Hémoglobine : Structure, Fonction, Évolution

L'Hémoglobine : Structure, Fonction et Pathologies

L'hémoglobine (Hb) est une hétéroprotéine fondamentale, principalement responsable du transport de l'oxygène dans le sang des vertébrés. Elle est localisée dans les érythrocytes (globules rouges) et joue un rôle crucial dans le maintien de l'homéostasie des gaz sanguins.

1. Évolution et Transport de l'Oxygène

1.1. Nécessité d'un Transport Spécialisé

Dans les organismes simples, l'oxygène est acheminé aux organites par simple diffusion, un processus suffisant pour leurs besoins métaboliques limités. Cependant, à mesure que les organismes deviennent plus complexes et leur taille augmente, la diffusion simple devient insuffisante pour répondre aux exigences en oxygène des tissus éloignés.

• Chez les vers de terre et les organismes plus évolués, des protéines spécialisées ont émergé pour capter et transporter l'oxygène.
• La faible solubilité de l'O₂ dans le plasma sanguin (environ ) rend le transport par diffusion inefficace. Sans hémoglobine, la capacité de transport serait très limitée.
• Grâce à l'hémoglobine, le sang peut transporter une quantité d'O₂ significativement plus élevée, atteignant jusqu'à .
• Le transport d'oxygène chez l'humain est d'environ , soit , une performance rendue possible par l'efficacité de l'hémoglobine.

1.2. Évolution Phylogénétique des Globines

La super-famille des protéines des globines, à laquelle appartient également la myoglobine, a une longue histoire évolutive :

• Il y a environ 650 millions d'années, une divergence s'est produite entre les hémoglobines des invertébrés et celles des vertébrés.
• Il y a environ 450 millions d'années, une autre divergence importante a séparé les gènes codant pour les chaînes et .
• Les gènes des différentes chaînes de globine sont localisés sur des chromosomes spécifiques : les gènes sur le chromosome 11 et les gènes sur le chromosome 16.
• Les ancêtres des globines sont apparus il y a plusieurs milliards d'années.

2. Organisation des Cellules de Transport de l'Oxygène et du Fer

2.1. Les Globules Rouges et l'Hémoglobine

• Chaque globule rouge contient environ 280 millions de molécules d'hémoglobine.
• La concentration sanguine en hémoglobine est d'environ 150 g/L, ce qui représente environ 750 g d'hémoglobine par organisme humain.
• La durée de vie d'un globule rouge est d'environ 120 jours.

2.2. Métabolisme du Fer

Le fer est un composant essentiel de l'hème et son métabolisme est finement régulé.

2.2.1. Transport du Fer

• Après la lyse des globules rouges sénescents, le fer est recyclé.
• La transferrine est la protéine de transport du fer dans le sang. Chaque molécule de transferrine possède deux sites de fixation et peut transporter deux atomes de fer ferrique ().

2.2.2. Stockage Cellulaire du Fer

• La ferritine est la protéine de stockage du fer à l'intérieur des cellules. Elle est de structure quaternaire, composée de 24 chaînes de deux types principaux :
  • Chaîne L (Liver) : 19 kDa
  • Chaîne H (Heart) : 22 kDa
• Ces deux chaînes sont phylogénétiquement proches.
• Chaque molécule de ferritine peut fixer environ 4500 atomes de fer sous forme ferrique ().

2.2.3. Bilan Martial

L'exploration du métabolisme du fer, ou bilan martial, implique le dosage du fer sérique, de la transferrine et de la ferritine. On peut également calculer le coefficient de saturation de la transferrine afin d'évaluer l'état des réserves en fer de l'organisme.

3. Expression des Différentes Formes de Chaînes de Globine

3.1. Organisation Génomique

Les gènes des chaînes de globine sont regroupés en deux clusters sur deux chromosomes différents :

• Les gènes du groupe (codant pour les chaînes de type A) sont sur le chromosome 16. On trouve deux loci pour les chaînes (
  `alpha1` et `alpha2`).
• Les gènes du groupe (codant pour les chaînes de type B) sont sur le chromosome 11.
• Chez les poissons et les grenouilles, tous les gènes sont sur le même chromosome.
• L'ordre des gènes est toujours le même et il est lié à leur expression chronologique durant l'embryogenèse.
• Un pseudogène est une copie d'un gène fonctionnel qui a perdu son activité en raison de mutations ou de délétions.

