Myoglobine et Hémoglobine: Transport d'O₂

Protéines impliquées dans la fixation de l'O₂

• Dans les organismes multicellulaires complexes, des protéines alimentent les tissus en oxygène (O₂).

Rôle de la myoglobine et de l'hémoglobine

• La myoglobine (Mb) stocke l'O₂ dans les muscles striés, constituant une réserve prête à l'emploi.
• L'hémoglobine (Hb), présente dans les globules rouges (hématies), transporte et distribue l'O₂ à tout l'organisme.

Importance biomédicale

• Une perturbation des fonctions de l'Hb peut entraîner la mort.

Myoglobine (Mb)

• La Mb du cachalot a été la première protéine dont la structure a été découverte par rayon X.
• La myoglobine est une protéine globulaire monomérique complexe.
• Elle comprend une chaîne polypeptidique unique associée à un groupement prosthétique, le hème.
• Le hème est enfoui dans une poche hydrophobe, où son association avec la partie protéique est stabilisée par des liaisons faibles.
• C'est le hème qui fixe l'O₂, et non la partie protéique.

Holoprotéine et Apoprotéine

• Holoprotéine : Protéine + groupement prosthétique (ici, le hème).
• Apoprotéine : Protéine sans le groupement prosthétique ; incapable de fixer l'O₂.

Structure globulaire de la myoglobine

• La Mb a une structure globulaire dont la structure tridimensionnelle est stabilisée par des liaisons faibles, notamment l'effet hydrophobe.
• Presque tous les acides aminés (aa) à l'intérieur de la protéine sont apolaires, sauf deux exceptions : les histidines proximale (His 93) et distale (His 64).
• Les histidines proximale et distale jouent un rôle important dans la fixation de l'O₂, mais c'est le hème qui fixe directement l'O₂.
• La Mb est constituée de 153 acides aminés et comporte 8 hélices α droites.

Groupement hème

• Le hème est composé d'un système aromatique cyclique qui peut s'associer à un ion Fe2+.
• Le noyau du hème est plan.
• Il est constitué d'une protoporphyrine : 4 cycles pyrroles reliés par des ponts méthylènes (-CH=).
• Un système étendu de doubles liaisons conjuguées est responsable de la coloration intense des hémoprotéines.
• L'ion Fe2+ peut être complexé au centre du système cyclique par les 4 atomes d'azote des noyaux pyrroles.
• Fe2+ se trouve presque dans le même plan que celui du hème.
• La protéine qui entoure le hème le protège de la dimérisation.
• Les hèmes en solution ont tendance à former des dimères et ne sont pas de bons transporteurs d'O₂.
• Seul le hème associé à un ion Fe2+ est capable de fixer l'O₂.
• Si le hème est associé à Fe3+ (produit de l'oxydation de Fe2+), il est INCAPABLE de fixer l'O₂.
• La protéine qui entoure le hème le protège de l'oxydation.

Sites de coordination de Fe2+

• Fe2+ possède 6 sites de coordination.
• 4 sont saturés par le hème.
• 2 sont orientés perpendiculairement au plan du hème et peuvent être occupés par : l'histidine proximale et l'O₂ (de manière réversible).
• Le groupement prosthétique de la myoglobine participe directement à sa fonction de fixation de l'O₂.
• Le hème peut également s'associer au monoxyde de carbone (CO).
• Le CO se lie au hème isolé avec une affinité 2 500 fois plus importante que celle de l'O₂.

Présence atmosphérique du CO

• Le CO est présent dans l'atmosphère (traces).
• Le métabolisme peut produire du CO.
• Le CO n'occupe pas les hèmes de l'organisme en raison des facteurs suivants : dans le hème associé à la protéine, l'histidine distale crée un empêchement stérique pour l'orientation alignée Fe, C et O.
• Ceci induit une fixation du CO selon un angle moins favorable, diminuant la force de la liaison entre le hème et le CO.

Liaison de l’histidine distale

• L'histidine distale permet également l'établissement d'une liaison H avec l'O₂ (mais pas avec le CO).
• Cela stabilise l'association hème-O₂ et augmente l'affinité du hème pour l'O₂.
• La protéine limite la fixation du CO et favorise celle de l'O₂.

Rôle du Fe2+

• Le Fe2+ situé dans le hème peut s'associer à l'O₂.

Intérêt biologique d'entourer le hème d'une grosse protéine

• Protéger le hème de la dimérisation et de l'oxydation.
• Limiter la liaison avec le CO.
• Stabiliser l'association avec l'O₂ (liaisons H) et augmenter l'efficacité de la fixation de l'O₂.

