BIO/PHY - HEMOGLOBINE - MODULE 14

Question 1

Représenter et/ou décrire la molécule d’hémoglobine, faire le lien avec les différents niveaux
d’organisation structurale d’une protéine et les liaisons chimiques impliquées

Question 2

Définir les termes : hétéroprotéine, oligomérique, oxyhémoglobine, désoxyhémoglobine

Answer 2

La molécule d’hémoglobine est une hétéroprotéine car elle possède :
* une partie protéique, la globine, formée de quatre sous-unités polypeptidiques → 2 chaînes a
(a1 et a2) et deux chaînes b (b1 et b2) : l’hémoglobine a donc une structure quaternaire ;
* une partie prosthétique, non protéique, appelée hème, elle-même composée d’une molécule de
porphyrine et d’un atome de fer, qui permet de fixer une molécule de dioxygène (O2).
Chaque sous-unité protéique porte un noyau hème, donc une molécule d’hémoglobine contient 4 atomes
de fer → une molécule d’hémoglobine peut donc transporter 4 molécules de dioxygène.

L’hémoglobine possède une structure oligomérique, car constituée de 4 sous-unités polypeptidiques.

• l’oxyhémoglobine représente la molécule d’hémoglobine oxygénée, c’est à dire qui a fixé et
  transporte le dioxygène ;
• la désoxyhémoglobine représente la molécule d’hémoglobine désoxygénée, c’est à dire qui a cédé
  le dioxygène aux tissus.

Question 3

Présenter le catabolisme de l’hémoglobine, faire le lien avec sa structure

Answer 3

voir le schéma

Libération de l’hémoglobine : Lorsque les globules rouges subissent une hémolyse, l’hémoglobine, qui est la protéine responsable du transport de l’oxygène, est libérée dans le plasma.
Coloration du plasma : Le plasma sanguin prend une teinte rouge en raison de la présence d’hémoglobine.
Libération de composés intracellulaires : Outre l’hémoglobine, d’autres composés cellulaires, tels que les ions potassium, sont libérés dans le plasma.
Formation de bilirubine : L’hémoglobine libérée peut être métabolisée pour former de la bilirubine, qui est ensuite traitée par le foie.

Question 4

Citer les 3 rôles de l’hémoglobine

Answer 4

• la principale fonction de l’hémoglobine est sa capacité à capter l’oxygène au niveau des capillaires
  pulmonaires, de le transporter dans le sang, puis de le distribuer aux tissus ;
• elle transporte également une partie du CO2, des tissus jusqu’aux poumons, où il sera éliminé par
  expiration ;
• c’est une substance tampon : elle participe au maintien du pH plasmatique (voir cours sur
  l’équilibre acido-basique).

Question 5

Ecrire les équations représentant la fixation de l’O2 par l’hémoglobine

Answer 5

Hb + O2 ↔ HbO2
HbO2 + O2 ↔ Hb (O2)2
Hb (O2)2 + O2 ↔ Hb (O2)3
Hb (O2)3 + O2 ↔ Hb (O2)4
Hb + 4O2 ↔ Hb (O2)4

Question 6

Analyser une courbe représentant l’évolution de la saturation de l’hémoglobine en fonction de la PO2,
identifier les différentes zones sur la courbe

Answer 6

La relation entre la saturation de l’hémoglobine en dioxygène et la PO2 représente une sigmoïde, pour laquelle on peut décrire 2 zones :
* un plateau correspondant aux valeurs élevées de la PaO2 (pression alvéolaire) :
zone de forte pression partielle en dioxygène, l’affinité de l’hémoglobine pour le dioxygène y est très
forte → l’hémoglobine capte le dioxygène → sa saturation en O2 augmente ;
* une partie pentue correspondant aux valeurs de PO2 retrouvées au niveau tissulaire :
dans cette région de faible pression partielle en dioxygène, il y a une baisse de l’affinité de l’hémoglobine
pour le dioxygène ® Hb libère le dioxygène pour les tissus → sa saturation en O2 diminue.
L’hémoglobine assure donc : captation, transport et libération de l’oxygène.

