Hémoglobine

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Dernière mise à jour : 2016-02-01

1. Définitions

Hémoglobine et myoglobine sont des hétéroprotéines, c'est-à-dire qu'elles sont constituées d'une fraction protéique, ici la globine, et d'une fraction non protéique, l'hème. L'hème est responsable de la coloration en rouge de ces deux molécules, justifiant leur nom de chromoprotéines. Elles sont toutes deux responsables du transport de l'O2 en le fixant réversiblement. L'hémoglobine des globules rouges transporte l'oxygène des poumons aux tissus périphériques et dans le sens inverse, transporte le CO2 des tissus périphériques aux poumons. La myoglobine a une action similaire apportant l'oxygène aux muscles et y servant de réserve d'oxygène dans ce tissu.

2. Structure de l'hémoglobine et de la myoglobine

2.1. L'hème

C'est la fraction non protéique qui est un dérivé du noyau porphirinique, composé tétrapyrrolique. Ce noyau est issu de la synthèse par l'organisme des uroporphyrines puis coproporphyrines et enfin protoporphyrines. Celui-ci, dans l'hème, comporte un atome de fer ferreux Fe2+ et est substitué de 4 radicaux méthyles, 2 radicaux propionates chargés, 2 radicaux vinyles. Plusieurs dispositions sont donc possibles mais une seule sur 15 est retenue : l'isomère protoporphyrine IX .
Les protoporphyrines peuvent se lier, par leurs azotes, à des métaux, ici le fer ferreux. Ce sont donc également des métalloprotéines. Cet atome de fer est hexacoordinant : 4 liaisons de coordinence entre l'atome de fer et le noyaux porphyrine, 2 liaisons de coordinence libres.
L'héme oxydé est dit hématine.

2.2. La globine

C'est la partie protéique de la molécule. La myoglobine ne comporte qu'une seule chaîne de globine à 153 acides aminés. L'hémoglobine contient 4 chaînes de globines, on distingue :

Toutes trois à 146 acides aminés.
Il existe donc différentes combinaisons pour différentes hémoglobines humaines :

Bien d'autres possibilités existent donnant des hémoglobines anormales. Il peut s'agir d'une anomalie de répartition: 4 chaînes β pour l'hémoglobine H par exemple, responsable de mort in-utero. On peut également observer des anomalies de composition en acides aminés comme dans l'hémoglobine S responsable de la drépanocytose : l'acide glutamique en 6 de la chaîne β est remplacé par une valine.

2.3. Liaison Hème-globine

L'hémoglobine est constituée de 4 chaînes polypeptidiques chacunes liées à une molécule d'hème au sein d'une crevasse peptidique, la poche de l'hème.

2.3.1. En l'absence d'oxygène

Une des deux coordinences libres de l'atome de fer ferreux de l'hème va lier la fraction non protéique à une histidine, histidine proximale de la chaîne de globine ( His 87 chaîne α, His 92 chaîne β).
En plus de cette liaison fer-globine, d'autres liaisons vont stabiliser la structure :

La liaison hème-globine est donc forte sans être covalente.

En l'absence d'oxygène, l'atome de fer est attiré hors du plan du noyau protoporphyrine.

2.3.2. En présence d'oxygène

On retrouve l'atome de fer lié par sa cinquème coordinence à l'histidine proximale. La sixième coordinence, ici, va se lier à l'oxygène de la molécule de globine. En plus de cette liaison au fer, l'oxygène va également se fixer à la chaîne de c=globine par le biais d'une histidine, histidine distale (His 58 chaîne α et His 63 chaîne β). L'atome de fer est replacé dans le plan du noyau protoporphyrine.

Qu'il s'agisse de la chaîne α ou β de l'hémoglobine ou de la myoglobine, autant d'acides aminés (29) séparent histidine distale et histidine proximale. C'est la liaison histidine proximale-hème qui est responsable de la réversibilité de la liaison O2-hémoglobine. La liaison hémoglobine-O2 est la même dans l'hémoglobine que dans la myoglobine.
Donc d'un point de vue tridimensionnel, les chaînes α et β de l'hémoglobine sont similaires à celles de la myoglobine malgré des séquences aminoacides très différentes. Cependant, neuf positions sont invariables entre hémoglobine et myoglobine. Ces neufs aminoacides sont logiquement proches de l'hème pour sept d'entre eux, comme les histidines proximales et distales. On peut aussi relever que le caractére apolaire de la partie interne de chaque sous-unité est invariant.

2.4. Structure de l'hémoglobine

La cohérence entre les 4 chaînes de globine est assurée par des liaisons à faible énergie permettant l'établissement de la structure quaternaire de la molécule d'hémoglobine.

2.4.1. En absence d'oxygène

Le tétramère qu'est l'hémoglobine contient une diversité de contacts qui permet de définir deux dimères : α1β1 et α2β2. Les contacts entre ces deux dimères sont étroits : 34 acides aminés entrent en jeu.