3.2. Hémoglobines au Cours du Développement

L'expression des chaînes de globine varie significativement au cours du développement :

Chronologie d'expression :

• Embryogenèse précoce : Les chaînes (chromosome 16) et (chromosome 11) sont exprimées. Les hémoglobines Gower 1, Gower 2 et Portland sont prédominantes.
• Vie fœtale : Les chaînes disparaissent à la naissance. Les chaînes commencent à être synthétisées et s'associent aux chaînes pour former l'hémoglobine F (fœtale). L'HbF a une affinité plus élevée pour l'O₂ que l'HbA adulte, essentielle pour le transfert d'O₂ de la mère au fœtus.
• Naissance et vie adulte : Les chaînes sont progressivement remplacées par les chaînes , formant l'hémoglobine A (adulte) (). Une faible quantité d'hémoglobine () est également présente. L'expression des chaînes est faible comparativement à celle des chaînes .

3.3. Hématopoïèse

• Au cours de l'embryogenèse, le foie est le principal organe hématopoïétique.
• Ensuite, la rate prend le relais.
• Après la naissance, la moelle osseuse devient l'organe exclusif de l'hématopoïèse, sauf en cas de pathologies où la rate peut reprendre ce rôle.

4. Structure de l'Hémoglobine et de la Myoglobine

4.1. Hème et Globine

La myoglobine et l'hémoglobine sont des hétéroprotéines, c'est-à-dire qu'elles sont composées d'une chaîne protéique (globine) et d'un groupement non protéique (l'hème) qui lie l'oxygène. L'hème est un noyau tétrapyrolique qui contient un atome de fer ferreux ().

• Hème : Fer ferreux () + Protoporphyrine IX. C'est l'hème qui donne la couleur caractéristique de ces protéines.
• La protoporphyrine IX est un noyau tétrapyrollique composé de quatre hétérocycles.
• Le fer possède 4 points d'ancrage aux atomes d'azote des pyrroles de la protoporphyrine IX.
• Il possède également deux possibilités supplémentaires de coordination : les cinquième et sixième positions de coordination.
• La liaison entre le fer et l'histidine F8 (His93) est une liaison covalente dative.
• Les groupements propionates de l'hème sont exposés à la surface de la molécule d'hémoglobine.

L'organisation spatiale de la myoglobine et des chaînes et de l'hémoglobine est très similaire, malgré une homologie en acides aminés relativement faible (< 50%). Cela suggère une forte conservation structurelle plutôt que séquentielle pour leur fonction. Certains acides aminés sont cependant invariants, indiquant leur importance fonctionnelle.

4.2. Protéines Globulaires

Les globines sont des protéines globulaires caractérisées par :

• 8 hélices (75% des acides aminés) pour les chaînes et la myoglobine. Les chaînes n'ont que 7 hélices (absence de l'hélice D).
• La composition en acides aminés révèle :
  • Des acides aminés chargés exposés à la surface, permettant l'interaction avec le milieu aqueux.
  • Une crypte apolaire contenant l'hème, où les acides aminés apolaires favorisent les mouvements d'électrons essentiels à la fixation de l'oxygène.

4.3. Myoglobine (Mb)

• C'est une protéine monomérique (chaîne unique).
• Elle est composée de 153 acides aminés.
• Sa masse moléculaire est de 16 700 Daltons.
• Sa structure est une "sphère elliptique" d'environ .
• Elle possède 8 hélices (nommées A-H à partir de l'extrémité N-terminale).
• Elle est présente dans les muscles squelettiques et cardiaques (et de manière limitée dans les muscles blancs).
• Sa concentration est élevée chez les mammifères marins (phoques, baleines) pour le stockage d'O₂ lors des plongées prolongées.
• Histidine F8 (His93) : Permet la liaison directe de l'hème à la chaîne de globine.
• Histidine E7 (His64) : Est cruciale pour la spécificité de liaison de l'oxygène. Elle "masque" l'accès à l'hème, augmentant l'affinité pour l'O₂ tout en diminuant l'affinité pour d'autres molécules potentiellement toxiques comme le CO. L'histidine E7 crée d'ailleurs un angle de liaison pour l'oxygène et le CO, ce qui réduit l'affinité du CO.
• La myoglobine fixe l'oxygène avec une cinétique de type michaelienne, saturant rapidement aux faibles pressions partielles d'O₂.
• La myoglobine assure la libération d'O₂ dans les tissus et le transfert d'O₂ de l'hémoglobine vers les cellules musculaires.

