Myoglobine et hémoglobine : comparaison de la structure et des fonctions
La myoglobine est une protéine complexe du tissu musculaire dotée d'une structure tertiaire supérieure, constituée d'une seule chaîne polypeptidique et contenant un seul hème (un site actif). L'hémoglobine présente une structure quaternaire : quatre protomères (deux chaînes α-globine et deux chaînes β-globine) et quatre hèmes, soit quatre sites actifs.
La myoglobine possède une affinité élevée pour l'oxygène qu'elle retient fermement, ne le libérant qu'en cas d'hypoxie tissulaire prononcée. L'hémoglobine a une affinité plus faible et assure une fonction de transport : elle transporte l'O₂ des poumons vers les tissus et le CO₂ des tissus vers les poumons. L'affinité de l'hémoglobine pour l'oxygène est régulée, contrairement à celle de la myoglobine.
L'hémoglobine est une protéine oligomérique à domaines : chacune de ses sous-unités est appelée protomère, et une cavité allostérique est située au centre de la molécule. La myoglobine est une protéine non oligomérique.
Structure de l'hème et rôle des histidines
La structure secondaire de la chaîne globine est représentée par huit hélices α (A–H). L'hème est logé dans une poche hydrophobe située entre les hélices F et E, et est fixé par deux histidines clés.
L'hème lui-même est un cycle porphyrinique composé de quatre noyaux pyrroliques, dont les atomes d'azote établissent des liaisons de coordination avec l'atome central de fer Fe²⁺. Les chaînes latérales du cycle sont des groupements vinyle, méthyle et propionyle.
- L'His F8 (proximale) forme une liaison de coordination avec le fer de l'hème, le maintenant ainsi fixé au sein de la protéine.
- L'His E7 (distale) assure l'orientation correcte de la molécule d'O₂ dans la poche et augmente l'affinité de l'hème pour l'oxygène par rapport au monoxyde de carbone (CO), réduisant ainsi le risque d'intoxication.
L'environnement hydrophobe de l'hème empêche l'accès à l'eau, ce qui évite l'oxydation du Fe²⁺ en Fe³⁺ (méthémoglobinémie), incapable de lier l'oxygène. Lors de la fixation de l'O₂ « tire » l'His F8 le fer pour le ramener dans le plan de la porphyrine — ce mouvement déclenche les changements coopératifs.
Liaison coopérative de l'oxygène
La régulation de l'affinité de l'hémoglobine pour l'O₂ débute par un changement conformationnel coopératif des protomères. Lors de la fixation de la première molécule d'oxygène, le protomère correspondant modifie sa conformation, ce qui facilite la liaison de l'O₂ par le protomère voisin. Chaque molécule suivante se fixe plus aisément : la fixation de la quatrième molécule s'effectue de façon environ 300 fois plus aisée que celle de la première.
La libération de l'oxygène s'effectue de manière analogue : plus la quantité d'O₂ déjà détachée est importante, plus il est facile de libérer la molécule suivante. Cela génère une courbe de dissociation sigmoïde caractéristique et garantit une distribution efficace de l'oxygène aux tissus.
Effet Bohr et régulation par le 2,3-BPG
L'effet Bohr : plus l'hémoglobine est protonée, plus elle libère facilement l'oxygène. Dans les tissus au métabolisme actif, il se produit du CO₂ qui, en présence d'eau, forme de l'acide carbonique qui se dissocie en H⁺ et HCO₃⁻. L'accumulation de protons et l'acidification du milieu stabilisent la forme désoxygénée de l'hémoglobine et facilitent la libération d'O₂. Le CO₂ se lie en outre aux groupes N-terminaux des protomères pour former de la carbamino-hémoglobine.
