductivité électrique. Il fait partie du groupe IIb de la classification de Mendeleïev avec le cadmium et le mercure. Il possède le numéro atomique 30. Le potentiel redox de Zn/Zn++ est de 0,763 V. En biologie, le zinc est généralement un cation divalent (Zn++), donne facilement des complexes avec les groupes chargés négativement. Les complexes du zinc sont généralement de coordination tétraédrique, mais peuvent aussi être octaédrique ou pentaédrique. Les principaux ligands donnant des liaisons de covalence avec le zinc sont les groupes thiols, amines ou imidazoles des acides aminés ou des protéines. La formation de complexe est indispensable pour comprendre le rôle biochimique ou le métabolisme du zinc (McCall et al., 2000).

Sources et besoins

Les apports de zinc conseillés par l’OMS sont de 12,8 à 54,5 mg/j selon la disponibilité alimentaire, les besoins étant doublés pendant la grossesse et quintuplés pendant la lactation. Les doses toxiques sont situées plus de dix fois au dessus de ces ordres de grandeur. Un apport prolongé de 200mg/j semble atoxique.
Les principales sources alimentaires de zinc sont les produits d’origine animale : viandes (2-6 mg/100g), poissons et fruits de mer (plus de 1,5 mg/100g), lait (0,3 à 0,5mg/100g).
Les viandes rouges sont plus riches en zinc que les viandes blanches. Les huîtres sont l’aliment le plus riche en zinc, 1mg/g de poids humide. Les eaux de distribution sont généralement plus riches en zinc que les eaux de source. Les aliments d’origine végétale sont de moins bonnes sources de zinc car le zinc qu’ils contiennent est moins disponible pour l’absorption digestive, du fait de la présence de phytates (Prasad, 1979).

Métabolisme

Répartition du zinc dans l’organisme

Le zinc est l’élément trace le plus abondant après le fer. Le corps contient environ 2,5g de zinc dont 30% dans les os et 60% dans les muscles. Les tissus les plus riches en zinc sont la prostate, les cheveux et l’œil. Les concentrations tissulaires varient en fonction de l’âge. Chez le nouveau-né, le foie et les os sont plus riches en zinc que chez l’adulte et le muscle en contient des quantités moindres. Les liquides de l’organisme ne représentent en quantité qu’une faible part du zinc total, les éléments figurés du sang étant bien plus riches que le plasma (Jackson, 1989).

Transport sérique

Le transport actif du zinc n’est pas assuré par une protéine spécifique, mais par plusieurs transporteurs capables de capter plus ou moins de zinc selon leurs concentrations et leurs affinités respectives (Jackson et al., 1984).

– Alpha 2 macroglobuline : Est une glycoprotéine anti-protéase formée de quatre sous-unités identiques fixant chacune deux atomes de zinc. Environ 20% du zinc est lié très fortement à cette protéine (Osterberg and Malmensten, 1984).
– La sérumalbumine : Le zinc se fixe de façon non spécifique sur la molécule d’albumine par les résidus histidinyl de cette protéine. La sérumalbumine transporte environ 60 à 65% du zinc sérique total (Cousin, 1985).
– La transferrine : L’extrémité N terminale possède une affinité suffisante pour fixer le zinc, environ 12% du zinc serait lié à cette protéine. La liaison zinc-transferrine est très labile, d’où une très grande disponibilité de ce métal pour les tissus demandeurs de zinc (Philips and Azari, 1974).
– La glycoprotéine riche en histidine : C’est une protéine de poids moléculaire58 000 et dans laquelle l’histidine représente 10% de la composition. L’affinité de cette protéine pour le zinc est très forte et pour certains auteurs elle transporterait plus de zinc que la sérumalbumine (Morgan, 1985).

Absorption

L’absorption intestinale est une étape clé du métabolisme du zinc car elle assure en grande partie la régulation de la concentration de ce métal dans l’organisme.
L’absorption est définie comme étant la quantité d’un nutriment de l’aliment qui passe de la lumière digestive, à travers la muqueuse, dans la circulation portale. L’intestin grêle est le principal site d’absorption du zinc chez la plupart des espèces animales. Chez le rat, l’absorption de zinc la plus intense se situe au niveau du duodénum, la section la plus courte de l’intestin grêle (Davies, 1980). Mais, compte tenu de la longueur des différentes sections, le zinc absorbé serait respectivement 20% dans le duodénum, 20% dans le jéjunum et 60% dans l’iléon (Lonnerdal, 1989).

