Structure et fonction de la myoglobine et de l'hémoglobine

1. La myoglobine : structure et stockage

Les cas de la myoglobine et de l'hémoglobine sont des exemples bien connus de protéines globulaires. La myoglobine est peut-être la protéine globulaire la plus étudiée, tandis que l'hémoglobine est la mieux connue, car elle est facilement séparable et purifiée à partir des érythrocytes. Elle a été la première protéine cristallisée, caractérisée par ultracentrifugation, et la première dont on a identifié la cause moléculaire d'une maladie. De même, elle a été la première à faire l'objet de théories sur la coopérativité.

Une autre protéine de structure plus simple, avec des fonctions similaires, a été identifiée par la suite et sert d'introduction à l'étude de l'hémoglobine : il s'agit de la myoglobine. Cette protéine capte l'oxygène de l'hémoglobine et est présente dans les muscles et d'autres tissus. La myoglobine est constituée d'une chaîne polypeptidique unique disposant de 8 hélices nommées de A à H (à partir de l'extrémité N-terminale). La majorité sont des hélices alpha, modifiées dans certaines sections : l'extrémité carboxyle de l'hélice 4 des 8 hélices forme une hélice 310 (3 résidus par tour) ; cette hélice est plus mince et plus haute. On peut rencontrer d'autres interférences, mais elles sont moins abondantes que l'hélice alpha et existent dans des régions courtes, habituellement à la fin d'une hélice, autour d'un tour déformé. Les segments non hélicoïdaux de la myoglobine sont nommés avec deux lettres accompagnant les segments hélicoïdaux (AB, etc.).

Associé à la protéine, on trouve le groupe hème, situé dans une cavité hydrophobe où il interagit par des liaisons de Van der Waals. Le groupe hème contient un atome de fer au centre d'un anneau tétrapyrrole, relié par quatre liaisons de coordination avec l'azote (N). Le cinquième poste de coordination du fer (Fe) est occupé par un reste d'histidine (His F8, connue sous le nom d'His proximale) et la sixième position de coordination est occupée par une molécule d'oxygène. Le stockage de l'oxygène est la fonction première de la myoglobine, tandis que son transport à travers le sang est une fonction de l'hémoglobine (la liaison de coordination est une liaison covalente dans laquelle les deux électrons partagés proviennent du même atome ou ion).

À l'opposé de l'His proximale (par rapport au plan du groupe hème) se trouve un autre vestige d'histidine, l'His distale (E7). Sa fonction est d'empêcher l'alignement des deux atomes de la molécule d'oxygène avec l'atome de Fe, ce qui éviterait l'oxydation du Fe2+ en Fe3+. Elle introduit un encombrement stérique qui permet l'oxygénation du fer au lieu de son oxydation. Elle rend également très forte la liaison du CO ou du CO2, pour lesquels le groupe hème isolé a une affinité beaucoup plus grande que pour l'oxygène. En outre, l'His distale agit comme un piège pour les protons (son pKa est de 6 dans le cycle imidazole) et empêche l'action catalytique des protons sur l'auto-oxydation du Fe2+, puisque le Fe2+ est réducteur face au H+, passant en Fe3+ et entraînant le passage de l'O2 à l'O2.- (la transition Fe2+ O2 vers Fe3+ O2.- est simultanée à la formation de superoxyde). Ainsi, l'His E7 protège des protons qui viendraient dans la cavité hème de la désoxymyoglobine.

La liaison d'une molécule d'oxygène par le groupe hème provoque un léger changement conformationnel diminuant le volume de l'atome de Fe2+. Dans la désoxyhémoglobine, le Fe2+ (configuration d6) est à haut spin (S = 2) et paramagnétique, donc son rayon de Van der Waals est grand. Dans l'oxyhémoglobine, le Fe2+ est à bas spin (S = 0, diamagnétique), ce qui diminue son rayon de Van der Waals. Il se dispose alors dans le plan de la porphyrine, diminuant la distance Fe-porphyrine. Cela permet l'approche de l'atome de Fe vers le plan de l'hème, tirant sur l'His proximale et donc sur le reste de la chaîne polypeptidique. Ce mouvement affecte l'hélice F (contenant l'His proximale), se transmettant à l'hélice E et permettant un accès plus libre à l'O2. La courbe de saturation en oxygène de la myoglobine est hyperbolique (fraction de molécules MbO2/Mb total en fonction de la pO2).

2. L'hémoglobine : transport et allostérie

L'hémoglobine, contrairement à la myoglobine, est un tétramère composé de deux types différents de sous-unités (α2β2), symétriquement liées. Leurs structures tertiaires sont très semblables à celle de la myoglobine, bien qu'il n'y ait qu'une identité de 18 % dans les résidus d'acides aminés (divergence évolutive avec changements conservateurs). Les sous-unités interagissent largement : 35 acides aminés participent à l'union α1β1 (et son équivalent α2β2), tandis que les interfaces α1β2 (et α2β1) ne touchent que 19 acides aminés. Certaines de ces interactions sont de type hydrophobe, avec des liaisons hydrogène et des paires d'ions d'une grande importance.

