la courbe de dissociation sigmoïdale de l’hémoglobine (Hb) et la coopérativité sont des concepts très difficiles à saisir pour les étudiants en biochimie dans les sciences de la santé (tels que les étudiants de premier cycle, les L’enseignement de L’hémoglobine sert à de multiples fins dans la classe de biochimie, parmi lesquelles l’illustration de la liaison et de la stabilité des protéines, du transport et de la cinétique., En ce sens, le concept de l’origine de la fonction protéique et de sa régulation dans la cellule est l’un des points clés des séquences de cours innovantes proposées basées sur la logique de la chimie .

Le fait que la molécule Hb soit composée de 4 sous-unités (α1,α2,β1,β2) facilite l’oxygénation car Hb devient plus saturé en oxygène. Pour expliquer cela, il est important de se rappeler que les interactions hydrophobes, ioniques et de liaison hydrogène entre les sous-unités déterminent la structure quaternaire finale d’une protéine complexe., Plus précisément, un certain nombre de liaisons ioniques (classiquement appelées « ponts Salins ») formées entre des acides aminés hautement hydrophiles ou chargés (par exemple, Asp, Glu, Lys, Arg) maintiennent ensemble les quatre sous-unités de la structure quaternaire de Hb. L’oxygénation ne peut se produire que si les liaisons ioniques sont rompues et que le polymère passe d’une conformation « tendue » (T) ou à faible affinité pour l’oxygène à une forme « détendue » (R). Lorsque cela se produit, les atomes de fer peuvent adopter la position stéréochimique optimale dans le plan de la porphyrine qui permet la liaison appropriée de la ou des molécules d’oxygène., Le plus de ponts sont rompus, plus il est facile (c’est à dire, l’affinité de liaison ou −ΔGo augmente) pour l’entrée de nouvelles molécules d’oxygène, jusqu’à quatre par molécule d’Hb. C’était, en termes simplistes, un mécanisme structurel proposé par M. F. Perutz dans les années 70 qui, bien que contesté par certains chercheurs, est substantiellement correct sur la base de nouvelles preuves expérimentales .

Depuis sa première édition, Le Livre de biochimie de L. Stryer a présenté l’analogie entre rompre les liaisons ioniques et déchirer un bloc de quatre timbres comme une explication du mécanisme de coopérativité., J’ai constaté que même en utilisant cette analogie, les étudiants sont toujours confus, probablement parce que  » casser « (un timbre) est assimilé à » lier  » (d’oxygène), deux verbes qui ont des significations intrinsèquement contradictoires, qui ne conduisent pas naturellement à la formation d’une association mentale de deux idées abstraites.

de plus, l’enseignement de L’Hb se concentre souvent uniquement sur le mécanisme moléculaire et ne s’étend pas à sa fonctionnalité dans le corps., J’ai appliqué avec succès l’analogie à la libération de l’oxygène au lieu de la liaison, reliant ainsi efficacement la biochimie (coopérativité) à la physiologie chimique (dissociation de l’oxygène). Comme pour tous les équilibres, le processus est réversible et la courbe sigmoïdale peut fonctionner dans les deux sens comme nous considérons L’axe des abscisses: de gauche à droite pour la liaison de l’oxygène ou de droite à gauche pour sa dissociation (Fig. 1). Dans ce dernier cas, la tension O2 élevée des poumons (100 mmHg) fournit une saturation complète., Lorsque le sang quitte les poumons pour les tissus périphériques, L’Hb libère sa charge et le pourcentage d’oxyhémoglobine diminue.

la courbe classique de DISSOCIATION de l’oxygène de L’hémoglobine

la forme de la courbe de dissociation de l’oxygène de L’Hb est sigmoïdale, alors que celle des autres molécules porteuses d’oxygène (comme la myoglobine) est hyperbolique. Seule la courbe sigmoïdale est caractéristique du processus coopératif par lequel la libération d’une molécule d’oxygène modifie l’affinité pour les oxygènes restants liés aux autres sous-unités protéiques., L’arrangement de sous-unité 4 dans Hb (α1,α2,β1,β2), sert à accomplir une fonction spécifique dans l’organisme des vertébrés, car il se déplace d’un gradient extrême de pression partielle d’oxygène (ou tension d’oxygène) des poumons aux tissus hypoxiques. Les diagonales pointillées de la figure indiquent que les molécules d’oxygène sont liées à des sous-unités α/β (aux sixièmes positions de coordination des ions Fe2+ sur les plans de l’hème).,

