L'hémoglobine

Question 1

Définir ce qu’est l’hémoglobine

Answer 1

L’hémoglobine est le véhicule moléculaire qui transporte l’oxygène dans le sang, le captant au poumon pour le libérer dans les tissus périphériques.

Il existe plusieurs variantes normales et anormales de l’hémoglobine chez l’humain, mais l’une d’elle, l’hémoglobine A, prédomine largement à l’état normal après la naissance

Question 2

Fonctions de l’hémoglobine

Answer 2

1 ) Transport O₂

2 ) Transport CO₂ du tissus aux poumons

• Une partie seulement du CO2, soit environ 40 %, est transportée de cette façon (le reste est transporté dans le plasma sous forme de bicarbonates).
• L’hémoglobine fixe le CO2 non pas sur les atomes de fer, mais sur des groupements aminés latéraux de la globine, constituant ainsi la carbhémoglobine ou carbaminohémoglobine.

Question 3

Structure: Décrire la structure générale de l’hémoglobine

Answer 3

• Est une protéine de 64 500 daltons
• Constituée de quatre chaînes polypeptidiques qui se combinent pour former un tétramère : la globine.
• À chacune des quatre chaînes de la globine est attachée une molécule d’hème : ce sont ces molécules d’hème qui fixent l’oxygène
• L’hème comporte en son centre un atome de fer ferreux (Fe++) qui fixe une molécule d’oxygène (O2).

Chaque molécule d’hémoglobine fixe donc quatre molécules d’oxygène et devient ainsi l’oxyhémoglobine.

Question 4

Structure: Décrire la globine pour l’hémoglobine A

Answer 4

• Les quatre chaînes polypeptidiques constituant la globine ne sont pas toutes identiques.
• Le tétramère de chaque molécule de globine est formé de deux paires de chaînes polypeptidiques différentes : une paire de chaînes alpha et une paire de chaînes non-alpha.
• Pour hémoglobine A: la seconde paire est constituée par des chaînes bêta, et la formule est donc alpha 2-bêta 2.

Structure primaire = liaisons peptidiques des chaînes alpha et bêta

• chaîne alpha = 141 aa
• chaîne bêta = 146 aa

Structure secondaire

• Les chaînes ainsi formées s’enroulent sur elles-mêmes pour réaliser une structure secondaire
• Comporte huit segments en spirale.

Structure tertiaire

• Ces structures hélicoïdales sont séparées les unes des autres par des segments non-hélicoïdaux au niveau desquels se font des coudures.
• Des liaisons de nature diverse entre les acides aminés mis en contact par les courbures de la molécule stabilisent celle-ci

Structure quaternaire = réunion des 4 chaînes polypeptidiques forme une molécule symétrique et globulaire

Question 5

Structure: Décrire les liaisons entre les sous-unités de la globine

Answer 5

Chacune des sous-unités établit des liaisons avec deux autres sous-unités : tel que l’illustre la figure 1:

• chaque chaîne alpha établit des liens avec les deux chaînes bêta, et de même chaque chaîne bêta établit des liaisons avec les deux chaînes alpha.
• Les liaisons alpha 1-bêta 2 et alpha 2-bêta 1 sont relativement peu nombreuses
• Les liaisons alpha 1-bêta 1 et alpha 2-bêta 2 sont plus fortes.

Question 6

Structure: Quelle est la formule de la globine de l’hémoglobine F?

Answer 6

Pour l’hémoglobine foetale (hémoglobine F), la formule est alpha 2-gamma 2.

Question 7

Définir ce qu’est l’hème et où est-elle synthétisée

Answer 7

L’hème est une porphyrine qui contient un atome de fer.

La majeure partie des molécules d’hème dans l’organisme sont synthétisées par les érythroblastes de la moelle osseuse pour compléter la molécule d’hémoglobine.

Toutefois, pratiquement tous les tissus sont capables de fabriquer l’hème, que l’on retrouve également dans les cytochromes, la catalase et d’autres enzymes respiratoires, de même que dans la myoglobine.

Question 8

Structure: Décrire la laison hème-chaîne polypeptidique

Answer 8

La structure tertiaire de chaque polypeptide de la globine ménage à sa surface une crevasse, appelée la “poche de l’hème”, dans laquelle se loge la molécule d’hème dont la configuration est plane.

L’attache de cette molécule à la chaîne polypeptidique se fait:

1. D’une part par des liens établis entre les chaînes latérales de l’acide propionique de l’hème et le polypeptide
2. D’autre part par les deux valences libres dont dispose l’atome de fer : l’une fixera directement le fer à la chaîne polypeptidique par un résidu histidine appelé résidu “proximal”, et l’autre intervient sur la face opposée de la molécule d’hème pour fixer une molécule d’oxygène. Par le truchement de cette dernière, le fer établit un lien secondaire avec un autre résidu histidine, le résidu “distal”

Question 9

Courbe de saturation: que doit posséder l’hémoglobine pour assurer avec la plus grande efficacité sa fonction physiologique essentielle?