L'oxygénation provoque des changements dans la structure quaternaire qui affectent les interactions α1β2 et α2β1, mais n'altèrent pas α1β1 ou α2β2. Ainsi, l'angle formé par les paires α1β1 et α2β2 varie de 15°, passant d'un état appelé T (Tendu), à faible affinité pour l'oxygène, à un état R (Relaxé), à haute affinité. L'union de la première molécule d'oxygène a un effet de coopération positive sur les trois autres. C'est le déplacement du fer dans le plan qui provoque ces changements et le passage de la sous-unité de l'état T à l'état R. L'état T est stabilisé par des ponts salins (liaisons ioniques). Le passage à l'état R rompt ces ponts salins, mû par l'énergie de formation de la liaison de coordination Fe-oxygène. La présence des deux états R et T justifie la cinétique sigmoïde de saturation de l'hémoglobine : d'abord une faible affinité (état T), puis une affinité élevée (état R). Le passage de T à R se fait par un changement de l'His F7.

L'effet Bohr et le transport du CO2

L'hémoglobine possède l'effet Bohr, par lequel la libération de protons (H+) facilite la liaison à l'oxygène. Le changement de conformation produit par la fixation de l'oxygène rend l'hémoglobine légèrement acide. L'effet Bohr facilite le transfert de l'oxygène aux tissus, notamment dans les capillaires où les tissus libèrent du CO2. Les globules rouges transforment le CO2 en bicarbonate, libérant un proton (réaction CO2 + H2O ⇌ H+ + HCO3- catalysée par l'anhydrase carbonique). Ce proton est capturé par l'hémoglobine, réduisant son affinité pour l'oxygène, ce qui favorise sa libération vers les tissus qui consomment le plus d'oxygène. La diminution du pH réduit l'affinité car elle favorise les ponts salins stabilisant l'état T (protonation de l'extrémité N-terminale et d'une His C-terminale). L'His étant chargée positivement, elle interagit avec un groupe carboxyle via un pont salin.

L'hémoglobine assure également le transport du CO2 des tissus vers les poumons sous forme de carbamates avec les groupements amino, un processus plus facile sous forme désoxygénée. Réciproquement, une forte concentration de CO2 favorise la libération d'oxygène. Le CO2 est transporté ainsi :

• Environ 78 % sous forme de bicarbonate ;
• Environ 9 % de CO2 dissous dans le sang ;
• Environ 13 % lié à l'hémoglobine.

Bien que ce dernier pourcentage soit faible, l'hémoglobine transporte environ 50 % du CO2 recyclé à chaque tour de circulation.

Modèles de coopérativité et modulateurs allostériques

Deux modèles expliquent le comportement sigmoïdal :

• Le modèle concerté (Monod-Wyman-Changeux) : La protéine existe en deux états (T et R) en équilibre. Toutes les sous-unités sont dans le même état simultanément. Ce modèle n'explique pas la coopérativité négative.
• Le modèle séquentiel (Koshland-Nemethy-Filmer) : La liaison du ligand induit un changement conformationnel dans une sous-unité, affectant l'affinité des voisines (effet domino), permettant d'expliquer la coopérativité négative.

L'hémoglobine est une protéine allostérique. Dans le sang, elle a une affinité plus faible pour l'oxygène à cause du 2,3-bisphosphoglycérate (2,3-BPG). Présent à environ 4,7 mM dans les érythrocytes, le BPG possède 5 charges négatives et stabilise la conformation T en interagissant avec les résidus Lys, His et les extrémités N-terminales. Lors de la fixation de l'oxygène, le site de liaison du BPG est déformé et la molécule se dissocie.

L'hémoglobine fœtale possède des chaînes gamma au lieu de bêta, ce qui réduit l'affinité pour le 2,3-BPG. Elle a donc une plus grande affinité pour l'oxygène que l'hémoglobine maternelle, permettant le transfert d'oxygène vers le fœtus. Le BPG intervient aussi dans l'adaptation à l'altitude : l'organisme augmente sa concentration pour réduire l'affinité de l'hémoglobine et faciliter la délivrance d'oxygène aux tissus malgré une pO2 pulmonaire plus faible. En quelques semaines, le nombre de globules rouges augmente également (polycythémie).

Équations de saturation et pathologies

La saturation partielle montre un profil sigmoïde. L'équation de Hill permet d'ajuster la courbe : log(Y / (1-Y)) = n log(pO2) - n log(P50). Pour la myoglobine, n = 1 (pas de coopérativité). Pour l'hémoglobine, la valeur réelle est n = 2,8. Sur un tracé de Hill, une pente de 1 signifie une absence de coopérativité.

L'importance des acides aminés est évidente dans la drépanocytose (anémie falciforme), causée par une mutation où un résidu Glu est remplacé par Val dans les chaînes bêta, créant l'hémoglobine S. Cela génère des régions hydrophobes provoquant l'agrégation des molécules et la déformation des érythrocytes en faucilles. Les individus hétérozygotes sont résistants au paludisme (Plasmodium falciparum), car le parasite ne peut survivre avec une consommation d'oxygène réduite. Enfin, les thalassémies sont des défauts de synthèse de la globine touchant environ 5 % de la population mondiale, provoquant souvent des anémies hémolytiques dues à l'instabilité des globules rouges.