Structure de l’hémoglobine bovine

Structure de l’hémoglobine bovine

L’hémoglobine est le constituant spécifique de l’hématie dont la fonction est de transporter l’oxygène des poumons vers les tissus du corps et le gaz carbonique des tissus vers les poumons. L’hémoglobine bovine est une protéine formée de quatre chaînes polypeptidiques, deux chaînes α et deux chaînes β, identiques deux à deux, et ayant une masse moléculaire globale de 64 500 Da. Elle a une structure globulaire, chacune des chaînes comporte une partie protéique, la globine, et un groupement non protéique, l’hème (Figure I-1).

La globine

La chaîne de la globine, formée selon le modèle protéique, est constituée de la succession d’acides aminés dans un ordre déterminé. Les 4 sous-unités protéiques de la globine, semblables deux à deux (2 protomères α et 2 protomères β), sont différentes par la nature et la séquence en acides aminés.

La structure primaire
La structure primaire est représentée par l’enchaînement des acides aminés liés les uns aux autres par des liaisons covalentes (liaisons peptidiques).

La chaîne alpha
La chaîne α est composée de 141 acides aminés, d’une masse moléculaire globale de 15 053 Da et d’un point isoélectrique théorique de 8,19 (Sasakawa, 1961). La Figure I-2 montre la séquence linéaire en acides aminés de la chaîne α (Satake et Sasakawa, 1962).

La chaîne bêta 

La chaîne b est composée de 145 acides aminés avec un poids moléculaire total de 15 954 Da et un point isoélectrique théorique de 7,02 (Schroeder et al., 1967). La Figure I-3 montre la séquence linéaire en acides aminés de la chaîne b.

La chaîne b est constituée majoritairement d’acides aminés hydrophobes. Les acides aminés prépondérants sont la valine (V) et la leucine (L) .

La structure secondaire

La chaîne alpha 

La structure secondaire se rapporte aux interactions entre les acides aminés proches les uns des autres dans une séquence linéaire (Adje et al., 2010). Cette structure est caractérisée par la spiralisation de la chaîne et la formation de ponts hydrogènes. La structure de la chaîne a est formée de 8 hélices a : H1 à H8, reliées par des coudes b .

La structure tertiaire

La structure tertiaire d’une protéine correspond au repliement de la chaîne polypeptidique dans l’espace (Figure I-6). La composition en acides aminés de la protéine ainsi que son environnement constituent la base de la structure tertiaire. La structure tertiaire est responsable des propriétés fonctionnelles des protéines (Adje, 2010). Des liaisons physicochimiques entraînent un pelotonnement de la molécule, l’ensemble réalise dans  l’espace une structure globulaire, ménageant une cavité où se loge l’hème. D’après les études réalisées par Kendrew dans les années 60, il a été constaté que les molécules protéiques globulaires solubles dans l’eau sont repliées grâce à l’empilement des chaînes latérales sous formes hydrophobes à l’intérieur de la molécule (Kendrew, 1958; 1959; 1962; 1963; Kendrew et al., 1960). La structure secondaire permet la formation des liaisons hydrogènes suite à la neutralisation des groupements NH et CO de la chaîne latérale. Plus encore, Perutz (1962), décrit la structure tertiaire de l’hémoglobine comme quatre conformations très semblables associées par des liaisons non covalentes (Adje, 2010).

La structure quaternaire

Les différentes interactions hydrophobes, hydrogènes et non covalentes entre les chaînes polypeptidiques de la protéine et leur disposition spatiale forment la structure quaternaire (Figure I-7). Les chaînes de nature identique sont faiblement liées entre elles, les deux chaînes alpha d’une part et les deux chaînes bêta d’autre part. En revanche, les chaînes de nature différente (a1b1, a2b1, a1b2 et a2b2) sont fortement liées par des liaisons hydrophobes. Cette structure est modifiée suite à la fixation d’un atome d’oxygène sur le fer contenu dans l’hème (Baillet et al., 2003).

