Physiologie du globule rouge

 

Introduction

 

 - Le globule rouge (GR) ou hématie ou érythrocyte est une cellule anucléée qui contient une solution d'hémoglobine (Hb): c'est ce pigment respiratoire qui transporte l'oxygène des poumons vers les tissus et est responsable de la fonction de l'hématie.

 

- Il provient des érythroblastes de la moelle osseuse, et de la maturation finale du réticulocyte.

 

- Un système enzymatique interne relié à la glycolyse assure la protection de l'Hb et de la membrane contre l'oxydation.

 

- Sa durée de vie est d’environ 120 jours.

 

 1. Morphologie générale et données quantitatives

 

1.1. Morphologie

 GR dans les vaisseaux sanguins = petits disques souvent biconcaves, de 2µm d’épaisseur et 7µm de diamètre  GR sur frottis sanguin coloré = petits éléments sans noyau ayant l’aspect d’un disque avec centre clair
GR dans les vaisseaux sanguins = petits disques souvent
biconcaves, de 2µm d’épaisseur et 7µm de diamètre
GR sur frottis sanguin coloré = petits éléments sans noyau
ayant l’aspect d’un disque avec centre clair

 

 A l'état normal le GR ne contient pas d'inclusions visibles sur frottis de sang coloré au MGG.

 

En pathologie, diverses anomalies peuvent s'observer (voir : aspect morphologique des hématies sur frottis sanguin). 

 

1.2. Données quantitatives: la numération globulaire

 

 

Nb de GR

Hte

Hb

Homme

4.5 – 5.8 T/L

40 – 50 %

13.5 – 17.5 g/dL

Femme

3.8 – 5.4 T/L

37 – 47 %

12.5 – 16.5 g/dL

Enfant (1 an)

3.6 – 5.2 T/L

36 – 44 %

11  –  13.5 g/dL

Nouveau-né

5 – 6 T/L

44 – 58 %

14.5 – 22.5 g/dL

 

 

Volume Globulaire Moyen (VGM) de l'adulte = 85 – 95 fL (= 10 x Hte / Nb de GR)

 

               Il définit :              Microcytose si < 80 fL

                                          Macrocytose si > 100 fL

                                          Normocytose si 80 – 100 fL

 

NB: les automates actuels fournissent une courbe de distribution des volumes érythrocytaires, assez superposable à la courbe de Price Jones qui permet de définir l'anisocytose (réalisée autrefois avec les diamètres érythrocytaires mesurés sur frottis). Il existe un indice particulier appelé Indice de distribution des GR ou IDR, qui définit le degré d’anisocytose (N = 11 – 16 %).

 

CCMH (concentration corpusculaire moyenne en Hb) = 32 - 36 g/dl (100 x Hb / Hte).

 

Elle correspond à la concentration de la solution d'Hb à l'intérieur du GR, et définit :

                                Hypochromie si     < 32 g/dL

                                Normochromie si 32 – 36 g/dL

 

Rappel : Les valeurs normales de l'hémogramme sont toujours à interpréter selon l'âge et le sexe du patient (voir « valeurs normales en fonction de l'âge »).

 

Réticulocytes = 20 – 100 G/L (soit 0.5 – 2% des GR).

 

Ils ont une durée de vie de 2j dans le sang, et contiennent encore quelques organites colorables par des techniques spéciales (voir érythropoïèse).

 

Leur Nb permet de déterminer les capacités de régénération de la moelle osseuse :

 

               une anémie est régénérative si le Nb de réticulocytes est > 150 G/L,

                une anémie est non régénérative si le Nb de réticulocytes est < 150 G/L,

 (entre ces 2 valeurs, répéter l’examen ou utiliser d’autres moyens pour définir l’anémie)

 

 

2. Structure du globule rouge

 

Le GR peut être schématiquement représenté comme un sac (= membrane) contenant de l’hémoglobine (= pigment responsable de la fonction de l’hémoglobine) et des enzymes (pour la protection de l’Hb et de la membrane contre l’oxydation).

 

 2.1. La membrane

 
 2.1.1. Structure

 

Aspect classique trilaminaire (deux couches opaques entourant une couche claire) en microscopie électronique, constituée de :

 

                Lipides = 42% (65% de phospholipides, 23% de cholestérol, 12% d'acides gras),

                Glucides = 8% (= la partie oligo-sacharridique des glycoprotéines et des glycolipides),

                Protéines = 50% :

 

                               Protéines extrinsèques transmembranaires assurant la transmission des messages de l'extérieur vers l'intérieur (à la face interne = la plupart des protéines du cytosquelette du globule rouge, et à la face externe = principalement des récepteurs, surtout la protéine bande 3 et la glycophorine A),

 

                               Protéines du cytosquelette = essentiellement la spectrine (alpha et bêta) qui permet le maintien de la structure du GR (lorsqu'elle est sous sa forme tétramérique), et la protéine 4.1 dont le rôle est de faciliter la liaison entre la spectrine et l'actine.