4.4. Hémoglobine (Hb)

• C'est une protéine tétramérique, composée de deux chaînes et deux chaînes (pour l'HbA adulte).
• La chaîne est composée de 141 résidus.
• La chaîne est composée de 146 résidus.
• Le tétramère a une structure sphéroïde d'environ .
• Les interactions entre les sous-unités sont essentielles pour la fonction coopérative :
  • L'interaction implique environ 35 acides aminés.
  • L'interaction implique environ 19 acides aminés.
• Ces interactions sont principalement hydrophobes, avec quelques liaisons hydrogènes et ioniques.
• Les gènes des globines sont organisés en unités fonctionnelles modulaires. Par exemple, l'exon 4 code principalement pour les interactions .

4.5. Hème : Liaison de l'Oxygène

• L'atome de fer de l'hème est initialement légèrement en dehors du plan de la protoporphyrine IX (environ ).
• Lors de la fixation de l'O₂ sur le , l'atome de fer se déplace pour s'inscrire dans le plan de la protoporphyrine IX. Ce mouvement du fer est le déclencheur d'un changement conformationnel majeur.
• Ce déplacement du fer entraîne l'Histidine F8 à laquelle il est lié, puis l'hélice F, et par conséquent l'ensemble de la sous-unité, et finalement l'ensemble du tétramère.

5. Fonctions de l'Hémoglobine

5.1. Transport de l'Oxygène : Coopérativité et Effet Allostérique

L'hémoglobine est la forme principale de transport du dioxygène dans le sang. Un gramme d'Hb peut fixer entre et d'O₂.

• L'Hb est une protéine allostérique : la fixation d'une molécule d'O₂ sur un site hème augmente l'affinité des autres sites pour l'O₂. C'est la coopérativité.
• Ce mécanisme se traduit par une courbe de dissociation sigmoïde de l'oxygène pour l'hémoglobine, contrairement à la courbe hyperbolique de la myoglobine.
• Grâce à la coopérativité, l'Hb est saturée à 96% dans les capillaires pulmonaires (où la est élevée) et ne libère que 8% de son O₂ en l'absence de 2,3-BPG dans les capillaires tissulaires (où la est basse), laissant l'Hb saturée à 64% pour le transport du CO₂ et des protons. Ce changement de conformation est un mouvement de glissement et de rotation des chaînes entre elles.

5.1.1. Équation de Hill

L'équation de Hill décrit bien la cinétique de fixation de l'oxygène pour une protéine allostérique comme l'hémoglobine :

Où :

• est la fraction des sites occupés.
• est la concentration du ligand ().
• est une constante.
• est le coefficient de Hill, qui reflète le degré de coopérativité. Pour l'Hb, varie entre 2,4 et 2,9, indiquant une forte coopérativité.

On utilise souvent une forme linéarisée : , ou simplement .

La est la pression partielle d'O₂ à laquelle l'hémoglobine est saturée à 50%. Sa valeur standard est de . Cette valeur est modulée in vivo par la température, la et le pH.

5.2. Formes Conformationnelles : T (tendue) et R (relâchée)

L'hémoglobine existe sous au moins deux formes conformationnelles principales :

• Forme T (Tense) : Désoxyhémoglobine
  • C'est la forme avec une faible affinité pour l'O₂.
  • Elle est stabilisée par un réseau de ponts salins nombreux entre les sous-unités et .
  • La valine E11 de la chaîne peut empêcher la fixation de l'O₂ sur le .
  • Le 2,3-BPG se fixe préférentiellement à la forme T, diminuant ainsi son affinité pour l'O₂.
• Forme R (Relaxed) : Oxyhémoglobine
  • C'est la forme avec une haute affinité pour l'O₂ (environ 500 fois supérieure à la forme T).
  • Elle est caractérisée par un site de fixation de l'O₂ plus "ouvert".
  • La transition de la forme T à la forme R implique une rotation de des sous-unités les unes par rapport aux autres, ce qui rompt les ponts salins et expulse le 2,3-BPG de la cavité centrale.