Question 7

Définir puis présenter la coopérativité allostérique, montrer le lien entre la PO2 et les formes tendues
et relâchées

Answer 7

L’hémoglobine peut se trouver sous 2 conformations appelées forme tendue (T) et forme relâchée (R).
La forme T possède une affinité pour l’oxygène plus faible que la forme relâchée.
Lorsque la pression partielle en oxygène augmente, une 1ère sous-unité passe sous la forme R ® ce
changement se répercute sur les autres sous-unités qui à leur tour basculent de l’état tendu à l’état relâché.
On peut résumer cela en disant que l’oxygénation du premier monomère modifie les constantes d’affinité
des autres monomères pour l’oxygène : la liaison de l’oxygène sur le premier monomère accroît l’affinité du second, et ainsi de suite.
On dit qu’il y a phénomène de coopérativité allostérique.

Question 8

• Citer les différents facteurs qui modifient l’affinité de l’hémoglobine pour l’O2

Answer 8

• pH ;
• pression partielle en CO2 ;
• température ;
• 2,3 DPG (2,3 diphosphoglycérate)

(Lorsque le 2,3 DPG se lie à l’hémoglobine, il modifie la structure de cette dernière, réduisant ainsi son affinité pour l’oxygène. En d’autres termes, la présence de 2,3 DPG rend l’hémoglobine moins apte à se lier à l’oxygène. Cette modification de l’hémoglobine favorise le relâchement de l’oxygène au niveau des tissus où il est nécessaire.)

Question 9

Analyser des courbes représentant l’influence de différentes paramètres sur l’affinité de l’hémoglobine pour l’O2

Answer 9

L’affinité de l’hémoglobine pour l’oxygène diminue lorsque l’acidité augmente → donc l’hémoglobine libère
son oxygène pour les cellules.
La courbe se déplace vers la droite. C’est ce que l’on appelle l’effet Bohr.
Donc lors d’un exercice physique, la diminution du pH favorise ainsi la libération de grandes quantités
d’oxygène aux cellules musculaires, qui pourront alors l’utiliser pour le métabolisme aérobie.

Question 10

Montrer l’influence de la variation du pH, de la température et du CO2 sur l’affinité de l’hémoglobine

Answer 10

+ affinité augmente + Hb se dissocie de l’oxygène

+ la proportion de gaz carbonique augmente dans le sang + l’Hb relache l’oxygène

+ la témpérature du sang augmente et + l’Hb relache l’oxygène

Question 11

Faire des liens avec le fonctionnement musculaire lors de l’effort physique

Answer 11

Donc lors d’un exercice physique, la diminution du pH favorise ainsi la libération de grandes quantités
d’oxygène aux cellules musculaires, qui pourront alors l’utiliser pour le métabolisme aérobie.

Donc lors d’un exercice physique, la production accrue de CO2 par le métabolisme énergétique (cycle de
Krebs) favorise la libération de grandes quantités d’oxygène aux cellules musculaires, qui pourront alors
l’utiliser pour leur métabolisme énergétique.

Question 12

Écrire la glycolyse et le cycle de Krebs

Answer 12

à faire

Question 13

Définir la phosphorylation oxydative puis montrer le rôle du dioxygène dans son fonctionnement

Answer 13

Rôle : accepteur final d’élétron

Question 14

Présenter l’origine du 2,3 DPG puis montrer son influence sur l’affinité de l’hémoglobine pour l’O2 et
les conséquences sur l’oxygénation des tissus

Answer 14

Le 2,3 DPG est formé dans les globules rouges lors de la glycolyse à partir du 1,3 diphosphoglycérate, grâce à la biphosphoglycérate mutase. Ce ligand de l’hémoglobine diminue son affinité pour l’oxygène.