Excrétion

Le zinc peut être excrété par différentes voies :
– La voie fécale : le zinc fécal correspond au zinc non absorbé des aliments et au zinc endogène. Le zinc endogène provient des sécrétions gastriques et pancréatiques, de la bile, de la salive et de la muqueuse intestinale. L’excrétion fécale est en moyenne de 10 mg/j et participe de façon importante à la régulation de l’homéostasie zincique (Jackson et al., 1984).
– La voie urinaire : de nombreux travaux montrent que l’élimination urinaire du zinc est directement liée à la fraction ultra-filtrable du plasma, formée des complexes avec des acides aminés et du citrate. Le zinc filtré au niveau glomérulaire est réabsorbé au niveau du tube
distal. L’excrétion urinaire de zinc est normalement très faible. Elle augmente lors de néphropathies avec des troubles de la filtration glomérulaire (Abu-Hamdan et al., 1981).

Fonctions

Le zinc participe à de nombreuses fonctions dans l’organisme par son rôle structural, régulateur, ou catalytique d’un grand nombre d’enzymes. Il joue un rôle important dans la stabilisation du matériel génétique et est un composant essentiel de certaines enzymes qui participent à la synthèse des acides nucléiques.
Antioxydant puissant, il protège contre les agressions par les radicaux libres et permet ainsi de ralentir le vieillissement des cellules. Le zinc a une action sur le système nerveux du fait de son intervention dans le métabolisme glucidique, et joue un rôle dans le fonctionnement des neurones dont les vésicules sont riches en zinc.
Il intervient dans le métabolisme des protéines, mais aussi dans les mécanismes de division cellulaire et de croissance tissulaire, par conséquent, il est nécessaire à la cicatrisation, au développement normal du fœtus durant la grossesse et à une croissance normale des enfants et des adolescents.
Il joue aussi un rôle essentiel dans la régulation du système immunitaire, il augmente le nombre des lymphocytes T permettant de mieux résister aux maladies, il possède des propriétés anti-inflammatoires, il favorise la résistance aux infections de la peau (acné, herpès, vergetures, etc.) et des muqueuses. Le zinc favorise l’appétit et préserve le goût car la gustine en est dépendante. Notons également que le zinc est présent dans le liquide séminal et intervient dans la reproduction et la mobilité des spermatozoïdes, il joue donc un rôle important dans la reproduction et la fertilité (Sandstead et al., 2008; Roussel and Hininger-Favier, 2009 ) .

La carence en zinc

Les carences en zinc se traduisent par un certain nombre de signes cliniques, en fonction de la gravité de la maladie. Les carences sont d’origines variables, elles peuvent être dues à un apport insuffisant de zinc dans l’alimentation, à une malabsorption de cet oligoélément, à une augmentation des besoins (croissance, grossesse) ou à des différents états pathologiques (diarrhée, alcoolisme, diabète, infection). Les symptômes carentiels varient selon leurs gravité : retard de croissance, altérations de la peau et des muqueuses (dermite séborrhéique, inflammation de la commissure des lèvres, éruption semblable à l’eczéma ou au psoriasis), chute des cheveux, perte du goût, diminution de l’appétit, problèmes de cicatrisation, troubles de l’immunité et de la maturation sexuelle (atrophie des gonades : testicules, ovaires), diminution de la spermatogenèse et, chez la femme enceinte, risque de malformations et d’hypotrophie fœtales (Roth et al.,2008).

