Hémoglobine représentation tridimensionnelle.

L'hémoglobine est une protéine dont la principale fonction est le transport du dioxygène dans l'organisme humain et chez les autres vertébrés. L'hémoglobine se trouve essentiellement à l'intérieur des globules rouges du sang (13,5 à 17,5 g/dl chez l'homme et 12,5 à 15,5 g/dl chez la femme - en grammes d’hémoglobine par dl de sang) ce qui leur confère leur couleur rouge. Elle appartient à la famille des protéines globulaires.

L'hémoglobine humaine est constituée de quatre chaînes identiques deux à deux : deux chaînes α de 141 acides aminés chacune et de deux chaînes β de 146 acides aminés chacune (ce qui donne un total de 574 acides aminés pour l'hémoglobine). Chacune de ces chaînes est associée à un groupement prosthétique : l'hème. Le nom d'hémoglobine provient de deux mots : hème et globine. On la symbolise par « Hb ». Une molécule d'hème est constituée d'un ion fer complexé par une porphyrine.

Historique

En 1960, Max Perutz et John Kendrew expliquent la structure tridimensionnelle de l'hémoglobine. En 1962, ils reçoivent conjointement le prix Nobel de chimie « pour leurs études des structures des protéines globulaires ».

Fonction

Pourcentage d'hémoglobine ayant fixé du dioxygène, en fonction de la pression partielle en dioxygène. Courbe de Barcroft de type sigmoïde → effet coopératif

Chez les vertébrés terrestres, l'hémoglobine du sang fixe le dioxygène de l'air des poumons. Grâce à la circulation sanguine, l'hémoglobine oxygénée va être transportée vers l'ensemble des autres organes, pour relâcher par la suite le dioxygène qui sera consommé par les cellules qui en ont besoin. L'hémoglobine permet au sang de contenir plus de dioxygène qu'il ne pourrait par simple dissolution.

Structure

On trouve au cœur de la molécule un cycle hétérogène porphyrique (noyau tétrapyrrolique), l'hème, qui contient un ion fer. Cet ion fer est le site de fixation de l'oxygène. L'ion ferreux établit 5/6 liaisons de coordinence : 4 avec les 4 N de l'hème,1 avec le N d'un acide aminé de la chaîne polypeptidique : l'histidine et dans la forme oxygénée 1 avec O2. Étant donné qu'une sous-unité de l'hémoglobine est formée par un hème enfermé dans une protéine globulaire le nom est très logique. Il y a de nombreuses protéines contenant un hème, mais l'hémoglobine en est la plus connue. L'élément fer peut exister sous 2 formes dans la molécule :

sous forme ferreuse, ion Fe : seule forme active de l'hémoglobine humaine. On parle d'oxyhémoglobine. (interaction réversible avec O2).

sous forme ferrique, ion Fe : on parle de méthémoglobine.

On peut parler du pouvoir oxyphorique de l'hémoglobine. Ceci correspond à la quantité de dioxygène qu'elle peut fixer. Cette valeur est de 1,34 ml d'O2/g d'Hb.

Hémoglobine humaine

Chez l'être humain, l'hémoglobine Adulte (HbA) est un tétramère, constitué de deux globines α et deux globines β liées par des liaisons faibles. Chez le nouveau-né, il s'agit d'hémoglobine fœtale avec deux globines α et deux globines γ. Les sous-unités sont structurellement similaires et ont à peu près la même taille. Chaque globine a une masse moléculaire d'environ 17 000 daltons, pour une masse totale d'environ 68 000 daltons. Chaque globine de l'hémoglobine contient un hème, de telle manière que la capacité totale de liaison de l'hémoglobine pour le dioxygène est de quatre molécules.

Étapes de réaction :

Hb + O2 ↔ HbO2

HbO2 + O2 ↔ Hb(O2)2

Hb(O2)2 + O2 ↔ Hb(O2)3

Hb(O2)3 + O2 ↔ Hb(O2)4

Résumé de la réaction : Hb + 4 O₂ → Hb(O₂)₄

Une structure de la forme désoxy de l'hémoglobine humaine est donnée par le PDB 1A3N.

