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CHAPITRE 1

On décembre 28, 2021 by
EtsuoNiki et KouichiAbe, CHAPITRE 1:Vitamine E : Structure, propriétés et fonctions , dans Vitamine E : Chemistry and Nutritional Benefits, 2019, pp. 1-11 DOI : 10.1039/9781788016216-00001
eISBN : 978-1-78801-621-6

EtsuoNiki*a et KouichiAbeb
a Université de Tokyo, Centre de recherche en sciences et technologies avancées (RCAST), Komaba, Tokyo 153-8904, Japon. Courriel : [email protected]
b Laboratoires SSCI, Faculté de pharmacologie, Université Musashino, Nishi-Tokyo-Shi, Tokyo 202-0023, Japon.

La vitamine E est le nom collectif de composés lipophiles d’origine naturelle dont la structure moléculaire est constituée d’un cycle chromanol avec une chaîne latérale située en position C2 et comprend quatre tocophérols et quatre tocotriénols. La vitamine E, découverte en tant que facteur alimentaire essentiel à une reproduction normale, est maintenant acceptée comme un antioxydant majeur piégeant les radicaux libres chez l’homme et protégeant les molécules biologiques des modifications oxydatives préjudiciables. Les structures et les propriétés des homologues de la vitamine E ainsi que leurs sources, leurs fonctions et leurs applications sont résumées.

1.1 Introduction

En 1922, Evans et Bishop ont démontré l’existence d’un facteur alimentaire jusqu’alors non reconnu, essentiel à la reproduction normale chez le rat1. Il était admis à l’époque que la fonction la plus marquante de la vitamine E était d’assurer une gestation normale chez la rate enceinte afin d’empêcher la résorption des embryons qui se produisait invariablement en son absence.2 Ce facteur X alimentaire inconnu s’est révélé être présent dans la laitue verte, les feuilles de luzerne séchées, le blé et l’avoine. Evans a isolé le facteur X de l’huile de germe de blé, a fourni la formule chimique C29H50O2 et a proposé le nom d’α-tocophérol en 1936.3 La formule structurelle de l’α-tocophérol a été fournie par Fernholz en 1938.4 Les tocotriénols ont été découverts beaucoup plus tard que le tocophérol et ont été nommés au début des années 1960.5,6

Olcott a découvert que les fractions lipidiques des huiles végétales contenaient des antioxydants contre la détérioration oxydative du saindoux.7 Depuis lors, il a été démontré sans équivoque que la vitamine E agit comme un antioxydant essentiel in vivo et in vitro et joue un rôle important dans la prévention des dommages oxydatifs préjudiciables aux molécules biologiques.8-11 Plus récemment, les fonctions non antioxydantes de la vitamine E, notamment la signalisation cellulaire, la régulation des gènes, les processus membranaires et les fonctions nerveuses, ont également fait l’objet d’une grande attention.12-14 Cependant, de nombreuses questions sont encore controversées et restent à élucider. Des informations solides basées sur des preuves chimiques solides sont essentielles pour comprendre le rôle de la vitamine E in vivo ainsi qu’in vitro.

1.2 Homologues : Nomenclature et structure

La vitamine E est une substance d’origine végétale, soluble dans les lipides, dont la structure moléculaire est constituée d’un cycle chromanol avec une chaîne latérale située en position C2. La vitamine E fait référence à un groupe de huit composés différents : les α-, β-, γ- et δ-tocophérols et les quatre tocotriénols correspondants. Les quatre tocophérols ont une chaîne latérale phytyle saturée, tandis que les tocotriénols ont une chaîne latérale isoprényle insaturée contenant trois doubles liaisons en C3′, C7′ et C11′. Les doubles liaisons des chaînes latérales des tocotriénols en C3′ et C7′ ont une configuration trans. Les formes α-, β-, γ- et δ- diffèrent par le nombre et la position des groupes méthyles sur le cycle chromanol. Les formes α du tocophérol et du tocotriénol ont trois groupes méthyles aux positions C5, C7 et C8 du cycle chromanol, tandis que les formes β- et γ en ont deux et que les formes δ ont un groupe méthyle, comme l’illustre la figure 1.1.