pour travailler la « coopérativité en sens inverse », qui est en réalité une analogie fonctionnelle, plutôt que structurelle, je donne à certains étudiants un bloc carré de quatre timbres postaux et leur dis que les timbres représentent les quatre molécules d’oxygène liées à Hb à l’intérieur d’un érythrocyte dans le poumon, (à ce stade, je m’assure qu’ils comprennent que les molécules d’oxygène dans la vie réelle sont liées aux sous-unités d’hémoglobine, pas les unes aux autres). Ensuite, je fais semblant de me lancer dans un voyage vers les tissus où tout cet oxygène est nécessaire., Comme je leur dis de déchirer le premier timbre, ils le font en faisant deux coupes, l’une horizontale et l’autre verticale. Pour libérer le deuxième timbre, une seule coupe est nécessaire. Et avec une dernière coupe, les deux derniers timbres sont séparés. Ensuite, je passe au graphique de la courbe de dissociation (Fig., 2) et je leur dis que la coopérativité signifie que la libération de chaque oxygène de Hb dans des régions du corps de plus en plus éloignées des poumons, facilite la libération de chaque molécule suivante, et avec moins d’énergie à chaque fois (si 1 Coupe = 1 unité arbitraire d’énergie, alors pour séparer les premier, deuxième, troisième et quatrième oxygènes, nous avons besoin, respectivement, 2 unités, 1 unité, 1/2 unité et 1/2 unité).,

L’analogie des timbres-poste

pour libérer des timbres uniques à partir d’un bloc de quatre, nous devons faire deux coupes pour libérer le premier timbre, une seule coupe pour libérer le second, et avec la coupe finale, nous libérons les deux derniers timbres, nécessitant donc à chaque fois « moins d’énergie » pour faire le travail. De même, l’oxygène reste étroitement lié à l’hémoglobine (Hb) dans les poumons, mais il sera progressivement libéré à mesure que la pression partielle d’oxygène diminue dans les différents tissus du corps., La libération d’une seconde, et plus encore de la troisième molécule d’oxygène, nécessite de plus petites baisses de pression à mesure que l’érythrocyte porteur D’Hb s’éloigne vers les poumons. Dans l’analogie, Hb * 4O2 existe comme « quatre timbres liés aux 4 sous-unités Hb »; Hb * 3O2 existe comme « trois timbres liés + 1 sous-unités libres » et ainsi de suite.

un examen plus approfondi de l’axe des abscisses révèle que pour la libération du premier oxygène, la tension doit chuter de 100 à 40 mmHg. Cependant, pour la libération de la seconde, la baisse est plus petite, passant de 40 à 26 mmHg (Le P50 normal pour Hb)., En outre, la libération d’une troisième ou d’une quatrième molécule d’oxygène ne nécessite que la plus petite chute de pression (cependant, dans la vie réelle, Hb ne décharge jamais complètement sa teneur en oxygène). À ce stade, j’insiste sur la signification fonctionnelle de « besoin de moins d’énergie à chaque fois » pour décharger de l’oxygène: de petites gouttes de pression partielle font l’affaire au bon endroit (tissus) mais pas dans le mauvais (poumons) où nous en avons besoin étroitement lié au transporteur.,

cette analogie décrit les étapes du mécanisme de l’interaction Hb/O2 et fournit un cadre pictural pour entrer dans l’histoire biochimique traditionnelle (c’est-à-dire, passer maintenant à la liaison de l’oxygène: de gauche à droite dans l’axe des abscisses de la Fig. 1). Le modèle est donc mis dans le contexte général de la coopérativité en ce que la première molécule liée provoque des changements structurels qui influencent la liaison de la molécule suivante., Cette propriété (avec l’allostérisme) est une conséquence directe de l’arrangement quaternaire des 4 polypeptides dans Hb, semblable à la « communication moléculaire » qui fait défaut dans d’autres molécules de liaison à l’oxygène, telles que la myoglobine (Mb). La forme de la courbe de dissociation de L’oxygène de Hb est sigmoïdale, alors que celle de Mb ne l’est pas (elle est hyperbolique); seule la courbe sigmoïdale est caractéristique du processus coopératif. La Nature a mis au point deux conceptions moléculaires intelligentes à des fins particulièrement distinctes dans le corps., L’Hb transporte l’oxygène dans le flux sanguin à partir d’un gradient extrême de pression partielle des poumons (où il doit rester étroitement lié) vers les tissus (où il doit être facilement libéré), mais, d’un autre côté, L’HB serait incapable de fournir tout l’oxygène dont la cellule a besoin dans une situation très exigeante en ATP (p. ex. Mb, situé dans le cytoplasme cellulaire, libère de l’oxygène dans la chaîne respiratoire de la mitochondrie, un organite qui utilise l’oxygène plus rapidement que le gaz ne peut s’y diffuser., Étant donné que l’affinité de liaison de l’oxygène à la cytochrome oxydase est ~10 fois supérieure à celle du Mb, une libération « hyperbolique » fonctionne dans cette situation particulière mieux qu’une libération « coopérative ».,