En pratique, on n'observe pas ceci : Hb + 4 O₂ ↔ Hb(O₂)₄

En effet, dans les conditions physiologiques, deux sous-unités sont toujours oxygénées par deux molécules d'hémoglobine. On peut donc écrire : Hb(O₂)₂ + 2 O₂ ↔ Hb(O₂)₄

Valeurs normales chez l'adulte

Hommes : 13 - 17,87 g/dL de sang ou 8,3 - 10,5 mmol/L de sang.

Femmes : 12,10 - 16,40 g/dL de sang ou 7,4 - 9,9 mmol/L de sang.

Chez la femme enceinte ce taux est physiologiquement plus bas : on parle d'anémie gravidique lorsque le taux d'hémoglobine est inférieur à 11 g/dL. Chez le nouveau-né le taux est plus élevé que chez l'adulte et diminue rapidement.

Hémoglobine du grand dauphin

La composition de l'hémoglobine du grand dauphin océanique lui permet de rester immergé durant une plus grande période de temps que le grand dauphin vivant plus près des côtes.

Une unique exception chez les vertébrés

Les poissons de la famille des Channichthyidés ne possèdent pas d'hémoglobine dans leur sang, ce qui selon le Pr Guillaume Lecointre est l'unique exception chez les vertébrés.

Liaison à l'oxygène

Hème

Dans la forme tétramérique de l'hémoglobine normale, la liaison avec l'oxygène, ou formation d'oxyhémoglobine, est un procédé coopératif, ou allostérique, où l'affinité de liaison de l'hémoglobine pour l'oxygène est affectée par la saturation en oxygène de la molécule. Cela a pour conséquence que la courbe d'affinité de l'oxygène pour l'hémoglobine a la forme d'une sigmoïde (courbe en forme de S), contrairement à un procédé non coopératif (michaélien) où elle a une forme hyperbolique.

L'affinité de l'hémoglobine pour l'oxygène décroît en présence de dioxyde de carbone (effet Haldane), à pH faible et lorsque la température augmente. Ces propriétés chimiques sont essentielles au vivant puisqu'elles permettent une meilleure libération du dioxygène dans les tissus actifs (ex: le muscle en exercice, par la production de métabolites développe un pH acide, sa température augmente affirmant la dissociation du dioxygène de l'hème). Le dioxyde de carbone réagit avec l'eau pour former du bicarbonate via la réaction: CO2 + H2O ↔ HCO3 + H

Par cette réaction on voit que le sang possédant un haut taux de dioxyde de carbone a aussi un pH plus faible. L'hémoglobine peut se lier aux protons et au dioxyde de carbone ce qui induit un changement de conformation dans la protéine qui facilite la libération de l'oxygène. Le proton peut se lier à différents endroits le long de la protéine, alors que le dioxyde de carbone se lie sur le groupe alpha-amino en formant un carbamate. Ce contrôle porte le nom d'effet Bohr. De la même manière, lorsque le niveau de dioxyde de carbone dans le sang diminue (par exemple près des poumons), le dioxyde de carbone est relâché, augmentant l'affinité de la protéine pour l'oxygène. Ce contrôle de l'affinité de l'oxygène pour sa liaison avec l'hémoglobine et le relâchement du dioxyde de carbone est connu sous le nom d'effet Haldane.

La liaison de l'oxygène est aussi affectée par des molécules telles que le 2,3-diphosphoglycérate, qui diminue l'affinité de l'hémoglobine pour l'oxygène. Chez les personnes acclimatées aux hautes altitudes, la concentration de 2,3-diphosphoglycérate dans le sang est plus importante, ce qui permet à l'hémoglobine de délivrer des quantités d'oxygène plus importantes aux tissus dans des atmosphères pauvres en oxygène.

Poisons de l'hémoglobine

L'hémoglobine forme un composé stable avec le monoxyde de carbone (CO) : la carboxyhémoglobine ; en outre, l'affinité de l'hémoglobine pour le monoxyde de carbone est supérieure de 200 à 250 fois par rapport à celle de l'oxygène, ce qui signifie que le CO concurrence efficacement l'oxygène lors de l'hématose (réoxygénation du sang au niveau des poumons). Le CO est donc un antagoniste de O2, pouvant ainsi provoquer une hypoxie tissulaire : son inhalation à forte doses entraîne des malaises, céphalées (maux de tête), puis asthénie (faiblesse intense) et enfin la mort par asphyxie. On traite les empoisonnements au CO sévères par immersion prolongée en caisson hyperbare réduisant ainsi la demi-vie de la carboxyhémoglobine.