Le transport de l’oxygène est assuré plus spécifiquement par les structures tertiaire et quaternaire de l’hémoglobine. Selon son affinité, la protéine existe sous deux formes : 1) la désoxyhémoglobine ayant une faible affinité pour l’oxygène, correspondant à la forme T « Tendue » et 2) l’oxyhémoglobine ayant une haute affinité pour l’oxygène, correspondant à la forme R « Relaxée » (Figure I-8). La présence de l’oxygène et le pH ont un impact sur ces deux formes et leur équilibre. La forme R est privilégiée à pH élevé et en présence d’O2, par ce fait, l’hémoglobine cherche à capturer de l’oxygène. Par contre, la forme T est privilégiée à pH faible et en présence négligeable d’O2, par la suite, la protéine relâche l’oxygène. Le passage de la forme « T » à « R », change la structure quaternaire de l’hémoglobine (Leblanc, 2013).

L’hème

L’hème est formé suite à plusieurs réactions qui commencent dans les mitochondries et se poursuivent dans le cytosol d’érythrocytes immatures. Cette molécule est responsable de la couleur rouge, caractéristique de l’hémoglobine et du sang. Le repliement des chaînes polypeptidiques a et b dans l’espace .

L’hème est une protoporphyrine avec en son centre un atome de fer ferreux (Fe2+), entouré de quatre noyaux pyrroles, reliés les uns aux autres par des ponts méthènes (-CH≡) et substitués par des groupements méthyles (4), propionates (2), et vinyls (2). Il permet d’assurer la fonction de transporteur d’oxygène (O2) de l’hémoglobine qui se fixe au fer ferreux (Fe2+) pour être distribué aux organes périphériques. L’hémoglobine passe alors de sa forme désoxygénée (ou désoxyhémoglobine) à sa forme oxygénée (ou oxyhémoglobine). Au sein de la désoxyhémoglobine, l’atome de fer possède cinq liaisons de coordination stables : quatre avec les atomes d’azote des noyaux pyrrole de l’hème et une avec l’atome d’azote d’un résidu histidine de la globine. La sixième liaison fixe l’oxygène, de façon réversible, formant ainsi l’oxyhémoglobine. Par conséquent, l’oxygène se lie à l’oxyhémoglobine dans les poumons et est ensuite transporté par le courant sanguin jusqu’à ce qu’il atteigne les tissus. Dans les tissus, l’oxygène est libéré de l’hémoglobine, et est ensuite transporté à la mitochondrie où il est utilisé pour la respiration aérobie. En échange, la désoxyhémoglobine, se lie à 2 protons et 2 molécules de CO2 et les transporte vers les poumons, où le CO2 est libéré par exhalation (Perutz, 1978).

Effet du milieu sur la structure de l’hémoglobine 

Généralement, l’environnement extérieur a un impact sur la structure des protéines qu’elles soient globulaires (hémoglobine, myoglobine, etc.) ou fibrillaires (actine, kératine, etc.). Plus spécifiquement, la modification de l’état natif et la dénaturation totale ou partielle de l’hémoglobine dépend de plusieurs facteurs. La dénaturation implique la modification des structures de l’hémoglobine suite à la rupture des liaisons qui participent sa consolidation. Par conséquent, la structure de l’hémoglobine se désorganise et la chaîne d’acides aminés prend une configuration aléatoire (Sherwood et Lockart, 2006). Des facteurs physiques ou chimiques peuvent être responsables de la variation de l’état natif des protéines et plus spécifiquement de l’hémoglobine.

Effet de quelques agents physiques
La température et le pH présentés dans cette partie sont deux éléments essentiels qui influencent la conformation des protéines et plus spécifiquement celle de l’hémoglobine et représentent des axes de réflexion qui pourraient nous aider durant notre étude pour comprendre le comportement de l’hémoglobine lors de sa dénaturation.