 

L’ankyrine (protéine d’ancrage) a pour rôle de rattacher le squelette membranaire au reste de la membrane (= entre la chaîne bêta de la spectrine et la protéine bande 3) 

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2.1.2. Propriétés physiques

 

 

- La forme biconcave est la morphologie la plus apte à la déformabilité : les GR passent dans des capillaires de 3 µm de diamètre.

 

- Quand le GR s'écarte de la forme biconcave, il devient fragile, moins souple, ne circule plus dans les petits capillaires et s'hémolyse.

 

- La charge négative de la membrane permet d'éviter l'agglutination des hématies.

 

- La membrane permet l'entrée du glucose dans le GR par diffusion passive.

 

- Une pompe ATP ase Na+K+ dépendante assure le transport actif des cations et maintient la composition du globule rouge en cation.

 

Remarque. Les pathologies de la membrane érythrocytaire sont soit constitutionnelles, correspondant à des anomalies des protéines du cytosquelette (principalement les sphérocytoses et elliptocytoses), ou des anomalies des autres protéines du GR (Ag de groupes sanguins), soit acquises, principalement l'hémoglobinurie paroxystique nocturne (perte d'une protéine d'ancrage).

 

 

2.2. Métabolisme et enzymes érythrocytaires

 

 Le GR doit produire de l'énergie pour 2 objectifs principaux :

 

          Maintenir l'intégrité de la membrane, pour assurer le maintien de l'équilibre ionique par fonctionnement des pompes Na+, Ka+, ATP ase qui nécessitent de l'ATP

          Maintenir l'Hb sous sa forme active, c'est-à-dire réduite (= fer à l'état divalent). Normalement, chez l'adulte, il y a < 1% de methémoglobine (= fer à l'état trivalent).

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2.2.1 Métabolisme énergétique

 

 

                Voie directe = glycolyse anaérobie. 90% du glucose est métabolisé par cette voie, qui dégrade le glucose en 2 trioses phosphates, et produit de l'ATP, du NADH réduit (= co-enzyme de la methémoglobine réductase) et du lactate.

 

                Cycle des hexoses monophosphates: shunt des pentoses; glycolyse aérobie

 

 

Ce cycle nécessite deux enzymes principales: la glucose 6 phosphate déshydrogénase (G6PD) et la 6 phospho gluconate déshydrogénase. Cette glycolyse aérobie assure 10% de catabolisme du glucose et produit du NADPH, co-enzyme de la glutathion réductase et de la methémoglobine réductase accessoire.

 

                Cycle du 2,3 DPG = shunt de Rappoport-Luebering: greffé sur la voie anaérobie, il produit le 2,3-DiphosphoGlycérate (2,3-DPG), qui régule l'affinité de l'hémoglobine pour l'oxygène.

 

2.2.2. Système d'oxydoréduction

 

 

                Système de maintien du glutathion à l'état réduit: le glutathion réduit permet la détoxication des peroxydes et donc protège contre l'oxydation de la globine et de diverses protéines structurales.

 

                Système de réduction de la methémoglobine (forme oxydée de l'hémoglobine): ce système repose principalement sur la methémoglobine réductase à NADH. Son déficit entraîne une methémoglobinémie congénitale.

 

(La methémoglobine réductase à NADPH a un rôle physiologique qui n'est pas prouvé. Elle nécessite du bleu de Méthylène pour fonctionner)

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Remarque. Les principales enzymopathies érythrocytaires touchent :

 

                soit la glycolyse anaérobie  [toutes les enzymes de ce cycle peuvent être retrouvées déficitaires et être à l'origine de pathologies. La principale est le déficit en Pyruvate Kinase (PK) (autres déficits = glucose phosphate isomérase, glucose 3 phosphate glycérate Kinase, 2,3 diphosphate glycérate mutase)],

                soit le shunt des pentoses: déficit en G6PD (plus rarement déficits dans le système de réduction du glutathion).