La relation entre le zinc, l’insuline et le diabète sucré

Il existe une relation physico-chimique entre le Zn et l’insuline, bien connue depuis des décennies, dans les années 30 et avant l’existence de preuves biochimiques sur la relation entre le Zn et l’insuline dans les cellules β du pancréas. Scott (1934) découvre la nécessité du zinc pour former les cristaux d’insuline. En effet, au cours de sa maturation dans le réticulum endoplasmique rugueux, l’insuline est complexée sous forme d’hexamères avec deux atomes de Zn, ce complexe relativement peu soluble se cristallise dans les vésicules sécrétoires (Dunn, 2005). Des analyses en fluorescence ont permis de mettre en évidence que la concentration en Zn dans les îlots de Langerhans était en relation avec la synthèse, le stockage et la sécrétion d’insuline. L’ajout de Zn aux doses d’insuline commerciale permettait de prolonger l’action de l’insuline et ainsi de diminuer le nombre d’injections aux diabétiques (Zalewski et al., 1994).

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Le stress oxydatif

Définition du stress oxydatif

Le stress oxydatif est un déséquilibre entre la production des radicaux libres et la capacité des mécanismes protecteurs de l’organisme à neutraliser ces composés toxiques avant qu’ils occasionnent des dégâts aux différents constituants de nos cellules: ADN, protéines, lipides… et peuvent provoquer à long terme le vieillissement des cellules et conduire à des maladies (cancer, Alzheimer, Parkinson…) (Favier, 2003).

Définition d’un radical libre

Les radicaux libres sont des espèces chimiques qui possèdent un ou plusieurs électrons célibataires sur leur couche externe (Halliwell and Gutteridge, 1999). La présence d’un électron célibataire confère aux radicaux libres une grande instabilité et une réactivité, ils peuvent être aussi bien des espèces oxydantes que réductrices. Ils retrouveront leurs stabilités en participant à des réactions chimiques dont la conséquence est l’oxydation des lipides membranaires, l’oxydation des acides aminés composant les protéines et l’oxydation des glucides composant les acides nucléiques (Tremellen, 2008). De façon générale, les radicaux libres contribuent au stress oxydatif par une série de réactions en chaîne. Ils peuvent être dérivés de l’oxygène (espèces réactives de l’oxygène ERO ou ROS) ou d’autres atomes comme l’azote (espèces réactives d’azote ERA). Actuellement, on emploie le terme d’espèces réactives de l’oxygène pour désigner un ensemble plus large des molécules :

– Des radicaux oxygénés caractérisés par un électron non apparié (l’anion superoxyde O2•-, les radicaux hydroxyles HO•, peroxyle ROO•, alkoxyle RO•) (Favier, 2003).
– Des dérivés de l’oxygène non radicalaires comme le peroxyde d’hydrogène H2O2, l’oxygène singulet 1O2 et le nitroperoxyde (ONOOH) (Figure2), mais qui sont aussi réactives et peuvent être des précurseurs des radicaux libres (Favier, 2003).

Les sources des dérivés réactifs de l’oxygène

Nos cellules sont continuellement agressées par des radicaux libres, essentiellement des espèces réactives de l’oxygène, dont la formation est liée aussi bien à des facteurs exogènes qu’endogènes (Castronovo, 2003).

Les sources exogènes

Les sources exogènes peuvent être représentées par des facteurs environnementaux, pollutions diverses, produits chimiques ainsi que des contaminations par des métaux lourds ou certaines carences nutritionnelles (Castronovo, 2003).

Sources endogènes

Dans l’organisme il y a de nombreuses sources de ROS dont l’importance varie selon les tissus et les organites, que ce soit au niveau des mitochondries, des membranes, du réticulum endoplasmique, ou tout simplement dans le cytosol. D’une manière générale, toute réaction biochimique faisant intervenir de l’oxygène moléculaire est susceptible d’être à l’origine d’une production des radicaux libres oxygénés (Thannickal and Fanburg, 2000).

Les ions métalliques

A des concentrations élevées, le fer et le cuivre sont des ions métalliques considérés comme des remarquables promoteurs des processus radicalaires (Fontaine et al., 2002), ils ont la capacité de transformés le H2O2 en radical hydroxyle encore plus toxique, selon la réaction de fenton (Gardès-Albert et al., 2003) : H2O2 + Fe2+ OH• + OH- + Fe3+

Peroxysome

Le peroxysome est une source importante dans la production cellulaire de H2O2 car cet organite contient de nombreuses enzymes générant l’H2O2, toutefois ce dernier est utilisé comme substrat par la catalase peroxysomale afin de réaliser des réactions de peroxydation. Ces réactions sont importantes dans le processus de détoxification présent dans le foie et les reins. Il semble cependant que seule une faible quantité du H2O2 produit au niveau du peroxysome, pourrait échapper à la catalase (Servais, 2004).

