Hémoglobine

L'hémoglobine possède une structure quaternaire caractéristique de nombreuses protéines à sous-unités globulaires. La plupart de ses résidus d'acides aminés sont engagés dans des hélices α reliées entre elles par des segments non hélicoïdaux. Les sections hélicoïdales sont stabilisées par des liaisons hydrogène qui confèrent à la protéine sa structure tridimensionnelle caractéristique, appelée repliement globine car on le retrouve également dans d'autres globines à groupe prosthétique héminique telles que la myoglobine[8]. Ce repliement caractéristique présente une cavité dans laquelle est étroitement insérée une molécule d'hème constituant le groupe prosthétique de la protéine. L'hémoglobine contient donc une molécule d'hème par sous-unité.

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  Représentation générique d'une molécule d'hémoglobine, montrant les quatre sous unités, identiques deux à deux, avec chacune une molécule d'hème insérée dans des cavités à l'intérieur des sous-unités.

Chez la plupart des vertébrés, la molécule d'hémoglobine est un assemblage de quatre sous-unités globulaires selon un arrangement grossièrement tétraédrique. Ces sous-unités sont maintenues ensemble par des liaisons hydrogène, par des liaisons ioniques et par effet hydrophobe. Chez l'Homme adulte, le type d'hémoglobine le plus courant est l'hémoglobine A, constituée de deux sous-unités α et deux sous-unités β, formées chacune de 141 et 146 résidus d'acides aminés respectivement. Cette structure est symbolisée par α₂β₂. Ces sous-unités sont structurellement très semblables et ont sensiblement la même taille. Chacune a une masse moléculaire d'environ 16 kDa, soit 64 kDa (64 458 g·mol^-1) pour la protéine complète[9]. Chez l'enfant, l'hémoglobine principale est dite hémoglobine F (fœtale), de formule α₂γ₂, les chaînes γ étant progressivement remplacée par des chaînes β au cours de la croissance.

L'hème est constitué d'un cation de fer(II) coordonné à quatre atomes d'azote d'une porphyrine, un tétrapyrrole dont la molécule est plane. Ce cation Fe²⁺ est également lié par covalence au résidu d'histidine F8 de la globine dans laquelle l'hème est inséré ; ce résidu, appelé histidine proximale, est situé sous le plan de l'hème. Fe²⁺ peut également se lier de manière réversible par une liaison covalente de coordination à une molécule d'oxygène O₂ au-dessus du plan de l'hème, à l'opposé de l'histidine proximale, ce qui complète la géométrie de coordination octaédrique à six ligands du cation de fer(II) dans l'oxyhémoglobine ; en l'absence d'oxygène, dans la désoxyhémoglobine, ce sixième site est occupé par une molécule d'eau très faiblement liée.

Le fer ferreux de la désoxyhémoglobine est dans un état haut spin, c'est-à-dire que ses cinq orbitales d sont occupées, essentiellement par des électrons célibataires, d'où un rayon ionique de l'ordre de 92 pm[10], tandis que, dans l'oxyhémoglobine, le fer ferreux est dans un état bas spin, c'est-à-dire que ses orbitales d sont occupées par six électrons appariés qui se limitent aux trois orbitales de plus basse énergie, d'où un rayon ionique de seulement 75 pm. Pour cette raison, l'ion Fe²⁺ est décalé d'environ 40 pm par rapport au plan de l'hème dans la désoxyhémoglobine, mais de seulement 10 pm dans l'oxyhémoglobine. Cette variation est à la base du basculement entre forme tendue et forme relâché de l'hémoglobine.

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  Structure de l'hème b, groupe prosthétique de l'hémoglobine.
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  (en) Schéma de principe de la liaison d'une molécule d'oxygène O₂ sur l'hème, symbolysé ici par un trait épais. L'ion superoxyde O₂^•− résultant est lié d'un côté au cation de fer(III) par une liaison covalente de coordination et de l'autre côté à l'histidine distale. Le cation Fe(II) de la désoxyhémoglobine est à l'état haut spin et décalé hors du plan de l'hème vers l'histidine proximale, mais est ramené dans ce plan en passant à l'état bas spin par la liaison à l'oxygène, ce qui déplace l'histidine proximale vers l'hème et favorise le basculement du reste de la protéine de la forme tendue (T) vers la forme relâchée (R).

