Hemoglobin Molecule: Structure and Function

La Molécule d'Hémoglobine

L'hémoglobine est une métalloprotéine globulaire complexe, essentielle au transport de l'oxygène dans le sang des vertébrés. Elle se compose de plusieurs sous-unités et d'un groupement hème contenant du fer.

1. Structure de la Molécule d'Hémoglobine

1.1. Introduction et Composition

Chez l'adulte, l'hémoglobine A est un hétérotétramère (α2β2) avec un poids moléculaire de 65 000 daltons. Elle est composée de deux sous-unités α-globine (141 acides aminés) et deux sous-unités β-globine (146 acides aminés). Chaque globine est associée à un groupement Hème, qui contient un atome de fer () capable de lier l'oxygène.

1.2. Chaînes α et β

Les chaînes α et β, bien que différentes dans leur séquence, ont des structures tertiaires similaires, chacune présentant huit hélices α droites (dénommées A à H) reliées par des segments ou coudes (par exemple, le coude GH relie l'hélice G à H). L'hème se loge spécifiquement entre les hélices E et F de chaque globine.

1.3. La Structure Tétramérique

L'assemblage tridimensionnel des sous-unités α et β forme une cavité centrale. Les fonctions sont assurées par des dimères fonctionnels :

• Un dimère fonctionnel α1-β1.

• Un dimère fonctionnel α2-β2.

Dans la structure quaternaire, la sous-unité α1 est en contact avec β2, et α2 avec β1. Ces contacts non-homologues (α1-β2 et α2-β1) impliquent une trentaine d'acides aminés et sont le lieu des mouvements de glissement et de rotation lors de la fixation de l'oxygène. Les contacts entre sous-unités homologues (ex: α1-α2) sont faibles.

La cavité centrale des chaînes β est stabilisée par le 2,3-diphosphoglycérate (2,3-DPG), un métabolite érythrocytaire, qui fixe l'hémoglobine en configuration désoxygénée (forme T).

1.4. L'Hème

Chaque sous-unité de globine est associée à un groupement hème, permettant à une molécule d'hémoglobine de fixer quatre molécules d'oxygène.

1.4.1. Caractéristiques et Composition

L'hème est une structure aromatique constituée d'une porphyrine (quatre noyaux pyrroles avec un atome d'azote et quatre atomes de carbone chacun) et d'un noyau de fer (). Les carbones périphériques sont substitués par des chaînes latérales reliant la porphyrine aux chaînes α et β de la protéine.

L'atome de fer est hexavalent (hexa-coordonné) :

• Quatre valences lient le fer aux atomes d'azote de la porphyrine.

• Une valence est liée à une histidine de l'hélice F (histidine proximale).

• La dernière valence est liée à une histidine de l'hélice E (histidine distale) et peut accueillir une molécule d'oxygène ().

1.4.2. Liaison Hème-Glob

ine en Absence d'O2

En l'absence d'oxygène, le de l'hème est lié à l'histidine proximale (Histidine 87 d'une chaîne α ou Histidine 92 d'une chaîne β). Cette liaison est solide, mais non-covalente. Des liaisons salines (entre le propionate de l'hème et un groupement aminé de lysine) et de Van der Waals (entre radicaux hydrophobes de l'hème et acides aminés de la globine) stabilisent la structure. L'atome de fer est alors légèrement attiré hors du plan du noyau de protoporphyrine.

1.4.3. Liaison Hème-Globine en Présence d'O2

En présence d'oxygène, la sixième valence du fer s'y lie. L'oxygène interagit également avec l'histidine distale (Histidine 58 sur α ou Histidine 63 sur β). L'atome de fer est alors replacé dans le plan du noyau porphyrique, rapprochant le fer de l'histidine proximale. Ce mouvement induit des modifications conformationnelles importantes qui sont à la base de la fonction oxyphorique de l'hémoglobine. La liaison histidine proximale-hème est responsable de la réversibilité de la liaison oxygène-hémoglobine.