Par ailleurs, des agents oxydants tels que les nitrates contenus dans l'eau ou les légumes peuvent oxyder le fer ferreux(Fe) de l'hème en fer ferrique (Fe), le rendant ainsi incapable de fixer l'oxygène. L'hémoglobine est alors appelée méthémoglobine. Le traitement consiste en l'administration de bleu de méthylène.

L'ion cyanure CN est également un inhibiteur de l'oxydation hémoglobinéique, de même que le sulfure d'hydrogène H2S.

Élimination de l'hémoglobine

Les globules rouges sont phagocytés par les macrophages de la rate et du foie dans les situations pathologiques. Physiologiquement, ils sont plutôt éliminés par les macrophages de la moelle osseuse. Au cours de ce processus, la composante protéique de l'hémoglobine est dégradée sous forme d'acides aminés qui sont recyclés. La composante héminique est dégradée en biliverdine puis en bilirubine insoluble (porphyrine sans fer) de couleur jaune. Le fer est recyclé. La bilirubine insoluble est libérée dans le plasma par les macrophages, où elle se lie à la sérum-albumine. Elle est ainsi acheminée dans la circulation sanguine et captée par les hépatocytes. Elle est alors rendue soluble par une réaction de conjugaison avec une molécule d'acide glucuronique puis est excrétée par le foie dans la bile.

La bile se déverse dans l'intestin et la bilirubine soluble est dégradée par des bactéries en stercobiline de couleur brune, qui donne sa couleur aux selles. La bilirubine est également évacuée dans les urines.

Lorsque la bilirubine ne peut pas être excrétée, sa concentration augmente dans le sang. Elle est alors essentiellement éliminée par les urines, ce qui provoque des urines foncées et des selles décolorées, presque blanches.

Dans les cas d'hémolyse (destruction des hématies dans les vaisseaux), l'hémoglobine est captée par l'haptoglobine et l'hème par l'hémopexine, bloquant ainsi l'effet oxydatif.

Utilisation clinique

En médecine, plusieurs termes se rapportent à l'hémoglobine :

Le taux d'hémoglobine est exprimé en g/100 mL. Les valeurs normales du taux d'hémoglobine dépendent du sexe et de l'âge du sujet. Un taux d'hémoglobine inférieur à la norme définit une anémie.

La saturation SaO2 définie en % est calculée par la quantité d'oxyhémoglobine divisé par la quantité totale d'hémoglobine du sang. La saturation SaO2 peut être mesurée sur du sang veineux ou du sang artériel. La saturation en oxygène du sang est un des paramètres d'un examen appelé gaz du sang. La valeur de la saturation est considérée comme dangereuse si elle est inférieure à 90 % pour du sang artériel. La valeur normale est d'environ 96-100 % pour des conditions atmosphériques normales. À cette valeur, on parle de capacité en O2 du sang.

La cyanose est un signe clinique. Il s'agit de la coloration bleutée des téguments. Elle apparaît lorsque la concentration d'hémoglobine réduite dépasse les 5 g/100 ml de sang capillaire. Elle peut être masquée par une anémie.

Molécules analogues

La molécule d'hème de l'hémoglobine ressemble à la chlorophylle, l'atome de fer étant remplacé par un atome de magnésium, ce qui lui apporte sa couleur verte.

