Une molécule d’oxygène avec un électron de trop
L’oxygène moléculaire accepte de préférence les électrons par paires. Il arrive toutefois qu’un seul électron l’atteigne, et O2 devient alors l’anion radical superoxyde O2•−. Cette espèce est le substrat des superoxyde dismutases — sans elle, ces enzymes n’auraient rien à faire.
Où le superoxyde apparaît dans la vie de la cellule
Les mitochondries en sont une source connue : au niveau de certains complexes de leur membrane interne, une petite fraction des électrons relayés s’échappe directement vers l’oxygène. Par ailleurs, certaines enzymes produisent du superoxyde de façon délibérée, par exemple les NADPH oxydases de la membrane cellulaire ou la xanthine oxydase lors de la dégradation des purines.
Le superoxyde lui-même est relativement peu réactif, mais il peut déclencher des réactions secondaires qui donnent naissance à des composés nettement plus agressifs. Il est donc favorable pour la cellule qu’il soit converti rapidement, avant d’amorcer de telles chaînes.
Pourquoi la décomposition spontanée ne suffit pas
Deux molécules de superoxyde peuvent aussi réagir entre elles sans enzyme. Comme elles portent toutes deux une charge négative, elles se repoussent cependant, et la réaction reste lente à pH neutre. Une enzyme qui prend en charge les deux passages d’électrons l’un après l’autre sur un centre métallique contourne cet obstacle.
L’architecture de la SOD1
La SOD1 est un dimère formé de deux chaînes protéiques identiques. Chaque chaîne se replie en une charpente en forme de tonneau composée de huit brins, sur la face extérieure de laquelle deux boucles plus longues dessinent les sites de fixation des métaux.
| Repère | Donnée chiffrée |
|---|---|
| Organisation | Homodimère, deux sous-unités identiques |
| Longueur par sous-unité | 153 acides aminés |
| Masse moléculaire (dimère) | environ 32 kDa |
| Ions métalliques par sous-unité | 1 ion cuivre, 1 ion zinc |
| Ligands du cuivre | quatre résidus d’histidine (His46, His48, His63, His120) |
| Ligands du zinc | His63, His71, His80 et Asp83 |
| Pont stabilisateur | Liaison disulfure entre Cys57 et Cys146 |
| Constante de vitesse | environ 2 × 109 M−1s−1 |
Numérotation des acides aminés selon la convention usuelle pour la SOD1 humaine ; les valeurs publiées peuvent légèrement varier selon les conditions de mesure.
Quatre histidines autour du cuivre
L’ion cuivre repose au fond d’une poche peu profonde, maintenu par les atomes d’azote de quatre chaînes latérales d’histidine. Cette disposition permet au métal de changer de charge sans être arraché à la protéine.
His63, voisine commune des deux métaux
Une histidine, His63, est liée simultanément aux deux ions métalliques et forme un pont entre le cuivre et le zinc. L’ion zinc ne participe pas au passage des électrons ; il fixe la boucle qui porte les ligands du cuivre et conserve ainsi au site actif une forme stable.
Des balises chargées à l’entrée de la poche
Au bord de la poche se trouvent des acides aminés chargés positivement, dont un résidu d’arginine tout proche du cuivre. Ils créent un champ électrique qui attire les molécules de superoxyde, chargées négativement, et les oriente dans la bonne direction.
Le cycle réactionnel en deux demi-étapes
Les spécialistes parlent d’un mécanisme ping-pong : le cuivre reçoit un électron puis le cède à l’étape suivante. Chaque demi-étape prend en charge une molécule de superoxyde.
Première demi-étape : Cu2+ reçoit un électron
Cu2+-SOD + O2•− → Cu+-SOD + O2
La première molécule de superoxyde abandonne son électron supplémentaire au cuivre et redevient de l’oxygène ordinaire. À l’état réduit, la liaison avec His63 se rompt et l’ion cuivre s’écarte légèrement du zinc.
Deuxième demi-étape : Cu+ cède l’électron
Cu+-SOD + O2•− + 2 H+ → Cu2+-SOD + H2O2
Une deuxième molécule de superoxyde récupère l’électron du cuivre. Avec deux protons du milieu environnant, il se forme du peroxyde d’hydrogène. Le cuivre est de nouveau oxydé, His63 reprend sa position de pont et l’enzyme est prête pour le passage suivant.
| Étape | État du cuivre | Produit |
|---|---|---|
| Point de départ | Cu2+, relié à His63 par un pont | – |
| Première demi-étape | Cu+, pont rompu | O2 |
| Deuxième demi-étape | Cu2+, pont rétabli | H2O2 |
Somme des deux demi-étapes : 2 O2•− + 2 H+ → O2 + H2O2.