Fig. 1.1 Structure chimique des homologues de la vitamine E.

En plus des tocophérols et des tocotriénols, on a également trouvé dans la nature des tocomonoenols et des tocodienols contenant respectivement une insaturation à une et deux doubles liaisons. Par exemple, un tocomonoenol avec une seule double liaison au carbone 11′, le 2,5,7,8-tétraméthy1-2-(4′,8′,12′-triméthyltridéca-11′-ényl)-6-chromanol, a été isolé des huiles de palme et de son de riz15. Depuis, plusieurs groupes ont détecté des tocomonoenols dans les plantes et les aliments végétaux, comme l’α-tocomonoenol dans l’huile de palme,16-22 l’huile de graines de citrouille (Cucurbita pepo L.),23 et l’huile de tournesol (Helianthus annuus),24 le γ-tocomonoenol dans l’huile de pépins de courge,22,23 le δ-tocomonoenol dans le kiwi (Actinidia chinensis),25 et le β-, γ- et δ-tocomonoenol dans les feuilles de Kalanchoe daigremontiana et de Phaseolus coccineus.26 Un tocomonoenol avec une insaturation à l’extrémité de la chaîne isoprénoïde a également été trouvé dans les tissus du saumon.27 En outre, des tocodiénols avec deux doubles liaisons au carbone 7′ et 11′ ont été identifiés dans l’huile de palme.16,21

Les tocophérols contiennent trois carbones chiraux, un en C2 dans le cycle chromanol et deux dans la chaîne latérale en C4′ et C8′. L’α-tocophérol naturel contient des carbones chiraux dans la conformation R, 2R, 4′R et 8′R-α-tocophérol. L’α-Tocotriénol a un centre chiral en C2 dans le cycle chromanol et les tocotriénols naturels se présentent sous la forme R. D’autre part, la synthèse chimique de l’α-tocophérol produit un mélange équimolaire de huit stéréoisomères différents : RRR, SRR, RSR, RRS, RSS, SSR, SRS et SSS. L’α-tocophérol synthétique est appelé tout-rac-α-tocophérol. Un mélange équimolaire de RRR-α-tocophérol et de SRR-α-tocophérol est appelé 2-ambo-α-tocophérol. Les noms IUPAC du RRR-α-tocophérol et du RRR-α-tocotriénol sont respectivement (2R)-2,5,7,8-tétraméthyl-2-chroman-6-ol et (2R)-2,5,7,8-tétraméthyl-2–3,4-dihydrochromen-6-ol.

Des formes esters du tocophérol et des tocotriénols, notamment l’acétate, le nicotinate, le succinate et le phosphate, ont été préparées et leur action et leurs applications potentielles ont été étudiées. La vitamine E s’oxyde facilement lorsqu’elle est soumise à la chaleur, à la lumière et à des conditions alcalines, mais les esters sont moins sensibles à l’oxydation et donc plus appropriés pour les applications alimentaires, cosmétiques et pharmaceutiques que la forme libre. Les conjugués polyéthylène glycol des tocophérols et tocotriénols ont la capacité de former des micelles miscibles dans l’eau en raison de leurs propriétés amphiphiles et d’améliorer la biodisponibilité chez les animaux et les humains en améliorant leur solubilité dans l’eau et leur absorption28. Il a été rapporté que le RRR-α-tocophéryl polyéthylène glycol 1000 succinate agissait comme une forme sûre et efficace de vitamine E pour inverser ou prévenir une carence en vitamine E au cours d’une cholestase chronique chez l’enfant.29

