ヘモグロビンとミオグロビンの構造-機能相関

🧠 ミオグロビンmyoglobin, Mb ミオグロビン（myoglobin, Mb）myoglobin, Mb（ミオグロビン） は「単量体monomer 単量体（monomer）monomer（単量体） の酸素貯蔵タンク（双曲線hyperbolic双曲線（hyperbolic）hyperbolic（双曲線））」、ヘモグロビンは「四量体tetramer 四量体（tetramer）tetramer（四量体） の酸素運搬 oxygen transport 酸素運搬（oxygen transport） oxygen transport（酸素運搬） トラック（S字＋アロステリー allosteryアロステリー（allostery） allostery（アロステリー））」と対比して読む。 両者ともヘムのFe²⁺でO₂を結合するが、Hbは協同性 Cooperativity, Hill 協同性（Cooperativity, Hill） Cooperativity, Hill（協同性） と3種のアロステリー allostery アロステリー（allostery） allostery（アロステリー） （O₂・CO₂/H⁺・BPG）で親和性を可変にし、肺で満載・組織で放出を実現する。

気体の溶解

• 分圧: ある気体が単独で同体積を占めたときの圧力。pₐ = xₐ·P（xₐ=モル分率）。
• Henryの法則: 液中の気体濃度は接する気相の分圧に比例。[A]（aq） = αₐ·pₐ。

ヘムと酸素結合

酸素はヘム（プロトポルフィリンIXprotoporphyrin IXプロトポルフィリンIX（protoporphyrin IX）protoporphyrin IX（プロトポルフィリンIX） ＋ Fe²⁺）のFe²⁺に結合する。Fe²⁺の6配位 coordinate 配位（coordinate） coordinate（配位） のうち、

• 4つは面内 in-plane面内（in-plane） in-plane（面内）: ポルフィリンporphyrin ポルフィリン（porphyrin）porphyrin（ポルフィリン） のピロール窒素 pyrrole Nピロール窒素（pyrrole N） pyrrole N（ピロール窒素）。
• 5番目: 近位ヒスチジンproximal histidine 近位ヒスチジン（proximal histidine）proximal histidine（近位ヒスチジン） （Fe²⁺を配位 coordinate配位（coordinate） coordinate（配位））。
• 6番目: O₂結合部位（遠位ヒスチジンdistal histidine 遠位ヒスチジン（distal histidine）distal histidine（遠位ヒスチジン） 側）。

⚠️ 遠位ヒスチジンdistal histidine 遠位ヒスチジン（distal histidine）distal histidine（遠位ヒスチジン） がCOの毒性を「和らげる」。 教科書的な値では、COは遊離ヘム free heme 遊離ヘム（free heme） free heme（遊離ヘム） にO₂の約25,000倍強く結合するが、Mbではその差が約200倍まで縮む。縮む主因は、遠位Hisが結合したO₂（Fe–O₂ は強く分極している）と水素結合してO₂を選択的に安定化することで、COはこの水素結合でほとんど安定化されない。かつて教科書で説明された「遠位Hisの立体障害 steric hindrance 立体障害（steric hindrance） steric hindrance（立体障害） でCOがまっすぐ結合できない」という説は、部位特異的変異体の実験で寄与が小さいと示されている。¹ それでもCO中毒は致命的になりうる。

ミオグロビン

Mbはαヘリックスに富む球状 spherical 球状（spherical） spherical（球状） の金属タンパク質で、割れ目にヘムを1個もつ。

• O₂結合曲線は双曲線 hyperbolic双曲線（hyperbolic） hyperbolic（双曲線）：飽和度 Y = pO₂/(pO₂ + p50)。
• p50 ≈ 3 mmHg（非常に高い親和性）。
• 安静時の筋ではほぼ飽和し、激しい運動や重度の低酸素でのみO₂を放出する。酸素貯蔵に向く。

ヘモグロビン

Hbはヘテロ四量体 heterotetramerヘテロ四量体（heterotetramer） heterotetramer（ヘテロ四量体）。サブユニットの組成は生涯で変化する。

βサブユニットbeta subunit βサブユニット（beta subunit）beta subunit（βサブユニット） はMbに似る。四次構造quaternary structure 四次構造（quaternary structure）quaternary structure（四次構造） は「αβ二量体の二量体」。

T状態とR状態

flowchart TD
  A["デ<span class='jp-term jp-term-diagram' title='oxyhemoglobin'>オキシヘモグロビン</span><br>T状態＝<span class='jp-term jp-term-diagram' title='low affinity'>低親和性</span>"]
  A --> B["O₂結合でFe²⁺がヘム<span class='jp-term jp-term-diagram' title='in-plane'>面内</span>へ移動"]
  B --> C["Fe²⁺が近位Hisを引く"]
  C --> D["サブユニット間の<span class='jp-term jp-term-diagram' title='salt bridge'>塩橋</span>が切れ<br>α₁β₂/α₂β₁界面を中心に<br>αβ二量体どうしが約15°回転"]
  D --> E["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='oxyhemoglobin'>オキシヘモグロビン</span><br>R状態＝<span class='jp-term jp-term-diagram' title='high affinity'>高親和性</span>"]

