Identification des événements moléculaires initiaux de la respiration

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Identification des événements moléculaires initiaux de la respiration

Des chercheurs de Suisse, du Japon et d’Allemagne, dont des scientifiques de l’EPFL ont identifié le mécanisme par lequel le premier événement de la respiration prend place dans les hémoprotéines.

La respiration est un processus fondamental de tous les mammifères. Elle leur permet de produire de l’énergie et de survivre. Le phénomène de respiration implique des hémoprotéines comme par ex. l’hémoglobine dans le sang et la myoglobine dans les muscles.

Les hémoprotéines fonctionnent en fixant et en libérant de petites molécules telles que l’oxygène, le monoxyde de carbone, etc., que l’on appelle des ligands. Cette liaison chimique se fait au niveau du «centre actif», qui est une molécule appelée porphyrine.

La liaison et la libération de petites molécules entraînent des changements dans la structure moléculaire et électronique de cette porphyrine. Un tel changement correspond à la transition d’une forme plane de la porphyrine liée dans un état de spin bas, à une forme en dôme, non liée, de spin élevé. Cette transition est une étape cruciale de la respiration, qui éventuellement cause la changement de l’hémoglobine d’une conformation «relâchée» à une conformation «tendue».

Les électrons tournent autour des atomes mais aussi autour d’eux-mêmes et ils peuvent passer d’un état de spin à un autre. Le débat autour de la question de la transition d’une porphyrine plane à bas spin à une forme en dôme de spin élevé a été dominé par deux écoles de pensée: le processus se fait soit par relaxation thermique, soit par une cascade entre des états de spin électronique.

Une équipe de scientifiques menée par Majed Chergui à la Faculté des Sciences de Base de l’EPFL a enfin résolu cette question. Les chercheurs ont imité le processus de respiration en détachant le ligand de la porphyrine de la myoglobine à l’aide d’une brève impulsion laser. Ils ont ensuite suivi l’évolution du système à l’aide d’une autre impulsion de rayons x durs générée par un laser X à électrons libres, afin d’induire l’émission des rayons X du système. Cette dernière fournit une empreinte très sensible de l’état de spin des molécules. Ils ont ainsi pu démontrer que le passage de l’état plan à la forme en dôme et le retour vers la forme plane sont gouvernés par des changements d’états de spin.

Myoglobine (à droite) et sa région hémique (à gauche). Crédit: Majed Chergui (EPFL)

L’étude a été menée sur la nitrosyl-myoglobine, qui est une myoglobine à laquelle est attachée une molécule d’oxyde nitrique. La nitrosyl-myoglobine joue un rôle crucial dans la neurotransmission, le contrôle de la vasodilatation, l’agrégation plaquettaire et les réponses immunologiques.

«Toutefois, les conclusions de notre travail s’appliquent à l’ensemble des hémoprotéines,» déclare Majed Chergui. «Et en particulier à l’hémoglobine, lorsqu’elle capture et libère l’oxygène quand nous respirons. Bien que ceci se passe aux températures thermiques du corps, la respiration est gouvernée par des échanges électroniques au sein de la porphyrine.»

Références

Dominik Kinschel, Camila Bacellar, Oliviero Cannelli, Boris Sorokin, Tetsuo Katayama, Giulia F. Mancini, Jeremy R. Rouxel, Yuki Obara, Junichi Nishitani, Hironori Ito, Terumasa Ito, Naoya Kurahashi, Chika Higashimura, Shotaro Kudo, Theo Keane, Frederico A. Lima, Wojciech Gawelda, Peter Zalden, Sebastian Schulz, James M. Budarz, Dmitry Khakhulin, Andreas Galler, Christian Bressler, Christopher J. Milne, Thomas Penfold, Makina Yabashi, Toshinori Suzuki, Kazuhiko Misawa & Majed Chergui. Femtosecond X-ray emission study of the spin cross-over dynamics in heme proteins. Nature Communications DOI: 10.1038/s41467-020-17923-w

Majed Chergui, Nik Papageorgiou