L'hémoglobine, couramment symbolisée Hb, parfois Hgb, est un pigment respiratoire (de la famille moléculaire des métalloprotéines, ici contenant du fer) présent essentiellement dans le sang des vertébrés, au sein de leurs globules rouges, ainsi que dans les tissus de certains invertébrés. Elle a pour fonction de transporter l'oxygène depuis l'appareil respiratoire (poumons, branchies) vers le reste de l'organisme. La quantité d'hémoglobine est un paramètre mesuré lors d'un hémogramme.
Rôle L'hémoglobine libère l'oxygène dans les tissus et permet la respiration cellulaire aérobie, laquelle, à travers le métabolisme, fournit l'énergie des processus biologiques essentiels à la vie.
Chez l'humain, l'hémoglobine est une protéine hétérotétramérique formée de chaînes peptidiques identiques deux à deux. L'hémoglobine A (HbA) représente environ 95 % des molécules d'hémoglobines chez l'adulte, constituée de deux chaînes α et de deux chaînes β ; il existe également une hémoglobine A2 (HbA2) de formule , et une hémoglobine F (HbF, fœtale) de formule . Chacune des quatre chaînes est associée à un groupe prosthétique appelé hème et constitué d'un cation de fer complexé avec une porphyrine. L'hémoglobine est donc une hémoprotéine.
Chez les mammifères, l'hémoglobine constitue près de 96 % de la masse de matière sèche des globules rouges, et environ 35 % de leur contenu total en incluant l'eau. Chaque molécule d'hémoglobine peut fixer jusqu'à quatre molécules d'oxygène , et l'hémoglobine du sang peut transporter d' par gramme de protéine, ce qui lui permet de transporter plus d'oxygène que la quantité d' dissoute dans le sang. L'hémoglobine intervient aussi dans le transport d'autres gaz que l'oxygène. Elle assure notamment le transport d'une partie du dioxyde de carbone produit par la respiration cellulaire, et transporte également du monoxyde d'azote NO, qui joue un rôle significatif dans la signalisation cellulaire de certains processus physiologiques, et qui est libéré en même temps que l'oxygène après avoir été transporté sur un groupe thiol de l'apoprotéine.
La majeure partie de l'hémoglobine se trouve dans les globules rouges, eux-mêmes produits par la moelle osseuse. Cependant, toute l'hémoglobine n'est pas concentrée dans les globules rouges. On en trouve ainsi par exemple dans les neurones dopaminergiques du groupe A9 de la substantia nigra, dans les macrophages, dans les cellules alvéolaires et, au niveau des reins, dans les cellules du mésangium. Dans ces tissus, l'hémoglobine joue un rôle d'antioxydant et de régulateur du métabolisme du fer.
L'hémoglobine et diverses molécules apparentées sont également présentes chez un grand nombre d'invertébrés, de champignons et de plantes. Chez ces organismes, l'hémoglobine peut avoir pour fonction de transporter l'oxygène , mais peut aussi intervenir comme transporteur et régulateur d'autres espèces chimiques telles que le dioxyde de carbone , le monoxyde d'azote NO, le sulfure d'hydrogène HS et l'anion sulfure S2−. Une variante de l'hémoglobine, appelée léghémoglobine, assure l'élimination de l'oxygène des systèmes anaérobies, par exemple des nodules de Rhizobium chez les fabacées, avant que celui-ci ne les inactive.
Structure et fonctionnement Sous-unités 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. 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.
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 d'acides aminés respectivement. Cette structure est symbolisée par . Ces sous-unités sont structurellement très semblables et ont sensiblement la même taille. Chacune a une masse moléculaire d'environ , soit () pour la protéine complète. Chez l'enfant, l'hémoglobine principale est dite hémoglobine F (fœtale), de formule , les chaînes γ étant progressivement remplacée par des chaînes β au cours de la croissance.
Hème
L'hème est constitué d'un cation de fer() 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 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() 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 , 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 . Pour cette raison, l'ion Fe est décalé d'environ par rapport au plan de l'hème dans la désoxyhémoglobine, mais de seulement dans l'oxyhémoglobine. Cette variation est à la base du basculement entre forme tendue et forme relâché de l'hémoglobine.
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 tend à être réduite en ion superoxyde •− 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 réductase de cytochrome b5, 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.
Forme tendue (T) et forme relâchée (R) 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 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 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.
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. 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.
Courbe de saturation de l'hémoglobine en oxygène redresse=1.5|vignette|Courbes typiques de saturation en 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 représentée en ordonnée en fonction de la pression partielle de l'oxygène , 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 , souvent écrite , tandis que celle de la myoglobine vaut typiquement .
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 : 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.
Autres ligands transportés par l'hémoglobine Outre l'oxygène , 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 et le monoxyde d'azote NO. Le 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 chez les mammifères, le reste étant transporté essentiellement sous forme d'ions bicarbonate −. 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.
Inhibiteurs par compétition avec l'oxygène redresse=.67|vignette|Monoxyde de carbone. redresse=.67|vignette|Ion cyanure. redresse=.67|vignette|Monoxyde de soufre.