6. hémoglobine et myoglobine

Diffusion de l’O₂ chez l’homme : caractéristique ?

• insuffisante: la diffusion passive de l’O₂ ne permet pas d’alimenter correctement les tissus

Pourquoi l’homme a besoin d’une protéine de transport pour l’O₂ ? Son nom

• Pour capter l’O₂ au niveau pulmonaire
• Pour le libérer facilement dans les tissus
• L’hémoglobine

Quelle est la concentration normale d’hémoglobine humaine ?

• 12 g/100 mL à 15 g/100 mL

À quelle concentration l’hémoglobine transporte-t-elle l’O₂ ?

• Environ 10 mM

Quelle protéine assure le stockage tissulaire de l’O₂ ? Pourquoi nécessaire ?

• La myoglobine
• Pour assurer une réserve locale d’O₂ utilisable rapidement

Où se situe la myoglobine dans la cellule ?

• Dans le cytosol, proche des mitochondries

Globules rouges : définition

• GR = sacs à Hb
• cellules du sang qui sont la majorité des cellules du sang (99%)
• ont perdu la grande partie des organites (plus de noyau, mitochondrie)

Schéma du transport de l’hémoglobine

• Aux poumons, l’O₂ passe et est capté par Hb
• Chaque molécule Hb peut fixer 4 molécules d’O₂
• Dans les muscles, Hb libère l’O₂ pour donner à la myoglobine pour le stocker
• Les tissus produisent du CO₂ éjecté lors de l’expiration
• CO₂ emmené des tissus jusqu’aux poumons via Hb dans le sang

Hémoglobine : Localisation, rôle

• Contenue dans les globules rouges
• Transporte l’oxygène des poumons vers les tissus
• Contribue au retour du CO₂ et des ions H⁺ des tissus vers les poumons

Myoglobine : Localisation, rôle, composition (a.a et segments)

• Présente au niveau des muscles
• Stocke l’oxygène
• Libère l’oxygène aux mitochondries quand nécessaire
• 154 aa : 8 segments en hélice α reliés par des boucles

Quelle est l’organisation structurale essentielle de la myoglobine dans les muscles ?

Porphyrine: structure chimique

• Noyau = Fe²⁺
• Possède des électrons délocalisés → absorption lumière + couleur rouge de Hb/Mb
• Contient les groupements : propionyl, vinyl, pyrolle
• Fonctionne comme un groupe prosthétique fixé à la protéine et indispensable à son activité

Interaction entre l’Hémoglobine/myoglobine & l’Hème

• Le Fe²⁺ du groupe hème forme une liaison covalente avec l’histidine F8
• L’histidine E7 ne se lie pas au fer mais stabilise l’O₂ en se positionnant juste au-dessus
• L’ancrage du fer à His F8 fixe l’hème dans la protéine
• L’histidine E7 réduit l’affinité pour CO et favorise la liaison spécifique à O₂

Position du fer lors de la fixation d’O₂

• Sans O₂ : le Fe est hors du plan de l’hème (état T)
• La fixation d’O₂ réorganise les électrons du Fe
• Le Fe devient plus petit, ce qui lui permet d’entrer dans le plan de la porphyrine (état R)

Pourquoi les protéines ont-elles besoin d’un métal pour lier l’oxygène ? Quel est le rôle du site de liaison de l’hème ?

• Les protéines seules ne peuvent pas lier efficacement O₂
• Il faut un métal, ici un ion ferreux Fe²⁺, pour fixer O₂
• Le site de liaison de l’hème doit empêcher la liaison et le transport d’autres gaz que O₂ (CO, CN⁻) ?
=> Adapter sa forme pour favoriser spécifiquement le dioxygène (O₂)

Quel problème faut-il éviter lors de la fixation dans l’hème ?

1. Lier l’oxygène Les protéines n’en sont pas capables →prévoir un métal : Fe2+
   2. Eviter liaison, transport d’autres gaz (CO, CN-)
      Adapter la forme du site de liaison au dioxygène
   3. Eviter l’oxydation du métal/réduction du O2 en O2 : -> Le protéger sur les côtés , au dessus et au dessous !
   4. Favoriser dissociation (“livraison”) O2 dans tissus
      Liaison coopérative: chute d’affinité dès que la [O2] diminue.

Pourquoi la myoglobine/hémoglobine doit-elle empêcher la liaison du CO ?