Le réticulum endoplasmique

Le réticulum endoplasmique lisse contient des enzymes qui catalysent des réactions pour détoxifier les drogues liposolubles et d’autres produits métaboliques toxiques. La plus connue de ces enzymes est le cytochrome P450 qui oxyde les acides gras insaturés et les xénobiotiques et produit ainsi des ROS (Servais, 2004).

Xanthine oxydase

La xanthine oxydase est une enzyme soluble qui génère des ROS en réduisant l’hypoxanthine en xanthine et la xanthine en acide urique. Cette enzyme est présente dans le sang, les cellules endothéliales des capillaire et de façon très importante dans le foie et les intestins (Mc Nally et al., 2003). La localisation cellulaire de la xanthine oxydase est faible en condition basale, mais jouerait un rôle important lors de l’ischémie-reperfusion (Mc Cord, 1985).

La lipoxygénase et acide arachidonique

L’acide arachidonique, provenant de l’hydrolyse des phospholipides par la phospholipase A2, est le substrat de la lipoxygénase pour la synthèse des leucotriènes. Cette synthèse met en jeux une série d’oxydation qui implique la production des ROS (Marnett, 1999).

NADPH oxydase

C’est une oxydase liée à la membrane plasmatique. Elle a été initialement décrite dans les cellules phagocytaires où elle joue un rôle fondamentale dans la réponse immunitaire, notamment dans les poumons, ainsi que dans la lutte contre les micro-organismes. Il semble qu’il existe d’autres NADPH oxydases dans les cellules non phagocytaires dont le rôle serait de réguler la croissance cellulaire (Piotrowski and Marczak, 2000).

Les oxyde nitrique synthases

Beaucoup de cellules sont capables de produire du monoxyde d’azote (NO•) à partir de l’arginine et de l’oxygène, dans une réaction catalysé par l’oxyde nitrique synthase (NOS), selon la réaction ci-dessous. En effet, des études réalisées à l’aide des enzymes purifiées ont montré que la NOS est capable de générer des anions superoxydes dans des situations de déficit de son substrat, L-arginine, ou de ces cofacteurs d’activation (Xia et al., 1998).
Oxyde nitrique synthase
L.Arginine + O2 + NADPH L.Citruline + NO + NADP

La mitochondrie

La mitochondrie est un organite intracellulaire qui est responsable de la majorité de la production de l’énergie. Elle est considérée comme une des principales sources des ROS dans la cellule (Figure 3), par le fonctionnement de la chaîne respiratoire mitochondriale où 1 à 2% de l’oxygène consommé est convertie en O2. , essentiellement à travers la fuite des électrons au cours de leurs transfert au niveau de cette chaîne (Chance et al., 1979).