1.3 Propriétés physico-chimiques

Les tocophérols sont des huiles visqueuses à température ambiante, insolubles dans l’eau mais solubles dans l’éthanol et les solvants aprotiques. La vitamine E est une huile visqueuse claire, légèrement jaune à ambrée, presque inodore, qui fonce à l’exposition à l’air ou à la lumière par oxydation. Les propriétés physicochimiques de l’α-tocophérol, la forme la plus abondante et la plus active de la vitamine E chez les humains, sont résumées au tableau 1.1.30 Le point de fusion de l’α-tocophérol RRR est de 3 °C. Les rotations optiques des tocophérols sont très faibles et dépendent de la nature du solvant. Les spectres d’absorption ultraviolets des tocophérols et tocotriénols dans l’éthanol montrent un maximum d’absorption à 292-298 nm, tandis que les spectres infrarouges montrent un étirement OH (2,8 ± 3,0 µm) et CH (3,4 ± 3,5 µm) et une bande caractéristique à 8,6 µm. L’α-Tocophérol est fluorescent avec un maximum d’émission à environ 325 nm dans une solution hydrophobe. L’énergie de dissociation de la liaison O-H de l’α-tocophérol est de 77,1 kcal mol-1.31 Les valeurs de pKa pour l’α-, le β-, le γ- et le δ-tocophérol dans une solution micellaire ont été rapportées comme étant respectivement de 13,1, 12,8, 12,7 et 12,632.

Tableau 1.1Propriétés physico-chimiques de l’α-tocophérol

Nom IUPAC (2R)-2,5,7,8-Tétraméthyl-2–3,4-dihydrochromen-6-ol
Formule moléculaire C29H50O2
Poids moléculaire 430.7 g mol-1
Description physique Légèrement jaune à ambre, presque inodore, clair, huile visqueuse
Point de fusion 3 °C
Point d’ébullition 235 °C
Solubilité Insoluble dans l’eau (1.9 × 10-6 mg L-1 à 25 °C), soluble dans l’éthanol
Densité 0,950 g cm-3 à 25 °C
Coefficient de partage log P = 12.2
Stabilité Instable aux UV, aux alcalins et à l’oxydation
Constante de dissociation pKa = 10.8
Maximum d’absorption UV 292 nm dans l’éthanol
Fluorescence Excitation 290-295 nm, émission 320-335 nm
BDE (O-H)a 77.1 kcal mol-1
a Énergie de dissociation de la liaison.31

Le coefficient de partage de l’α-tocophérol est de 12,2, tandis que celui de l’acide ascorbique est de -1,85,30 montrant leurs caractères lipophiles et hydrophiles, respectivement.

1.4 Sources

De nombreux aliments fournissent de la vitamine E. Les graines et les fruits sont parmi les meilleures sources de vitamine E. Les légumes à feuilles vertes sont également des sources importantes. Seuls les plantes et les organismes photosynthétiques sont capables de synthétiser la vitamine E.33,34 La synthèse est facilitée par des enzymes pour produire des tocophérols stéréospécifiques : Les tocophérols et les tocotriénols peuvent être extraits et purifiés ou concentrés à partir d’huiles végétales et d’autres matières végétales supérieures. Les compléments alimentaires sont une autre source de vitamine E. La plupart des compléments de vitamine E contiennent des quantités de vitamine E nettement supérieures à celles des aliments. La vitamine E dans les compléments alimentaires et les aliments enrichis est souvent estérifiée pour prolonger sa durée de conservation tout en protégeant ses propriétés antioxydantes.

La teneur et la composition des tocophérols et des tocotriénols dans les huiles naturelles varient sensiblement entre les espèces végétales et même au sein d’une même espèce. Les tocophérols sont largement distribués dans les plantes supérieures, tandis que les tocotriénols ne sont présents que dans certains tissus non photosynthétiques. Le tableau 1.2 présente quelques exemples de la teneur en huiles alimentaires naturelles tirés de plusieurs rapports36-41. L’α-tocophérol est le principal tocophérol dans les huiles de palme, d’olive et de tournesol, tandis que la teneur en γ-tocophérol dans certaines huiles alimentaires telles que les huiles de maïs, de colza et de soja est supérieure à celle de l’α-tocophérol.