• Le CO se lie au fer en position linéaire avec une affinité très forte
• Son triple lien C≡O crée une liaison extrêmement stable
• Il prendrait la place de l’O₂ et bloquerait totalement la protéine
• La poche de l’hème doit donc empêcher cette géométrie linéaire

Comment l’hème empêche-t-il la fixation du CO ?

• L’histidine E7 crée un encombrement stérique
• Cet obstacle empêche la géométrie linéaire exigée par le CO
• Seul l’O₂ en position oblique peut se fixer correctement
• Le CO devient fortement défavorisé malgré son affinité élevée

Quelles sont les caractéristiques structurales essentielles de l’hémoglobine ? Combien d’O2 peut elle fixer ?

• Tétramère composé de 4 sous-unités : 2 α et 2 β
• 16 000 Da par sous-unité, soit 64 000 Da pour l’ensemble
• Chaque sous-unité contient 1 groupement hème, donc 4 hèmes par Hb
• Peut fixer 4 molécules d’O₂ au total
• Organisation en deux dimères αβ

Quels types d’interactions structurent la structure IV de l’hémoglobine ?

• Interactions fortes entre chaînes différentes
• Très peu d’interactions entre chaînes identiques
• Interfaces α1β1 et α2β2 : plus de 30 aa impliqués
• Interfaces α2β1 et α1β2 : 19 aa impliqués
=> Interactions majoritairement hydrophobes + liaisons hydrogène

Quelle différence majeure de structure existe entre myoglobine et hémoglobine ?

• Myoglobine : 1 chaîne + 1 hème + 1 Fe²⁺
• Hémoglobine : 4 chaînes (2 α + 2 β) + 4 hèmes + 4 Fe²⁺

Pourquoi l’hémoglobine doit-elle faciliter la dissociation de l’O₂ dans les tissus ? Et comment ?

• Pour assurer la “livraison” de l’O₂ aux tissus
• Grâce à la liaison coopérative : l’affinité chute dès que la [O₂] diminue.

Rôle des chaînes latérales au noyau Fe+ dans son oxydation/réduction ?

• Les noyaux pyrols empêchent que deux cations Fe²⁺ s’approchent du même O₂
• Sinon chacun cède un électron à O₂ → formation du radical superoxyde O₂°⁻
• O₂°⁻ est toxique et empêcherait une liaison O₂ réversible
• L’hème protège le fer sur les côtés, au-dessus et en dessous

Rôle du Saturomètre

• Le saturomètre mesure la saturation en O₂ liée à l’hémoglobine dans les artères
• La valeur doit être élevée (≥95 %)

Que montre la courbe de saturation de la myoglobine en fonction de la pO₂ ?

• Courbe hyperbolique : saturation rapide même à faible pO₂
• Forte affinité de la myoglobine pour O₂
• Modèle Mb + O₂ ⇄ MbO₂ (équilibre simple sans coopérativité)
• Légère augmentation de pO₂ suffit pour saturer presque totalement la Mb
• p₅₀ ≈ 1 Torr, donc presque saturée même à faible pO₂
• Dans les tissus (~20 Torr), la Mb est quasi 100 % saturée
• Permet de capturer efficacement l’O₂ apporté par la circulation

Quel est l’effet tampon exercé par la myoglobine dans le cytosol ?

• Maintient une concentration d’O₂ libre dans le cytosol presque constante
• Capte l’O₂ quand il est abondant
• Relargue l’O₂ quand la cellule le consomme (effort, mitochondries)
• Assure une disponibilité continue en oxygène pour la respiration cellulaire

Pourquoi la courbe de saturation de l’hémoglobine est-elle sigmoïde ?

• L’hémoglobine possède 4 sites de fixation pour O₂
• La fixation d’une molécule d’O₂ augmente l’affinité des autres sites (coopérativité)
• La libération d’un O₂ facilite la dissociation des autres O₂
• Cette coopérativité crée une courbe sigmoïde

Comment varient les saturations de l’hémoglobine et de la myoglobine selon la pO₂ ?
• Aux poumons (pO₂ ≈ 100 Torr) : Hb est saturée en O₂
• Dans les capillaires (pO₂ ≈ 26 Torr) : Hb libère ~66 % de son O₂ à la Mb
• La Mb, plus affine, capte l’O₂ libéré par l’Hb
• La désaturation coopérative de l’Hb favorise une libération plus complète de l’O₂