Answer 9

Pour assumer avec la plus grande efficacité sa fonction physiologique essentielle, l’hémoglobine doit posséder une affinité pour l’oxygène ni insuffisante ni excessive : idéalement, elle doit capter avec la plus grande efficacité les molécules d’oxygène lors du passage du sang au poumon, mais aussi libérer avec empressement ces molécules d’oxygène lors du passage du sang dans les tissus périphériques.

Question 10

Courbe de saturation: Décrire sa forme et ce qu’elle représente

Answer 10

La courbe de saturation en oxygène de l’hémoglobine A en fonction de la pression artérielle en oxygène des capillaires pulmonaires et du sang artériel s’établit selon une sigmoïde très particulière qui assure le maximum d’efficacité tant pour la fixation dans les poumons que pour la libération dans les tissus périphériques

Question 11

Courbe de saturation: Différence entre myoglobine, hémoglobine A et hémoglobine F

Answer 11

En périphérie, l’oxygène peut être reçu par des capteurs protéiques : c’est le cas de la myoglobine et de l’hémoglobine foetale, qui toutes deux ont une affinité pour l’oxygène plus grande que celle de l’hémoglobine A

Question 12

Courbe de saturation: À quoi est dû le caractère sigmoïdale de la courbe?

Answer 12

Est dû à l’association de deux types de chaînes distinctes au sein de la molécule, alpha et bêta, et à l’interaction des sous-unités entre elles au cours du processus de fixation graduelle des quatre molécules d’oxygène.

• Lorsqu’une première molécule d’oxygène est fixée à un groupement hème, une rotation des chaînes bêta autour des chaînes alpha se produit, avec glissement des unes sur les autres qui augmente l’affinité des groupes hème résiduels pour l’oxygène.
• Ces déplacements intramoléculaires, qui surviennent au niveau des liaisons faibles entre les chaînes alpha et bêta, produisent une dilatation de l’ensemble à l’état désoxygéné, et une contraction à l’état oxygéné : la molécule « respire ».

Question 13

Courbe de saturation: En quoi le caractère sigmoidale est distinctif du tétramère hémoglobinique?

Answer 13

L’allure sigmoïdale de la courbe de saturation est une caractéristique distinctive du tétramère hémoglobinique : la myoglobine et les chaînes alpha ou bêta, lorsqu’étudiées isolément, ont une courbe de saturation de type hyperbolique.

Question 14

Décrire l’effet Bohr

Answer 14

L’affinité de l’hémoglobine pour l’oxygène est influencée par le pH dans la zone de 6,0 à 8,5 = effet Bohr

Lorsque le pH diminue, l’affinité décroît, et inversement lorsque le pH augmente.

L’effet Bohr a deux conséquences physiologiques avantageuses :

1) Dans les tissus périphériques, la baisse du pH due à la captation du CO2 réduit l’affinité de l’hémoglobine pour l’oxygène, facilitant ainsi le relargage
2) Au poumon, l’élimination du CO2 relève le pH, accroissant de ce fait l’affinité de l’hémoglobine pour l’oxygène.

Question 15

Qu’est-ce que le 2, 3-DPG?

Answer 15

Le 2, 3-DPG, ou l’anion 2, 3-diphosphoglycérate, est un produit intermédiaire de la glycolyse, qui se retrouve à concentration élevée dans les érythrocytes, soit environ 5 millimolaire, ce qui équivaut à la concentration normale du tétramère hémoglobinique dans les érythrocytes.

Ce polyanion est partiellement ionisé au pH physiologique.

Question 16

Décrire le rôle de la 2,3-DPG

Answer 16

• Il existe une poche centrale située entre les quatre chaînes polypeptidiques de la globine. Cette cavité joue un rôle important, puisqu’une molécule de 2, 3-DPG peut s’y fixer lorsque l’hémoglobine est à l’état désoxygéné.
• La combinaison de 2, 3-DPG à l’hémoglobine réduit de façon marquée l’affinité de celle-ci pour l’oxygène.
• Au cours de la fixation des molécules d’oxygène sur les quatre molécules d’hème, on assiste à une contraction de la poche centrale avec éventuellement expulsion du 2, 3-DPG ⇒ L’hémoglobine peut donc être considérée comme une protéine allostérique capable d’interactions avec deux molécules, l’oxygène et le 2, 3-DPG, qui en quelque sorte se font compétition à distance.
• Un déficit en 2, 3-DPG ou une mutation entraînant une anomalie de la poche centrale de l’hémoglobine, entraîne une affinité anormalement grande de celle-ci pour l’oxygène.
• Le 2, 3-DPG diminue donc sensiblement l’affinité de l’hémoglobine pour l’oxygène, déplaçant vers la droite la courbe de saturation en oxygène.