La liaison entre le 2,3 DPG et l’hémoglobine favorise le passage de l’oxyhémoglobine à la désoxyhémoglobine :
[ \text{HbO}_2 + 2,3 \text{DPG} \leftrightarrow \text{Hb-2,3 DPG} + \text{O}_2 ]

Cette liaison augmente lorsque la pression partielle en oxygène est faible, facilitant la libération d’oxygène dans les tissus actifs.

En résumé, l’augmentation de la température, des ions H+ (diminution du pH), de la pression en CO2 et de la concentration en 2,3 DPG déplace la courbe de saturation de l’hémoglobine vers la droite, augmentant la libération d’oxygène.

Question 15

Expliquer pourquoi l’intoxication au monoxyde de carbone est très dangereuse

Answer 15

La capacité de l’hémoglobine à fixer l’oxygène peut être compromise par d’autres molécules, pour lesquelles
son affinité est supérieure à celle de l’oxygène.
C’est le cas du monoxyde de carbone (CO), même à des concentrations très faibles. Lors d’une intoxication
au monoxyde de carbone, la vie peut être rapidement mise en danger par le manque d’oxygène au niveau
des tissus.
Affinité de l’hémoglobine :
+++ pour O2 ++++++ pour le monoxyde de carbone
Dans ce cas, le monoxyde de carbone prend la place de l’oxygène dans les alvéoles pulmonaires, celui-ci
n’est plus transporté ce qui ne permet plus aux cellules d’assurer leur métabolisme énergétique.

Question 16

Présenter la différence entre l’hémoglobine adulte et foetale, justifier l’intérêt fonctionnel

Answer 16

L’hémoglobine foetale présente une plus grande affinité pour l’oxygène que l’hémoglobine de l’adulte. En
effet, l’hémoglobine foetale fixe moins bien le 2,3 DPG.
® permet le passage de l’O2 du sang de la mère vers celui du foetus, à travers le placenta (voir cours
reproduction), ceci étant facilité par le gradient de pression en O2.

Question 17

Présenter la structure de la myoglobine, citer sa fonction

Answer 17

L’hémoglobine est une protéine de transport du dioxygène dans le sang alors que la myoglobine est une
protéine de transport et de stockage du dioxygène dans les muscles squelettiques et le myocarde.
Elle n’est constituée que d’une seule sous-unité, c’est un monomère, sa structure est tertiaire. Il y a un seul
hème avec en son centre un ion Fe2+. Elle ne présente donc aucun phénomène de coopérativité.

Question 18

Mettre en relation sa structure et sa fonction

Answer 18

L’hémoglobine est une protéine essentielle du sang, jouant un rôle crucial dans le transport de l’oxygène. Sa fonction est intimement liée à sa structure. Voici comment structure et fonction sont liées :

• Protéine tétramérique : L’hémoglobine est composée de quatre sous-unités (deux chaînes alpha et deux chaînes bêta dans l’hémoglobine adulte). Chaque sous-unité est une protéine globulaire.
• Groupes hèmes : Chaque sous-unité contient un groupe hème, qui est une structure complexe formée d’un anneau porphyrine avec un atome de fer (Fe²⁺) au centre. Le fer est capable de se lier réversiblement à une molécule d’oxygène (O₂).
• Sites de liaison à l’oxygène : Chaque molécule d’hémoglobine peut ainsi fixer jusqu’à quatre molécules d’oxygène, un par groupe hème.

• Transport de l’oxygène : L’hémoglobine transporte l’oxygène des poumons vers les tissus. Sa capacité à lier et relâcher l’oxygène dépend de la pression partielle d’oxygène (pO₂) dans l’environnement.
• Transport du dioxyde de carbone : Outre l’oxygène, l’hémoglobine aide également à transporter une partie du dioxyde de carbone (CO₂) des tissus vers les poumons pour être expiré.