Chez les invertébrés, l'hémocyanine joue un rôle analogue à l'hémoglobine. Quelques espèces semblent cependant posséder une hémoglobine capable de fixer le dioxygène, voire de le transporter de manière aussi efficace que chez les vertébrés (ex : Lamproie marine, qui possède une hémoglobine présentant un mélange curieux et pour le moment tout à fait unique de caractères et propriétés à la fois primitifs et hautement spécialisés). Son poids moléculaire d'environ 17 000, comme celui de l'hémoglobine musculaire, contient apparemment un hème. Son point isoélectrique est celui d'une hémoglobine typique d'invertébré. Les acides aminés qui la composent ne sont cependant qu'en partie caractéristiques des hémoglobines d'invertébrés, pour l'autre partie, ils évoquent plutôt une hémoglobine de vertébrés. Une étude a mesuré la courbe d'équilibre en dioxygène de ce pigment à différents pH ; c'est une hyperbole rectangulaire comme celle qu'on observe avec l'hémoglobine du muscle des vertébrés. L'hémoglobine d'invertébrés tels que le ver Nippostrongylus ou celui de certaines larves de mouches de la famille des Oestridae (qui sont des parasites d'animaux vivants) semblent principalement servir au stockage du dioxygène et peu à son transport. L'hémoglobine de la lamproie est au contraire un agent efficace de transport du dioxygène, grâce à une affinité assez faible pour le dioxygène et un très grand effet Bohr ; il rivalise avec les hémoglobines plus efficaces trouvées dans le sang des vertébrés.

Maladies génétiques de l'hémoglobine

Comme de nombreuses protéines, les chaines d'hémoglobine présentent diverses mutations qui n'ont le plus souvent aucune incidence clinique. Plus de 500 hémoglobines anormales ont été répertoriées. Certaines mutations (Hb Köln, Indianapolis, etc.) entraînent une instabilité du tétramère précipitant en corps de Heinz, ou une méthémoglobinémie (hémoglobines M).

Parfois cette mutation entraîne une affinité anormale pour l'oxygène, soit, telle l'Hb Hope, une diminution d'affinité avec une P50 élevée donnant une anémie bien tolérée et une cyanose au repos, l'effort et l'altitude étant mal supportés, soit, telle l'Hb Chesapeake, Malmö, ou Olympia, une augmentation d'affinité avec une P50 diminuée et une polyglobulie compensatrice entraînant des manifestations cliniques à partir d'un certain âge.

D'autres peuvent être responsables d'une hémolyse chronique, HbS (par mutation de glutamine en valine ce qui va provoquer la polymérisation d'Hb), HbC, ou aggraver à l'état hétérozygote une autre hémoglobinopathie, HbO Arabe, HbD Punjab ou Hb Lepore, ou une β-thalassémie, HbE.

Enfin, l'atteinte génétique peut porter non sur la structure primaire de la protéine, mais sur un défaut quantitatif de sa synthèse, ou une persistance anormalement élevée de l'hémoglobine fœtale HbF.

Les défauts de synthèse, ou l'anomalie moléculaire sont décrits sous les noms de :

Thalassémies.

Drépanocytose.

L'hémoglobine dans les Beaux-Arts

Heart of Steel (Hemoglobin) (2005) de Julian Voss-Andreae. Les images montrent la sculpture de 1,60 m de hauteur juste après son installation, après 10 jours et après plusieurs mois d’exposition aux éléments.

En 2005, l’artiste Julian Voss-Andreae a réalisé la sculpture Heart of Steel (Hemoglobin), ayant pour modèle l’épine dorsale de la protéine. La sculpture est faite de verre et d’acier Corten. L’aspect rouillé de l’œuvre est intentionnel et évoque la réaction chimique fondamentale de l’oxygène se liant au fer contenu dans l’hémoglobine..

L'artiste montréalais Nicolas Baier a réalisé la sculpture Lustre (hémoglobine), une sculpture en acier inoxydable poli qui montre la structure de la molécule d'hémoglobine. La sculpture se trouve à l'atrium du centre de recherches du Centre universitaire de santé McGill à Montréal. La taille de la sculpture est d'environ 10 mètres par 10 mètres par 10 mètres.