Question 17

Nommer les 5 globines qui apparaissent au cours de l’ontogénèse

Answer 17

• l’hémoglobine A (alpha 2-bêta 2): correspond à 97 à 99 % de l’hémoglobine totale chez l’adulte ou l’enfant âgé de plus de six mois
• Hémoglobine Gower 1
• Hémoglobine Gower 2
• Hémoglobine F
• Hémoglobine A2

Question 18

Hémoglobines Gower 1 et 2

Answer 18

Les hémoglobines Gower 1 et Gower 2, apparaissent tôt dans la vie embryonnaire, et leur rôle physiologique n’est pas encore élucidé.

Question 19

Hémoglobine F

Answer 19

• Ensuite, apparaît l’hémoglobine F ou foetale (alpha 2-gamma 2) dont l’affinité plus grande pour l’oxygène que celle de l’hémoglobine A est d’importance physiologique.
• L’hémoglobine foetale prédomine en cours de grossesse, mais sa synthèse est progressivement réprimée au profit de l’hémoglobine A en fin de gestation.
• Vers l’âge de six mois après la naissance, il ne persiste habituellement que 1 % environ d’hémoglobine F, mais il y a des individus qui font exception à cette règle.

Question 20

Hémoglobine A2

Answer 20

L’hémoglobine A2 ((alpha 2-delta 2) est présente chez l’adulte à l’état normal, à un taux de 1 à 3 % de l’hémoglobine totale, et elle aussi commence à être synthétisée en fin de gestation.

Question 21

Décrire la synthèse des globines normales

Answer 21

• La synthèse de chacune des chaînes polypeptidiques est contrôlée par autant de gènes.
• Les gènes alpha, fonctionnant en permanence, régisent la synthèse des chaînes alpha, lesquelles s’uniraient au hasard au deuxième type de chaîne disponible.
• Les chaînes bêta, gamma et delta ne diffèrent entre elles que par la nature d’un certain nombre d’acides aminés situés en des points précis de ces chaînes; elles sont “codées” par autant de gènes de structure distincts, situés sur un même chromosome.
• Les mécanismes exacts de régulation de la synthèse de ces diverses chaînes demeurent fort mal connus.
• On sait toutefois que le gène gamma, qui “code” pour la chaîne du même nom et donc régit la synthèse de l’hémoglobine F, cesse presque complètement de fonctionner au voisinage de la fin de la grossesse, tandis que les gènes bêta et delta commencent alors à fonctionner.

Question 22

Synthèse des globines normales: Mécanismes de régulation

Answer 22

À l’état normal, la synthèse des chaînes alpha et non-alpha est équilibrée, de telle sorte qu’il n’y a pas d’excès relatif des unes par rapport aux autres. Les mécanismes de régulation de cet équilibre sont très mal compris, mais on sait que l’hème stimule la synthèse des chaînes de globine.

Question 23

Anomalies: Nommer les différents types d’anomalies de l’hémoglobine

Answer 23

Les bases biochimiques de la biosynthèse et de la structure fonctionnelle de l’hémoglobine permettent de réduire les grands types d’anomalies constitutionnelles ou acquises qui conduiront soit à un dysfonctionnement de l’hémoglobine, soit à une anémie, soit au contraire à une polyglobulie.

Il existe:

a) des anomalies de la synthèse de la globine
b) des altérations du taux ou de l’interaction avec l’hémoglobine du 2, 3-DPG
c) des anomalies de la synthèse ou des modifications chimiques de l’hème

Question 24

Anomalies de la synthèse de la globine: Généralités

Answer 24

Au-delà de 200 variantes d’hémoglobine humaine de structure biochimique connue ont été rapportées. La majorité d’entre elles furent découvertes fortuitement, et ne causent pas de dysfonctionnement ou de maladie

. On réserve le terme d’hémoglobinopathies pour les hémoglobines anormales qui ont des répercussions physiopathologiques et cliniques.

La plupart des variantes de l’hémoglobine humaine sont produites par une mutation de gène qui conduit à une substitution d’un seul acide aminé quelque part sur l’une ou l’autre des chaînes polypeptidiques de l’hémoglobine humaine normale.

