Pour pouvoir parler de manière compréhensible de l' hémoglobine (Hb), il est utile de commencer par traiter de la myoglobine (Mb), qui est très similaire à l'hémoglobine mais est beaucoup plus simple. Il existe des relations de parenté strictes entre l’hémoglobine et la myoglobine: il s’agit de protéines conjuguées et leur groupe prosthétique (partie non protéique) est le groupe hème .
La myoglobine est une protéine globulaire constituée d'une seule chaîne d'environ cent cinquante acides aminés (dépend de l'organisme) et son poids moléculaire est d'environ 18 Kd.
Comme dit, il est doté d'un groupe hème qui est inséré dans une partie hydrophobe (ou lipophile) de la protéine, consistant en des plis liés aux structures d'hélice a des protéines fibreuses.
La myoglobine est principalement constituée de segments d’hélices α, présents en nombre de huit et presque exclusivement de résidus non polaires (leucine, valine, méthionine et phénylalanine), tandis que les résidus polaires sont pratiquement absents (acide aspartique, acide glutamique, lysine et arginine); les seuls résidus polaires sont deux histidines, qui jouent un rôle fondamental dans l'attaque de l'oxygène au groupe hémique.
Le groupe hème est un groupe chromophore (absorbe dans le visible) et constitue le groupe fonctionnel de la myoglobine.
Voir aussi: hémoglobine glyquée - hémoglobine dans l'urine
Un peu de chimie
La liaison entre la protoporphyrine et le fer est une liaison typique des composés dits de coordination, composés chimiques dans lesquels un atome central (ou un ion) forme des liaisons avec d'autres espèces chimiques en un nombre supérieur à son nombre d'oxydation (charge électrique). Dans le cas de l'hème, ces liens sont réversibles et faibles.
Le nombre de coordination (nombre de liaisons de coordination) du fer est de six: il peut y avoir six molécules autour du fer qui partagent les électrons de liaison.
Pour former un composé de coordination, il faut deux orbites orientées correctement: l’une capable d’acheter des électrons et l’autre de les donner.
Dans l'hème, le fer forme quatre liaisons planaires avec les quatre atomes d'azote situés au centre du cycle proto-porphyrine et une cinquième liaison avec un azote de l'histidine proximale; le fer a le sixième lien de coordination libre et peut se lier à l'oxygène.
Lorsque le fer se présente sous la forme d'un ion libre, ses orbitales de type d ont toutes la même énergie; dans la myoglobine, l'ion fer est lié à la protoporphyrine et à l'histidine: ces espèces perturbent magnétiquement l'orbitale d du fer; l'étendue de la perturbation sera différente pour les différentes orbitales d en fonction de leur orientation spatiale et de celle des espèces perturbatrices. Puisque l'énergie totale des orbitales doit être constante, la perturbation provoque une séparation énergétique entre les différentes orbitales: l'énergie acquise par certaines orbitales est équivalente à l'énergie perdue par les autres.
Si la séparation qui se produit entre les orbitales n’est pas très grande, un arrangement électronique à spin élevé est préférable: les électrons de liaison essaient d’organiser un spin parallèle dans plusieurs sous-niveaux possibles (multiplicité maximale); si, au contraire, la perturbation est très forte et qu’il existe une grande séparation entre les orbitales, il peut être plus pratique d’apparier les électrons de liaison dans les orbitales de plus basse énergie (spin faible).
Lorsque le fer se lie à l'oxygène, la molécule adopte un arrangement à faible spin, tandis que lorsque le fer possède le sixième lien de coordination libre, la molécule dispose d'un spin élevé.
Grâce à cette différence de spin, grâce à une analyse spectrale de la myoglobine, nous sommes en mesure de comprendre si l’oxygène est lié (MbO2) ou non (Mb).
La myoglobine est une protéine typique des muscles (mais ne se trouve pas que dans les muscles).
La myoglobine est extraite du cachalot dans lequel elle est présente en grande quantité puis purifiée.
Les cétacés ont une respiration semblable à celle de l'homme: avoir les poumons doit absorber de l'air par le processus respiratoire; le cachalot doit apporter le plus d’oxygène possible dans les muscles capables d’accumuler de l’oxygène en le liant à la myoglobine présente dans ceux-ci; l'oxygène est ensuite libéré lentement lorsque le cétacé est immergé, car son métabolisme nécessite de l'oxygène: plus la quantité d'oxygène que le cachalot est capable d'absorber est grande, plus l'oxygène disponible pendant la plongée est important.