Le peroxyde d’hydrogène ainsi formé n’est plus un radical. Dans la cellule, d’autres enzymes comme la catalase le décomposent en eau et en oxygène. La SOD1 constitue donc le premier maillon d’une séquence, et non son aboutissement.
Comment le cuivre rejoint son emplacement
Des ions cuivre circulant librement dans la cellule pourraient eux-mêmes entrer dans des réactions indésirables avec le peroxyde d’hydrogène. La cellule maintient donc le cuivre libre à une concentration extrêmement basse : des travaux sur des cellules de levure ont abouti, par le calcul, à moins d’un ion cuivre non lié par cellule.
Absorption, puis relais de main en main
- Dans l’intestin grêle, le cuivre alimentaire est d’abord réduit de la forme Cu2+ à la forme Cu+.
- La protéine membranaire CTR1 fait entrer Cu+ dans les cellules.
- À l’intérieur de la cellule, le métal est aussitôt capté par des chaperons du cuivre, de petites protéines dotées d’un site de fixation sur mesure.
- La SOD1 dispose de son propre chaperon : CCS, abréviation de « copper chaperone for superoxide dismutase ».
CCS s’accole à la SOD1 encore dépourvue de cuivre, dépose le métal directement dans la poche et participe en même temps à la fermeture du pont disulfure entre Cys57 et Cys146. Ce n’est qu’ensuite que l’enzyme est pleinement active.
Le cuivre dans l’assiette, en chiffres arrondis
Le chargement de la SOD1 suppose d’abord que le cuivre soit apporté par l’alimentation. Le tableau ci-dessous cite quelques aliments à teneur notable ; il n’a qu’une valeur indicative.
| Denrée | mg de cuivre |
|---|---|
| Cacao en poudre, peu dégraissé | env. 3,8 |
| Noix de cajou | env. 2,2 |
| Graines de tournesol | env. 1,8 |
| Lentilles sèches | env. 0,8 |
La teneur varie selon la variété, le lieu de culture et la transformation. Valeur de référence pour l’apport quotidien selon le Règlement (UE) n° 1169/2011 : 1 mg. L’EFSA retient comme apport adéquat pour les adultes 1,3 mg (femmes) et 1,6 mg (hommes) par jour.
Ce que dit l’allégation autorisée
L’Autorité européenne de sécurité des aliments a évalué les données disponibles sur le cuivre et le stress oxydatif. La Commission européenne a ensuite ajouté le texte suivant à la liste des allégations de santé autorisées :
« Le cuivre contribue à protéger les cellules contre le stress oxydatif »
Conformément au Règlement (UE) n° 432/2012
Cette allégation ne peut être employée que pour des denrées constituant au moins une source de cuivre au sens du Règlement (CE) n° 1924/2006. Elle porte sur le cuivre seul et sur le lien mentionné — ni sur d’autres substances d’un produit, ni sur des sujets comme l’humeur, le sommeil ou le poids corporel.
Du mécanisme au libellé
Dans la SOD1, le cuivre est le métal sur lequel le superoxyde est converti. Ce mécanisme fait partie du contexte scientifique de l’allégation autorisée.
« Le cuivre contribue à protéger les cellules contre le stress oxydatif » — Conformément au Règlement (UE) n° 432/2012
Le libellé reste inchangé ; tout ajout ou toute formulation plus appuyée ne constituerait plus une allégation autorisée.
Le courrier des lecteurs sur la superoxyde dismutase
Pourquoi l’enzyme contient-elle du zinc en plus du cuivre ?
Les tâches sont réparties : le cuivre change de charge et échange des électrons avec le superoxyde. Le zinc garde son état et veille à ce que la boucle protéique entourant le site actif conserve sa forme.
Le cuivre flotte-t-il librement dans la cellule ?
Pratiquement pas. La quasi-totalité du cuivre présent à l’intérieur de la cellule est liée à des protéines — soit aux enzymes dans lesquelles il travaille, soit aux chaperons qui l’y amènent.
Le peroxyde d’hydrogène est-il le dernier produit de la chaîne ?
Non. Le peroxyde d’hydrogène est le produit de la SOD1, mais d’autres enzymes le convertissent ensuite jusqu’à obtenir de l’eau et de l’oxygène.
Comment lire la valeur « 1 mg » sur un emballage ?
Il s’agit de la valeur de référence à laquelle renvoient les pourcentages du tableau nutritionnel. C’est une grandeur de calcul pour l’étiquetage des denrées alimentaires, et non une recommandation personnelle.