アロステリー1：ホモトロピック効果（O₂–O₂）

4つのヘムへのO₂結合が独立なら双曲線 hyperbolic 双曲線（hyperbolic） hyperbolic（双曲線） （Mb様）、完全に同期ならHill式でS字。実際は協同的だが完全同期ではないS字型。

• S字曲線は急峻 steep (dose gradient) 急峻（steep (dose gradient)） steep (dose gradient)（急峻） で、組織でより多くのO₂を放出できる（p50 ≈ 26 mmHg）。
• 分子基盤： O₂結合はR状態を安定化し、R状態はO₂をより強く結合する。ただし協同性 Cooperativity, Hill 協同性（Cooperativity, Hill） Cooperativity, Hill（協同性） は単純な二状態だけでは尽くせず、各サブユニットの局所構造変化 conformational change 構造変化（conformational change） conformational change（構造変化） も関与する。²³
• 協同性Cooperativity, Hill 協同性（Cooperativity, Hill）Cooperativity, Hill（協同性） は誘導適合 induced fit 誘導適合（induced fit） induced fit（誘導適合） の構造変化 conformational change 構造変化（conformational change） conformational change（構造変化） がサブユニット界面を越えて伝わることによる。

⭐ S字型が「肺で満載・組織で放出」を可能にする。 高親和のMb（双曲線hyperbolic双曲線（hyperbolic）hyperbolic（双曲線））は貯蔵向きだが、組織のpO₂ではほとんど放出できない。Hbは協同性 Cooperativity, Hill 協同性（Cooperativity, Hill） Cooperativity, Hill（協同性） で p50 付近が急峻 steep (dose gradient) 急峻（steep (dose gradient)） steep (dose gradient)（急峻） なS字を描くので、わずかなpO₂の低下で多くのO₂を放す。安静時（混合静脈血 pO₂ 約40 mmHg）でも飽和度は約75%残り放出は約4分の1だが、活動筋のようにpO₂が約20 mmHgまで下がる組織では、肺で結合したO₂の約3分の2を放出できる。

アロステリー2：ヘテロトロピック効果

代謝が盛んな組織（CO₂↑・H⁺↑＝pH↓）で、O₂親和性を下げる。

• CO₂: 各グロビン鎖 globin chain グロビン鎖（globin chain） globin chain（グロビン鎖） （α・β）のN末端アミノ基 amino group アミノ基（amino group） amino group（アミノ基） と非酵素的 non-enzymatic 非酵素的（non-enzymatic） non-enzymatic（非酵素的） に反応してカルバメート carbamate カルバメート（carbamate） carbamate（カルバメート） （−NH−COO⁻）を形成し、H⁺を1個放出する。負電荷を帯びたN末端が新たな塩橋 salt bridge 塩橋（salt bridge） salt bridge（塩橋） を作りT状態を安定化する。
• H⁺: 複数のプロトン化 protonation プロトン化（protonation） protonation（プロトン化） 部位を介してHbのT状態を相対的に安定化し、O₂親和性を下げる。
• いずれもO₂結合曲線を右方偏位rightward shift (deviation to the right)右方偏位（rightward shift (deviation to the right)）rightward shift (deviation to the right)（右方偏位）させ、組織でのO₂放出を増やす（Bohr効果）。CO₂とH⁺は加算的に働く。

組織で生じたCO₂は、赤血球内で次の2つの反応を受ける。どちらもH⁺を生み、そのH⁺がHbをT状態に傾ける。

flowchart TD
  CO2["CO₂<br>組織の代謝で産生・赤血球内へ拡散"] -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='carbonic anhydrase'>炭酸脱水酵素</span>（赤血球内）<br>＋H₂O"| CA["炭酸 H₂CO₃"]
  CA -->|"自発的な解離"| BIC["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='bicarbonate'>重炭酸</span>イオン HCO₃⁻<br>血漿へ出て運ばれる"]
  CA -->|"自発的な解離"| HP["H⁺<br>Hbの<span class='jp-term jp-term-diagram' title='histidine'>ヒスチジン</span>などを<span class='jp-term jp-term-diagram' title='protonation'>プロトン化</span>"]
  CO2 -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='non-enzymatic'>非酵素的</span><br>H⁺を1個放出"| CARB["カルバミノヘモグロビン<br>−NH−COO⁻"]
  HBN["Hb各鎖（α・β）のN末端<span class='jp-term jp-term-diagram' title='amino group'>アミノ基</span> −NH₂"] -->|"<span class='jp-term jp-term-diagram' title='non-enzymatic'>非酵素的</span><br>H⁺を1個放出"| CARB