Le 2,3-bisphosphoglycérate (2,3-BPG) — un métabolite intermédiaire produit dans les érythrocytes via le shunt de Rapoport — se fixe dans la cavité allostérique centrale de l'hémoglobine. Sa synthèse est stimulée en cas d'hypoxie. En se liant à la cavité centrale, le 2,3-BPG diminue l'affinité de l'hémoglobine pour l'oxygène et en facilite la libération vers les tissus.
L'hémoglobine fœtale (HbF) lie faiblement le 2,3-BPG, ce qui lui confère une affinité accrue pour l'O₂, indispensable au transfert de l'oxygène à travers le placenta de la mère vers le fœtus.
Dénaturation et chaperons
La dénaturation correspond à l'altération des structures quaternaire, tertiaire et parfois secondaire d'une protéine, la structure primaire demeurant intacte. Elle peut être réversible (avec possibilité de retour à la conformation native) ou irréversible.
- Une température élevée détruit les liaisons hydrogène.
- Les acides et les bases détruisent les liaisons hydrogène et ioniques.
- Les alcools, les phénols et l'urée détruisent principalement les liaisons hydrogène.
Des chaperons agissent au sein de la cellule afin de prévenir la dénaturation et de favoriser un repliement correct. On distingue les chaperons constitutifs (présents en permanence) et les chaperons inductibles, tels que les protéines de choc thermique (HSP), dont la synthèse est stimulée en réponse au stress.
Drépanocytose
La drépanocytose (HbS) est une hémoglobinopathie héréditaire provoquée par une mutation ponctuelle sur le gène de la β-globine : en sixième position de la chaîne polypeptidique, l'acide glutamique (chargé négativement et hydrophile) est remplacé par la valine (hydrophobe et non chargée).
L'apparition d'un résidu hydrophobe à la surface de la molécule crée des sites complémentaires par lesquels les molécules de HbS désoxygénées s'agrègent en de longues fibres. Cela déforme les érythrocytes en leur conférant une forme en faucille, tout en altérant l'élasticité et la plasticité de la membrane.
- Les érythrocytes falciformes franchissent difficilement les capillaires, ce qui provoque des microthromboses et une ischiémie tissulaire.
- Leur durée de vie est raccourcie, ce qui conduit à une anémie hémolytique et à une hypoxie chronique.
- Désignations des formes : HbA — hémoglobine normale de l'adulte, HbF — fœtale, HbS — drépanocytaire.
La forte prévalence de cette mutation en Afrique s'explique par l'avantage sélectif conféré aux porteurs hétérozygotes dans les zones d'endémie palustre : le Plasmodium falciparum se multiplie moins bien dans les érythrocytes falciformes, lesquels sont détruits plus rapidement, empêchant le parasite d'achever son cycle de développement.
Points clés
- La myoglobine est un monomère doté d'un seul hème et d'une affinité élevée pour l'O₂ ; l'hémoglobine est un tétramère (2α + 2β) pourvu de quatre hèmes et doté d'une fonction de transport.
- L'hème est fixé dans la poche située entre les hélices F et E ; l'His F8 lie le Fe²⁺, tandis que l'His E7 oriente l'O₂ et diminue l'affinité pour le CO.
- La liaison coopérative de l'O₂ assure une courbe de dissociation sigmoïde et une administration efficace de l'oxygène aux tissus.
- Effet Bohr : les ions H⁺ et le CO₂ réduisent l'affinité de l'hémoglobine pour l'O₂, facilitant sa libération au niveau des tissus actifs.
- Le 2,3-BPG se lie dans la cavité centrale et réduit l'affinité pour l'O₂ ; sa concentration augmente en cas d'hypoxie.
- L'hémoglobine fœtale (HbF) lie faiblement le 2,3-BPG et présente une affinité plus élevée pour l'O₂.
- HbS : substitution Glu6→Val sur la chaîne β, entraînant l'agrégation de l'hémoglobine et la falciformation des érythrocytes.
- L'hétérozygotie pour l'HbS confère une résistance au paludisme, ce qui explique la forte prévalence de la mutation en Afrique.