5.3. Effets Allostériques : Baisse de l'Affinité pour l'Oxygène

Plusieurs facteurs allostériques diminuent l'affinité de l'hémoglobine pour l'oxygène et favorisent sa libération dans les tissus qui en ont besoin (tissus métaboliquement actifs).

5.3.1. Effet Bohr (pH et )

• L'augmentation de la concentration en ions H⁺ (baisse du pH) diminue l'affinité de l'hémoglobine pour l'O₂.
• Ce n'est pas l'inverse de l'effet Bohr, mais plutôt que la désoxygénation de l'Hb favorise la fixation des protons et le transport du .
• Les ions H⁺ se fixent sur certains acides aminés spécifiques de l'hémoglobine, ce qui stabilise la forme T et favorise la libération d'O₂.
• La production de dans les tissus est liée à la chaîne respiratoire. Le est hydraté par l'anhydrase carbonique pour former de l'acide carbonique (), qui se dissocie ensuite en H⁺ et .

5.3.2. Transport du Dioxyde de Carbone ()

L'hémoglobine transporte également le de trois manières :

1. Sous forme de bicarbonate () : Environ 75% du est transporté sous cette forme, après hydratation du . Les protons libérés sont tamponnés par l'hémoglobine.
2. Sous forme de carbamino-hémoglobine : Environ 10% du se lie directement aux groupes amino terminaux des chaînes de globine (non sur l'hème). La formation de carbamino-hémoglobine stabilise la forme T et favorise la libération d'O₂.
3. Une faible partie est dissoute dans le plasma.

La désoxygénation modifie le transport du par l'hémoglobine : les ions H⁺ libérés se fixent sur l'hémoglobine (effet Bohr), ce qui favorise la formation de .

5.3.3. Régulation par le 2,3-Bisphosphoglycérate (2,3-BPG)

Le 2,3-BPG est un métabolite de la glycolyse érythrocytaire (les globules rouges privilégient la glycolyse pour leur énergie).

• Le 2,3-BPG se fixe à la désoxyhémoglobine dans une cavité centrale entre les chaînes .
• Sa fixation stabilise la forme T et maintient l'état désaturé de l'hémoglobine.
• Ceci entraîne une diminution de l'affinité de l'Hb pour l'O₂, ce qui favorise la libération d'O₂ dans les tissus.
• En l'absence de 2,3-BPG, seulement 8% de l'O₂ serait libéré dans les tissus, démontrant son importance physiologique.
• L'hémoglobine fœtale (HbF) a une affinité moindre pour le 2,3-BPG. Ses chaînes sont moins aptes à fixer le 2,3-BPG, ce qui lui confère une affinité plus élevée pour l'O₂ par rapport à l'HbA adulte. Cette propriété est essentielle pour le transfert d'O₂ du sang maternel (HbA) vers le sang fœtal (HbF) au niveau du placenta.
• La synthèse de 2,3-BPG est régulée :
  • Elle augmente lors de l'hypoxie (diminution des apports en O₂), permettant à l'Hb de libérer plus facilement l'O₂ restant.
  • Elle augmente lors de l'alcalose (pH élevé), pour compenser la diminution de l'effet Bohr (moins de libération d'O₂ due au pH élevé) et restaurer la libération d'O₂.
  • Il n'y a pas de rétroaction de production par liaison à l'hémoglobine. Le 2,3-BPG devrait être en équilibre.

5.4. Autres Fonctions : Transport d'Oxygène dans les Tissus

Au-delà du transport primaire par Hb, la myoglobine joue un rôle crucial dans le stockage et la facilitation de la diffusion de l'oxygène au sein des cellules musculaires, notamment lors d'activités intenses ou de conditions hypoxiques. Le transfert d'O₂ de l'hémoglobine (dans le sang) à la myoglobine (dans les muscles) est un processus clé.