1.5. Les Formes de l'Hémoglobine

1.5.1. Caractéristiques des Formes R et T

L'hémoglobine existe sous deux conformations principales, essentielles à son rôle de transporteur :

• La forme T (Tendue) : faible affinité pour l'oxygène, forte affinité pour le dioxyde de carbone. Stabilisée en l'absence d'oxygène ou lors d'un pH faible. La cavité centrale est plus grande.

• La forme R (Relâchée) : forte affinité pour l'oxygène, faible affinité pour le dioxyde de carbone. Stabilisée en présence d'oxygène ou lors d'un pH élevé. La cavité centrale est plus petite.

Ces formes sont en équilibre dynamique, dépendant du pH ambiant et de la présence d'oxygène. Lors du passage de la forme T à R, le 2,3-DPG est expulsé de la cavité centrale.

1.5.2. Spécificité de la Forme R

Dans la forme R (oxyhémoglobine), l'atome de fer est plus proche de l'histidine proximale, et est dans un état de bas spin (rayon ionique de 75 pm), étant décalé de seulement 10 pm par rapport au plan de l'hème. Ceci contraste avec la désoxyhémoglobine (forme T), où le fer est en haut spin (rayon ionique de 92 pm) et décalé d'environ 40 pm par rapport au plan de l'hème.

1.5.3. Fixation de l'Oxygène et Basculement entre Formes

La fixation d'oxygène provoque un changement conformationnel au niveau de l'hème et des chaînes de globine. Ce phénomène est coopératif et allostérique :

• La liaison d'une première molécule d'O2 à la forme T induit un changement qui augmente l'affinité des autres sous-unités pour l'oxygène. Les sous-unités adoptent progressivement la conformation R.

• Inversement, la libération d'O2 par la forme R entraîne une diminution progressive de l'affinité des sous-unités restantes, jusqu'à l'adoption de la forme T par l'ensemble de la protéine.

Ce mécanisme est responsable de la courbe de liaison de l'oxygène à l'hémoglobine, qui est sigmoïde, contrairement à une courbe hyperbolique si ce mécanisme n'existait pas.

Facteurs influençant les conformations :

• Forme T favorisée par : faible pH, forte concentration de , taux élevé de 2,3-DPG.

• Forme R favorisée par : pH intracellulaire élevé, faible pression partielle de , faible taux de 2,3-DPG.

2. Les Fonctions de la Molécule d'Hémoglobine

2.1. Transport de l'Oxygène

L'hémoglobine, contenue à 33% dans les globules rouges, est le principal transporteur d'oxygène. Elle capte l'oxygène au niveau des poumons (où la pression partielle d'oxygène est élevée) et le libère rapidement dans les tissus (où la pression partielle est faible) pour le métabolisme cellulaire. L'oxygène se fixe mieux sur une hématie déjà oxygénée et se libère plus facilement lorsque le globule rouge est peu oxygéné, facilitant un gradient de pression.

L'hémoglobine joue également un rôle accessoire dans le transport du dioxyde de carbone par carbamylation des groupements amines terminaux des chaînes de globine, et agit comme tampon de pH au sein des érythrocytes.

2.2. Régulation de l'Affinité de l'Hémoglobine pour l'Oxygène

La courbe de dissociation de l'oxygène, une

courbe sigmoïde, exprime le pourcentage d'O2 fixé en fonction de la pression partielle en oxygène (). Elle permet de définir la P50, la pression partielle d'oxygène à laquelle l'hémoglobine est saturée à 50%.

• Chez l'homme, une P50 normale est de mmHg.

• Une P50 ↓ signifie une affinité ↑ (déplacement de la courbe vers la gauche).

• Une P50 ↑ signifie une affinité ↓ (déplacement de la courbe vers la droite).

