L'hémoglobine Flashcards
Qu’est-ce que l’hémoglobine?
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.
L’hémoglobine 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.
Une autre fonction de l’hémoglobine est le transport du gaz carbonique (CO2) depuis les tissus jusqu’au poumon. 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.
Quelle est la structure de la globine?
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 la globine de l’hémoglobine A, la seconde paire est constituée par des chaînes bêta, et la formule est donc alpha 2-bêta 2. Pour l’hémoglobine foetale (hémoglobine F), la formule est alpha 2-gamma 2. La chaîne alpha est constituée de 141 acides aminés, tandis que la chaîne bêta en contient 146, ceux-ci étant reliés les uns aux autres par des liaisons peptidiques; c’est la structure primaire de la molécule.
Les chaînes ainsi formées s’enroulent sur elles-mêmes pour réaliser une structure secondaire qui comporte huit segments en spirale. 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 : c’est la structure tertiaire.
Enfin, la réunion des quatre chaînes polypeptidiques forme une molécule symétrique et globulaire : c’est la structure quaternaire.
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, tandis que les liaisons alpha 1-bêta 1 et alpha 2-bêta 2 sont plus fortes.
Qu’est-ce que l’hème?
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.
La porphyrine de l’hème est la protoporphyrine III, qui est constituée de quatre noyaux pyrrol à sommet azote, réunis par des ponts méthène (-CH =). Chacun des noyaux pyrrol est complété par deux chaînes latérales : groupements méthyl, vinyl, ou acide propionique.
Le tétrapyrrol forme une molécule plane, au centre de laquelle est situé l’atome de fer relié aux quatre azotes des noyaux pyrrol et gardant deux valences libres.
En quoi consiste les liaisons hème-chaîne polypeptidique?
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 d’une part par des liens établis entre les chaînes latérales de l’acide propionique de l’hème et le polypeptide, et 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”.
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.
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.
En quoi consiste la courbe de saturation en oxygène et quel est son lien avec la particularité ci-dessus?
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 .
Le caractère sigmoïdal de la courbe de saturation de l’hémoglobine 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 desquatre 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.
- Cela 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 ».
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.
Qu’est-ce que l’effet Bohr?
L’affinité de l’hémoglobine pour l’oxygène est influencée par le pH dans la zone de 6,0 à 8,5 : c’est l’effet Bohr.
Lorsque le pH diminue, l’affinité décroît, et inversement lorsque le pH augmente. L’effet Bohr a deux conséquences physiologiques avantageuses :
- 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;
- au poumon, l’élimination du CO2 relève le pH, accroissant de ce fait l’affinité de l’hémoglobine pour l’oxygène.
Quel est le rôle du 2, 3-DPG?
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.
Tel que l’illustre la figure 1, 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.
Grâce à cet ensemble de propriétés et d’interactions, l’hémoglobine réalise une performance physiologique remarquable : elle peut d’une part capter l’oxygène au poumon et d’autre part relarguer l’oxygène aux tissus périphériques moyennant des variations relativement faibles de la pression artérielle en oxygène, soit entre 100 et 40 mmHg normalement.
Il existe cinq globines normales qui apparaissent à tour de rôle au cours de l’ontogenèse humaine. Quelles sont-elles?
La plus importante est l’hémoglobine A (alpha 2-bêta 2) qui correspond à 97 à 99 % de l’hémoglobine totale chez l’adulte ou l’enfant âgé de plus de six mois. Toutefois, celle-ci est précédée ou accompagnée des autres hémoglobines qui apparaissent à tour de rôle au cours du développement embryonnaire et foetal.
Les hémoglobines Gower 1 et Gower 2, apparaissent tôt dans la vie embryonnaire, et leur rôle physiologique n’est pas encore élucidé.
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.
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.
Comment se fait la synthèse des globines normales?
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.
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.
Comment se fait la synthèse de l’hème?
L’hème de l’hémoglobine est synthétisé par les mitochondries des érythroblastes où toutes les enzymes nécessaires sont réunies. Les substrats d’amorce de la synthèse de l’hème sont la glycine et l’acide succinique à partir desquels une série de précurseurs intermédiaires sont synthétisés : les porphyrines. Ultimement, le fer est incorporé à la porphyrine terminale, produisant l’hème. La figure 5 indique les étapes biochimiques de la synthèse de l’hème .
La première étape aboutit à la formation de l’acide delta-aminolévulinique (ALA) par condensation de la glycine et du succinyl coenzyme A synthétisé à partir de l’acide succinique. Le noyau pyrrolique porphobilinogène est formé par la condensation de deux molécules d’acide delta-aminolévulinique, suite à quoi l’uroporphyrinogène est formé par condensation de quatre molécules de porphobilinogène.
L’uroporphyrinogène conduit soit à un catabolite éventuellement éliminé, l’uroporphyrine, soit à la synthèse de coproporphyrinogène par réactions de décarboxylation des chaînes latérales d’acide acétique sur chacun des noyaux pyrrol. Le protoprophyrinogène est ensuite formé à partir du coproporphyrinogène par oxydation des molécules d’acide propionique des chaînes latérales de deux des noyaux pyrroliques, cette réaction produisant des groupes vinyl.