6. Modélisation de la Fixation de l'Oxygène

La fixation de l'oxygène sur l'hémoglobine est souvent décrite par deux modèles allostériques principaux :

• Modèle concerté (MWC) : Propose que l'hémoglobine existe en deux états conformationnels (T et R) en équilibre. La fixation d'un ligand déplace l'équilibre vers l'un ou l'autre état pour toutes les sous-unités simultanément.
• Modèle séquentiel : Suggère que la fixation d'un ligand sur une sous-unité provoque un changement conformationnel local dans cette sous-unité, qui est ensuite transmis aux sous-unités adjacentes, augmentant leur affinité pour le ligand.

Actuellement, le modèle séquentiel est souvent privilégié pour expliquer la coopérativité de l'hémoglobine, bien que des aspects du modèle concerté puissent également s'appliquer.

7. Synthèse de l'Hème

Toutes les cellules de l'organisme sont capables de synthétiser de l'hème (par exemple, la cytoglobine ou les neuroglobines contiennent un hème).

7.1. Étapes Clés et Régulation

1. Étape 1 : Condensation de la Glycine et du Succinyl-CoA (provenant du cycle de Krebs) pour former l'-amino--cétoadipate, qui est ensuite décarboxylé en -aminolévulinate (ALA). Cette étape est catalysée par l'ALA synthase, une enzyme clé dont l'activité est fortement régulée.
2. Étapes intermédiaires : Implication de l'ALA déshydratase et d'autres enzymes pour la formation de porphobilinogène, puis de protoporphyrine IX.
3. Incorporation du fer : L'étape finale est l'incorporation de l'atome de fer ferreux () dans le cycle tétrapyrolique de la protoporphyrine IX, sous la dépendance d'une ferrochélatase, une enzyme mitochondriale.

7.2. Régulation par le Fer et l'Hème

La régulation de la synthèse de l'hème est complexe et implique des boucles de rétroaction :

• Si les concentrations de fer intracellulaires sont élevées, il y a une activation de la traduction de l'ALA synthase et une diminution de la traduction du récepteur à la transferrine.
• L'hème lui-même exerce un rétrocontrôle négatif sur l'expression des gènes de l'ALA synthase et des gènes des globines.
• Ce mécanisme implique le système IRE (Iron Responsive Element) et les IRP (Iron Responsive Proteins) :
  • Les IRP1 (protéines répondant au fer) peuvent se lier aux IRE, qui sont des boucles d'ARN spécifiques.
  • Si l'IRP1 n'est pas saturée en fer, elle se lie à l'IRE.
  • Si l'IRE est en position 5' (en amont du codon d'initiation AUG) de l'ARNm de l'ALA synthase, la liaison des IRP1 empêche la traduction de l'ARNm. C'est une régulation négative.
  • Si l'IRE est en position 3' (non codante) de l'ARNm du récepteur à la transferrine, la liaison des IRP1 stabilise l'ARNm, ce qui favorise la synthèse de récepteurs et l'entrée de fer.
  • Si l'IRP1 est saturée en fer, elle ne peut plus se lier à l'IRE, ce qui libère la traduction de l'ALA synthase et déstabilise l'ARNm du récepteur à la transferrine.

8. Autres Formes d'Hémoglobine et Pathologies

8.1. Affinité Modifiée pour l'Oxygène

• En plus de l'O₂ (oxyhémoglobine), l'Hb peut aussi fixer le monoxyde de carbone (CO) pour former la carboxyhémoglobine. La fixation de CO est pathologique.
• Le CO a une affinité pour l'hème 210 fois supérieure à celle de l'O₂. C'est pourquoi une faible concentration de CO dans l'air est extrêmement toxique. S'il y a trop de CO, l'O₂ ne peut plus se fixer, réduisant drastiquement la capacité de transport d'O₂ et provoquant une hypoxie tissulaire, d'autant plus que la fixation du CO augmente l'affinité des autres sites de l'Hb pour l'O₂, ce qui empêche encore plus la libération d'O₂ dans les tissus.
• Un air à 1% de CO peut être mortel en une demi-heure.
• Le monoxyde d'azote (NO) serait le ligand le plus fort du fer dans l'hémoglobine.
• Thérapeutique : Administration d'un mélange 95% O₂ / 5% CO₂ dans une atmosphère très enrichie en O₂ (par exemple, en caisson hyperbare) pour déplacer le CO de l'Hb.

