hémoglobine (Biologie et Anatomie).

hémoglobine (Biologie et Anatomie). 1 PRÉSENTATION hémoglobine, principal pigment du sang, assurant le transport de l'oxygène, et présent chez un très grand nombre d'animaux. L'hémoglobine est la protéine majoritaire des globules rouges. Elle transporte l'oxygène vers les cellules de l'organisme. C'est l'Allemand Felix Hoppe-Seyler, considéré comme l'un des pionniers de la biochimie et de la biologie moléculaire, qui, le premier, emploie le terme d'hémoglobine, molécule dont il étudie les propriétés optiques et chimiques. Près d'un siècle plus tard, la méthode de diffraction des rayons X permet à Max Perutz de connaître la structure en trois dimensions de l'hémoglobine, tandis que John Kendrew découvre celle de la myoglobine. L'hémoglobine compte aujourd'hui parmi les protéines les mieux connues. Lorsque l'hémoglobine est saturée en oxygène, elle est appelée oxyhémoglobine. Après avoir libéré l'oxygène dans les tissus, elle change de conformation et fixe le dioxyde de carbone, déchet de la respiration cellulaire, pour le transporter aux organes respiratoires (poumons, branchies ou trachées) où il sera éliminé dans l'air expiré. Sous cette forme, elle est appelée carbohémoglobine. 2 STRUCTURE ET ANATOMIE COMPARÉE Chez l'homme, comme chez la plupart des vertébrés, l'hémoglobine est formée de quatre chaînes polypeptidiques (voir peptide), formant une structure appelée tétramère. Chaque chaîne d'hémoglobine est elle-même constituée d'une partie protéique, la globine, et d'une partie non protéique, l'hème, qui renferme un atome de fer ferreux (Fe2+) dont le rôle dans la fixation de l'oxygène est primordial (on dit que l'oxygène est le ligand du fer). Chez certaines espèces animales, le fer peut être remplacé par d'autres ions métalliques (par exemple, le cuivre chez les crustacés). Dans chaque tétramère d'hémoglobine, on trouve deux chaînes alpha et deux chaînes bêta. Les chaînes alpha sont composées de 141 acides aminés et les chaînes bêta en contiennent 146. Chez les vertébrés les plus primitifs, comme la lamproie, l'hémoglobine est formée d'une seule chaîne polypeptidique. De nombreux poissons téléostéens (poissons osseux à nageoires rayonnées) synthétisent plusieurs hémoglobines aux fonctions différentes. Certaines ont pour fonction d'assurer la respiration de l'animal, tandis que d'autres sont destinées à libérer des quantités importantes d'oxygène dans la vessie natatoire lors de la plongée. Chez le thon, l'hémoglobine joue également un rôle dans le maintien de la température centrale de l'animal. Chez les reptiles, l'hémoglobine est adaptée aux multiples changements physiologiques liés au mode de vie. Les crocodiles, par exemple, peuvent rester plusieurs heures dans la vase sans avoir à faire surface pour respirer. Pendant cette période, ils limitent leur consommation d'oxygène en restreignant l'irrigation sanguine aux viscères et au cerveau. La libération de l'oxygène par l'hémoglobine dépend d'ions ou d'autres molécules plus petites. Ce sont par exemple des anions, dits « effecteurs «, qui assurent la libération de l'oxygène de l'oxyhémoglobine. Ces anions diffèrent selon les espèces (le bicarbonate chez de nombreux reptiles, l'inositolhexaphosphate chez les oiseaux et le 2,3diphosphoglycérate chez l'homme). La fonction respiratoire des différentes espèces animales semble s'être adaptée à l'environnement grâce à des changements d'acides aminés (mutations) dans des régions clefs de la structure tétramère de la molécule. 3 DÉVELOPPEMENT ET HÉMOGLOBINES Chez l'homme, comme chez la plupart des espèces animales, plusieurs hémoglobines de composition polypeptidique différente se succèdent au cours de la vie, et plusieurs d'entre elles peuvent exister simultanément. Selon la nature des chaînes qui les constituent, on distingue les hémoglobines embryonnaires, foetales et adultes. Aux divers stades du développement (ou ontogenèse), les cellules hématopoïétiques où est synthétisée l'hémoglobine se forment dans des organes différents. Chez l'être humain par exemple, les hémoglobines de l'embryon sont synthétisées dans le sac vitellin, tandis que pendant la période foetale l'hémoglobine est fabriquée dans le foie et dans la moelle osseuse. Après la naissance et au cours de la vie adulte, les hémoglobines humaines sont fabriquées par les cellules de la lignée des globules rouges, uniquement dans la moelle osseuse. Bien que de structure primaire différente (la structure primaire est l'enchaînement des acides aminés d'une protéine), toutes ces hémoglobines présentent un important degré d'homologie. C'est en effet à partir de l'évolution, depuis quelque 400 millions d'années, d'un même transporteur d'oxygène, codé par un gène ancestral unique, que les hémoglobines actuelles se sont formées. 