2.2.1. L'Effet Bohr

Le dioxyde de carbone () diminue l'affinité de l'hémoglobine pour l'oxygène en abaissant le pH. Le tissulaire pénètre dans le globule rouge où l'anhydrase carbonique le convertit en bicarbonate () et ions . Ces ions sont fixés par l'hémoglobine, stabilisant ainsi la forme désoxygénée (forme T). Une augmentation de la augmente la P50, diminuant l'affinité de l'hémoglobine pour l'oxygène.

L'acidification du milieu augmente l'ionisation des chaînes de globine et l'énergie des liaisons salines qui stabilisent la forme T.

2.2.2. Le Rôle du 2,3-DPG

Le 2,3-Diphosphoglycérate (2,3-DPG) est un phosphate organique anionique présent en forte concentration dans les érythrocytes. Il possède un carboxyle et deux fonctions acide phosphorique ionisées au pH des globules rouges.

• Il se loge au cœur du tétramère d'hémoglobine, dans la cavité centrale, et établit des liaisons ioniques avec les radicaux chargés négativement des sous-unités β.

• En raison de son encombrement stérique, le 2,3-DPG ne peut se loger que dans la forme T de l'hémoglobine, stabilisant cette forme. La transition vers la forme R l'expulse.

• La liaison 2,3-DPG-hémoglobine favorise le passage de l'hémoglobine à la forme désoxygénée.

• Il augmente la P50 et diminue l'affinité de l'hémoglobine pour l'oxygène. Le 2,3-DPG est également un coenzyme de la phosphoglycérate mutase dans la glycolyse.

3. La Génétique de la Molécule d'Hémoglobine

3.1. Principes Génétiques et Évolution Ontogénique

Il existe plusieurs formes d'hémoglobine au cours du développement humain, certaines pouvant coexister et se chevaucher.

1. Hémoglobine Embryonnaire

   Présente durant la période embryonnaire, elle inclut :

   • Gower 1 ()

   • Gower 2 ()

   • Portland ()

   Ces formes sont composées de chaînes ζ et α (type α-globine) et de chaînes ε (exclusives à cette période) et γ (retrouvées dans l'hémoglobine fœtale).

2. Hémoglobine Fœtale (Hb F)

   Avec une structure (), l'Hb F est exprimée dès la 5ème semaine de gestation et représente jusqu'à 90% de l'hémoglobine de la 10ème semaine à la naissance. La sous-unité γ existe sous deux formes proches, Aγ (Alanine en position 136) et Gγ (Glycine en position 136), avec un rapport Aγ/Gγ de 3/1 pendant la vie fœtale, évoluant vers 2/3 à la naissance.

   Peu avant la naissance (32-36 semaines de gestation), la synthèse des chaînes β adultes commence, au détriment des chaînes γ.

3. Périodes d'Évolution et Sites Hématopoïétiques

   L'érythropoïèse change de site au cours du développement :

   • Premières 8 semaines : cellules du sac vitellin.

   • 8-32 semaines : foie fœtal.

   • À partir de la 32ème semaine : moelle osseuse.

   • Autour de la naissance : la rate peut aussi être un organe hématopoïétique transitoire.

• Hémoglobine Adulte (Hb A)

  L'Hb A () est le constituant majeur chez l'adulte (plus de 80%). Elle comprend l'Hb A0 (forme principale) et l'Hb A1 (forme glyquée). Une autre forme mineure, l'Hb A2 (), représente 2,2 à 3,3% de l'hémoglobine adulte. L'Hb F persiste à l'état de traces (<1%) chez l'adulte, restreinte à certaines cellules appelées cellules F.

Taux d'hémoglobines principales en fonction du développement :

3.2. Organisation Chromosomique des Gènes de l'Hémoglobine

Les gènes codant les chaînes de globine sont situés sur différents chromosomes :

• Les gènes des α-globines (incluant ζ et α) sont situés sur le chromosome 16. Le locus α comprend les gènes α1, α2 (séquence codante identique pour la chaîne α) et ζ (chaîne ζ, homologue de α chez l'embryon). Il existe aussi des pseudogènes non fonctionnels (, , ).