Une absence de contact direct entre les chaînes β permet l'identification d'un espace comportant des résidus basiques au milieu de la molécule d'hémoglobine. Cet espace va accueillir une petite molécule acide: le 2,3-bisphosphoglycérate.
Il y a un 2,3-bisphosphoglycérate par hémoglobine qui va en consolider la structure.
Il a une importance non négligeable, élaboré spécifiquement au sein du globule rouge, il a un rôle déterminant dans la physiologie respiratoire...

2.4.2. En présence d'oxygène

Le 2,3-bisphosphoglycérate sera relâché.

3. Propriétés biologiques et fixations

3.1. Propriétés biologiques

Elles peuvent se combiner à plusieurs gaz selon deux façons :

L'hémoglobine peut aussi fixer de l'oxyde de carbone par le fer. Il est à savoir que l'affinité de l'hémoglobine est 250 fois plus importante pour le CO que pour l'oxygène, d'où la très forte toxicité de ce composé.

3.2. Etude de la fixation de l'oxygène

Seuls les pigments ferreux Fe2+ peuvent se lier aux gaz.
Lorsque l'hémoglobine passe d'un état ferreux à un état ferrique, on aboutit à une méthémoglobine dont la fixation à de l'oxygène est impossible.

4 molécules d'oxygène sont fixées par molécule d'hémoglobine, une par atome de fer. La myoglobine ne contient qu'un seul atome de fer donc qu'une seule molécule d'oxygène.
L'étude de la saturation de l'hémoglobine en fonction de la pression partielle en oxygène montre que la courbe obtenue est une sigmoïde (4 fixations progressives).
L'étude de la saturation de la myoglobine en fonction de la pression partielle en oxygène montre que la courbe est une hyperbole (une seule fixation simple et rapide).

L'hémoglobine possède une forte affinité pour l'oxygène au niveau pulmonaire car la pression partielle en oxygène y est élevée et l'hémoglobine est saturée en oxygène. A l'inverse, le fer a une faible affinité pour l'oxygène au niveau tissulaire et y relâche ses oxygènes. La myoglobine ne suit pas le même schéma, elle a une forte affinité pour l'oxygène au niveau tissulaire et met donc l'oxygène en réserve.

3.2.1. Interprétation des courbes de saturation sur le plan quantitatif

La P50 rend compte de l'affinité de la molécule pour l'oxygène. C'est la pression partielle en oxygène qui permet d'obtenir la 1/2 saturation de la molécule en oxygène. L'affinité de la myoglobine pour l'O2 est supérieure à celle de de l'hémoglobine pour l'O2. Cela se traduit par: P50 myoglobine < P50 hémoglobine.

Le n de Hill rend compte de la coopérativité entre sous-unités. Le "n" correspond au nombres de sites de fixation de l'oxygène (4 pour l'hémoglobine). Pour l'hémoglobine tétramérique humaine, il est basé sur l'équation: Hb + nO2 --> Hb(O2)n. Il a donc une valeur comprise entre 2,7 et 3,0.

L'environnement peut modifier l'affinité de l'hémoglobine pour l'oxygène. Une baisse du pH (de la concentration en 2,3-bisphosphoglycérate par exemple), en ions H+ (acydose par exemple) ou de la PCO2 feront baisser son affinité pour l'oxygène (soit une augmentation de la P50) en favorisant la structure T de la molécule.

3.2.2. Interprétation des courbes de saturation sur le plan qualitatif

L'oxygène se fixant sur l'hémoglobine se fixe sur un tétramère, on peut donc s'attendre à des structures quaternaires différentes. On distingue donc une forme T ou désoxy, forme contrainte et une forme R ou oxy, forme relâchée.
Ce sont les sous-unités α, en forme T, qui réagissent avec l'oxygène (poche de l'hème ouverte), les poches de l'hème des sous-unités β étant fermées. La fixation d'une molécule va remettre l'atome de fer dans le plan du noyau porphyrine et va écarter les deux chaînes α en rompant les liaisons non covalentes. Ainsi, 4 des 6 liaisons ioniques maintenant le tétramère dans la conformation quatrenaire T ont été rompues et induire la conformation R. Ceci aboutira à l'ouverture de la poche de l'hème des sous-unités β. Il se produit alors un rapprochement des chaînes β expulsant le 2,3-bisphosphoglycérate.

Ceci est un exemple de transconformation stérique et introduit la notion de coopérativité : la fixation d'une molécule d'oxygène sur un premier protomère modifie la structure spatiale de ce protomère, modification se propageant aux autres protomères.

En l'absence d'oxygène, l'hémoglobine présente une structure compacte T et une faible affinité pour l'oxygène.

En présence d'oxygène, l'hémoglobine présente une structure relachée R et une forte affinité pour l'oxygène.

La myoglobine, monomèrique, ne subit pas de transconformation stérique.


Commentaires

 

Bonsoir, concernant la phrase suivante, "L'environnement peut modifier l'affinité de l'hémoglobine pour l'oxygène. Une augmentation du pH (de la concentration en 2,3-bisphosphoglycérate par exemple), en ions H+ (...)" je pense qu'il y a une erreur : c'est une BAISSE de pH (cela est cohérent avec l'augmentation de 2,3-bisphosphoglycerate et des ions H+ qui sont acides.

ccclllaaaiiirrreee  (le 2010-01-27 21:23:10)PermalienProfil auteur
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