pour revenir à la « coopérativité à l’envers » illustrée par l’analogie du bloc de 4 timbres comme décrit précédemment, j’ai constaté que l’apprentissage d’un concept difficile est encore plus facilité puisque l’éducateur utilise ici les trois principaux modèles d’apprentissage: association, découverte et mentorat comme suit:

  • Tout d’abord, en comparant des molécules d’oxygène à des timbres postaux, nous pouvons passer de l’abstrait au concret., En évoquant des images dans l’esprit de l’apprenant proches du domaine de la vie quotidienne, le processus d’association est mis en mouvement (théorie comportementale de Pavlov et Skinner). L’enseignant raconte l’histoire, peignant des images et transportant les élèves vers des scénarios de sons, de formes et de couleurs et, ce faisant, il Livre de manière transparente l’idée à communiquer. C’est comme envoyer un e-mail texte (le concept) avec un fichier image « pièce jointe » (l’image associée).

  • Deuxièmement, les élèves sont engagés dans une petite activité pratique., Dans le modèle de développement et de découverte (basé sur la théorie expérientielle de Piaget), les étudiants expérimentent, touchent, ressentent, posent des questions sur le monde extérieur et essaient d’extraire les bonnes réponses par eux-mêmes. Puisque l’apprenant utilise les sens dans une recherche de bonnes réponses, l’éducateur sert ici de facilitateur et l’élève les assimile à son expérience ou à son monde intérieur.,

  • troisièmement, si l’éducateur partage avec la classe ce qu’il a ressenti lorsqu’il a rencontré ce concept difficile pour la première fois, il établira une relation de mentorat (basée sur Bandura), dans laquelle l’enseignant et les élèves partagent leurs expériences ensemble. Cela ne serait pratique que si une grande classe est divisée en petits groupes, et même ainsi, certains éducateurs pourraient se sentir réticents à adopter une approche qui pourrait être perçue comme « exposant » la faiblesse devant les élèves.,

cependant, il y a encore une autre possibilité d’enseigner un concept abstrait et difficile: en les guidant à découvrir la vérité par eux-mêmes. La « méthode socratique » était faite en tête-à-tête, impliquait un apprentissage actif, était centrée sur l’apprenant et facilitée par l’enseignant. Des questions habiles, bien formulées, visant à la connaissance, à la compréhension et à l’application de disciplines difficiles peuvent améliorer efficacement les capacités cognitives des étudiants des différentes professions de la santé .,

dans notre exemple de la courbe de dissociation de l’hémoglobine, nous pouvons imaginer marcher aux côtés du disciple sur le vert du campus Universitaire. L’enseignant pourrait poser la question: « disons que l’oxygène est lié à l’hémoglobine dans le poumon-sera-ce une liaison serrée? »L’étudiant répondrait: » peut-être, puisque nous ne voulons rien perdre là-bas ». L’enseignant, alors: « imaginons maintenant que l’érythrocyte voyage plus loin du poumon »; « il est temps de le libérer »; « Oui, mais que se passerait-il s’il est libéré dès que la pression d’oxygène baisse légèrement?, »; « Eh bien, je suppose qu’il ne restera rien pour les tissus les plus cachés baignés de CO2 »; « exactement »; « alors j’imagine que la libération devrait être progressive, mais, attendez une minute, un mécanisme devrait exister pour cela! »; « Effectivement. Appelons ce mécanisme « coopérativité » pour l’instant ». Et ainsi de suite.

bien que peu pratique, ce serait la méthode d’apprentissage de choix et l’utilisation du tutorat interactif en ligne se rapproche de cet objectif. En attendant, j’ai hâte de commencer un nouveau trimestre et de voir les visages des étudiants briller lorsqu’ils découvrent les secrets de la livraison d’oxygène à l’aide d’un « dispositif »de 4×33 cents.,