Les origines de l’utilisation du cuivre

Les origines de l’utilisation du cuivre

Depuis l’émergence de la vie sur terre, les métaux sont devenus des éléments essentiels à de nombreux processus biologiques. Aux origines de la vie, le fer était un outil particulièrement apprécié des bactéries. Le fer est le second métal le plus abondant sur terre, après l’aluminium, et le quatrième élément le plus présent dans la croute terrestre. Cet élément bénéficie de trois états d’oxydation possibles, les deux principaux étant Fe(II) et Fe(III) (Crichton et Pierre, 2001). L’absence d’oxygène dans les temps précoces de notre planète permettait au fer de se maintenir sous forme Fe2+ soluble et donc d’être biodisponible, à l’inverse du cuivre, insoluble sous forme Cu1+. Il y a 2.7 milliards d’années, l’apparition d’organismes photosynthétiques fit augmenter la concentration d’oxygène déclenchant le « Burst Oxydatif » (Sessions et al., 2009) (Figure 1). Ce changement drastique de presque tous les environnements obligea les organismes à s’adapter.

L’un des changements les plus importants fut la disparition du Fer à l’état soluble, l’oxygène entrainant l’oxydation du Fe2+ en Fe3+ insoluble (10-18 M à pH7 ; Silva and Williams, 2001). Différentes adaptations ont émergé, la première étant le développement de sidérophores permettant l’obtention du fer devenu insoluble et la seconde l’utilisation d’autres métaux devenus biodisponibles comme le cuivre et le zinc. Les procaryotes ont plus particulièrement développé des enzymes utilisant le cuivre comme cofacteur tandis que les eucaryotes ont préféré se tourner vers le zinc, même si l’utilisation du cuivre reste abondante. L’utilisation de ces nouveaux métaux n’est pas sans risques.

En effet le zinc et le cuivre présentent de nombreux dangers (Solioz, 2018). Les différents organismes vivants ont donc accompagné leur utilisation de systèmes de tolérance, défense et détoxification (Dupont et al., 2011).

Les rôles du cuivre en biologie

Cofacteur enzymatique 

Le fer était et demeure un cofacteur enzymatique essentiel à la vie. L’un des exemples les plus parlants est l’utilisation de ce dernier dans la réduction des ribonucléotides précurseurs de l’ADN (Herrick and Sclavi, 2007). Mais à l’instar du fer, le cuivre est devenu tout aussi essentiel à la vie (Crichton and Pierre, 2001). Le potentiel rédox du cuivre est en parfait accord avec les réactions catalytiques nécessaires à la chimie biologique (Solioz, 2018). De très nombreuses enzymes au sein de voies métaboliques extrêmement diversifiées utilisent le cuivre comme cofacteur. C’est un transporteur d’électron idéal pour de nombreuses protéines comme les azurines (Cahyono et al., 2020) ou les plastocyanines (Scheiber et al., 2019). On trouve des enzymes à cuivre dans les voies de biosynthèse de la tyrosine (Solano, 2018). Ce métal joue également un rôle important dans le métabolisme de l’azote avec des enzymes comme les amines oxydases (Angelini et al., 2018; Gaule et al., 2018) et la réductase de l’oxyde nitreux (Hein and Simon, 2019). Le cuivre est aussi impliqué dans l’utilisation du méthane avec la méthane monooxygénase (Ross et al., 2019). On trouve également toutes sortes d’oxydases à multiples ions cuivre dans leur site actif, et capables d’oxyder le cuivre ou d’autre composés. Au sein de cette famille de protéines on trouve de nombreuses laccases (Janusz et al., 2020) dégradant les composés aromatiques, des oxydases de bilirubine (Tokiwa et al., 2018), des réductases de nitrite, etc. (Fukuda et al., 2020). Comme nous l’avons vu dans la section précédente et le verrons dans la suivante, le cuivre entretient un lien tout particulier avec l’oxygène et ses dérivés. Il semble donc normal que les protéines à cuivre les plus abondantes soient liées au métabolisme de l’oxygène. De nombreux cytochromes et acteurs de la chaine respiratoire utilisent le cuivre, ces différentes protéines sont essentielles à la formation de la force proton motrice, source d’énergie de l’ATP synthase (Lee et al., 2012). Et bien sûr le cuivre est présent dans les protéines qui détoxifient les dérivés de l’oxygène utilisés comme accepteurs finaux d’électrons dans les chaines respiratoires. Les dismutases de superoxydes à cuivre sont omniprésentes dans le vivant, celles à cuivre et zinc chez les bactéries (SodC) (Scotti et al., 2015) et chez les eucaryotes (Sod1) (Li et al., 2019), mais il existe aussi des superoxydes dismutases uniquement à cuivre chez les mycobactéries (D’Orazio et al., 2009) et les champignons (Sod4, Sod5, Sod6) (Robinett et al., 2018).