Tableau 1.2 Teneur en tocophérols (T) et en tocotriénols (T3) dans des huiles alimentaires représentatives. Adapté de la réf. 36-41 a

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Huile αT βT γT δT αT3 βT3 γT3 δT3
Corn 18-25 1 44-75 2-3 1 0 1-2 <1
Olive 11-17 <1 1 <1 <1 <1 <1 <1
Palm 6-42 <1 <1 <1 5-26 <1 11-36 3-8
Colza 18-24 <1 37-51 <1 0 0 0 0
Son de riz 1-15 0-2 0-8 0-2 0-13 0-2 1-23 0-2
Soybean 9-12 1 61-69 23-26 0 0 0 0
Fleur de tournesol 32-59 0-2 1-4 <1 <1 0 0
germe de blé 151-192 31-65 0-52 <1 2-3 0-8 0-1 <1
a En mg par 100 g d’huile. Les principaux composants sont indiqués en gras.

Les principales sources de tocotriénols sont le palmier, le riz et le rocou, le rapport tocophérol-tocotriénol dans chacun étant de 25 : 75, 50 : 50 et 0,1 : 99,9, respectivement.42 L’huile de palme contient des quantités considérables de α-, γ- et δ-tocotriénols. Le γ-tocotriénol est la principale isoforme de la vitamine E dans l’huile extraite du son de riz39,43 tandis que le β-tocophérol est l’une des principales isoformes que l’on trouve dans l’huile de germe de blé.36,37 Il est intéressant de noter que la fraction lipidique des graines de rocou (Bixa orellana L.) ne contient que des tocotriénols, principalement du δ-tocotriénol, mais pas de tocophérols44.

1.5 Synthèse chimique

En raison de larges applications dans les industries pharmaceutiques, alimentaires et cosmétiques, environ 35 000 tonnes de vitamine E sont fabriquées par an dans le monde.45 L’all-rac-α-tocophérol, mélange équimolaire des huit stéréoisomères, est le produit le plus important industriellement et est préparé soit par synthèse totale, soit provient de sources naturelles. Il est principalement utilisé sous forme d’ester acétique. La synthèse industrielle comprend trois parties principales : la préparation de la 2,3,5-triméthylhydroquinone, la production du composant de la chaîne latérale et la réaction de condensation.45

Le RRR-α-tocophérol pur est préparé chimiquement par semi-synthèse. Les huiles végétales raffinées à grande échelle et isolées par une combinaison de plusieurs méthodes de séparation contiennent des mélanges de RRR-tocophérols, qui sont convertis en RRR-α-tocophérol par des réactions de perméthylation. Les efforts et les stratégies de synthèse des tocophérols et des tocotriénols ont été décrits en détail.45

1.6 Analyse

Les produits naturels contiennent des mélanges de tocophérols et de tocotriénols isomériques ainsi que des quantités mineures de tocomonoenols et de tocodienols. Ils sont métabolisés et oxydés pour produire de nombreux types de composés. Les échantillons biologiques contiennent des mélanges complexes d’isoformes de vitamine E et de leurs métabolites et produits d’oxydation. L’identification et la quantification des isoformes de la vitamine E et de leurs produits sont importantes pour élucider leur rôle et leurs fonctions. La préparation des échantillons est l’étape la plus longue et la plus importante de l’analyse, car elle constitue la principale source d’erreurs. De nombreuses méthodes d’analyse, notamment colorimétriques, fluorométriques, par chromatographie en phase gazeuse (CG), par chromatographie liquide à haute performance (CLHP),46 CG-SM,47 et CLHP-SM47,48 ont été rapportées (voir également le chapitre 2). En ce qui concerne les documents publics relatifs à la méthode de détermination quantitative de la vitamine E dans les ingrédients pharmaceutiques actifs, la Pharmacopée américaine et la Pharmacopée européenne adoptent la méthode GC, tandis que la Pharmacopée japonaise adopte la méthode HPLC. Chacune de ces méthodes a ses mérites et ses démérites. A l’heure actuelle, les méthodes HPLC sont les plus largement appliquées.