Le cation de fer peut être à l'état d'oxydation +2 ou +3 : dans ce dernier cas, on a affaire à de la méthémoglobine, qui se lie à l'oxygène de manière moins réversible que l'hémoglobine, et avec une affinité inférieure. En effet, lorsqu'elle se lie à l'hème ferreux, la molécule d'oxygène O₂ tend à être réduite en ion superoxyde O₂^•− tandis que le cation Fe²⁺ tend à être oxydé en Fe³⁺, mécanisme qui s'inverse lors de la libération de l'oxygène ; en revanche, la liaison de l'oxygène à l'hème ferrique est essentiellement irréversible et tend à bloquer la protéine en forme R, ce qui empêche la libération de l'oxygène et inhibe sa fonctionnalité de transporteur d'oxygène. La cytochrome b₅ réductase, ou méthémoglobine réductase, est l'enzyme qui assure la réduction de la méthémoglobine en hémoglobine fonctionnelle par réduction du cation Fe³⁺ en Fe²⁺, ce qui en fait une enzyme essentielle au maintien des propriétés du sang.

L'hémoglobine désoxygénée (désoxyhémoglobine) présente une conformation dite T, ou tendue, tandis que l'hémoglobine oxygénée (oxyhémoglobine) présente une conformation dite R, ou relâchée. La forme T a une faible affinité pour l'oxygène et tend par conséquent à le libérer, tandis que la forme R a une forte affinité pour l'oxygène et tend à le fixer. Plusieurs facteurs favorisent l'une ou l'autre de ces conformations. Ainsi, la forme T est favorisée par un pH faible (acide), une forte concentration en CO₂ et un taux élevé en 2,3-bisphosphoglycérate (2,3-BPG), ce qui favorise la libération de l'oxygène lorsque le sang circule à travers les tissus, tandis que la forme R est favorisée par un pH élevé, une faible pression partielle de CO₂ et un faible taux de 2,3-BPG, ce qui favorise la fixation de l'oxygène lorsque le sang circule au niveau des alvéoles pulmonaires.

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  Représentation schématique du basculement de l'hémoglobine entre les formes T (désoxy) et R (oxy). Les déplacements de l'hème et de l'histidine proximale sont bien visibles dans les sous-unités α₁ et β₂.
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  Taux de saturation en O₂ de l'hémoglobine en fonction de la pression partielle d'O₂ ; parfois appelée courbe de Barcroft, elle est sigmoïde en raison de l'effet coopératif accompagnant la liaison de l'oxygène à l'hémoglobine.

Le basculement entre la forme T et la forme R de l'hémoglobine est un mécanisme dit coopératif, c'est-à-dire allostérique, car la liaison d'une molécule d'oxygène à la forme T induit un changement conformationnel qui se propage partiellement aux sous-unités adjacentes, dont l'affinité pour l'oxygène augmente progressivement au fur et à mesure que d'autres molécules d'oxygène se lient à l'hémoglobine, jusqu'à ce que toute la protéine adopte la conformation R ; à l'inverse, la libération d'une molécule d'oxygène par la forme R induit un changement conformationnel qui se propage partiellement aux sous-unités adjacentes, dont l'affinité pour l'oxygène décroît graduellement au fur et à mesure que l'hémoglobine libère de l'oxygène, jusqu'à ce que toute la protéine adopte la conformation T[11]. C'est la raison pour laquelle la courbe de liaison de l'oxygène à l'hémoglobine en fonction de la pression partielle d'oxygène présente une forme sigmoïde, alors qu'elle serait hyperbolique en l'absence d'allostérie.

Courbes typiques de saturation en O₂ de la myoglobine (en rouge), de l'hémoglobine F (en bleu) et de l'hémoglobine A (en vert). La courbe de la myoglobine est hyperbolique car cette protéine monomérique ne présente aucun effet coopératif. La p50 de l'hémoglobine fœtale HbF est inférieure à celle de l'hémoglobine adulte HbA afin de permettre l'oxygénation du sang du fœtus à partir de celui de la mère.