À quoi faut-il faire attention pour tracer un graphique Mb vs Hb en fonction de la pO₂ ? (Examen)

• Même axe Y : saturation (0 → 1)
• Même axe X : pO₂ (en Torr)
• Courbe Mb : hyperbolique (affinité très forte, P₅₀ ≈ 1 Torr)
• Courbe Hb : sigmoïde (coopérativité, P₅₀ ≈ 26 Torr)
• Placer pO₂ des poumons (~100 Torr) → Hb saturée
• Placer pO₂ des capillaires (~20–26 Torr) → Hb libère O₂, Mb capte O₂

Comment la libération d’O₂ par l’hémoglobine diffère au repos et à l’exercice ?
• Au repos : Hb libère ~21 % de son O₂
• À l’exercice : pO₂ plus basse → Hb libère ~45 % de son O₂
• → L’Hb délivre davantage d’O₂ lorsque la demande métabolique augmente

Que se passe-t-il au niveau des dimères lors du passage T → R de l’hémoglobine ?

• Les dimères α₁β₁ et α₂β₂ ont des interactions fortes à l’intérieur de chaque dimère
• Les interactions entre les deux dimères (interface 1/2) sont plus faibles, permettant un mouvement
• Une rotation du dimère α₁β₁ sur α₂β₂ se produit lors de la fixation/libération d’O₂
• En état T (désoxygénée) : structure rigide, stabilisée par de nombreux liens ioniques
• L’entrée du Fe²⁺ dans le plan de l’hème lors de la fixation d’O₂ initie la transition vers l’état R

Comment est organisé l’interface intradimère des sous-unités de l’hémoglobine ?

• Interface intradimère α1–β1 ou α2–β2 : 35 résidus, majoritairement hydrophobes, enfouis, contacts van der Waals
• Association α1⇆β1 et α2⇆β2 très stable et rigide

Comment est organisé l’interface interdimère des sous-unités de l’hémoglobine ?

Rotation des dimères et passage T → R

• Fixation de O₂ rend l’hème plan → changement de conformation
• Les deux dimères pivotent d’environ 15° l’un par rapport à l’autre
• T state : désoxygéné, stabilisé par de nombreux liens ioniques
• R state : oxygéné, structure plus stable grâce à l’hème plan
• Le pivot est possible grâce à l’interface plus faible entre les deux dimères (α₁β₁ ↔ α₂β₂)

Déclencheur du passage T → R (liaison du O₂ à l’hème)

• Le Fe²⁺ passe de 5 à 6 liaisons de coordination lorsqu’il fixe O₂
• La fixation d’O₂ tire le Fe²⁺ vers le plan de l’hème
• Ce mouvement entraîne la traction de l’His F8, liée au Fe²⁺
• La traction de l’His F8 provoque un déplacement de l’hélice F
• Ce changement local déclenche la rotation globale des dimères → passage T (tendu) à R (relâché)
• Résultat : la fixation d’O₂ sur un site favorise la fixation d’O₂ sur les autres (coopérativité)

Comment la conformation R est elle
stabilisée ?

• L’hème oxygéné est parfaitement plan
• Cela permet une délocalisation optimale des électrons des doubles liaisons et des atomes d’azote
• Cette délocalisation compense la perte des liaisons ioniques (perdues en conformation R)
• Résultat : la conformation R devient aussi stable en présence d’O₂ que la conformation T en son absence

Changement de conformation de l’hémoglobine : quelles sont les étapes mécaniques clés ?

• O₂ tire le Fe²⁺ dans le plan de l’hème (0,6 Å)
• Fe²⁺ entraîne l’histidine F8, donc toute l’hélice F
• L’hélice F entraîne la boucle FG, située à l’interface entre les dimères α1β1 / α2β2
• Effet levier : déplacement global de quelques Å dans la structure

Engrenage à l’interface α1-β2 / α2-β1 : que se passe-t-il entre l’état désoxy et oxy ?

• En absence d’O₂ : les chaînes latérales des aa des hélices F et G de la sous-unité β s’emboîtent dans les chaînes latérales des aa de l’hélice C de la sous-unité α de l’autre hétérodimère
• En présence d’O₂ : les deux « roues dentées » sautent d’un cran
• Le passage R → T ou T → R nécessite de déboîter puis réemboîter ces roues dentées
• Les 4 sous-unités sont « sous pression » pour changer de conformation de manière coordonnée

Pourquoi l’hémoglobine purifiée fixe-t-elle plus fortement l’O₂ que l’hémoglobine dans le sang entier ?