• Les gènes des β-globines (incluant ε, A, G, δ, β) sont regroupés en un cluster sur le chromosome 11, du 5' au 3'.

Tous ces gènes sont composés de 3 exons et 2 introns. Dans la famille β, le second intron est plus long que le premier, tandis que dans la famille α, ils sont de taille similaire.

• L'HbA est codée par 4 exemplaires de gènes α, chacun responsable d'environ 25% de la synthèse des chaînes α.

• Les 2 exemplaires de gènes β sont chacun responsables d'environ 50% de la synthèse des chaînes β.

La régulation des gènes de globine implique une spécificité tissulaire et développementale, assurant une coordination pour maintenir les rapports stœchiométriques appropriés entre les chaînes α et β.

4. Les Hémoglobinopathies

4.1. Définitions et Causes

Les hémoglobinopathies sont des affections constitutionnelles de l'hémoglobine, pouvant causer des anémies hémolytiques. Plus de 1700 variants d'hémoglobine sont répertoriés, dont environ un tiers ont des répercussions cliniques.

Les formes sévères sont principalement répandues dans les régions impaludées, car les formes hétérozygotes de certaines hémoglobinopathies confèrent une protection contre le paludisme, exerçant une forte pression de sélection sur le gène humain. Les migrations de population ont étendu ces pathologies hors des zones endémiques.

4.2. Les Catégories d'Hémoglobinopathies

On distingue deux grandes catégories :

• Hémoglobinopathies avec anomalies de synthèse (thalassémies) : défaut quantitatif de production d'hémoglobine normale.

• Hémoglobinopathies avec anomalies de structure : défaut qualitatif avec production d'une hémoglobine anormale en quantité normale.

Les anomalies de structure les plus fréquentes affectent les chaînes β (plus rarement α, exceptionnellement γ ou δ), souvent par substitution d'un acide aminé. Les trois hémoglobinopathies les plus répandues mondialement (drépanocytose, hémoglobinose C, hémoglobinose E) sont toutes dues à la substitution d'un acide aminé dans les chaînes β de l'hémoglobine A.

Certaines pathologies peuvent, par ailleurs, présenter des caractéristiques des deux catégories.

4.3. La Drépanocytose

4.3.1. Caractéristiques Génétiques et Physiologiques

La drépanocytose, aussi appelée anémie falciforme ou Hémoglobinose S (HbS), est causée par la substitution de l'acide aminé acide glutamique par une valine en position 6 de la globine β.

À basse pression d'oxygène, la désoxyhémoglobine S polymérise et forme de grandes fibres à l'intérieur du globule rouge, déformant et fragilisant l'hématie (forme en faucille). D'autres facteurs comme la déshydratation des hématies, l'adhérence à l'endothélium vasculaire, l'inflammation et des anomalies du tonus vasculaire contribuent à la physiopathologie.

4.3.2. Répartition Géographique et Importance de la Maladie

Les principaux foyers de drépanocytose sont l'Afrique subsaharienne et l'arc arabo-indien. En raison de la traite négrière et des migrations, elle est également présente en Amérique (États-Unis, Brésil, Caraïbes), à Madagascar, au Moyen-Orient et dans le sud de l'Europe. En France, la drépanocytose est devenue la maladie génétique la plus fréquente, avec 15 000 patients en 2015.

• Prévalence du trait drépanocytaire : 15 à 25% en Afrique centrale et de l'Ouest, 10 à 12% aux Antilles françaises, 1 à 15% dans les régions méditerranéennes.

• L'espérance de vie d'un patient drépanocytaire dépend de la prise en charge et est plus élevée dans les pays développés (ex: 40-50 ans pour les cas sévères aux États-Unis).