Il existe une quinzaine d’isomères possibles du protoporphyrinogène, étant donné qu’il peut y avoir trois types distincts de chaînes latérales, soit les groupes méthyl, vinyl, et acide propionique. Les porphyrinogènes, mais non pas les porphyrines, sont des précurseurs physiologiques de la biosynthèse de l’hème. Ce sont des composés tétrapyrroliques incolores, qui toutefois sont facilement oxydés de façon irréversible en porphyrines. Une fois formées, les porphyrines ne peuvent pas être réduites à nouveau en porphyrinogène et sont conséquemment perdues pour la biosynthèse de l’hème, avec excrétion dans la bile et l’urine.
La seule exception est la protoporphyrine 9, qui est formée dans les conditions physiologiques à partir du protoporphyrinogène 9 (l’un des 15 isomères) et qui ensuite établit un lien chélateur avec un atome de fer sous l’action d’une enzyme, l’hème synthétase: la synthèse de la molécule d’hème est ainsi parachevée.
Comment se fait le catabolisme de l’hème?
En temps habituel, l’hémoglobine est dégradée au sein des cellules macrophages qui détruisent les érythrocytes parvenus au terme de leur existence. Dans un premier temps, l’hème se détache de la globine, et le fer est détaché du noyau tétrapyrrolique pour ensuite être réutilisé dans le cycle de l’érythropoïèse.
Le noyau tétrapyrrolique de l’hème est transformé sous l’action d’enzymes spécifiques dans les cellules macrophages, et il en résulte une série de pigments, dont l’un, la bilirubine libre, est finalement libérée dans le plasma où elle est transportée par l’albumine jusqu’aux cellules hépatiques.
La bilirubine libre, ou non conjuguée, est transformée en bilirubine conjuguée sous l’effet d’une enzyme hépatique, la glycuronyl-transférase qui lui fixe tour à tour deux molécules d’acide glycuronique. La bilirubine conjuguée est hydrosoluble, contrairement à son précurseur qui est liposoluble, et elle passe dans la bile où elle est soit éliminée dans les selles sous forme d’une série de dérivés dont le plus important est le stercobilinogène, soit réabsorbée à partir de la lumière intestinale, avec excrétion finale par l’urine sous forme d’urobiline.
Quel est le lien entre la bilirubine et le catabolisme de l’hème?
Le taux de bilirubine non conjuguée, normalement inférieur à 1 mg/dL, est proportionnel à la masse d’hémoglobine libérée par l’hémolyse : il augmentera donc en cas d’hyperhémolyse.
La capacité de glycurono-conjugaison hépatique, assez variable d’un sujet à l’autre, peut augmenter rapidement en cas d’hyperbilirubinémie libre (également appelée indirecte), ce qui peut, si l’augmentation de la glycurono-conjugaison est très importante, masquer une destruction érythrocytaire jusqu’à trois fois plus importante que le taux de destruction normal.
En l’absence d’anomalie hépatique, on ne trouve à l’état normal qu’une très faible quantité de bilirubine conjuguée (bilirubine directe) dans le sang.
La liposolubilité de la bilirubine non conjuguée fait qu’elle se fixe à l’albumine et aux substances lipidiques du système nerveux notamment; de là le danger de créer des lésions irréversibles du système nerveux central chez le nouveau-né si une hyperbilirubinémie libre importante se produit.
Qu’est-ce que l’hémolyse intravasculaire?
L’hémolyse intravasculaire est un phénomène pathologique, qui toutefois oblige l’organisme à mettre en jeu des mécanismes d’élimination et de catabolisme de l’hémoglobine qui doivent emprunter des voies biochimiques particulières. La libération de l’hémoglobine dans le plasma circulant conduit en premier lieu à la fixation de celle-ci par l’haptoglobine, une protéine qui a la capacité de fixer l’hémoglobine et de la transporter aux cellules macrophages, où le catabolisme se fait tel que décrit ci-dessus.
Comment le corps s’adapte-t-il lorsque toute l’haptoglobine est consommée lors d’une hémolyse intravasculaire?
Au cours de cette réaction, l’haptoglobine est consommée, parfois complètement. L’hémoglobine plasmatique libre résiduelle passe alors du plasma dans l’urine, franchissant assez aisément le glomérule et étant peu réabsorbée par les tubules rénaux.
Une autre partie de l’hémoglobine est oxydée en méthémoglobine et fixée sur l’albumine, produisant la méthémalbumine qui peut persister plusieurs jours en circulation.
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.
Quelles sont les principales anomalies constitutionnelles et acquises de l’hémoglobine?
Il existe
- des anomalies de la synthèse de la globine;
- des altérations du taux ou de l’interaction avec l’hémoglobine du 2, 3-DPG,
- des anomalies de la synthèse ou des modifications chimiques de l’hème.
Un indicateur indirect de la concentration du 2, 3-DPG érythrocytaire est la mesure de la P50 corrigée pour un pH de 7,4 une PCO2 de 40 mmHg et une température de 37°C. Expliquez pourquoi.
Une fois que l’on a tenu compte de la PCO2, du pH et de la température, il ne reste, à vrai dire, pour un type donné d’hémoglobine, que le 2, 3-DPG pour influencer de façon notable la courbe de dissociation de l’hémoglobine.
À ce moment les changements de la P50 sont dans le même sens et proportionnels aux changements de la concentration du 2, 3-DPG. Plus la concentration de DPG augmente, plus la P50 sera élevée, plus l’hémoglobine voudra se départir de son oxygène; à l’inverse, si le taux de DPG diminue, la P50 diminuera et l’hémoglobine deviendra plus avide d’oxygène.