Pour faire plus ou moins de viande rouge est le contenu des hémoprotéines (c'est l'hème qui fait la viande rouge).
L'hémoglobine présente de nombreuses analogies structurelles avec la myoglobine et est capable de se lier à l'oxygène moléculaire de manière réversible. mais, alors que la myoglobine est confinée aux muscles et aux tissus périphériques en général, l'hémoglobine se trouve dans les érythrocytes ou les globules rouges (ce sont des pseudo-cellules, autrement dit, ce ne sont pas de vraies cellules), qui constituent 40% du sang.
L'hémoglobine est un tétramètre, c'est-à-dire qu'elle est composée de quatre chaînes polypeptidiques, chacune possédant un groupe hémique et identiques deux à deux (chez l'homme, il existe deux chaînes alpha et deux chaînes bêta).
La fonction principale de l’hémoglobine est le transport de l’oxygène ; Une autre fonction du sang dans laquelle l'hémoglobine est impliquée est le transport de substances vers les tissus.
Dans le trajet allant des poumons (riches en oxygène) aux tissus, l'hémoglobine transporte l'oxygène (les autres substances atteignent les tissus en même temps), tandis que dans le sens inverse, les déchets collectés dans les tissus sont entraînés, en particulier le dioxyde de carbone produit lors du métabolisme.
Dans le développement de l'être humain, certains gènes ne sont exprimés que pendant un certain temps. pour cette raison, nous avons différentes hémoglobines: fœtale, embryonnaire, de l'homme adulte.
Les chaînes qui composent ces différentes hémoglobines ont des structures différentes, mais avec des similitudes, la fonction qu'elles remplissent est plus ou moins la même.
Une explication de la présence de plusieurs chaînes différentes est la suivante: au cours du processus évolutif des organismes, l’hémoglobine a également évolué, se spécialisant dans le transport de l’oxygène des zones riches en zones déficientes. Au début de la chaîne évolutive, l'hémoglobine transportait l'oxygène dans de petits organismes; au cours de l'évolution, les organismes ont atteint des dimensions plus grandes; l'hémoglobine a donc été modifiée pour pouvoir transporter l'oxygène dans des zones plus éloignées du point où il était riche; Pour ce faire, de nouvelles structures des chaînes qui composent l'hémoglobine ont été codifiées au cours du processus évolutif.
La myoglobine lie l'oxygène même à des pressions modestes. dans les tissus périphériques, il existe une pression (PO2) d'environ 30 mmHg: la myoglobine à cette pression ne libère pas d'oxygène; elle serait donc inefficace en tant que transporteur d'oxygène. L'hémoglobine, par contre, a un comportement plus élastique: elle lie l'oxygène à des pressions élevées et le libère lorsque la pression diminue.
Lorsqu'une protéine est fonctionnellement active, sa forme peut changer un peu; Par exemple, la myoglobine oxygénée a une forme différente de celle de la myoglobine non oxygénée et cette mutation n’affecte pas les protéines voisines.
Le discours est différent dans le cas de protéines associées telles que l'hémoglobine: lorsqu'une chaîne est oxygénée, elle est amenée à changer de forme, mais cette modification est tridimensionnelle et les autres chaînes du tétramètre sont donc également affectées. Le fait que les chaînes soient associées les unes aux autres laisse penser que la modification de l'une affecte les autres voisins même si dans une mesure différente; lorsqu'une chaîne est oxygénée, les autres chaînes du tétramètre adoptent une "attitude moins hostile" vis-à-vis de l'oxygène: la difficulté d'oxygénation d'une chaîne diminue lorsque les chaînes proches s'oxygénent à leur tour. Le même discours est valable pour la désoxygénation.
La structure quaternaire de la désoxyhémoglobine prend le nom de forme T (tesa) tandis que celle d’oxyhémoglobine est appelée forme R (libérée); à l'état tendu, il existe une série d'interactions électrostatiques assez fortes entre les acides aminés et les acides aminés basiques qui conduisent à une structure rigide de la désoxyhémoglobine (c'est pourquoi la "forme tendue"), alors que lorsque l'oxygène est lié, l'ampleur de celles-ci les interactions diminuent (c'est pourquoi la "forme libérée"). De plus, en l'absence d'oxygène, la charge d'histidine (voir structure) est stabilisée par la charge opposée d'acide aspartique tandis qu'en présence d'oxygène, la protéine a tendance à perdre un proton; tout cela signifie que l'hémoglobine oxygénée est un acide plus fort que l'hémoglobine désoxygénée: effet bohr .
