Disfonctionnement de l`hémoglobine S

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Disfonctionnement de l'hémoglobine S
Différence
structurale
entre l'HbS et l'HbA
Structure du polymère
Mécanisme
de
polymérisation
Différence structurale entre l'HbS et l'HbA
Comme il a été précisé précédemment,
l'hémoglobine est une supra-molécule
composée de quatre hèmes portés par une
protéine. La formule d'une protéine, c'est à
dire la séquence d'acides aminés dont elle
est composée, est fixée par une séquence
ADN précise de l'organisme auquel elle
appartient. La moindre mutation, entraînant
un faible écart dans la composition de cette
protéine,
peut
provoquer,
par
l'intermédiaire de nouvelles interactions ou
d'une structure tertiaire différente de la
protéine, des pathologies plus ou moins
visibles dans l'organisme. C'est le cas de
l'hémoglobine, qui est la protéine de
structure connue qui présente le plus de
variantes
naturelles
parfaitement
caractérisées. En effet, les biologistes ont
déjà recensé plus de 500 variétés
d'hémoglobine, dont 95% résultent de la
substitution d'un seul acide aminé. L'HbS est
un de ces mutants. Elle est issue de la
substitution d'un glutamate (Glu) par une
valine (Val) et est à la cause de l'anémie
falciforme
Etant donné la structure 3D complexe
d'une protéine, deux cas doivent être
considérés lors de l'étude de la substitution
d'un acide aminé :
Le changement a lieu à l'intérieur de
la molécule : la seule conséquence est
alors très souvent une déstabilisation
de cette chaîne.
Le changement a lieu à la surface de
la molécule : de nombreux acides
aminés étant similaires ou n'offrant
pas d'interactions fortes, cela n'a
généralement pas de conséquences
notables. Par contre, dans des cas
assez rares, si le nouvel acide aminé
offre un site pouvant présenter un
rôle fonctionnel, les interactions entre
molécules de l'environnement sont
changées,
ainsi
que
leur
comportement. L'hémoglobine HbS
fait partie de cette exception. Le
remplacement de l'acide glutamique
par la valine induit la formation de
polymères de HbS, qui se regroupent
en fibres. Ce sont ces fibres qui
provoquent la déformation des
hématies.
Structure du polymère
Formation de fibres de HbS
Les fibres de polymères de HbS
ont été observées par micrographie
électronique. Celles-ci ont une
structure bien particulière en forme
de bâtonnets :
Schéma d'une fibre :
on distingue l'assemblage de polymères de HbS, chaque
couleur représentant un polymère de HbS et sa structure
caractéristique de double-brin
Les fibres
double-brins
interactions(une
un polymère
précédent). Cela
une "coupe" :
Image par
microscopie
électronique
d'une fibre d'HbS
sont formées de
de
HbS
en
couleur représente
dans le schéma
s'observe bien sur
Les HbS interagissent entre
elles. Dans ce cas, sont
représentés en vert les
interactions internes aux
double- brins et en rouge
les
interactions
entre
polymères
différents,
permettant la stabilité de la
fibre.
Fibres de HbS vue en coupe
Les interactions entre deux
polymères de HbS sont faibles mais
ici, elles sont rendues importantes par
leur grand nombre. Ce sont les
interactions internes aux double-brins
qui sont réellement intéressantes et
qui traduisent l'importance de la
présence de la valine hydrophobe à la
surface de la protéine.
Formation d'un polymère de HbS
L'HbS résulte donc de la
substitution
en
surface
d'un
glutamate, très hydrophile, par une
valine, nettement plus hydrophobe :
Dans l'environnement aqueux
de l'organisme l'HbS aura tendance à
minimiser les interactions avec le
milieu.
Ainsi,
des
contacts
intermoléculaires entre molécules
HbS mettant en jeu les valines de
surface, tendront à stabiliser ces
molécules hydrophobes en milieu
aqueux. En effet, sur la déoxyHbS, il
existe un site complémentaire de la
chaîne organique propre à la valine :
Les interactions entre la valine 6 d'un tétramère
et la poche définie par la Phe 85 et la Leu 88
De plus, les positions relatives
de ces deux sites complémentaires sur
une même protéine permettent
aisément la formation de dimère de
déoxyHbS. La structure de ces
dimères
a
été
analysé
par
cristallographie. La localisation de ces
interactions stabilisantes entraîne
même
la
polymérisation
des
déoxyHbS sous forme de doublebrins. L'analyse par spectroscopie
UV- Raman a récemment complété
les
résultats
obtenus
par
cristallographie dans ce domaine. Les
schémas suivants montrent comment
cette polymérisation a lieu.