💡 肺では同じ反応が逆向きに進む。 肺でO₂が結合してR状態になるとHbからH⁺とカルバミノ基のCO₂が外れやすくなり（Haldane効果）、H⁺は重炭酸 bicarbonate 重炭酸（bicarbonate） bicarbonate（重炭酸） イオンと結合して炭酸となり、炭酸脱水酵素carbonic anhydrase 炭酸脱水酵素（carbonic anhydrase）carbonic anhydrase（炭酸脱水酵素） で CO₂ ＋ H₂O に戻って呼出される。O₂の積み下ろしとCO₂・H⁺の運搬が1分子の構造変化 conformational change 構造変化（conformational change） conformational change（構造変化） で連動している。

アロステリー3：ヘテロトロピック効果（2,3-BPG）

2,3-ビスホスホグリセリン酸2,3-bisphosphoglycerate (2,3-BPG)2,3-ビスホスホグリセリン酸（2,3-bisphosphoglycerate (2,3-BPG)）2,3-bisphosphoglycerate (2,3-BPG)（2,3-ビスホスホグリセリン酸）は、4サブユニットの中央空洞 central cavity中央空洞（central cavity） central cavity（中央空洞）（T型）に結合し、βN末端と3つの塩基性側鎖（His143を含む）と塩橋 salt bridge 塩橋（salt bridge） salt bridge（塩橋） を作りT状態を安定化する。R型では空洞が狭すぎてBPGは押し出される。

⭐ 胎児ヘモグロビンfetal hemoglobin (HbF) 胎児ヘモグロビン（fetal hemoglobin (HbF)）fetal hemoglobin (HbF)（胎児ヘモグロビン） はBPGへの親和性が低い。 γサブユニットではβ-His143がSerに置換され、HbFはBPGを弱く結合する→O₂親和性が高い→組織pO₂でHbAからO₂を受け取れる。高地では血中BPGが増え、O₂放出が促される。

アロステリー総括

臨床との関連

• 鎌状赤血球症: β鎖beta chain β鎖（beta chain）beta chain（β鎖） 6位 Glu→Val（一次構造primary structure 一次構造（primary structure）primary structure（一次構造） の1置換）。脱酸素時にHbSが重合。
• メトヘモグロビン血症Methemoglobinemiaメトヘモグロビン血症（Methemoglobinemia）Methemoglobinemia（メトヘモグロビン血症）: Fe²⁺→Fe³⁺で酸素運搬能 oxygen-carrying capacity 酸素運搬能（oxygen-carrying capacity） oxygen-carrying capacity（酸素運搬能） 低下。

まとめ

• Mbは単量体 monomer単量体（monomer） monomer（単量体）・貯蔵・双曲線hyperbolic 双曲線（hyperbolic）hyperbolic（双曲線） （p50≈3）、Hbは四量体 tetramer四量体（tetramer） tetramer（四量体）・運搬・S字（p50≈26）。
• O₂はヘムのFe²⁺（面内in-plane 面内（in-plane）in-plane（面内） 4＋近位His＋O₂の6配位 coordinate配位（coordinate） coordinate（配位））に結合。遠位HisはO₂と水素結合してO₂を選択的に安定化し、CO毒性を緩和。
• Hbは協同性 Cooperativity, Hill 協同性（Cooperativity, Hill） Cooperativity, Hill（協同性） でT⇔R転換（O₂結合でFeが面内 in-plane 面内（in-plane） in-plane（面内） へ→約15°回転）。協奏モデルconcerted model (MWC) 協奏モデル（concerted model (MWC)）concerted model (MWC)（協奏モデル） （Monod–Wyman–Changeux）と逐次モデル sequential model (KNF) 逐次モデル（sequential model (KNF)） sequential model (KNF)（逐次モデル） （Koshland–Némethy–Filmer）。
• Bohr効果：CO₂（各鎖N末端のカルバメート carbamateカルバメート（carbamate） carbamate（カルバメート））・H⁺（例：βHis146–Asp94塩橋 salt bridge塩橋（salt bridge） salt bridge（塩橋））がT安定化し右方偏位 rightward shift (deviation to the right)右方偏位（rightward shift (deviation to the right)） rightward shift (deviation to the right)（右方偏位）。H⁺の多くは赤血球の炭酸脱水酵素 carbonic anhydrase 炭酸脱水酵素（carbonic anhydrase） carbonic anhydrase（炭酸脱水酵素） がCO₂から作る。
• 2,3-BPGは中央空洞 central cavity 中央空洞（central cavity） central cavity（中央空洞） （βN末端・His2・Lys82・His143）でT安定化。HbFはHis143→SerでBPG親和性が低く、O₂親和性が高い。