 

 

2.3. Hémoglobine

 

 

L'hème est formé de la protoporphyrine (quatre noyaux pyrroles unis par les ponts méthényles), à laquelle est lié un atome de fer à l'état ferreux en position centrale de l'hème, qui se lie :

 

               - aux quatre atomes d'azote de la  protoporphyrine,

                - et de part et l'autre du plan de l'hème avec l'O2 et avec l’un des acides aminés de la globine.

 

Remarque. L’O2 ne peut se lier que si le fer est à l'état ferreux [si fer à l'état ferrique = methémoglobine qui ne fixe pas l'O2].

 

 

Chaque complexe hème + globine forme une sous unité: les quatre sous-unités s'adaptent les unes aux autres pour former un tétraèdre =  la molécule d'hémoglobine.

 

 

Hème : protoporphyrine avec un atome de Fer (ferreux) qui
se lié aux 4 atomes d’azote des pyrroles, à l’histidine
de la globine, et à l’oxygène.
Globine : chaque chaîne de globine contient
une molécule d’hème

 

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La globine est une protéine de 141 ou 146 AA, de structure enroulée sur elle-même, et au sein de laquelle se positionne une molécule d’hème, dans une poche hydrophobe. Chaque globine est subdivisée en 8 zones (A à H), utiles pour positionner les anomalies moléculaires en pathologie.

 

L’hémoglobine est constituée de 4 globines, identiques 2 à 2, et a un PM de 64.5 kDa.

 

Par exemple l’hémoglobine A est l'hémoglobine adulte, constituée de 2 chaînes alpha (141 AA) et de 2 chaînes bêta (146 AA) (= alpha2 bêta 2).

 

2.3.2. Ontogénie des gènes de l'hémoglobine :

 

 

                Les gènes de la globine dérivent tous d'un même gène ancestral qui codait pour une protéine de transport de l'oxygène. La duplication de gènes (800 millions d'années) a donné naissance à la myoglobine d'une part, protéine de stockage de l'O2, et l'Hb d'autre part, protéine de transport de l'O2.

 

Apparition successive des diverses chaînes de globine au cours de l'ontogénie:

 

- chez l'embryon on retrouve l'hémoglobine embryonnaire Gower 1 (zéta2 epsilon2), puis plus tardivement (début du 3ième mois de gestation) les hémoglobines Gower 2 (alpha2 epsilon2) et Portland (zéta2 gamma2) quand débute la synthèse des chaines gamma et alpha.

  

- à partir de 5 – 6 mois la synthèse de chaîne gamma est majoritaire par rapport aux chaines zéta et epsilon, et l'Hb F est majoritaire (Hb fœtale : alpha2 gamma2)

 

- au voisinage de la naissance la synthèse de chaîne bêta débute (Hb A ou adulte = alpha2 bêta2), de même que la chaîne delta (qui reste minoritaire, donnant l'Hb A2 alpha2 delta2) ;

 

- dès la naissance la synthèse de chaine gamma cesse : l’Hb F aura totalement disparu du sang avant l’âge de 1 an.

 

Chez l'adulte on retrouve :             Hb A (alpha2 bêta2)                       > 97 %

                                                Hb A2 (alpha2 delta2)                   1 – 3 %

                                                Hb F (alpha2 gamma2)                  < 1 %

 

 

Il y a 2 gènes alpha (alpha1 et alpha2) sur chaque chromosome 16, et un seul gène bêta sur chaque chromosome 11.

 

Remarques.

 

En pathologie, un déficit de synthèse de chaîne alpha pourra produire des effets cliniques dès la naissance (et avant), alors qu’une anomalie de synthèse de la chaîne bêta pourra avoir des répercussions cliniques à partir de 6-9 mois.

Certaines maladies acquises peuvent provoquer la réapparition d’une synthèse de chaîne gamma (myélodysplasies) ; il en est de même avec certains médicaments (hydroxyurée) qui provoquent une dysérythropoïèse avec apparition d’HbF, mise à profit pour le traitement de la drépanocytose.

 

 
2.3.3. Fonctions de l'hémoglobine

 

L’Hb a pour fonction le transport de l'oxygène aux tissus.

 

Il existe deux conformations de l'hémoglobine, l'une à forte affinité pour l'oxygène que l'on appelle l'état relâché (R), l'autre à faible affinité pour l'oxygène, que l'on appelle l'état tendu (T): le 2-3 DPG diminue l'affinité de l'hémoglobine pour l'oxygène en stabilisant l'état T.