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
CHAPITRE I : Le diabète sucré
1. Définition
2.Épidémiologie
3. Critères biologiques de diagnostic
4. Classification
5. Diabète gestationnel
6. Autres types du diabète sucré
7. Complications
8. Traitements
CHAPITRE II : Le Zinc
1. Historique et importance biologique du zinc dans les organismes vivants
2. Définition et caractéristiques générale
3. Sources et besoins
4. Métabolisme
5. Fonctions
6. La carence en zinc
7. La relation entre le zinc, l’insuline et le diabète sucré
CHAPITRE III : Le stress oxydatif
1. Définition du stress oxydatif
2. Définition d’un radical libre
3. Les sources des dérivés réactifs de l’oxygène
4. Dommages oxydatifs
5. Systèmes de défenses antioxydants
5.1. Les systèmes antioxydants enzymatiques
5.2. Les antioxydants non enzymatiques
5.2.1. Le glutathion GSH
5.2.2. Métaux de transition
5.2.3. Les caroténoïdes
5.2.4. Le Coenzyme Q10 ou ubiquinone
5 .2.5. La vitamine E
5.2.5.1. Définition et caractéristiques
5.2.5.2. Métabolisme
5.2.5.3. Rôles biologiques
5.2.6. La vitamine C
5.2.6.1. Définition et caractéristiques
5.2.6.2. Métabolisme
5.2.6.3. Rôles biologiques
5.2.7. La synergie entre la vitamine E et la vitamine C
CHAPITRE VI: La relation diabète – stress oxydatif
1. Mécanisme de l’augmentation du stress dans le diabète sucré
2. La modification des défenses antioxydantes au cours du diabète
3. Stress oxydatif et cellules β pancréatique
4. Effet de la carence en zinc sur le stress oxydatif au cours du diabète
ETUDE EXPERIMENTAL
MATERIEL ET METHODES
1. Matériel biologique et conditions d’élevage
2. Induction du diabète
3. Composition des régimes alimentaires
4. Traitement des animaux
5. Prélèvement des échantillons
5.1. Prélèvement sanguin
5.2. Prélèvement des organes
6. Dosage du zinc
7. Dosage des paramètres biochimiques
7.1. La glycémie
7.2. L’hémoglobine glyquée
7.3. Le glycogène hépatique
7.4. Le cholestérol total
7.5. Les triglycérides
7.6. L’activité d’aspartate aminotransférase (ASAT)
7.7. L’activité d’alanine aminotransférase (ALAT)
7.8. L’activité de lactate déshydrogénase (LDH)
7.9. L’activité de la phosphatase alcaline (PAL)
7.10. La bilirubine
7.11. L’albumine
7.12. Les protéines totales
7.13. L’urée
7.14. La créatinine
7.15. L’acide urique
8. Dosage des paramètres du stress oxydatif
8.1. Dosage de malondialdéhyde (MDA)
8.2. Dosage du glutathion réduit (GSH)
8.3. Dosage de l’activité des enzymes antioxydants
8.3.1. Préparation de la fraction cytosolique (hépatique et rénal)
8.3.2. Dosage de l’activité enzymatique de la catalase
8.3.3. Dosage de l’activité enzymatique de la glutathion peroxydase (GSH-Px)
8.3.5. Dosage de l’activité de la superoxide dismutase (SOD)
8.4. Dosage des protéines tissulaire
9. Analyse histologique et histochimique
9.1. Réalisation des coupes histologiques des reins (Coloration hématoxyline-éosine)
9.2. Evaluation du stockage de glycogène hépatique par méthode histochimique (Coloration
Acide Périodique-Schiff: APS)
10. Analyse statistique
RESULTATS ET INTERPRETATIONS
1. Suivi de l’évolution du poids corporel et la consommation alimentaire des
animaux au cours du traitement
2. Effet du traitement sur le métabolisme des rats diabétique sous un régime alimentaire pauvre en zinc
2.1. Sur le métabolisme glucidique (Glucose, HbA1c, Glycogène hépatique)
2.2. Sur le métabolisme lipidique (Cholésterol, Triglycérides)
2.3. Sur l’activité des transaminases (AST et ALT) et le taux de la bilirubine
2.4. Sur le métabolisme protéique (Protéine, Urée, Créatinine et Acide urique)
3. Effet du traitement sur le statut en zinc chez des rats diabétique sous un régime alimentaire pauvre en zinc
3.1. Sur la distribution du zinc dans l’organisme
3.2. Sur l’activité des enzymes à zinc (PAL, LDH)
4. Effet du traitement sur les paramètres du stress oxydatif chez des rats diabétique
sous un régime alimentaire pauvre en zinc
4.1. Concentration de malondialdéhyde (MDA)
4.2. Concentration tissulaire du GSH réduit
4.3. Variation de l’activité des enzymes antioxydantes
4.3.1. Evaluation de l’activité de la catalase
4.3.2. L’activité de la GSH-Px tissulaire
4.3.3. L’activité de la superoxyde dismutase (SOD)
5. Analyse des coupes histologiques et histochimiques
5.1. Effet des traitements sur l’histologie des reins
5.2. Résultats d’identification histochimique du glycogène
DISCUSSION
CONCLUSION
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
ANNEXES

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