Le cuivre est donc devenu un cofacteur majeur des réactions enzymatiques, par ailleurs il est probable que les exemples cités ici ne représentent qu’une petite partie des différents usages que le vivant fait de ce métal.

La toxicité du cuivre

Le cuivre est connu de longue date comme étant un biocide très efficace. Néanmoins, à ce jour les mécanismes de sa toxicité ne sont pas complètement compris. Ici, nous nous intéresserons aux connaissances actuelles sur ces différents mécanismes. Certains de ces mécanismes comme la mismétallation seront expliqués dans les parties suivantes. Dans ce préambule nous expliciterons la relation entre cuivre et stress oxydant. Les ions cuivre Cu1+ et Cu2+ possèdent un potentiel d’oxydoréduction correspondant à la réaction de Fenton. Cette dernière a particulièrement été étudiée dans le cas du fer mais il semble que le cuivre soit également capable d’induire la réaction (Dalecki et al., 2017; Solioz, 2018).

Cu+ + H2O2 = Cu2+ +OH- +OH˙

Le cuivre (comme le fer) va donc entrainer la formation du radical Hydroxyle (OH˙) très toxique. En effet ce dernier est extrêmement réactif et va donc réagir spontanément avec les molécules présentes dans son entourage direct. Sa demi-vie est estimée à 10-19 seconde (Freinbichler et al., 2011). Cette réaction entraine également la mise en place du cycle d’Haber-Weiss. Ce dernier voit réagir le radical hydroxyle (OH˙) avec l’H2O2 donnant de l’H2O, un proton et surtout un anion superoxyde O2 . -. Le potentiel rédox de l’anion O2 . – lui permet de réduire le Cu2+ en Cu1+ et donc de redémarrer le cycle (Dalecki et al., 2017; Hodgkinson and Petris, 2012; Liochev and Fridovich, 2002; Solioz, 2018). Il est important de noter que certaines études ont mis en évidence la capacité du cuivre à déplacer le fer de certaines protéines, et l’ion fer libre Fe2+ va lui-même induire des réactions de Fenton. Enfin, la présence de protéines sous forme apo (sans fer) va induire la synthèse des systèmes d’importation du fer, augmentant la concentration cytoplasmique de ce métal (Dalecki et al., 2017; Imlay, 2013; Macomber and Imlay, 2009). La réduction du cuivre par les thiols du cytoplasme peut également aboutir à la formation de radicaux thiyl (RS˙) (Dalecki et al., 2017; Luc and Vergely, 2008) (Figure 2).

On peut préciser que le cuivre sous forme Cu1+ est accidentellement formé par la chaine respiratoire. En effet certains maillons de cette chaine vont, soit directement produire un excès d’électrons réduisant le cuivre comme la NADH déshydrogénase du complexe 1, soit générer de l’anion superoxyde comme le complexe 3 (cytochrome C réductase) (Figure 2) .

Interaction avec les protéines 

Les principales cibles des effets délétères du cuivre semblent être les protéines. Il existe différents mécanismes rendant les protéines non fonctionnelles. Pour comprendre l’un des aspects majeurs de l’interaction directe entre le cuivre et les protéines, il est important de s’intéresser brièvement à la chimie du cuivre. Ce métal à la particularité de se trouver tout en haut de la série d’Irving-Williams (Mn2+<Fe2 <Co2+<Ni2+<Cu2+>Zn2+) (Irving and Williams, 1953). Cette série représente la stabilité thermodynamique des complexes formés par ces métaux avec d’autres molécules. Le cuivre va donc se lier spontanément aux protéines de façon aspécifique. Cette propriété a entrainé une pression de sélection sur les organismes utilisant ce métal qui a abouti à l’émergence de protéines dites chaperonnes, essentielles à l’acheminement et à l’insertion du cuivre dans les site actifs dont il fait partie (Robinson and Winge, 2010). L’affinité du cuivre pour les protéines constitue un des mécanismes de toxicité les plus importants. En effet, le cuivre a différents effets sur les protéines (Figure 3).

Comme dit précédemment, le cuivre est très affin pour de nombreuses molécules biologiques et cette affinité pose des problèmes. Ce métal va former des complexes avec différents acides aminés ; mais certains, comme la proline, l’arginine, la lysine ou la thréonine, possèdent des chaines latérales particulièrement sensibles aux radicaux hydroxyles que génère le cuivre (Dalecki et al., 2017; Holm et al., 1996), entrainant la formation de groupements carbonyles.