Courbes de dissociation d'O2 de la myoglobine et de l'hémoglobine

• La pression partielle d'O₂ (pO₂) reflète la disponibilité en O₂ dans un tissu.
• YS (ou ) correspond au degré de saturation d'une protéine vis-à-vis de son ligand.
• La pO₂ au niveau des capillaires permet la saturation de la myoglobine en O₂.
• Lorsque pO₂ < 40 mbar (par exemple, lors d'un effort violent), la myoglobine libère l'O₂, qui est alors disponible pour le muscle.
• La myoglobine est une protéine monomérique qui possède un unique hème fixant l'O₂.
• Elle sert à stocker l'O₂ pour les muscles et à le libérer en cas de besoin (qd pO₂ chute).
• La fixation et la libération de l'O₂ sont presque exclusivement contrôlées par la pression partielle (pO₂) du milieu environnant.
• L'affinité de la Mb pour l'O₂ > Hb, quelle que soit la pO₂.
• À pO₂ = 40 mbar, plus de 98% des molécules de Mb sont associées à l'O₂, alors que seulement 55% des molécules d'Hb sont chargées en O₂.
• La Mb et l'Hb ont des fonctions différentes : stockage (Mb) et transport (Hb).
• Hyperbolique (Mb)≠ sigmoïde (Hb).
• À faible pO₂, l'O₂ s'associe difficilement à l'Hb (affinité faible), et lorsque la pO₂ augmente, cette association est facilitée : l'affinité de l'Hb pour l'O₂ augmente.
• L'Hb est capable de délivrer de l'O₂ même dans des tissus où la pO₂ est relativement élevée.
• La fixation d'O₂ sur l'Hb s'effectue de manière coopérative.
• Dans un tétramère d'Hb, la fixation d'une molécule d'O₂ sur une sous-unité facilite la fixation d'autres molécules d'O₂ sur les autres sous-unités du même tétramère.

Régulation allostérique de l'affinité de Hb pour l'O2

• La particularité essentielle de l'Hb est de pouvoir passer d'un état de forte affinité pour l'O₂ à un état de faible affinité pour l'O₂ en fonction de la pO₂.
• L'affinité de Hb pour O₂ est modifiée par la fixation de l'O₂ lui-même.
• L'allostérie est un mode de régulation d'une protéine par lequel l'association d'un ligand en un site de la protéine modifie les propriétés d'association avec un ligand d'un autre site de la protéine.
• Dans le cas de l'Hb, il y a une interaction allostérique positive car il y a coopérativité entre les différents sites de fixation de l'O₂ de l'Hb.
• Mb et Hb sont très proches et fondamentalement différentes.
• Les propriétés caractéristiques de l'Hb sont liées à l'acquisition d'une structure quaternaire spécifique dans laquelle chaque sous-unité peut recevoir des informations du milieu extérieur et communiquer ces informations aux sous-unités voisines.
• Cela permet de modifier finement les propriétés de liaison de la molécule.
• La constitution monomérique de Mb est incompatible avec la communication entre sous-unités ce qui ne permet qu'une réponse de type « tout ou rien » à la modification du milieu extérieur

Formes de Hb

• Les 4 protomères de l'Hb sont associés par des liaisons faibles.
• Ils peuvent former 2 formes d'Hb différentes : la forme T et la forme R.
• En absence d'O₂, la forme T est plus stable (plus de liaisons ioniques ds la forme T).
• Lorsque O₂ s'associe à Hb, ces liaisons ioniques sont rompues.
• L'association avec O₂ stabilise la forme R.
• La forme R a une affinité plus importante que la forme T pour l'O₂.
• La fixation d'O₂ induit un changement de structure IIIaire du protomère : Fe2+ entre dans le plan du hème, ce qui induit un mouvement de l'histidine proximale, un déplacement de l'hélice F, la déstabilisation de la structure III et la rupture des liaisons ioniques avec la modification de la structure IV et passage facilité à la forme R.

Transporteurs

• 2,3-bisphosphoglycérate (BPG) est un modulateur hétérotrope qui réduit l'affinité de l'Hb pour l'O₂, se lie à T et stabilise.
• L'Hb fœtale (α₂γ₂) a une faible affinité pour le 2,3-BPG.
• En l'absence de 2,3-BPG, l'Hb est presque saturée à 30 mm Hg, soit environ la pression des capillaires, et libère donc une très petite quantité de l'O₂ en périphérie.

pH et affinité de Hb

• Un pH acide entraîne la protonation de His146 de , ce qui stabilise la forme T et diminue son affinité avec l'O₂.
• L'influence du pH sur la fixation de l'O₂ sur l'Hb est appelée l'effet Bohr.
• Une diminution du pH modifie la courbe de dissociation : à faible pH, la dissociation de Hb et d'O₂ est facilitée, ce qui participe à une meilleure oxygénation des tissus.
• Un modulateur homotrope est un un ligand donné sur une protéine qui modifie l'affinité de cette protéine pour lui même
• Un modulateur hétérotropes est un ligand X fixé sur une protéine qui modifie l'affinité de cette protéine pour un ligand Y

Anémie falciforme

• Mutation de Hb : substitution d'un glutamate en position 6 par une valine.
• Hb mutante est insoluble.

Effets de la drépanocytose

• Fragilité des érythrocytes.
• Mauvaise oxygénation des tissus et diminution de la résistance à l'effort.
• Obstruction des vaisseaux risquant d'induire des accidents cérébro-vasculaires.