Hème

Heme Groupe B. L'ion ferreux ( Fe2+
) au centre de la protoporphyrine IX.

Modèle boule et tige de l'hème B

Groupe hémique de l'hémoglobine . Un atome de fer (Fe) au centre apparaît en rouge , complexé avec quatre atomes d'azote intérieurs qui apparaissent en bleu . Ci-dessous, les deux acides carboxyliques COOH.

Le groupe hème (du grec αἷμα "sang") est un groupe prothétique faisant partie de diverses protéines , parmi lesquelles l'hémoglobine se distingue , il est constitué d'un ion Fe2+
( ferreux ) contenu au centre d' un grand hétérocycle organique appelé porphyrine , composé de quatre groupements pyrroliques reliés entre eux par des ponts méthylène . Toutes les porphyrines ne contiennent pas de fer, mais une fraction substantielle des métalloprotéines qui contiennent le noyau de porphyrine ont l'hème comme groupe prothétique ; ces protéines sont appelées hémoprotéines . Le groupe hème est principalement connu pour faire partie de l'hémoglobine , le pigment rouge du sang , mais se trouve également dans un grand nombre d'autres hémoprotéines biologiquement importantes telles que la myoglobine , les cytochromes , la catalase et l'oxyde nitrique synthase endothéliale .

Fonction

Histidine liée au groupe hémique d'une succinate déshydrogénase , un transporteur d'électrons dans la chaîne de transfert d'électrons mitochondriale . La grande sphère semi-transparente indique l'emplacement de l' atome de fer . Fabriqué à partir de PDB 1YQ3 .

Les protéines hémiques ont diverses fonctions biologiques, notamment le transport de gaz diatomique, la catalyse chimique , la détection de gaz diatomique et le transfert d'électrons. L' ion hème sert de source ou de puits d'électrons lors de transferts d'électrons ou de réactions redox . Dans les réactions à la peroxydase , la molécule de porphyrine sert en outre de source d'électrons . Dans le transport ou la détection de gaz diatomiques, le gaz se lie à l'ion hème. Lors de la détection de gaz diatomiques, la liaison du gaz ligand au groupe hème induit des changements conformationnels dans la protéine environnante.

Il a été émis l'hypothèse que la fonction évolutive originale des hémoprotéines était le transfert d'électrons dans la photosynthèse primitive basée sur des composés soufrés qui était réalisée par les organismes ancestraux de type cyanobactérie , avant l'apparition de l'oxygène moléculaire . ]

Les protéines de l'hème ont atteint leur remarquable diversité fonctionnelle en modifiant l'environnement immédiat du macrocycle de l'hème au sein de la matrice protéique. Par exemple, la capacité de l'hémoglobine à fournir efficacement de l'oxygène aux tissus est due à des résidus d'acides aminés spécifiques situés près du groupe hème de la molécule. L'hémoglobine lie l'oxygène dans le système vasculaire pulmonaire , où le pH est élevé et la pCO
deuxest faible, et le libère dans les tissus, où la situation est inversée. Ce phénomène est connu sous le nom d'effet Bohr . Le mécanisme moléculaire à l'origine de cet effet est l'organisation stérique de la chaîne de globine ; un résidu histidine situé à côté du groupe hème devient chargé positivement lorsque le pH devient acide (ce qui est causé par la dissolution du dioxyde de carbone dans les tissus à taux métabolique élevé), libérant stériquement l'oxygène du groupe hème.

Structure chimique

Le groupe hème contient du fer et un cycle porphyrine ; qui correspond à un tétrapyrrole cyclique , ce macrocycle est composé de 4 cycles pyrrole reliés par des ponts méthine (=CH-) ou parfois mal nommé méthylène (= CH
deux), au centre de ce cycle se trouve l'atome de fer (II) tétracoordonné par les quatre paires d'électrons non partagés des azotes du cycle porphyrine.