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Table des matières

Introduction
1. Le cuivre
1.1. Les origines de l’utilisation du cuivre
1.2. Les rôles du cuivre en biologie
1.2.1. Cofacteur enzymatique
1.3. La toxicité du cuivre
1.3.1. Interaction avec les protéines
1.3.2. Interaction avec les membranes
1.3.3. Autres interactions
1.4. L’homéostasie du cuivre
1.4.1. Chez les procaryotes
1.4.1.1. Importation
1.4.1.2. ATPases
1.1.1.1. Chaperonnes et stockage
1.1.1.2. Systèmes Cus de la famille RND
1.1.1.3. Multicopper-oxydases
1.1.1.4. Régulateurs
1.4.2. Chez les eucaryotes
1.5. Le cuivre au sein de l’interaction hôte-pathogène
1.5.1. Histoire de la phagocytose : de l’amibe au macrophage
1.5.2. Utilisation des métaux par les amibes et les macrophages
2. Bordetella pertussis, pathogène à hôte restreint
2.5. Origine et découverte
2.5.1. Caractéristiques microbiologiques
2.6. La coqueluche
2.6.1. La maladie
2.6.2. Le diagnostic
2.6.3. Le traitement
2.6.4. L’épidémiologie
2.6.5. Les vaccins
2.7. Mode de vie et pathogénie de Bordetella pertussis
2.3.1 Évolution du genre Bordetella
2.7.1.1. De l’environnement à l’animal
2.7.1.2. De l’animal à l’homme
2.7.1.3. Spécialisation à l’humain de B. pertussis
2.7.1.3.1. Les facteurs de virulence
2.7.1.3.1.1. Système à deux composants BvgAS et autres régulations
2.7.1.3.1.2. Toxines majeures
2.7.1.3.1.3. Adhésines majeures
2.7.1.3.1.4. Autres effecteurs
2.7.1.3.2. Immunomodulation
2.7.1.3.3. Détournement et manipulation du métabolisme de l’hôte
2.7.1.3.4. Evolution du métabolisme
2.7.1.3.5. Evolution par réduction génomique : rôles des IS
Résultats
1. Analyse Bio-informatique du protéome en lien avec le cuivre chez les β-protéobactéries et relations avec leurs styles de vie
1.1. Contexte
1.2. Article: Relationships Between Copper-Related-Proteomes and
Lifestyles in β-Proteobacteria
1.3. Résumé
1.4. Résultats complémentaires
2. Caractérisation de l’homéostasie du cuivre chez Bordetella pertussis et comparaison avec Bordetella bronchiseptica
2.1. Contexte
2.2. Article: Streamlining of defenses against copper makes hostrestricted pathogen reliant on custom-made operon
2.3. Résumé
2.4. Résultats complémentaires
2.4.1. Mise au point des conditions de culture en excès de cuivre
2.4.1.1. Tests de survie ou suivi de croissance
2.4.1.2. Impact des sources de soufre dans la croissance et la tolérance au cuivre
2.4.2. Mécanismes de défenses
2.4.2.1. Délétion des gènes codant des protéines liées au cuivre
2.4.3. Impact du stress Oxydatif
2.4.3.1. Mise au point du test Xanthine oxidase
2.4.3.2. Tests de quantification du stress oxydatif
2.4.4. Rôle du cuivre et différents systèmes dans la relation hôte-pathogène.
2.4.4.1. Impact du cuivre dans la bactéricidie des cellules phagocytaires
2.4.5. Régulation des mécanismes de défenses
2.4.5.1. Cas du régulateur CueR des B. pertussis
2.4.5.2. 5’RACE
2.4.5.3. Régulation OxyR
2.4.6. Mise au point des conditions de carence en cuivre
2.4.7. Analyse transcriptomique de la carence en cuivre
2.4.8. Mécanismes d’importation
2.4.8.1. Survie à la carence
2.4.8.2. Mise au point du dosage de cuivre intracellulaire
2.4.8.3. Recherche d’un chalcophore
2.4.8.4. Sensibilité de la régulation BfrG
2.4.9. Colonisation animale et réponse immunitaire
3. Travaux issus de l’encadrement de Stagiaires
Discussion et Perspectives
Annexes
1. Matériels et méthodes
2. Recherches Annexes
2.1. Contexte et Résumé
2.2. Article: Characterization of a Bvg-regulated fatty acid methyltransferase in Bordetella pertussis
Conclusion
Bibliographie

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