L\'hémoglobine - Biochimie PDF

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L ’hémoglobine: Structures et Rôles

Généralités 1) Évolution et transport de l'oxygène: Organismes simples : l’oxygène est apporté aux organites par diffusion simple. Dès les vers de terre, l’O2 est transporté à l’aide de protéines spécialisées: La solubilité de l’O2dans le plasma est faible: 10-4M Grâce à l’hémoglobine le sang peut transporter jusqu’à 10-2mole/L d’O2. Transport d’oxygène: 0,1 litre/mn soit 0,05 mole/mn 2) Cellules de transport de l’oxygène: Chaque globule rouge contient 280 millions de molécules d’hémoglobine. La concentration sanguine en hémoglobine est de l’ordre de 150 g/L, soit 750 g d’hémoglobine par organisme. Durée de vie du globule rouge: 120 jours 2.1) Transport du fer : -

La transferrine. 2 atomes de fer ferrique Fe3+.

2.2) Stockage cellulaire du fer: La Ferritine: 24 chaînes:  

L (liver) 19 kDa H (heart) 22 kDa

Chaque molécule fixe environ 4500 atomes de Fer 1

3) Les gènes des hémoglobines: Superfamille de protéines à laquelle appartient la myoglobine. - 650 Millions d’années: divergence entre l’Hb des invertébrés et l’Hb des vertébrés. - 450 Millions d’années: divergence α/ß. Les gènes des différentes chaînes sont sur les chromosomes 11 (ß) et 16 (α).

Tous les gènes sont sur le même chromosome chez les poissons et grenouilles. L’ordre des gènes est toujours le même. Les gènes sont ordonnés en fonction de leur expression lors de l’embryogenèse.

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3.1) Expression des différentes formes de chaînes de l’hémoglobine:

4) Structure de la myoglobine et des hémoglobines: Les myo- et hémoglobines sont des hétéroprotéines Les globines sont liées à un facteur liant l’O2: l’hème L’organisation de la myoglobine et des chaînes αet ß est très proche. L’homologie en acides aminés est pourtant faible < 50%. Certains acides aminés sont cependant invariants entre les différentes chaînes de globines. 4.1) Module protéique de base:

4.2) Les globines sont des protéines globulaires: 7 ou 8 huit hélices α(75% des aa) 7 à 28 acides aminés L'étude de la composition en acides aminés montre:  

Des acides aminés chargés exposés à la surface. Une crypte apolaire contenant l’hème.

Les acides aminés apolaires favorisent les mouvements d’électrons capitaux pour la fixation de l’oxygène.

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4.3) La myoglobine: Chaîne unique: -

153 AA contenue dans une « sphère elliptique » : 45 x 35 x 25 Å

16 700 daltons 8 hélices α(A-H) Muscles squelettiques et cardiaque Concentrations plus élevées chez les mammifères marins.

La myoglobine fixe l’oxygène avec une cinétique « michaelienne »:

5) Structure de l’hémoglobine: Deux chaînes αet deux chaînes ß associées en un tétramère. o o

141 résidus pour la chaîne α 146 résidus pour la chaîne ß

Tétramère de structure sphéroïde : 64 x 55 x 50 Å

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Interaction α1-ß1 implique 35 acides aminés Interaction α1-ß2 implique 19 acides aminés Les interactions sont essentiellement hydrophobes, quelques liaisons hydrogènes et ioniques.

5.1) Organisation des globines: A: Bleu

E: Jaune

B: Bleu ciel

F: Orangé

C: Vert foncé

G: Rose

D: Vert clair(sauf α) H: Rouge

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5.3) Organisation modulaire des globines en unités fonctionnelles:

6) L’hème: L’hème est le groupement prosthétique qui permet la liaison de l’O2 par l’intermédiaire d’un atome de fer. C’est cette molécule qui donne leur teinte à l’hémoglobine et la myoglobine. Il est constitué de deux éléments: -

la protoporphyrine IX un atome de fer (Fe++) qui peut lier l’O2.

6.1) Liaison de l’hème à la chaîne de globine : L’hème est intégré à une molécule de globine pour former l’Hémoglobine : Seuls les groupements propionates de l’hème sont exposés à la surface de la molécule d’hémoglobine. Le fer possède 4 points d’ancrage aux atomes d’azote de la protoporphyrine IX. Le fer possède deux possibilités supplémentaires d’établir des liens: Les cinquièmes et sixièmes positions de coordination. La liaison Fe/His(F8) est une liaison covalente dative.