 

 

Plusieurs autres facteurs influencent l'affinité de l'hémoglobine pour l'oxygène, le principal étant la pression partielle en oxygène (plus la pression en oxygène est élevée et plus l'affinité de l'Hb pour l'oxygène baisse), mais également : baisse du pH, augmentation de la température, ou augmentation du 2,3 DPG ont pour effet une baisse de l'affinité de l'hémoglobine pour l'oxygène.

 

 

3. Méthodes d'étude des globules rouges et de l'hémoglobine

 

3.1. L'hémogramme

 

Fournit des données quantitatives : voir les valeurs normales selon l’âge

   

             N° GR : peu utile en pratique

                Hémoglobine totale : définit l’anémie et la « polyglobulie » (voir valeurs de référence),

                Hématocrite : peu utile pour le diagnostic des anémies,

                VGM : permet de définir les microcytoses et les macrocytoses,

                CCMH : définit la normochromie ou l’hypochromie (hyperchromie = rare), càd si la quantité d’Hb dans les GR est normale ou diminuée ;

 

                Nombre de plaquettes et de leucocytes (et formule leucocytaire) : permet de définir si l’anémie observée est isolée ou associée à d’autres anomalies de l’hémogramme.

 

Fournit aussi des données qualitatives : surtout l’étude des anomalies éventuelles de la morphologie des GR, dont les plus importantes sont:

 

* taille: anisocytose, microcytose ou macrocytose.

 

* coloration: hypochromie (couleur plus pâle), polychromatophilie (mélange de GR colorés en beige rosé et d'autres en un autre teinte, souvent bleutée).

 

* inclusions : corps de Howell-Jolly (fragment d'ADN correspondant à un chromosome perdu par le noyau lors d'une mitose; un seul par hématie

 

* forme: poïkilocytose; sphérocytes, ovalocytes, schizocytes, drépanocytes, dacryocytes (= hématies en larmes: toutes maladies avec splénomégalie et/ou myélofibrose).

 

 

Remarque sur le dosage de l’hémoglobine totale circulante. Les diverses formes d'Hb du sang (carbonyl Hb, oxy Hb, Hb réduite…) réagissent avec un réactif qui les transforme toutes en un composé unique,  qui absorbe la lumière à une longueur d'onde unique (540 nm) : le réactif de Drabkin transforme toutes les  formes d'Hb en cyanmethémoglobine, le lauryl sulfate transforme les Hb en lauryl hémoglobines, …

 

3.2. Méthodes d'étude de l'hémoglobine.

 

Electrophorèse: différentes méthodes permettent de différencier les différentes hémoglobines: sur acétate de cellulose à pH alcalin, sur agar à pH acide…

On pourra également utiliser l'isoélectrofocalisation sur acrylamide dans un gradient de pH, ou la chromatographie.

 

Il existe diverses méthodes moléculaires d’étude de la globine, déterminant précisément la nature de chaque anomalie (la mutation et le ou les AA mutés), et de déterminer la quantité de chaîne produite.

 

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3.3. Autres méthodes générales d’étude des hématies.

 

Test de Kleihauer: recherche l'Hb F dans les GR (décompte des hématies fœtales dans le sang maternel) par sa  résistance en milieu acide (HbA = soluble).

Mise en évidence de l'hémoglobine H : formée de quatre chaînes bêta; elle précipite en présence de bleu de crésyl brillant (GR d'aspect en balle de golf)

 

Recherche de corps de Heinz : précipités d'Hb oxydée visualisés par ce colorant. Ces corps sont présents au cours de la crise hémolytique du déficit en G6PD, en cas d'intoxication chronique médicamenteuse épuisant les possibilités de régénération enzymatique. On en retrouve aussi quelques uns chez les splénectomisés, les prématurés et les nourrissons de moins de trois mois.

 

Résistance osmotique des hématies = résistance des hématies incubées dans des solutions de plus en plus hypotoniques. Résistance diminuée (= fragilité augmentée) dans la sphérocytose héréditaire et augmentée dans les thalassémies. Ce test est remplacé par le test EMA pour le diagnostic de la sphérocytose héréditaire (voir le document correspondant).

 

Hémolyse physiologique et pathologique. Voir « hémolyse et son exploration »

 

 

Coloration de Perls : mise en évidence de corps de Pappenheimer des GR et plus généralement du fer (voir la rubrique spécifique).

 

 

 

Conclusion : L'intégrité de l'ensemble des paramètres de la numération globulaire assure du fonctionnement normal de l'érythropoïèse.

L'hémogramme est l'examen biologique le plus prescrit en France.

 

 

 

 

octobre 2011.