La réaction de Maillard ou glycation

La réaction de Maillard ou glycation

La découverte de la réaction de Maillard

La première description de la glycation remonte au début du XXème siècle, en 1908, avec la citation suivante proposée par Arthur Robert Ling  : « When these amino-compounds are heated at 120–140° with sugars such as ordinary glucose or maltose, which are produced at this stage of the process, combination occurs. The precise nature of the compounds produced is unknown to me, but they are probably glucosamine-like bodies ».

C’est ensuite Louis Camille Maillard qui a étudié cette même réaction chimique entre les sucres et les acides aminés. En 1912, il a montré que l’incubation d’une solution aqueuse de D-glucose et de glycocolle (ancienne appellation de la glycine) dans un bain-marie induisait un brunissement.  Cette réaction chimique porte depuis le nom de réaction de Maillard.

À partir de ses observations faites en 1912, L.C. Maillard proposa deux hypothèses – 1) cette réaction serait impliquée dans la modification des nutriments au cours de la cuisson des aliments – 2) l’hyperglycémie chronique des patients diabétiques pourrait catalyser la modification post-traductionnelle des protéines, in vivo, par réaction de Maillard.

Depuis lors, il a été prouvé, en effet, que cette réaction chimique est impliquée dans des processus chimiques observés dans la transformation thermique des aliments mais également à plus basse température (37°C) dans des processus physiopathologiques in vivo. Afin de distinguer la réaction de Maillard alimentaire de celle qui est observée in vivo, cette dernière a tout d’abord été définie comme «glycosylation non enzymatiques ». Le terme « glycation » est apparu quelques années plus tard afin de distinguer clairement cette réaction chimique de la glycosylation enzymatique.

La réaction de Maillard ou glycation, est généralement décrite en plusieurs étapes, même si elle correspond à un enchainement de réactions en équilibre et non dissociées (Fig. 1).

La première étape, dite précoce, correspond à une réaction entre un sucre réducteur et la fonction amine d’un acide aminé, d’un peptide ou d’une protéine. In vivo, les acides nucléiques peuvent aussi être touchés, mais cette réaction reste peu décrite. L’étape suivante est dite « de propagation ». C’est à cette étape que les produits précoces se fragmentent pour générer des molécules de petites tailles telles que les composés dicarbonylés aussi appelés oxoaldéhydes. Ces composés hautement réactifs, pouvant également provenir de l’auto-oxydation des sucres, de la lipoxydation, de l’oxydation des produits d’Amadori et de la glycolyse, sont à l’origine de la formation des produits avancés de la réaction de Maillard, aussi appelés Advanced Glycation Endproducts (AGE) en anglais. Dans les conditions physicochimiques de transformation des matrices alimentaires, la réaction de Maillard va plus loin. Elle peut en effet conduire à la formation de polymères bruns appelés mélanoïdines. Ces polymères sont par exemple retrouvés dans le café torréfié et la croûte du pain. La formation des mélanoïdines ne sera pas abordée dans cette thèse.

L’étape précoce de la réaction de Maillard

M. Amadori, R. Kuhn et A. Dansi ont apporté entre 1929 et 1936 des informations complémentaires sur la réaction de Maillard (Fig. 2). Ils ont alors démontré que la condensation d’un sucre réducteur, plus particulièrement d’un aldose (e.g. glucose) ou d’un cétose (e.g. fructose), avec la fonction amine d’un acide aminé, d’un peptide ou d’une protéine (principalement une lysine ou une arginine) conduit à la formation d’une base de Schiff labile aussi appelée imine. Dans le cas d’un aldose, une aldimine est formée et dans le cas d’un cétose, c’est une cétimine qui se forme. Après réarrangement, les imines peuvent se transformer en produits stables : les produits d’Amadori (ou cétosamines) à partir des aldoses et les produits de Heyns (ou aldosamines) à partir des cétoses. La formation de ces produits d‘Amadori et de Heyns est dépendante de plusieurs facteurs : la concentration des substrats, la taille de la chaîne carbonée du sucre réducteur (plus un sucre aura une chaîne carbonée longue, comme le glucose, moins il sera réactif et inversement),  le nombre de carbonyles (les dicarbonyls sont plus réactifs que de simples aldéhydes ou cétones), le temps, l’oxygène, la température et le pH.  C’est en 1953 que J. E. Hodge décrit de manière exhaustive, et dans un contexte plutôt alimentaire, les différentes réactions chimiques de la réaction de Maillard allant du produit d’Amadori jusqu’à la formation des mélanoïdines en passant par différents intermédiaires plus ou moins stables.