On a coutume de tracer le taux de saturation de l'hémoglobine en oxygène O₂ représentée en ordonnée en fonction de la pression partielle de l'oxygène O₂, donnée en abscisse. Dans cette représentation, la courbe est sigmoïde et tend à glisser vers la gauche lorsque l'affinité de l'hémoglobine pour l'oxygène augmente, et vers la droite lorsqu'elle diminue. La pression partielle d'oxygène à laquelle l'hémoglobine est saturée d'oxygène à 50 % est appelée p50 : plus sa valeur est faible et plus l'affinité de l'hémoglobine pour l'oxygène est élevée. À titre indicatif, la p50 de l'hémoglobine d'un adulte sain vaut typiquement 3,5 kPa, souvent écrite 26,6 mmHg, tandis que celle de la myoglobine vaut typiquement 130 Pa.

Plusieurs facteurs augmentent la p50 et font donc glisser cette courbe vers la droite :

• une baisse du pH, qui devient acide : c'est l'effet Bohr ;
• une augmentation du taux de dioxyde de carbone CO₂ : c'est l'effet Haldane ;
• une augmentation du taux de 2,3-bisphosphoglycérate (2,3-BPG) ;
• une élévation de la température, avec cependant un effet relativement faible.

Ces effets sont réversibles, et l'inversion du sens de variation de ces facteurs fait glisser la courbe vers la gauche.

Outre l'oxygène O₂, qui se lie à l'hémoglobine selon un mécanisme dit coopératif, cette protéine transporte également d'autres ligands dont certains sont des inhibiteurs compétitifs, comme le monoxyde de carbone CO, et d'autres sont des ligands allostériques tels que le dioxyde de carbone CO₂ et le monoxyde d'azote NO. Le CO₂ se lie de manière réversible à des groupes amine de l'apoprotéine pour former de la carbaminohémoglobine, dont on pense qu'elle assure environ 10 % du transport de CO₂ chez les mammifères, le reste étant transporté essentiellement sous forme d'ions bicarbonate HCO₃⁻. Le monoxyde d'azote se lie de manière réversible à des groupes thiol de l'apoprotéine pour former un S-nitrosothiol. Il est possible que le transport du monoxyde d'azote intervienne indirectement pour favoriser le transport de l'oxygène par l'hémoglobine en agissant comme vasodilatateur dans les tissus où la pression partielle d'oxygène est faible[12].

Monoxyde de carbone.

Ion cyanure.

Monoxyde de soufre.

La liaison de l'oxygène à l'hémoglobine est efficacement bloquée par le monoxyde de carbone CO, provenant par exemple de la fumée de cigarettes, de pots d'échappements ou d'une combustion incomplète par une chaudière. Le monoxyde de carbone entre en compétition avec l'oxygène au niveau du site de liaison de ce dernier sur l'hème. L'affinité de l'hémoglobine pour le monoxyde de carbone est environ 230 fois supérieure à celle de l'hémoglobine pour l'oxygène[13] - [14] - [15], de sorte que de faibles quantités de monoxyde de carbone suffisent pour significativement réduire l'oxygénation de l'hémoglobine lors de l'hématose, et donc la capacité du sang à oxygéner l'organisme. L'hypoxie qui résulte ainsi d'une exposition continue à 0,16 % de CO dans l'air provoque vertige, nausée, céphalée et tachycardie en 20 minutes, et conduit à la mort en moins de deux heures ; un taux de 1,28 % de CO dans l'air provoque une perte de connaissance après seulement deux à trois inspirations, et la mort en moins de trois minutes[16] - [17]. Lorsqu'elle se combine au monoxyde de carbone, l'hémoglobine est une protéine appelée carboxyhémoglobine dont la couleur rouge très vif est susceptible de colorer en rose la peau des victimes mortes d'une intoxication au monoxyde de carbone, qui auraient sans cela le teint pâle ou bleui.