8.2. Méthémoglobinémies

Les méthémoglobinémies sont des conditions où le fer de l'hème est sous sa forme oxydée ferrique () au lieu de la forme ferreuse ().

• Le ne peut pas lier l'oxygène ; il lie une molécule d'eau.
• Si plus de 1% de l'hémoglobine est sous forme de méthémoglobine (), des symptômes peuvent apparaître.
• Symptômes : Cyanose intense (bleue ardoisée), faiblesse musculaire et syncope, dont la gravité dépend de la quantité de .
• Causes :
  • Mutations méthémoglobinisantes : Certaines mutations génétiques affectent la structure de l'hémoglobine, la rendant plus susceptible à l'oxydation.
  • Altération du métabolisme du glutathion : Le glutathion est un antioxydant important pour maintenir le fer sous forme ferreuse.
  • Agents toxiques : Borates, bromates, nitrites, et certains médicaments peuvent induire la formation de .

8.3. Hémoglobinopathies et Thalassémies

Ce sont des anomalies génétiques affectant l'hémoglobine.

8.3.1. Hémoglobinopathies

Les hémoglobinopathies sont des anomalies de la séquence des acides aminés des chaînes de globine, c'est un polymorphisme qualitatif.

• Drépanocytose (Anémie falciforme) : Causée par une mutation ponctuelle (mutation faux-sens) du 6^e triplet de bases du gène . Cette mutation entraîne le remplacement d'un acide glutamique (Glu) par une valine (Val) au 6^e acide aminé de la chaîne . L'hémoglobine résultante est appelée HbS.
• Conséquences de l'HbS : À basse pression de dioxygène, l'HbS se polymérise en longues fibres rigides qui déforment les hématies en forme de faucille (drépanocytes). Ces globules rouges anormaux peuvent :
  • Boucher les capillaires sanguins (crises vaso-occlusives).
  • Être prématurément éliminés par la rate et le foie, entraînant une anémie hémolytique.

8.3.2. Thalassémies

Les thalassémies sont des anomalies de la synthèse ou de l'association des chaînes de globine, c'est un polymorphisme quantitatif.

• L'anomalie principale est une inhibition ou une réduction de la synthèse d'une ou plusieurs chaînes polypeptidiques de l'hémoglobine.
• Un mécanisme compensateur se met en place, tentant de pallier la production insuffisante d'une chaîne par une synthèse accrue des autres chaînes.

Il en existe deux catégories principales :

• -thalassémies :
  • Déficience dans la synthèse d'une ou plusieurs chaînes .
  • Elles résultent souvent de la délétion d'un ou plusieurs gènes de la globine sur le chromosome 16.
  • Plus fréquentes en Asie du Sud-Est et en Afrique.
• -thalassémies :
  • Déficience dans la synthèse des chaînes .
  • Elles sont dues à des anomalies (souvent des mutations) dans un ou les deux gènes de la globine sur le chromosome 11.
  • Plus fréquentes dans le bassin méditerranéen, au Moyen-Orient, en Inde, en Chine et en Asie du Sud-Est.

La gravité des signes cliniques varie grandement, allant de formes inapparentes à des anémies très sévères, en fonction du nombre de gènes de globine mutés ou déficients. Par exemple, la perte de 4 gènes (-thalassémie majeure) est létale in utero (hydrops fœtal).

Tableau Comparatif : Hémoglobinopathies vs. Thalassémies

Conclusion

L'hémoglobine est une protéine d'une complexité remarquable, essentielle à la vie des vertébrés. Sa structure tétramérique, ses modifications conformationnelles allostériques et sa régulation fine par des facteurs comme le pH, le et le 2,3-BPG, lui confèrent une efficacité optimale pour le transport de l'oxygène. Les pathologies liées à l'hémoglobine, qu'elles soient qualitatives (hémoglobinopathies) ou quantitatives (thalassémies), illustrent l'importance cruciale de chaque détail de sa structure et de sa synthèse pour la santé humaine.