血红蛋白三维结构

血红蛋白三级结构

血红蛋白连接机制

血红素化学式(不是血红蛋白)

血红蛋白，俗称血色素，（缩写︰Hb或Hgb）是高等生物体内负责运载氧的一种蛋白质。可以用平均细胞血红蛋白浓度测出浓度。 血红蛋白存在于几乎所有的脊椎动物体内，在某些无脊椎动物组织也有分布。血液中的血红蛋白从呼吸器官中将氧气运输到身体其他部位释放，以满足机体氧化营养物质支持功能运转之需要，并将由此生成的二氧化碳带回呼吸器官中以排出体外。在哺乳动物中，血红蛋白占红细胞干重的97%、总重的35%。平均每克血红蛋白可结合1.34ml的氧气，是血浆溶氧量的70倍。一个哺乳动物血红蛋白分子可以结合最多四个氧分子。 血红蛋白也参与其他气体的转运：它能携带机体的部分二氧化碳（大约10%）。亦可将重要的调节分子一氧化氮结合在球状蛋白的某个硫醇基团上，在释放氧气的同时将其释放。 在红细胞及其祖系细胞以外也发现了血红蛋白——包括黑质中的A9多巴胺神经元、巨噬细胞、肺泡细胞以及肾脏中的系膜细胞。在这些组织中，血红蛋白作为抗氧化剂和铁代谢（iron metabolism）的调节因子存在。

血红蛋白与氧的S形解离曲线。

出生前和后血红蛋白遗传学(细胞的类型和器官)表达(data on Wood W.G., (1976). Br. Med. Bull. 32, 282.)。

血红蛋白和类血红蛋白分子在许多无脊椎动物、真菌和植物中也有分布。在这些机体中，血红蛋白可能携带氧气，抑或扮演转移和调节诸如二氧化碳、一氧化氮、硫化氢和硫化物的角色。其中一种称作豆血红蛋白（Leghemoglobin）的变体分子是用来清除氧气以免毒害诸如豆科植物的固氮根瘤的厌氧系统的。 血红蛋白化学式:C3032H4816O812N780S8Fe4。人体内的血红蛋白由四个亚基构成，分别为两个α亚基和两个β亚基，在与人体环境相似的电解质溶液中血红蛋白的四个亚基可以自动组装成α2β2的形态。

血红蛋白的每个亚基由一条肽链和一个血红素分子构成，肽链在生理条件下会盘绕折叠成球形，把血红素分子抱在里面，这条肽链盘绕成的球形结构又被称为珠蛋白。血红素分子是一个具有卟啉结构的小分子，在卟啉分子中心，由卟啉中四个吡咯环上的氮原子与一个亚铁离子配位结合，珠蛋白肽链中第8位的一个组氨酸残基中的吲哚侧链上的氮原子从卟啉分子平面的上方与亚铁离子配位结合，当血红蛋白不与氧结合的时候，有一个水分子从卟啉环下方与亚铁离子配位结合，而当血红蛋白载氧的时候，就由氧分子顶替水的位置。

血红蛋白与氧结合的过程是一个非常神奇的过程。首先一个氧分子与血红蛋白四个亚基中的一个结合，与氧结合之后的珠蛋白结构发生变化，造成整个血红蛋白结构的变化，这种变化使得第二个氧分子相比于第一个氧分子更容易寻找血红蛋白的另一个亚基结合，而它的结合会进一步促进第三个氧分子的结合，以此类推直到构成血红蛋白的四个亚基分别与四个氧分子结合。而在组织内释放氧的过程也是这样，一个氧分子的离去会刺激另一个的离去，直到完全释放所有的氧分子，这种有趣的现象称为协同效应。

血红素分子结构

由于协同效应，血红蛋白与氧气的结合曲线呈S形，在特定范围内随着环境中氧含量的变化，血红蛋白与氧分子的结合率有一个剧烈变化的过程，生物体内组织中的氧浓度和肺组织中的氧浓度恰好位于这一突变的两侧，因而在肺组织，血红蛋白可以充分地与氧结合，在体内其他部分则可以充分地释放所携带的氧分子。可是当环境中的氧气含量很高或者很低的时候，血红蛋白的氧结合曲线非常平缓。

除了运载氧，血红蛋白还可以与二氧化碳、一氧化碳、氰离子结合，结合的方式也与氧完全一样，所不同的只是结合的牢固程度，一氧化碳、氰离子一旦和血红蛋白结合就很难离开，这就是煤气中毒和氰化物中毒的原理，遇到这种情况可以使用其他与这些物质结合能力更强的物质来解毒，比如一氧化碳中毒可以用静脉注射亚甲基蓝的方法来救治。还有血红蛋白，可以运送（CO2)(O2）

病症

正铁血红蛋白血症