De manière semblable, l'hémoglobine présente, sur son site de liaison à l'oxygène, une affinité compétitive pour l'ion cyanure CN⁻, le monoxyde de soufre SO et l'ion sulfure S²⁻, comme avec le sulfure d'hydrogène H₂S. Ceux-ci se lient au cation de fer de l'hème sans modifier son état d'oxydation, mais ils inhibent cependant la liaison de l'oxygène à l'hème, d'où leur grande toxicité.

Le dioxyde de carbone CO₂ se lie plus facilement à la désoxyhémoglobine, ce qui facilite son élimination de l'organisme. C'est ce qu'on appelle l'effet Haldane.

Par ailleurs, le CO₂ dissous dans le sang est converti en anion bicarbonate HCO₃⁻ par l'anhydrase carbonique, selon la réaction :

CO₂ + H₂O → H₂CO₃ → HCO₃⁻ + H⁺.

Il s'ensuit que le sang riche en CO₂ est également plus acide, c'est-à-dire que son pH est abaissé sous l'effet de l'acide carbonique. La liaison de protons H⁺ et de molécules de CO₂ à l'hémoglobine induit un changement conformationnel qui en favorise la forme T, et donc la libération de l'oxygène. Les protons se lient sur différents sites de l'hémoglobine, tandis que le dioxyde de carbone se lie aux groupes amine α pour former de la carbaminohémoglobine. La baisse d'affinité de l'hémoglobine pour l'oxygène en présence de CO₂ et de pH acide est appelée effet Bohr.

Les personnes acclimatées aux altitudes élevée présentent un taux sanguin accru de 2,3-bisphosphoglycérate (2,3-BPG). Ce dernier est un effecteur hétéroallostérique qui a pour effet de réduire l'affinité de l'hémoglobine pour l'oxygène en stabilisant la forme T : sous une pression partielle d'oxygène plus faible qu'au niveau de la mer, une baisse d'affinité de l'hémoglobine pour l'oxygène a pour effet d'accroître l'efficacité globale du transport de l'oxygène par l'hémoglobine. On observe plus généralement une augmentation du taux de 2,3-BPG lorsque la pression partielle en oxygène décroît dans les tissus périphériques, par exemple en cas d'hypoxémie, de maladie respiratoire chronique, d'anémie, ou encore d'insuffisance cardiaque. A contrario, le taux de 2,3-BPG décroît en cas de choc septique et d'hypophosphatémie (en).

Il est généralement admis que la divergence entre hémoglobine et myoglobine est postérieure à la séparation des gnathostomes (vertébrés à mâchoire) d'avec les lamproies[21]. La myoglobine a été orientée vers le stockage de l'oxygène tandis que l'hémoglobine a été spécialisée dans le transport de l'oxygène[22]. Les sous-unités de la protéine sont codées par des gènes de type globines α et β[20]. Les prédécesseurs de ces gènes sont apparus lors d'une duplication survenue après l'apparition des gnathostomes, il y a environ 450 à 500 millions d'années[21]. L'apparition de gènes α et β a ouvert la voie à la polymérisation de ces globines, et donc à la formation d'une protéine plus grosse constituée de sous-unités distinctes. Le fait que l'hémoglobine soit une protéine polymérique est à la base du mécanisme allostérique qui sous-tend notamment le caractère coopératif de la liaison de l'oxygène à l'hémoglobine[22]. Le gène α a par la suite subi une seconde duplication qui conduit à la formation des gènes HBA1 et HBA2[23]. Ces multiples duplications et divergences ont créé tout un ensemble de gènes apparentés aux globines α et β dont la régulation conduit à les exprimer à différents stades de développement[22].

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  Alignement de séquences de chaînes α, β et δ d'hémoglobine humaine (source UniProt).

Les mutations sur les gènes de l'hémoglobine peuvent conduire à des variantes d'hémoglobine. La plupart de ces variantes sont fonctionnelles et sans effet sur la santé. Certaines mutations de l'hémoglobine, en revanche, sont susceptibles de provoquer des maladies génétiques appelées hémoglobinopathies. La mieux connue de ces affections est la drépanocytose, qui a été la première maladie humaine dont le mécanisme a été élucidé au niveau moléculaire. Les thalassémies forment un autre groupe d'hémoglobinopathies impliquant une altération de la régulation des gènes des globines constituant l'hémoglobine. Toutes ces maladies ont pour conséquence une anémie.