Les conditions HPLC pour l’analyse de la vitamine E ont été résumées dans plusieurs revues.46,47,49,50 La vitamine E et ses produits sont obtenus à partir de produits naturels, de matrices alimentaires et d’échantillons biologiques par extraction directe, extraction en phase solide et saponification. Il faut prendre soin d’éviter toute oxydation et décomposition artéfactuelles pendant la préparation des échantillons et l’analyse. L’utilisation d’une détection électrochimique (ampérométrique), fluorométrique (Ex. 290-295 nm, Em. 320-330 nm), ou MS est beaucoup plus sensible et spécifique que la détection UV conventionnelle. Le Tocol, 2-méthyl-2-(4,8,12-triméthyltridécyl)-6-chromanol, peut être le meilleur composé à utiliser comme étalon interne car ses caractéristiques sont similaires à celles de la vitamine E. L’acétate d’α-tocophérol marqué au deutérium est couramment utilisé comme étalon dans l’analyse MS. Dans la plupart des analyses de la vitamine E, l’ionisation chimique à pression atmosphérique (APCI) est utilisée en mode d’ionisation positive. On peut noter que la chromatographie en fluide supercritique utilisant le CO2 et l’éthanol comme phase mobile, le NH2 comme phase stationnaire, et la spectrométrie de masse pour la détection et la quantification des homologues de la vitamine E a été proposée comme une stratégie analytique plus « verte ».51,52

1.7 Fonctions et applications

La vitamine E est un micronutriment physiologiquement essentiel et a été appliquée dans divers domaines, notamment la médecine, la pharmacie, les cosmétiques et les aliments. On suppose que la vitamine E joue un rôle important dans la promotion de la santé et la prévention et/ou le traitement de certaines maladies et troubles. L’apport quotidien recommandé est de 15 mg (22,4 UI, unité internationale) pour les adultes .

De multiples fonctions de la vitamine E ont été démontrées ou proposées, notamment (1) antioxydant en piégeant les radicaux libres, en particulier les radicaux peroxyles, et l’oxygène singulet, (2) stabilisation de la membrane en formant des complexes avec des molécules déstabilisantes de manière à empêcher la perturbation de l’équilibre amphipathique au sein de la structure, (3) régulateur physiologique de l’activité enzymatique, de la signalisation cellulaire, (3) régulateur physiologique de l’activité enzymatique, de la signalisation cellulaire, de la prolifération cellulaire et de l’expression génétique, qui n’est pas directement lié à l’action antioxydante, (4) inhibition de la coagulation plaquettaire, (5) prévention de maladies, y compris les troubles neurologiques, les maladies cardiovasculaires, les lésions oculaires et cutanées liées à l’âge et l’infertilité, et (6) modificateur biocompatible de biomatériaux et de dispositifs médicaux, par exemple dans le polyéthylène de haut poids moléculaire utilisé dans les prothèses de hanche et de genou. Il a été avancé que les tocotriénols possèdent des effets positifs supplémentaires sur la santé, au-delà de ceux des tocophérols, y compris, par exemple, l’induction de réponses immunitaires et la réduction des taux de cholestérol sérique.53-55

Parmi ces fonctions, le rôle de la vitamine E en tant qu’antioxydant contre la peroxydation lipidique médiée par les radicaux libres a été démontré sans équivoque et il semble que ce soit la fonction physiologique la plus importante de cette vitamine. La vitamine E inhibe également l’oxydation de l’air des aliments, des huiles et des matériaux industriels afin de prolonger leur durée de vie. L’importance physiologique des autres fonctions qui ne sont pas liées à la fonction antioxydante doit être établie dans une étude future.

La vitamine E est largement utilisée comme complément alimentaire, seule ou avec d’autres micronutriments tels que la vitamine C, pour promouvoir la santé et réduire le risque ou prévenir les maladies qui sont supposées découler d’une modification oxydative préjudiciable des molécules biologiques. La vitamine E est utilisée pour enrichir certains aliments et boissons.

La carence en vitamine E est rare car les régimes alimentaires typiques semblent en fournir des quantités suffisantes, bien que la malnutrition et les troubles génétiques puissent entraîner une carence en vitamine E. Les bébés prématurés de très faible poids à la naissance pourraient présenter une carence en vitamine E. De plus, les personnes souffrant de troubles de malabsorption des graisses56 et de troubles héréditaires dans lesquels la protéine de transfert de l’α-tocophérol (α-TTP) du foie est défectueuse ou absente57 ou dans lesquels il existe des niveaux réduits de sélénoprotéines58 sont plus susceptibles de présenter une carence en vitamine E et de nécessiter des doses élevées de vitamine E supplémentaire.