Table des matières

Introduction
I. Revue de littérature
I.1. L’hémoglobine bovine
I.1.1. Structure de l’hémoglobine bovine
I.1.1.1. La globine
I.1.1.1.1. La structure primaire
I.1.1.1.2. La structure secondaire
I.1.1.1.3. La structure tertiaire
I.1.1.1.4. La structure quaternaire
I.1.1.2. L’hème
I.1.2. Effet du milieu sur la structure de l’hémoglobine
I.1.2.1. Effet de quelques agents physiques
I.1.2.1.1. La température
I.1.2.1.2. Le pH
I.1.2.2. Effet de quelques agents chimiques
I.1.2.2.1. L’urée
I.1.2.2.2. Les alcools
I.1.2.2.3. Les sels
I.2. Hydrolyse pepsique de l’hémoglobine bovine et peptides bioactifs
I.2.1. Généralités
I.2.2. La pepsine porcine
I.2.2.1. Structure
I.2.2.2. Activité enzymatique et mode d’action de la pepsine
I.2.3. Mécanisme enzymatique
I.2.4. Effet du milieu sur l’hydrolyse enzymatique de l’hémoglobine par la pepsine
I.2.4.1. Effet de quelques agents physiques
I.2.4.1.1. La température
I.2.4.1.2. Le pH
I.2.4.2. Effet de quelques agents chimiques
I.2.4.2.1. L’urée
I.2.4.2.2. Les alcools
I.2.4.2.3. Les sels
I.2.5. Peptides bioactifs issus de l’hydrolyse pepsique de l’hémoglobine bovine
I.2.5.1. Peptides opioïdes
I.2.5.2. Peptides hématopoïétiques
I.2.5.3. Peptides inhibiteurs de la dipeptidyl-peptidase IV
I.2.5.4. Peptides antihypertenseurs, potentialisateurs de la bradykinine, hypolipidémiants, coronaro-constricteurs et stimulateurs de la croissance bactérienne
I.2.5.5. Peptides antioxydants
I.2.5.6. Peptides antimicrobiens
I.2.5.6.1. Généralités
I.2.5.6.2. Caractéristiques des peptides antimicrobiens
I.3. L’électrodialyse avec membranes bipolaires
I.3.1. L’électrodialyse conventionnelle
I.3.1.1. Principes et généralités
I.3.1.2. Les membranes échangeuses d’ions
I.3.1.3. Phénomènes de transport
I.3.1.3.1. Modes de transport
I.3.1.3.2. Concentration de polarisation et courant limite
I.3.1.4. Colmatage membranaire
I.3.1.4.1. Définition et impacts du colmatage
I.3.1.4.2. Nature du colmatage
I.3.1.4.3. Influence des paramètres opératoires sur la présence de colmatage
I.3.1.4.4. Prévention ou réduction du colmatage
I.3.1.5. Applications de l’électrodialyse conventionnelle
I.3.2. L’électrodialyse avec membranes bipolaires (EDMB)
I.3.2.1. Principe de l’EDMB
I.3.2.1.1. Les membranes bipolaires
I.3.2.1.2. Génération d’H+ et d’OH-
I.3.2.1.3. Catalyseurs pour améliorer la dissociation de l’eau
I.3.2.2. Les configurations d’EDMB
I.3.2.2.1. Une cellule à 2 compartiments
I.3.2.2.2. Une cellule à 3 compartiments
I.3.2.3. Les caractéristiques de l’EDMB et ses limites
I.3.2.4. Principales applications de l’EDMB en alimentaire
I.3.2.4.1. Principales applications
I.3.2.4.2. Optimisation de la production d’oligomères de chitosane
II. Problématique, hypothèse et objectifs
II.1. Problématique
II.2. Hypothèse
II.3. Objectifs
III. Impact de la conductivité sur les performances d’électro-acidification et d’hydrolyse enzymatique de l’hémoglobine bovine par électrodialyse avec membranes bipolaires pour la production de peptides bioactifs
III. Transition Contextuelle
III.1. Résumé
III.2. Abstract
III.3. Introduction
III.4. Materials and Methods
III.4.1. Materials
III.4.2. Protocol
III.4.3. Analyses
III.5. Results and Discussion
III.5.1. Process parameters
III.5.2. Mineral composition
III.5.3. Comparative hydrolysis kinetics and hydrolysate characterization
III.6. Conclusion
III.7. Acknowledgements
III. Atteinte des objectifs et avancement des connaissances
IV. Optimisation du nouveau procédé vert pour la production de néokyotorphine (α137-141) et des peptides bioacifs dérivée de l’hydrolyse enzymatique de l’hémoglobine bovine utilisant l’électrodialyse avec membranes bipolaires
IV. Transition Contextuelle
IV. Premier Article
IV.1. Résumé
IV.2. Abstract
IV.3. Introduction
IV.4. Materials and Methods
IV.4.1. Materials
IV.4.2. Electrodialysis cell configuration
IV.4.3. Protocol
IV.4.4. Analyses
Conclusion

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