Genre

Major we

Il existe plusieurs types de groupes hémiques biologiquement importants :

		Hème A	Hème B	Hème C	Hème O
Numéro PubChem		7888115	444098	444125	6323367
Formule chimique		C 49H 56SOIT 6N 4Foi	C 3. 4H 32SOIT 4N 4Foi	C 3. 4H 36SOIT 4N 4oui deuxFoi	C 49H 58SOIT 5N 4Foi
Groupe fonctionnel en C 3		-CH(OH) -CH deux-Loin _	-CH= CH deux	-CH( cystéine- S - yl ) -CH 3	-CH(OH) -CH deux-Loin _
Groupe fonctionnel en C 8		-CH= CH deux	-CH= CH deux	-CH( cystéine- S - yl ) -CH 3	-CH= CH deux
Groupe fonctionnel en C 18		-CH=O	-CH _ 3	-CH _ 3	-CH _ 3

Structure de l'hème B

Hème A ​ L'hème A est synthétisé à partir de l'hème B. Dans deux réactions séquentielles dans lesquelles le résidu 17-hydroxyéthylfarnésyle (bleu) est ajouté en position 2, et un aldéhyde (violet) est ajouté en position 8. La nomenclature est indiquée en vert. ]

Le type d'hème le plus courant dans la nature est l' hème B ; les autres types importants sont l'hème A et l'hème C. Les groupes d'hèmes isolés sont généralement désignés par des lettres majuscules, tandis que les groupes d'hèmes liés aux protéines sont désignés par des lettres minuscules. Le cytochrome a fait référence au groupe hème A en combinaison spécifique avec une protéine membranaire pour former une partie de la cytochrome c oxydase .

D'autres que nous avons

Remarque : Le système de numérotation des carbones utilisé ci-dessous est l'ancien système utilisé par les biochimistes, et non le système 1-24 recommandé par l' IUPAC indiqué dans le tableau ci-dessus.

• Hemo I est un dérivé de Hemo B qui se trouve lié de manière covalente à une protéine dans la lactoperoxydase , la peroxydase éosinophile et la peroxydase thyroïdienne . L'addition de peroxyde avec les résidus glutamyl -375 et aspartyl -225 de la lactoperoxydase forme des liaisons ester entre ces acides aminés et les groupes méthyle 1 et 5, respectivement, du groupe hème. On pense que des liaisons ester similaires se forment avec ces deux groupes méthyle dans les éosinophiles et les peroxydases thyroïdiennes. Le groupe Hemol est une caractéristique importante des peroxydases animales ; les peroxydases végétales incorporent l'hème B. La lactoperoxydase et la peroxydase des éosinophiles sont des enzymes protectrices qui font partie du mécanisme de défense de l'organisme contre d'autres organismes envahisseurs. La peroxydase thyroïdienne est l'enzyme qui catalyse la biosynthèse des hormones thyroïdiennes importantes. Parce que la lactoperoxydase détruit les organismes envahisseurs dans les poumons et dans les matières fécales, on pense qu'elle joue un rôle protecteur important.

• Hemo m est un dérivé de Hemo B lié de manière covalente au site actif de la myéloperoxydase . Hemo m contient deux liaisons ester aux positions méthyle 1 et 5, tout comme Hemo l trouvé dans d'autres peroxydases de mammifères. De plus, il possède un seul ion sulfonium lié entre le soufre d'un résidu d'acide aminé et le groupe vinyle en C2, conférant à cette enzyme la capacité d'oxyder facilement les ions chlorure et bromure , pour former de l'hypochlorite et de l'hypobromite , deux composés à très haut capacité microbicide. La myéloperoxydase est présente dans les neutrophiles animaux et est responsable de la destruction des bactéries et des virus. Il synthétise l'hypobromite presque "par erreur", puisque c'est un composé mutagène, mais la quantité d'ions bromure présente dans les tissus est très faible.