• Coopérativité allostérique : L’une des propriétés remarquables de l’hémoglobine est sa coopérativité. Lorsqu’une molécule d’oxygène se lie à l’un des groupes hèmes, la structure de l’hémoglobine change légèrement, facilitant la liaison des autres molécules d’oxygène aux autres groupes hèmes. Cette modification allostérique permet une liaison plus facile des molécules d’oxygène successives, augmentant ainsi l’efficacité du transport de l’oxygène.
• Effet Bohr : L’affinité de l’hémoglobine pour l’oxygène est influencée par le pH et la concentration en CO₂. Dans des environnements plus acides (comme les tissus actifs où le CO₂ est élevé), l’hémoglobine relâche plus facilement l’oxygène. Ce mécanisme est crucial pour la libération d’oxygène dans les tissus qui en ont le plus besoin.
• Formes T et R : L’hémoglobine a deux conformations principales :
  
  • T (tendue) : Faible affinité pour l’oxygène, favorisée dans les tissus, facilitant la libération d’oxygène.
  • R (relâchée) : Forte affinité pour l’oxygène, favorisée dans les poumons, facilitant la capture d’oxygène.

• Les mutations dans la structure de l’hémoglobine peuvent affecter sa fonction. Par exemple, dans la drépanocytose (anémie falciforme), une mutation dans la chaîne bêta provoque une déformation des globules rouges, réduisant leur capacité à transporter l’oxygène.

En résumé, la structure quaternaire complexe et la dynamique allostérique de l’hémoglobine sont parfaitement adaptées à sa fonction de transport réversible de l’oxygène et du dioxyde de carbone, garantissant un approvisionnement efficace en oxygène aux tissus et l’évacuation des déchets.

Question 19

Comparer hémoglobine et myoglobine

Answer 19

Myoglobine vs Hémoglobine
.1 ss unité -> monomère structure tertiaire vs 4 ss unités -> teramère structure quaternaire
.Aucun phénomène de coopérativité vs phénomène coopérativité
.Courbe en forme d’hyperbole vs courbe en forme de sigmoide
.Stockage intracellulaire de l’O2 vs transport de l’O2 et CO2
.Libération d’O2 + rapide mais + tardive vs libération d’O2 continue et progressive

Question 20

Décrire l’allure d’une courbe sigmoïde et d’une hyperbole

Answer 20

Une courbe sigmoïde a une forme en S caractéristique et est souvent utilisée pour décrire des processus de croissance ou de saturation.

Une courbe hyperbolique est une courbe en forme de U renversé.

Question 21

Expliquer pourquoi la myoglobine conviendrait mal au transport du dioxygène dans le plasma.

Answer 21

Localisation cellulaire : La myoglobine se trouve principalement à l’intérieur des cellules musculaires. Elle est conçue pour stocker l’oxygène au sein des muscles, favorisant ainsi l’approvisionnement en oxygène au niveau cellulaire. Elle n’est pas structurée pour faciliter le transport de l’oxygène à travers le plasma sanguin.

Taille et structure : La myoglobine est une protéine relativement grande et complexe. Elle n’est pas adaptée au transport efficace de grandes quantités d’oxygène dans la circulation sanguine. Les protéines spécialisées dans le transport de l’oxygène dans le plasma, comme l’hémoglobine, ont une structure spécifique qui leur permet de lier l’oxygène de manière réversible et de le transporter efficacement.

Affinité pour l’oxygène : La myoglobine a une forte affinité pour l’oxygène, mais elle ne libère pas facilement cet oxygène une fois qu’elle l’a capté. Cela rend difficile la fourniture d’oxygène aux tissus qui en ont besoin. Les protéines comme l’hémoglobine, qui présente une affinité modérée et une libération régulée de l’oxygène, sont mieux adaptées au transport systémique.

Question 22

Définition de l’hémoglobine

Answer 22

L’hémoglobine (Hb) est le principal composant des hématies. C’est une protéine contenant du fer, dont la
principale fonction est le transport des gaz respiratoires, notamment le dioxygène, à l’intérieur des globules
rouges.