Question 25

Anomalies de la synthèse de la globine: Nommer les différentes conséquences

Answer 25

• hémoglobine instable
• déséquilibre du taux de synth;se
• anomalies qui vont modifier l’affinité pour l’oxygène
• anomalies de la poche centrale

Question 26

Anomalies de la synthèse de la globine: Conséquences

Hémoglobine instable

Answer 26

formera des précipités ou des cristaux dans certaines conditions in vivo, avec des répercussions sur la fonction de l’hémoglobine et sur la déformabilité érythrocytaire.

L’exemple type est l’anémie hémolytique à cellules falciformes, due à l’hémoglobine S (drépanocytose)

Question 27

Anomalies de la synthèse de la globine: Conséquences

Déséquilibre du taux de synthèse

Answer 27

Un déséquilibre du taux de synthèse des chaînes polypeptidiques alpha vs non-alpha, conduit à une déficience de la synthèse du tétramère

L’exemple type de cette anomalie est la thalassémie, où tantôt la chaîne alpha tantôt la chaîne non-alpha est synthétisée de façon insuffisante

Question 28

Anomalies de la synthèse de la globine: Conséquences

Anomalies qui modifient l’affinité

Answer 28

Des anomalies qui vont modifier en plus ou en moins l’affinité de l’hémoglobine pour l’oxygène, vraisemblablement dans la plupart des cas en entravant les glissements l’une sur l’autre des chaînes polypeptidiques qui se produisent au cours de la captation progressive de l’oxygène par les quatre molécules d’hème

Question 29

Anomalies de la synthèse de la globine: Conséquences

Anomalie de la poche centrale

Answer 29

Soit à une anomalie de la poche centrale de l’hémoglobine, conduisant à une déficience de l’interaction du tétramère avec la molécule de 2, 3-DPG. Elle peut s’observer lorsqu’il y a substitution d’un acide aminé au voisinage de la poche centrale.

Question 30

Anomalies par altération de l’interaction avec le 2, 3-DPG

Answer 30

Les modifications des taux intra-érythrocytaires du 2, 3-DPG peuvent être congénitales, mais elles sont presque toujours acquises, au cours des états d’hyperphosphatémie chronique notamment comme dans l’insuffisance rénale.

L’hyperphosphatémie conduit à une augmentation du taux de 2, 3-DPG intra-érythrocytaire, avec conséquemment une réduction de l’affinité de l’hémoglobine pour l’oxygène, ce qui constitue un mécanisme d’adaptation compensateur, étant donné l’anémie chronique importante dont souffre ces malades. Les modifications de l’interaction du 2, 3-DPG avec la globine sont secondaires à une anomalie de cette dernière.

Question 31

Anomalies constitutionnelles ou acquises de l’hème: Généralités

Answer 31

Il existe des déficiences habituellement acquises de la synthèse de l’hème, bien qu’une anomalie constitutionnelle, par carence enzymatique, est théoriquement possible.

Question 32

Anomalies constitutionnelles ou acquises de l’hème: Définir les porphyries

Answer 32

Les porphyries sont définies non pas par une diminution de la synthèse de l’hème, mais par une production excessive de porphyrines ou de certains de leurs précurseurs.

Ces perturbations sont vraisemblablement dues à des blocages partiels à l’une ou l’autre des étapes normales de la biosynthèse de l’hème, certaines des voies de compensation biochimique prenant la relève.

Question 33

Anomalies constitutionnelles ou acquises de l’hème: Les différents mécanismes

Answer 33

Diverses maladies constitutionnelles et plus souvent acquises provoquent l’oxydation de l’atome de fer, qui passe de l’état ferreux (Fe ++) à l’état ferrique (Fe +++):

• Cette oxydation du fer produit une forme de dénaturation de l’hémoglobine inapte au transport de l’oxygène : c’est la méthémoglobine. L’érythrocyte possède une panoplie d’enzymes qui assurent la retransformation permanente de la méthémoglobine produite normalement en hémoglobine fonctionnelle. Ces enzymes travaillent en collaboration avec le NADH et le NADPH réduits.

Il existe des méthémoglobinémies constitutionnelles qui sont dues à une déficience de l’une ou l’autre des enzymes réductrices, ou encore à une anomalie constitutionnelle de la globine (hémoglobine M).

• Dans ce dernier cas, il s’agit généralement d’une substitution d’un acide aminé au niveau de la poche de fixation de l’hème, et l’anomalie se situe habituellement au niveau de l’une des deux histidines dont la fonction a été expliquée.

Le fer de l’hème peut également être empêché de fixer l’oxygène parce qu’il est accaparé par d’autres molécules : l

• L’oxyde de carbone (CO), qui possède une affinité pour le fer beaucoup plus grande que celle de l’oxygène, forme la carboxyhémoglobine, laquelle est incapable de fixer l’oxygène.
• De même, certains dérivés du soufre produisent la sulfhémoglobine.