• L’Hb purifiée (en labo) = plus affine pour O₂
• Dans le sang entier, la courbe est décalée vers la droite = affinité diminuée
• Cause : présence de 2,3-BPG dans le sang, qui stabilise la forme T et favorise la dissociation de l’O₂
• Résultat : Hb du sang libère mieux l’O₂ aux tissus qu’une Hb purifiée

Rôle du 2,3-BPG

2-3 bisphopshoglycérate
• Métabolite du glucose, très concentré dans les globules rouges (≈ même concentration que l’Hb)
• Molécule chargée négativement
• Stabilise la conformation T (désoxygénée) de l’hémoglobine
• Diminue l’affinité de l’Hb pour l’O₂ → facilite la libération d’O₂ aux tissus

Quelles molécules jouent le rôle équivalent du 2,3-BPG selon les espèces ?

• Chez l’homme : 2,3-Bisphosphoglycérate (2,3-BPG)
• Chez les oiseaux : IP₆ (inositol hexakisphosphate)
• Chez les poissons : ATP

Pourquoi le 2,3-BPG se lie-t-il spécifiquement à l’hémoglobine en conformation T ?

• La conformation T expose une poche centrale entre les 4 sous-unités
• Cette poche contient des chaînes latérales basiques (His, Lys) chargées positivement
• Le 2,3-BPG est fortement négatif, donc il s’y lie
• Sa liaison stabilise l’état T et diminue l’affinité de l’Hb pour l’O₂

Explication du lien entre la désoxyhémoglobine et le 2,3-BPG et le 2,3-BPG ne peut-il pas se lier à l’oxyhémoglobine ?

• En conformation T (désoxyhémoglobine), la poche centrale est large
• Cette poche expose des résidus basiques (chargés positivement)
• Le 2,3-BPG, très négatif, peut s’y lier fortement
• Cette liaison stabilise l’état T et facilite la dissociation de l’O₂
• En conformation R (oxyhémoglobine), la poche centrale se resserre complètement
• L’espace devient trop étroit pour accueillir le 2,3-BPG
• Le ligand est donc exclu du tétramère
• → L’absence de 2,3-BPG évite la stabilisation de l’état T et favorise l’affinité pour l’O₂

Effet du 2,3-BPG : quel type d’effecteur ?

Effecteur allostérique :
• Il ne ressemble pas du tout au ligand fonctionnel (O₂)
• Il se fixe sur un site totalement différent du site de fixation de l’O₂
• Sa fixation modifie la conformation de l’hémoglobine (stabilise l’état T)

Adaptation à l’altitude : quel est le rôle du 2,3-BPG ?

• À haute altitude, la pO₂ chute → Hb moins saturée dans les poumons
• Les érythrocytes augmentent la synthèse de 2,3-BPG
• Le 2,3-BPG stabilise la conformation T de l’Hb
• → Diminue l’affinité de l’Hb pour l’O₂ au niveau pulmonaire
• Mais augmente la libération d’O₂ dans les tissus (dissociation facilitée)

Vie fœtale : pourquoi l’hémoglobine fœtale a-t-elle une plus haute affinité pour l’O₂ ?

• Le fœtus doit capturer l’O₂ transporté par l’Hb maternelle
• L’Hb fœtale possède des sous-unités γ et ε/ζ au lieu des sous-unités α et β adultes
• Les chaînes δ ressemblent aux chaînes β sauf qu’une His (chargée +) est remplacée par une Ser (neutre)
• Cela modifie la charge du site de fixation du 2,3-BPG
• → Le 2,3-BPG se lie moins bien à l’Hb fœtale
• → Moins de stabilisation de l’état T → affinité augmentée pour O₂

Comparaison Hb fœtale / Hb maternelle : que montre ce graphique ?

• La courbe HbF (bleu) est déplacée vers la gauche par rapport à HbA
• → Cela signifie une affinité plus élevée pour l’O₂
• À une même pO₂ (ex. 30 torr dans le sang maternel), HbF est beaucoup plus saturée que HbA
• HbF peut donc capturer l’oxygène directement depuis l’Hb maternelle
• Cette différence d’affinité est due à la faible interaction de HbF avec le 2,3-BPG

Effet Bohr : en quoi consiste-t-il ?