L’hypothèse de L.C. Maillard portant sur la modification des protéines in vivo se verra validée à partir de 1955, grâce à H. G. Kunkel et G. Wallenius, qui découvrent alors une nouvelle forme de l’hémoglobine dans les globules rouges humains.  D. W. Allen et al., démontreront rapidement l’implication de la glycation dans cette nouvelle forme de l’hémoglobine. La fixation d’une molécule de glucose sur la valine N terminal de l’hémoglobine forme un produit d’Amadori stable, et constitue ce qui est appelé l’hémoglobine glyquée (Fig. 3). Il existe de nombreuses formes d’hémoglobines glyquées (HbA1a1, HbA1a2, HbA1b),  mais la forme majoritaire en concentration est l’HbA1c. Une étude montrera par la suite que le niveau d’HbA1c, constituant entre 4 et 6% de l’hémoglobine total chez un sujet sain, est multiplié par deux, soit 8 à 12% chez des sujets diabétiques.  La quantification de l’HbA1c est aujourd’hui considérée comme un outil de routine en clinique et comme un biomarqueur majeur du contrôle de la glycémie sur les trois derniers mois chez les sujets diabétiques.

Des produits précoces jusqu’aux produits avancés de glycation

Si la réaction de glycation persiste dans le temps, les produits d’Amadori et de Heyns pourront aboutir à la formation de produits terminaux de la glycation (AGE). Les produits précoces peuvent en effet se dégrader et former, entre autres, des dérivés dicarbonylés tels que le 3-déoxyglucosone (3-DG), le méthylglyoxal (MGO) et le glyoxal (GO), qui pourront se lier à de nouvelles amines (essentiellement lysine et arginine) et former des AGE. Il est important de préciser que ces intermédiaires dicarbonylés ne proviennent pas uniquement de la dégradation des produits précoces de la réaction de Maillard. Par exemple, le 3-DG peut provenir de la peroxydation lipidique, le MGO peut être synthétisé de manière non enzymatique par dégradation des trioses phosphates (glycéraldéhyde-3-phosphate et dihydroxyacétone phosphate), et enfin le GO peut provenir de l’auto-oxydation des sucres, catalysée par les métaux de transition.  C’est dans les années 1980 qu’ont été découverts et décrits les premiers produits terminaux de la glycation. Ils porteront tout d’abord le nom d’Advanced Glycosylation End-products (AGE), puis finalement d’Advanced Glycation End-products 20,30 afin de distinguer la glycosylation qui est un processus enzymatique de la glycation qui décrit une réaction chimique non enzymatique.

Le processus de glycation peut être très important dans le vieillissement et implique plus particulièrement les protéines à longue durée de vie (i.e. peu renouvelées au cours de la vie d’un individu) telles que certains collagènes retrouvés entre autres dans la peau et les cristallines retrouvées dans le cristallin.  La Nɛ  carboxyméthyllysine (CML) est le premier AGE à avoir été découvert  et caractérisé dans le cristallin, la peau  et les urines.  Cet AGE est actuellement l’un des biomarqueurs les plus étudié dans les tissus humains. Aujourd’hui, il ne fait plus aucun doute que la glycation peut altérer la structure et la fonction des protéines, in vivo. Peu de temps après la CML, la pentosidine fut le premier AGE constitué de cycles aromatiques découvert dans les tissus humains.  Cet AGE est issu de la glycation d’une lysine et d’une arginine, créant ainsi des liaisons covalentes entre ces deux acides aminés. Ces liaisons post-traductionnelles entre deux acides aminés tels que la lysine et l’arginine conduisent à un certain nombre de réticulations qui peuvent se créer aussi bien au sein d’une protéine qu’entre deux protéines. En anglais, le terme de cross-links est généralement utilisé pour décrire ces types d’AGE qui impliquent deux acides aminés. À la suite de la découverte de la pentosidine et de ses propriétés de fluorescence caractéristiques, de nombreux autres AGE possédant des cycles aromatiques et émettant de la fluorescence ont été découverts (Vesperlysine A, glucosepan, argpyrimidine, GOLD, MOLD, DOLD, etc). C’est ainsi que la fluorescence aux longueurs d’ondes caractéristiques de la glycation est aujourd’hui utilisée comme marqueur global des AGE pour de la recherche fondamentale en laboratoire mais aussi comme marqueur non invasif de la glycation à la surface de la peau.  L’utilisation de l’AGE Reader, qui est un instrument mesurant la fluorescence des AGE au niveau de la peau, a montré que l’augmentation de la fluorescence chez des patients atteints d’insuffisance rénale était corrélée avec la durée de la pathologie.  Une autre étude a également montré une association significative entre l’augmentation de la fluorescence de la peau, des accidents macrovasculaires et une augmentation de la filtration glomérulaire chez des patients atteints de diabète de type 1.  Certains AGE comme la CML ne sont pas formés exclusivement par réaction de Maillard, c’est-à-dire par réaction chimique entre un acide aminé et un sucre réducteur. En effet, ils peuvent également être formés à partir de produits d’oxydation des lipides tels que le malondialdéhyde (MDA), les isoprostanes et le 4-hydroxynonénal (4-HNE).  Dans ce cas, les produits qui en résultent sont appelés des Advanced Lipoxidation End-products (ALE).  La CML est donc à la fois un AGE et un ALE. Mais la contribution relative des deux voies de synthèse de la CML in vivo n’est pas véritablement connue. Les AGE retrouvés in vivo dans la circulation, les organes et les tissus ont non seulement diverses origines endogènes (sucres réducteurs, dicarbonyls, produits de peroxydation lipidique…) mais aussi, pour certains d’entre eux, une origine exogène. C’est l’équipe d’H. Vlassara qui, la première, a fait le lien entre les AGE endogènes et ceux apportés par l’alimentation. Considérant que les AGE alimentaires avaient des effets délétères sur la santé, H. Vlassara les a alors nommés les glycotoxines.  T. Henle quant à lui parle plutôt d’acides aminés non physiologiques.  La toxicité de ces AGE faisant l’objet de controverses, le terme d’AGE exogène parait aujourd’hui plus approprié pour décrire les AGE issus de l’alimentation.