L'observation a été faite que
l'hémoglobine déoxyHbA (possédant
bien un glutamate et non une valine)
ne se polymérisait pas, même à très
haute concentration. Cela met bien en
évidence l'importance de la présence
l'acide aminé hydrophobe à cet
endroit précis de la surface de la
protéine.
Le site complémentaire de la
chaîne alkyl de la valine disparaît
dans la forme oxyHbS. C'est un
phénomène secondaire lié à la
régulation par allostérie de l'Hb.
Mécanisme de polymérisation [SOK] [YOH]
Des études cinétiques ont été
menées sur cette réaction de
polymérisation, afin de connaître son
mécanisme et afin d'en déduire des
solutions éventuelles pour l'éviter. Il
se révèle que c'est un processus
inhabituel et très complexe. En effet,
que ce soit en solution ou à l'intérieur
des
globules
rouges,
cette
polymérisation de HbS est provoquée
par trois conditions :
Une
basse
pression
en
dioxygène
favorise
une
prédominance de déoxyHbS,
la seule forme de HbS
présentant
le
site
complémentaire à la chaîne
hydrophobe de la valine, et
donc favorise le phénomène de
polymérisation.
Une forte concentration en
HbS favorise bien évidemment
les contacts entre molécules
ainsi que leurs interactions.
Une
température
élevée,
témoignant
d'une
forte
agitation thermique, favorisera
également la polymérisation.
Mais, en plus de ces
conditions, il existe un délai de
polymérisation. C'est le temps
au
bout
duquel
la
polymérisation commencera et
donc pendant lequel on ne
peut détecter de polymère de
HbS. Ce temps, noté td, dépend
par contre des trois conditions
énumérées
précédemment
selon la formule empirique
suivante :
où ct est la concentration
totale
en
HbS
avant
précipitation, cs la solubilité de
HbS mesurée une fois la
précipitation achevée et où k et
n
sont
des
constantes.
Expérimentalement, k vaut
environ 10-7 et n varie entre 30
et 50, ce qui fait que ce
processus de polymérisation
est un de ceux qui dépendent
le plus de la concentration en
HbS. Les thérapies contre
l'anémie falciforme s'appuient
notamment
sur
cette
caractéristique.
Le processus général de
polymérisation
de
HbS
consiste en deux mécanismes:
La
germination
homogène : si la
concentration en HbS
est suffisamment élevée,
les molécules s'agrègent
petit à petit pour former
enfin
un
germe
composé
de
m
molécules :
Ces agrégats ne sont
vraiment stables que
lorsque le germe s'est
enfin formé. Ce germe
croît
ensuite
pour
former une fibre de
polymère de HbS.
La
germination
hétérogène : Dès qu'une
fibre est formée, elle
peut
faciliter
la
germination
d'autre
molécules
de
HbS,
jusqu'à la formation
d'une autre fibre. Ce
processus
de
polymérisation est donc
autocatalytique.
Ainsi,
les
conditions de début de
polymérisation
sont
assez dures mais, une
fois lancé, ce processus
est extrêmement rapide.
Cet aspect de la
cinétique
de
cette
réaction peut expliquer
pourquoi
l'anémie
falciforme se caractérise
par
des
crises
épisodiques,
causées
par des troubles de la
circulation
sanguine,
dus aux blocages de
certains
vaisseaux
sanguins par les amas
de fibres de HbS.
Cependant, ces fibres se
dissolvent
automatiquement
par
oxygénation, ce qui
explique leur absence
dans les artères. De
plus,
une
légère
augmentation de la
concentration ct ou une
légère baisse de la
solubilité
cs
(qui
peuvent être dues à une
déshydratation, à un
manque d'oxygène ou à
la
fièvre)
peuvent
aboutir à une baisse
significative du temps
de précipitation td et
ainsi causer une crise
d'anémie, qui ne fait
qu'empirer la situation
en réduisant le débit
sanguin de même que le
taux d'oxygène du sang.
Quand elles se forment, les fibres de
HbS déforment l'enveloppe des
hématies qui prennent alors une
forme de faucille et perdent leur
élasticité. Ces hématies bloquent
alors les capillaires et gênent la
circulation sanguine.
Mais
les
hypothèses
de
précipitations de HbS
permettent
surtout
d'envisager
des
traitements
adaptés
pour
l'anémie
falciforme. En effet, les
hétérozygotes,
possédant en moyenne
seulement 40% de HbS
et 60% de HbA, ne
présentent
aucun
symptôme
de
cette
maladie parce que, dans
leur cas, td est près de
106 fois plus important.
Les
méthodes
de
traitement de l'anémie
falciforme (qui ne font
cependant qu'éviter les
crises) s'appuient donc
entre autre sur la baisse
significative de td.