• L’hémoglobine transporte O₂, mais aussi H⁺ et CO₂
• Une augmentation de H⁺ (acidité) ou de CO₂ diminue l’affinité de l’Hb pour l’O₂

Effet Bohr dans les muscles

• Métabolisme élevé → production de H⁺ et CO₂
• H⁺ et CO₂ = effecteurs allostériques qui diminuent l’affinité de l’Hb pour O₂
• Diminution du pH → courbe déplacée à droite → Hb libère plus facilement l’O₂ car - d’affinité
• Dans les poumons (pH plus haut, moins de CO₂) → affinité O₂ augmente, Hb se recharge en O₂

Quelles réactions impliquent le CO₂ et la libération de l’O₂

Le CO2 peut réagir avec :
⁃ l’H20 grâce à l ‘anhydrase carbonique
⁃ Les fonctions amines de l’Hb

Réaction CO2 et anhydrase carbonique

• Le CO₂ produit par les tissus diffuse dans les globules rouges
• L’anhydrase carbonique transforme CO₂ + H₂O → H₂CO₃ → HCO₃⁻ + H⁺
• Le H⁺ libéré ↓ pH → ↓ affinité Hb–O₂
• Résultat : Hb lâche encore plus facilement l’O₂ dans les tissus (effet Bohr renforcé)

Réaction CO2 avec les fonctions amines de l’Hb

• Le CO₂ réagit avec les groupes amines (αNH₃⁺) de certaines chaînes latérales de l’Hb
• Cette réaction forme des carbamates (αNH–COO⁻)
• Elle libère 2 H⁺, ce qui ↓ le pH
• ↓ du pH → ↓ affinité Hb–O₂ → libération facilitée de l’O₂ dans les tissus

Que devient l’ HCO₃⁻ ?

• HCO₃⁻ formé dans le GR sort grâce à un transporteur membranaire
• Ce transporteur réalise un échange HCO₃⁻ ↔ Cl⁻ (entrée du Cl⁻ lorsque HCO₃⁻ sort)
• Le HCO₃⁻ est ensuite transporté dans le plasma jusqu’aux poumons

Comment l’hémoglobine réagit-elle au CO₂ et aux protons produits par les muscles ?

• Les muscles en effort consomment O₂ et produisent CO₂, acide lactique → protons (H⁺)
• Le CO₂ réagit avec les fonctions amines de l’Hb → carbamylation et libération de 2 H⁺
• Le CO₂ + H₂O → HCO₃⁻ + H⁺ (bicarbonate + proton)
• Les H⁺ libérés (carbamylation + bicarbonate) sont capturés par l’Hb en T
• La capture des H⁺ stabilise la conformation T → favorise la libération de l’O₂ dans les muscles

Poumons : comment l’Hb libère le CO₂ ?

• Arrivée aux poumons → pO₂ ↑ fortement
• L’Hb fixe l’O₂ → bascule en conformation R
• Les chaînes basiques His / Arg deviennent trop proches → perdent leurs protons
• Les H⁺ libérés favorisent la dé-carbamylation : αNH-COO⁻ → αNH₃⁺ + CO₂
• L’anhydrase carbonique convertit HCO₃⁻ + H⁺ → CO₂ + H₂O
• Le CO₂ formé diffuse dans les alvéoles et est expiré

Drépanocytose : principe et conséquences

• Mutation dans la chaîne β → hémoglobine HbS
• ↓ solubilité de la désoxyhémoglobine (forme T)
• Aucun changement pour la forme R (oxygénée)
• En hypoxie → HbS désoxygénée s’agrège → déformation en faucille des GR
• Chez l’hétérozygote :
• Seulement 1 % des GR prennent la forme en faucille
• Résistance accrue au paludisme, malaira
• Mutation maintenue par sélection naturelle

Thalassémies : principe et conséquences

• Perte ou réduction d’une chaîne de l’Hb → ↓ Hb fonctionnelle, ↓ nombre de GR
• α-thalassémie : perte chaîne α → tétramère de β = HbH
• HbH = haute affinité pour O₂, non coopératif
• → Faible libération d’O₂ dans les tissus
• β-thalassémie : perte chaîne β → tétramères de α
• → agrégats insolubles
• → précipitent dans les GR immatures
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