La modification de la séquence en acides aminés de l'hémoglobine peut être adaptative. On a pu ainsi montrer que l'hémoglobine s'adapte à la baisse de la pression partielle en oxygène observée en haute altitude. L'hémoglobine doit alors être en mesure de se lier à l'oxygène à une pression plus faible, ce qui peut se manifester par une modification de la séquence au niveau des acides aminés intervenant dans l'affinité de l'hémoglobine pour l'oxygène, comme cela a été observé par exemple chez des colibris de la cordillère des Andes : ainsi, chez les espèces du genre Oreotrochilus, chez le colibri de Castelnau, l'inca violifère ou encore le colibri géant, ces mutations réduisent l'affinité de l'hémoglobine pour l'acide phytique, qui joue chez ces oiseaux le même rôle que le 2,3-bisphospoglycérate chez l'homme ; cette baisse d'affinité a pour effet d'accroître l'efficacité du transport de l'oxygène lorsque la pression partielle de ce dernier est réduite[24].

L'adaptation de l'hémoglobine aux altitudes élevées touche également les humains. On ainsi identifié un groupe de femmes tibétaines dont le génotype code une hémoglobine dont l'affinité pour l'oxygène est accrue à faible pression partielle[25]. Ceci a pour effet de réduire la mortalité infantile dans ces conditions extrêmes, ce qui offre un avantage sélectif favorisant les individus porteurs de ces mutations de l'hémoglobine.

On connaît quatre types d'hémoglobine embryonnaire chez l'homme :

• Hb Gower-1, de formule ζ₂ε₂, est relativement instable et se décompose facilement[26] ;
• Hb Gower-2, de formule α₂ε₂, plus stable que la variante Gower-1, existe en petites quantités au cours de la vie embryonnaire et fœtale ; elle a été proposée comme traitement par réactivation du gène chez les patients souffrant d'hémoglobinopathies telles qu'une thalassémie β chez lesquels une réactivation de l'hémoglobine F est contre-indiquée pour des raisons de toxicité[26] ;
• Hb Portland-1, de formule ζ₂γ₂, est présente en faibles quantités au cours de la vie embryonnaire et fœtale[26] ;
• Hb Portland-2, de formule ζ₂β₂, est encore plus instable que la variante Gower-1 mais a été proposée comme traitement par réactivation du gène chez les patients souffrant de thalassémie α[26] - [27].

L'hémoglobine embryonnaire est parfois symbolisée par Hbε, qui ne doit pas être confondue avec l'hémoglobine E, notée HbE, laquelle est une variante pathologique d'HbA présentant une mutation délétère sur les sous-unités β, notées β^E (le « E » fait dans ce cas référence au résidu de glutamate modifié par mutation).

2,3-Bisphosphoglycérate.

L'hémoglobine fœtale HbF, de formule α₂γ₂, remplace l'hémoglobine embryonnaire après 10 à 12 semaines de développement. Elle constitue jusqu'à 95 % du sang du nouveau-né, et est progressivement remplacée par l'hémoglobine adulte HbA à partir du sixième mois suivant la naissance ; elle demeure cependant présente à l'état de traces chez l'adulte, où elle n'excède pas 1 % de toutes les variantes d'hémoglobine détectables. Elle demeure produite chez l'enfant lors de certaines thalassémies particulières, parfois jusqu'à l'âge de cinq ans, et une maladie rare, dite syndrome de persistance héréditaire de l'hémoglobine fœtale (en) (HPFH), se traduit par la production d'HbF au lieu d'HbA au-delà de la période normale. Par ailleurs, la production d'HbF peut être réactivée chez l'adulte dans un cadre thérapeutique pour traiter la drépanocytose[28].