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Table des matières

INTRODUCTION
I. La glycation
I.1. La réaction de Maillard ou glycation
I.1.I. La découverte de la réaction de Maillard
I.1.II. L’étape précoce de la réaction de Maillard
I.1.III. Des produits précoces jusqu’aux produits avancés de glycation
I.2. Mécanismes d’action des AGE sur l’organisme
I.2.I. Effets RAGE indépendants
I.2.II. Effets RAGE dépendants
I.3. La glycation exogène et ses effets
I.4. Liens entre glycation et diabète
I.4.I. Définition du diabète
I.4.II. Épidémiologie du diabète
I.4.III. Les caractéristiques et causes du diabète
I.4.IV. Un dysfonctionnement métabolique impliqué dans les complications du diabète de type 2
I.4.V. Rôle de la glycation dans les complications dégénératives du diabète
I.5. Les modèles d’étude du diabète et de la glycation
I.5.I. Les modèles murins d’étude du diabète
I.5.II. Les modèles de diabète appliqués à l’étude de la glycation
I.6. Moyens de lutte contre la glycation endogène
I.6.I. Systèmes organiques de défense contre la glycation
I.6.I.1. La fructoseamine-3-kinase
I.6.I.2. Le système glutathion / glyoxalase
I.6.II. Les stratégies thérapeutiques contre la glycation
I.6.II.1. Séquestrer les précurseurs de la glycation
I.6.II.2. Inhiber le récepteur aux AGE
I.6.II.3. Méthodes alternatives pour lutter contre la formation et l’accumulation des produits de glycation
II. Le microbiote
II.1. Généralités
II.2. Le microbiote : de l’homéostasie à la dysbiose
II.2.I. Homéostasie et rôles du microbiote intestinal
II.2.II. Dysbiose et désordres métaboliques
II.2.II.1. Définition, causes et conséquences
II.2.II.1.a. Dysbiose et diabète
II.2.II.1.b. Dysbiose et stéatose hépatique non alcoolique
II.2.II.1.c. Dysbiose et atteintes rénales
II.3. Utilisation de souches bactériennes comme traitement contre les complications du DT2
II.3.I. Généralité sur les probiotiques
II.3.II. La souche d’intérêt : Lactobacillus fermentum ME3
OBJECTIFS
PARTIE EXPÉRIMENTALE
I. Comment l’alimentation peut-elle affecter l’accumulation des produits avancés de la glycation dans le corps humain ?
II. Quel est le meilleur modèle murin pour étudier la glycation dans un contexte diabétique ?
III. Effet du L. fermentum ME-3 sur la glycation et les complications du diabète.
DISCUSSION
CONCLUSIONS
PERSPECTIVES
TRAVAUX PERSONNELS
BIBLIOGRAPHIE
ANNEXES

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