4 PHYSIOLOGIE L'hémoglobine constitue environ 35 p. 100 de la masse des globules rouges dans lesquels elle est contenue. On compte environ 250 millions de molécules d'hémoglobine dans chaque globule rouge, ce qui représente, potentiellement, la fixation d'un milliard de molécules d'oxygène (chaque hème d'une chaîne de globine pouvant fixer une molécule d'oxygène). Un gramme d'hémoglobine est capable de fixer jusqu'à 1,39 ml d'oxygène. Lors du passage des globules rouges dans les capillaires pulmonaires, l'hémoglobine fixe directement l'oxygène qui s'y trouve. Elle le libère ensuite dans les tissus des organes périphériques, où la pression partielle en oxygène est beaucoup plus faible. La fonction de l'hémoglobine est régulée par des anions effecteurs et dépend également du pH et de la température. Ainsi, l'affinité de l'hémoglobine diminue lorsque la température augmente, ce qui facilite la libération de l'oxygène de l'hémoglobine en cas de fièvre ou de travail musculaire intense (la température musculaire peut atteindre, dans cette circonstance, jusqu'à 39 °C). La quantité d'oxygène fixée à l'hémoglobine représente environ 98 p. 100 de l'oxygène total contenu dans le sang. L'oxygène circule donc sous une forme majoritairement liée à l'hémoglobine et ne passe à l'état dissous que lors des phénomènes d'échange. Les hémoglobines peuvent donner naissance à plusieurs dérivés lorsqu'elles se trouvent en présence d'oxydants (voir méthémoglobine ; sulfhémoglobine). 5 MÉTABOLISME La synthèse de l'hémoglobine est stimulée par le fer et l'érythropoïétine, glycoprotéine synthétisée par le rein et dont la fabrication est activée par une diminution de la quantité d'oxygène dans l'organisme. Ainsi, une baisse de la quantité d'oxygène provoque une synthèse compensatoire de globules rouges et d'hémoglobine. Les globules rouges ont une durée de vie limitée (environ 120 jours chez l'homme) ; ils sont ensuite détruits dans les cellules du système réticulo-endothélial (moelle osseuse et rate). En se dégradant, l'hémoglobine donne naissance à la bilirubine, pigment biliaire qui passe dans le foie pour être solubilisé par le biais d'une conjugaison chimique. La bilirubine ainsi conjuguée passe dans l'intestin, via les canaux biliaires. Elle est ensuite éliminée dans l'urine et les matières fécales. Le fer est « recyclé « par la moelle osseuse et utilisé pour la fabrication de nouvelles molécules d'hémoglobine. 6 PATHOLOGIES La fonction respiratoire dépend directement de la quantité d'hémoglobine et de l'intégrité de ses propriétés fonctionnelles. Il existe des anomalies qualitatives et quantitatives de l'hémoglobine. Une anémie, par exemple, est une diminution de la quantité d'hémoglobine fonctionnelle pouvant avoir plusieurs origines. Ainsi, une carence en fer (nécessaire à la synthèse des chaînes d'hémoglobine) diminuera la quantité d'hémoglobine, entraînant une anémie par manque de fer (ferriprive). 6.1 Anomalies qualitatives : les hémoglobines anormales Ces anomalies sont appelées hémoglobinopathies. La « qualité « des hémoglobines peut être étudiée par l'intermédiaire de méthodes biochimiques, qui permettent de mesurer la fixation de l'oxygène sur la molécule et sa libération, ou des tests explorant la stabilité des hémoglobines. On a dénombré environ 800 sortes d'hémoglobines anormales ou mutées, dont la plupart sont rares et sans retentissement sur l'organisme. Toutefois, certaines anomalies dues à des mutations peuvent altérer la fonction et la stabilité de l'hémoglobine. On distingue les hémoglobines dont l'affinité pour l'oxygène est augmentée et qui libèrent peu ou pas l'oxygène, et les hémoglobines à affinité diminuée qui fixent mal l'oxygène. Les premières sont responsables d'une augmentation compensatoire de la masse de globules rouges et d'hémoglobine, pouvant entraîner une polyglobulie plus ou moins grave. Les secondes sont mieux tolérées, puisque libérant facilement l'oxygène ; elles peuvent toutefois être responsables d'une cyanose et d'une anémie discrète. Certaines mutations peuvent être responsables d'une instabilité de l'hémoglobine. Cette hémoglobine instable, précipitée sur la membrane des globules rouges, entraîne une anémie hémolytique par rupture de cette membrane. Enfin, l'anémie falciforme, ou drépanocytose, est une maladie génétique due à la présence à l'état homozygote d'un gène codant pour une hémoglobine anormale, appelée HbS. 6.2 Anomalies quantitatives : les thalassémies Les thalassémies sont des maladies génétiques dues à des mutations dans les gènes codant la globine. Ces mutations peuvent altérer une ou plusieurs étapes de la synthèse d'une ou plusieurs chaînes d'hémoglobine. Elles sont responsables d'anémies plus ou moins graves. Les thalassémies sont particulièrement répandues sur le pourtour du bassin méditerranéen, en Asie et en Inde. 6.3 Anomalies mixtes de l'hémoglobine : les hémoglobinopathies thalassémiques Ces anomalies sont la conséquence de mutations modifiant, le plus souvent, les propriétés de stabilité de l'hémoglobine et entraînant une diminution de la quantité d'hémoglobine circulante par des mécanismes complexes de destruction de la protéine anormale. 6.4 Fixation du monoxyde de carbone, intoxication au CO Le monoxyde de carbone (CO) peut se fixer au fer de la molécule d'hémoglobine (formant la carboxyhémoglobine) avec une affinité 250 fois supérieure à celle de l'oxygène. C'est cette propriété qui rend ce gaz particulièrement toxique : la carboxyhémoglobine formée ne peut, en effet, plus se combiner à l'oxygène, ce qui entraîne une anoxémie aiguë (asphyxie). Le traitement consiste à déplacer le CO par ventilation en atmosphère très riche en oxygène (oxygène hyperbare). L'intoxication au CO peut être mortelle ; il ne faut donc pas séjourner, et encore moins s'endormir, dans une pièce non ventilée contenant des appareils de chauffage, comme les poêles à charbon dégageant du monoxyde de carbone. Microsoft ® Encarta ® 2009. © 1993-2008 Microsoft Corporation. Tous droits réservés.