• L'hème D est un autre dérivé de l'hème B, mais dans lequel la chaîne latérale de l'acide propionique en C6, également hydroxylée, forme un cycle γ-spirolactone . Le cycle III est également hydroxylé en position 5, dans une conformation trans avec le nouveau groupe lactone. L'hème D est le site de réduction de l'oxygène en eau dans de nombreux types de bactéries qui fonctionnent à faible tension d'oxygène.

• L'hème S est lié à l'hème B par la présence d'un groupe formyle en position 2 au lieu du groupe 2-vinyle. L'hème S se trouve dans l' hémoglobine des vers marins. La structure correcte de Heme B et S a été élucidée pour la première fois par le chimiste allemand Hans Fischer .

Les noms de cytochrome reflètent généralement (mais pas toujours) le type de groupe hémique qu'ils contiennent, par exemple le cytochrome a contient l' hème A , le cytochrome c contient l'hème C , etc.

Synthèse

Le processus enzymatique qui conduit à la production d'hème est appelé à juste titre porphyrinosynthèse , puisque tous les intermédiaires sont des tétrapyrroles et sont chimiquement classés comme porphyrines.

Le processus est hautement conservé chez tous les êtres vivants. Chez l'homme, cette voie métabolique sert presque exclusivement à la synthèse de l'hème. Chez d'autres espèces, il produit également des substances similaires telles que la cobalamine .

La voie commence par la synthèse de l'acide δ-aminolévulinique (dALA ou δALA) à partir de l' acide aminé glycine et du succinyl-CoA à partir du cycle de l'acide citrique . L'enzyme limitant la vitesse de cette réaction, l' ALA synthase , est régulée négativement par la concentration de glucose et d'hème. Les mécanismes d'inhibition des ALA par l'hème ou l'hémine se produisent par une diminution de la stabilité de la synthèse de l'ARNm et une diminution de l'incorporation de l'ARNm dans les mitochondries. Ce mécanisme a une importance thérapeutique, la perfusion d' arginate d'hème ou d' hématine et de glucose peut faire avorter les crises de porphyrie aiguë intermittente chez les patients présentant une erreur innée du métabolisme dans ce processus. Et cela fonctionne en réduisant la transcription de l'ALA synthase. ]

Bien que toutes les cellules aient besoin d'hème pour fonctionner correctement, les organes principalement impliqués dans la synthèse de l'hème sont le foie (où la synthèse de l'hème est très variable, en fonction de la teneur globale en hème du corps) et la moelle osseuse (dans laquelle le taux de production d'hème est relativement constant, et dépend de la production de la chaîne de globine). L'hème peut être considéré comme une molécule intermédiaire dans le catabolisme de l'hémoglobine conduisant à la production de bilirubine . Des défauts de diverses enzymes impliquées dans la synthèse de l'hème peuvent entraîner un groupe de maladies appelées porphyries , qui comprennent : la porphyrie aiguë intermittente , la porphyrie érythropoïétique congénitale , la porphyrie cutanée tardive , la coproporphyrie héréditaire , la porphyrie variegata et la protoporphyrie érythropoïétique .

Dégradation

Dégradation de l'hème

La dégradation de l'hème commence dans les macrophages de la rate , qui éliminent les érythrocytes sénescents de la circulation. Dans une première étape, le groupe hème est converti en biliverdine , par l'enzyme hème oxygénase (HMOX). Le NADPH est utilisé comme agent réducteur, de l'oxygène est introduit dans la réaction et du monoxyde de carbone (CO) est libéré, tandis que le fer qui est libéré de la molécule est sous forme d'ion ferrique ( 3+ ). Le monoxyde de carbone agit comme un messager cellulaire et joue un certain rôle dans la vasodilatation.

De plus, la dégradation de l'hème semble être une réponse évolutive hautement conservée au stress oxydatif. En bref, lorsqu'une cellule est exposée à des radicaux libres , il y a une induction rapide de l'expression de HMOX1, qui est une hème oxygénase sensible au stress. Cette isoenzyme catabolise les groupes hémiques. La raison pour laquelle les cellules pourraient augmenter de façon exponentielle leur capacité à dégrader l'hème en réponse au stress oxydatif reste incertaine, mais semble faire partie d'une réponse cytoprotectrice qui limite les effets délétères de l'hème libre.