En fonction du pH, le groupe hémique se lie plus ou moins facilement à l'oxygène: dans un environnement acide, l'hémoglobine libère plus facilement de l'oxygène (la forme sous tension est stable), tandis que dans un environnement de base, le lien avec l'oxygène est plus fort.
Chaque hémoglobine libère 0, 7 proton par mole d'oxygène entrant (O2).
L' effet Bohr permet à l'hémoglobine d'améliorer sa capacité à transporter l'oxygène.
L'hémoglobine qui fait le trajet des poumons aux tissus doit s'équilibrer en fonction de la pression, du pH et de la température.
Voyons l' effet de la température .
La température dans les alvéoles pulmonaires est inférieure d'environ 1 à 1, 5 ° C à la température externe, tandis qu'elle est d'environ 36, 5 à 37 ° C dans les muscles; à mesure que la température augmente, le facteur de saturation diminue (à la même pression): cela se produit car il augmente l'énergie cinétique et la dissociation est favorisée.
Il existe d'autres facteurs pouvant affecter la capacité de l'hémoglobine à se lier à l'oxygène, notamment la concentration en 2, 3-bisphosphoglycérate .
Le 2, 3 bisphosphoglycérate est un métabolique présent dans les érythrocytes à une concentration de 4-5 mM (aucune autre partie du corps n’est présente à une concentration aussi élevée).
Au pH physiologique, le 2, 3 bisphosphoglycérate est le déprotonate et comporte cinq charges négatives; il est coincé entre les deux chaînes bêta de l'hémoglobine parce que ces chaînes ont une concentration élevée de charges positives. Les interactions électrostatiques entre les chaînes bêta et le 2, 3-bisphosphoglycérate confèrent au système une certaine rigidité: on obtient une structure tendue ayant peu d'affinité pour l'oxygène; lors de l'oxygénation, le 2, 3-bisphosphoglycérate est expulsé.
Dans les érythrocytes, il existe un appareil spécial qui convertit le 1, 3 bisphosphoglycérate (produit par le métabolisme) en 2, 3 bisphosphoglycérate, de manière à atteindre une concentration de 4-5 mM et donc à permettre à l'hémoglobine d'échanger le oxygène dans les tissus.
L'hémoglobine qui arrive dans un tissu est à l'état libéré (lié à l'oxygène), mais proche du tissu, elle est carboxylée et passe à un état tendu: la protéine dans cet état a moins tendance à se lier à l'oxygène, par rapport à l'état libéré, l'hémoglobine libère donc de l'oxygène dans les tissus; de plus, par réaction entre l'eau et le dioxyde de carbone, il se produit une production d'ions H +, puis d'oxygène supplémentaire pour l'effet bohr.
Le dioxyde de carbone diffuse dans les érythrocytes en traversant la membrane plasmique; Puisque les érythrocytes constituent environ 40% du sang, il faut s’attendre à ce que seulement 40% du dioxyde de carbone qui se propage à partir des tissus y pénètre. En fait, 90% du dioxyde de carbone pénètre dans les érythrocytes car ils contiennent un enzyme qui le convertit. de dioxyde de carbone dans l'acide carbonique, il en résulte que la concentration stationnaire de dioxyde de carbone dans les érythrocytes est faible et que, par conséquent, la vitesse d'entrée est élevée.
Un autre phénomène qui se produit lorsqu'un érythrocyte atteint un tissu est le suivant: par gradient, le HCO3- (dérivé du dioxyde de carbone) sort de l'érythrocyte et, pour équilibrer la sortie d'une charge négative, nous avons la entrée de chlorure qui provoque une augmentation de la pression osmotique: pour compenser cette variation, de l’eau est également introduite provoquant un gonflement de l’érythrocyte (effet HAMBURGER). Le phénomène inverse se produit lorsqu'un érythrocyte atteint les alvéoles pulmonaires: il se produit une déflation des érythrocytes (effet HALDANE). Ainsi, les érythrocytes veineux (dirigés vers les poumons) sont plus arrondis que ceux artériels.