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6.3) Propriétés et structure de l’hème: La liaison entre l’oxygène et le fer forme un angle. L’histidine E7 diminue également l’affinité de l’atome de fer pour le CO en favorisant une forme angulaire de la liaison Fe/CO. Dans la forme oxydée du fer (Fe3+, methémoglobine) le fer lie une molécule d’eau.

6.3.1) Modifications de la structure par liaison à l’oxygène:

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7) Fonctions de l’hémoglobine: Transport de l ’oxygène: La réaction de dissociation de l’O2 et de l’Hb a été établie par Bohr:

7.1) Courbe de dissociation: P + nS  PSn Équation de Hill:

Hill montre la relation: (pO2/P50)n= YO2/ (100 -YO2) La valeur standard de P50, au niveau de la mer, est de 26,3 mmHg. n = coefficient de Hill: varie entre 2,4 et 2,9. Cette valeur change beaucoup in vivo: en fonction de la θ, de la pCO2 et du pH.

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7.2) Coopérativité de l’hémoglobine:

Caractéristiques du tétramère

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7.3) L’effet Bohr: L’augmentation de la [H+], baisse du pH, diminue l’affinité de l’hémoglobine pour l’O2.

7.4) L’effet Haldane : La désoxygénation modifie le transport du CO2 par l’Hémoglobine: Les ions H+ se fixent sur l’hémoglobine, effet Bohr, ce qui favorise la formation de HCO3-(75% du CO2) - le CO2 forme de la carbamino-hémoglobine (10% du CO2).

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7.5.1) La carbamino-hémoglobine : Hémoglobine ayant lié le dioxyde de carbone sur un acide α aminé terminal.

La carbamino-hémoglobine favorise la transition vers la forme T de l’hémoglobine: Libération de l’oxygène. Les ions H+ se lient à certains acides aminés de l’hémoglobine et favorisent sa forme T : Libération de l’oxygène. 7.6) Régulation métabolique de la fixation de l ’oxygène: 7.6.1) Régulation par le 2-3 BPG: Le métabolisme des GR privilégie la glycolyse Le 1-3 Biphosphoglycérate peut donner du 2-3 Biphosphoglycérate.

Le 2-3 Biphosphoglycérate se fixe à la désoxyhémoglobine:  Diminution de l’affinité pour l’O2 en favorisant la forme T: Fixation entre les chaînes ß  Augmentation de l’effet Bohr par diminution du pH En l’absence de 2-3 BPG seul 8 % de l’O2 est libéré. L’HbF a moins d’affinité pour le 2-3 Biphosphoglycérate et est donc plus affine pour l’O2.

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7.6.2) Structure de l’hémoglobine et 2-3 BPG:

Hb embryonnaire: α2ε2: Présente une affinité ↑pour l’O2. Hb Fœtale: α2γ2: Présente également une affinité ↑pour l’O2 7.6.3) Régulation de la synthèse du 2-3 BPG: Augmente lors de l’hypoxie Augmente lors de l’alcalose Pas de feed-back de production car liaison à l’hémoglobine 8) Relation structure fonction: L’hémoglobine existe sous, au moins, deux formes: T (tense):désoxyhémoglobine, la valine E11 de la chaîne ß empêche la fixation de l ’oxygène sur le Fe2+, la structure T est stabilisée par un réseau de ponts salins R (relaxed): oxyhémoglobine. Site plus « ouvert » et 500 fois plus affin pour l ’O2. 8.1) Localisation des ponts salins:

9) Modélisation: 12

10) Les autres formes de l’hémoglobine:

10.1) Occurrence des formes de l’hémoglobine: a) Méthémoglobinémies: Si plus de 1% de Fe3+ Cyanose intense bleue ardoisée, faiblesse musculaire et syncope o o o

Mutations méthémoglobisantes Altération du métabolisme du glutathion Toxiques: Borates, bromates, nitrites…et médicaments.

10.2) Carboxyhémoglobine: Le CO a une affinité pour l’hème 210 fois supérieure à celle de l’O2. Le CO augmente l’affinité de l’O2 pour l’Hb: hypoxie tissulaire augmentée. Un air à 1% de CO mortel en une demi-heure À l’examen spectroscopique du sang visualisation de la bande de Stokes. Thérapeutique: mélange 95/5 O2/CO2. 11) Synthèse de l’hème:

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11.1) Régulation de la synthèse de l’hème:

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