HMOX1/2
                hème -------------- biliverdine + Fe3+

                      / \
               H+
+ NADPH         NADP+

                  SOIT
deux              CO

Dans la deuxième réaction, la biliverdine est convertie en bilirubine, par l'action de la biliverdine réductase (BVR) :

BVR
                biliverdine ----------- bilirubine
                             / \
                     H+
+ NADPH     NADP+

La bilirubine est transportée vers le foie liée à une protéine ( albumine sérique ), où elle est conjuguée à de l'acide glucuronique pour la rendre plus soluble dans l'eau. La réaction est catalysée par l'enzyme UDP-glucuronide transférase (UDPGUTF).

UDPGUTF
                bilirubine + 2 UDP-glucuronate ------------ bilirubine diglucuronide
                                                       \
                                                    2 UMP + 2 Pi

Cette forme de bilirubine est excrétée du foie par la bile . L'excès de bilirubine dans les canalicules biliaires est un processus actif, dépendant de l'énergie et limitant. La flore intestinale déconjugue le diglucuronide de bilirubine, convertissant la bilirubine en urobilinogènes . Une partie de cet urobilinogène est réabsorbée dans l'intestin et circule dans le sang jusqu'à ce qu'elle soit excrétée avec l'urine par les reins sous forme d' urobiline , qui est un produit de l'oxydation de l'urobilinogène, et c'est ce qui donne la couleur jaune au urine. L'urobilinogène restant descend dans le tube digestif où il est converti en stercobilinogène . Celle-ci est oxydée en stercobiline , qui est responsable de la couleur foncée des selles.

Le groupe hème dans la santé et la maladie

Dans des conditions d' homéostasie , la réactivité du groupe hémique est sous contrôle, puisqu'il s'insère dans les "poches hémiques" des hémoprotéines. Cependant, dans des conditions de stress oxydatif, certaines hémoprotéines, comme l'hémoglobine, peuvent libérer leurs groupements prosthétiques. ​ L'hème non protéique (libre) produit de cette manière est hautement toxique, probablement en raison de l'atome de fer contenu dans le cycle de la protoporphyrine IX, qui agit comme un réactif de Fenton pour catalyser la production de radicaux . ^{[ citation nécessaire ]} Cette propriété de l'hème libre peut sensibiliser une variété de cellules à entrer dans la mort cellulaire programmée en réponse aux agonistes pro-inflammatoires, un effet délétère qui joue un rôle important dans la pathogenèse de certaines maladies inflammatoires telles que le paludisme . et septicémie . ]

Gènes

Les gènes suivants font partie de la voie métabolique de synthèse de l'hème :

• ALAD : acide aminolévulinique, delta-, déshydratase (une carence provoque une porphyrie par déficit en ALA-déshydratase) ]
• ALAS1 : aminolévulinate, delta-, synthase 1
• ALAS2 : aminolévulinate, delta-, synthase 2 ((la carence provoque une anémie sidéroblastique/hypochrome)
• CPOX : coproporphyrinogène oxydase ((le déficit provoque une coproporphyrie héréditaire) ]
• FECH : protoporphyrie par déficit en ferrochélatase
• HMBS : hydroxyméthylbilane synthase ((la carence provoque une porphyrie aiguë intermittente) ]
• PPOX : protoporphyrinogène oxydase ((le déficit provoque la porphyrie variegata) ]
• UROD : uroporphyrinogène décarboxylase ((la carence provoque une porphyrie cutanée tardive) ]
• UROS : uroporphyrinogène III synthase (le déficit provoque une porphyrie érythropoïétique congénitale)

Voir aussi

• chlore
• Chlorophylle
• Cobalamine
• Hémopexine
• Hémin
• Respiration

Liens externes

• Wikimedia Commons a une catégorie média sur le groupe hème .