L'hémoglobine fœtale est caractérisée par une plus grande affinité pour l'oxygène que l'hémoglobine adulte, ce qui permet au fœtus de s'oxygéner à partir du sang de sa mère : en effet, la p50 d'HbF vaut environ 19 mmHg (2,6 kPa), contre 26,8 mmHg (3,6 kPa) pour HbA. Cette différence d'affinité pour l'oxygène résulte d'une différence d'affinité pour l'un des effecteurs allostériques de l'hémoglobine : le 2,3-bisphosphoglycérate (2,3-BPG), dont la liaison avec l'hémoglobine a pour effet de stabiliser la forme T de cette protéine, laquelle correspond à la désoxyhémoglobine, ce qui réduit l'affinité de l'hémoglobine pour l'oxygène. Dans le cas de l'hémoglobine fœtale, la sous-unité γ présente un résidu de sérine en position 143, là où une sous-unité β d'HbA présente un résidu d'histidine : cette position se trouve au niveau du site de liaison au 2,3-BPG, et le remplacement d'une histidine, dont la chaîne latérale porte une charge électrique positive, par une sérine, électriquement neutre, affaiblit l'interaction du 2,3-BPG avec l'hémoglobine, car le 2,3-BPG est une petite molécule porteuse de cinq charges électriques négatives.

Les thalassémies sont caractérisées par l'insuffisance de production d'un des deux types de sous-unités de l'hémoglobine adulte. On distingue ainsi la thalassémie α, plutôt rare, dans laquelle les sous-unités α sont insuffisamment produites, et la thalassémie β, la plus courante, dans laquelle ce sont les sous-unités β qui sont insuffisamment produites. La première conduit à la formation de tétramères de β-globine dits hémoglobine H, de formule β₄, qui sont assez instables. Les homozygotes α⁰ ne survivent généralement pas longtemps après la naissance en raison d'une altération profonde de l'hémoglobine fœtale HbF, donnant dans ces conditions de l'hémoglobine Barts, de formule γ₄.

Les principales mutations de l'hémoglobine sont :

• l'hémoglobine C, de formule α₂β^C₂, qui correspond à une substitution E6K, remplacement du résidu de glutamate en position 6 par un résidu de lysine. Le premier possède une chaîne latérale courte et chargée négativement, tandis que le second possède une chaîne latérale longue chargée positivement, ce qui affecte la plasticité générale des érythrocytes. Les hétérozygotes comptent de 28 % à 44 % d'hémoglobine C, ce qui demeure asymptomatique, tandis que les homozygotes comptent 100 % d'hémoglobine C, ce qui provoque une légère anémie hémolytique. Le gène de l'hémoglobine C est surtout présent en Afrique de l'Ouest, où il peut présenter un avantage préventif contre le paludisme à l'instar d'autres hémoglobinopathies, ainsi qu'en Europe du Sud, en Amérique latine et dans les Caraïbes ;
• l'hémoglobine E', de formule α₂β^E₂, qui correspond à une substitution E26K, remplacement du résidu de glutamate en position 26 par un résidu de lysine. Cette mutation touche environ 1 million de personnes dans le monde, essentiellement en Asie du Sud-Est. Elle affecte l'expression de la β-globine en induisant un épissage alternatif de l'ARN messager au niveau des codons 25-27, d'où un déficit de production de β-globine normale, ce qui conduit à une thalassémie β. De plus, les sous-unités β^E interagissent moins fortement avec les sous-unités α, ce qui rend les molécules d'hémoglobine E moins stables en présence d'oxydants[29] ;
• l'hémoglobine S, de formule α₂β^S₂, qui correspond à une substitution E6V, remplacement du résidu de glutamate en position 6 par un résidu de valine. Cette substitution, qui place un résidu d'acide aminé hydrophobe à la surface de la protéine, crée une zone d'adhérence qui favorise la précipitation de l'hémoglobine S en longs filaments qui allongent les érythrocytes en leur donnant une forme de faucille (sickle en anglais, d'où le « S » de cette variante), d'où le nom d'anémie falciforme également donnée à cette maladie, également appelée drépanocytose. Le gène S est présent essentiellement en Afrique subsaharienne, au Moyen-Orient et en Inde centrale : on estimait en 2013 à 3,2 millions le nombre d'homozygotes souffrant de drépanocytose, et à 43 millions le nombre d'hétérozygotes ayant le trait drépanocytaire[30]. L'anémie de ces derniers les protège du paludisme, d'où un avantage sélectif qui favorise la prévalence du gène drépanocytaire dans les régions impaludées.