Le rôle potentiel de la vitamine E contre les maladies parodontales59, la stéatohépatite non alcoolique60 et la sarcopénie61 a retenu l’attention. Un apport insuffisant en micronutriments (vitamines et phosphore) était significativement associé à la gravité de la maladie parodontale.62 Une revue systématique a montré une amélioration significative des paramètres parodontaux par la vitamine E et le lycopène.63 La vitamine E peut atténuer le dysfonctionnement du squelette associé à l’âge et renforcer la régénération musculaire, atténuant ainsi la sarcopénie64.

La vitamine E est également utilisée pour les matériaux biomédicaux. L’α-Tocophérol est mélangé à une membrane de dialyse pour la gestion clinique des patients hémodialysés chroniques afin d’améliorer la stabilité et les fonctions65. Le polyéthylène à ultra-haut poids moléculaire (UHMWPE) mélangé à la vitamine E a été développé comme matériau pour les prothèses totales de genou et de hanche.66 L’α-Tocophérol est accepté pour améliorer la résistance à l’oxydation tout en maintenant la résistance à l’usure et la résistance à la fatigue.

La faible solubilité dans l’eau de la vitamine E a grandement limité son application. Des recherches visant à améliorer l’encapsulation et les formulations orales et topiques de la vitamine E ont été largement menées et divers systèmes d’administration de la vitamine E ont été développés pour surmonter ce problème et améliorer la solubilité, la perméation et la biodisponibilité. Les liposomes,67 les nano-émulsions et les nanoparticules lipidiques68 en sont quelques exemples.69 L’ester de tocophéryle du polyéthylène glycol et le phosphate de tocophéryle sont solubles dans l’eau. Les conjugués polyéthylène des tocotriénols ont également été étudiés.28

Les polyphénols alimentaires tels que la quercétine sont convertis en dérivés glucoside et/ou sulfate, ou leurs dérivés O-méthyle, lors de l’absorption dans l’organisme, et se présentent sous la forme de ces métabolites conjugués dans le sang circulant. La formation des métabolites du tocophérol tels que les dérivés glucosidiques, sulfatés et O-méthyliques n’a pas été rapportée in vivo, mais le glucoside d’α-tocophérol a été synthétisé à partir du 2-hydroxyméthyl-2,5,7,8-tétraméthylchroman-6-ol et du maltose par transglycosylation avec l’α-glucosidase des espèces Saccharomyces70. Le produit glycosylé, le 2-(α-d-glucopyranosyl)méthyl-2,5,7,8-tétraméthylchroman-6-ol, est soluble dans l’eau et agit comme un antioxydant piégeur de radicaux.70,71 Le glucoside de δ-Tocophérol a été préparé et ses effets lors de son application topique sur la peau ont été étudiés.72

Une question importante est de savoir si chaque isoforme de la vitamine E exerce ou non sa propre fonction spécifique qui n’est pas partagée avec les autres isoformes. Il a été avancé que le tocotriénol exerce certaines fonctions que le tocophérol n’exerce pas, et que le tocophérol interfère avec ces fonctions du tocotriénol.42 Ces questions importantes doivent être clarifiées dans des études futures.

1.8 Stabilité

La vitamine E est stable à température ambiante, mais elle est facilement oxydée à haute température, sous la lumière ou dans un milieu alcalin. La friture est l’une des méthodes les plus courantes de préparation des aliments et pendant le processus de friture, généralement entre 160 et 190 °C, la vitamine E est oxydée pour donner des mélanges compliqués de produits, y compris le tocored (5,6-tocopheryldione) et des dimères que l’on suppose être formés par une recombinaison de radicaux tocophéroxyles. L’α-Tocophérol est oxydé en radical α-tocophéroxyle par des ions de métaux de transition tels que les ions ferriques (Fe3+) et les ions cuivriques (Cu2+).

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