酸素の輸送と貯蔵

生体システムは、ヘモグロビンやミオグロビンなどの鉄および銅を基盤とする金属タンパク質を利用して、酸素を可逆的に結合させ、体内を輸送し、組織に貯蔵しています。

Definition

酸素の輸送と貯蔵とは、金属タンパク質が金属中心で分子状酸素を可逆的に結合させ、血液中で運搬し、呼吸のために組織に保持する生体無機化学的プロセスです。

Scope

このトピックでは、酸素運搬体の生体無機化学について扱います。具体的には、ヘモグロビンとミオグロビンのヘム鉄中心、ヘモグロビンの協同的酸素結合とそのアロステリック制御、酸素化に伴う構造変化、および代替酸素運搬体であるヘモシアニンとヘムエリトリンです。可逆的な酸素結合と貯蔵について扱い、酸素活性化触媒作用については金属酵素のトピックに譲ります。

Core questions

• ヘム鉄中心は、酸化されることなくどのように酸素を可逆的に結合させるのでしょうか？
• ヘモグロビンの酸素結合はなぜ協同的なのでしょうか？
• 酸素化にはどのような構造変化が伴うのでしょうか？
• ヘモシアニンとヘムエリトリンは、銅または非ヘム鉄を用いてどのように酸素を運搬するのでしょうか？

Key concepts

• ヘムと近位ヒスチジン
• 可逆的二酸素結合
• 協同性とS字曲線
• アロステリック制御
• ヘモシアニン（二銅）
• ヘムエリトリン（二鉄）

Key theories

ヘム鉄における可逆的二酸素結合

タンパク質ポケット内に近位ヒスチジンとともに保持されたヘムの鉄(II)中心は、二酸素を末端結合させ、タンパク質が不可逆的な酸化を防ぐことで、取り込みと放出のサイクルを繰り返すことができます。

ヘモグロビンにおける協同性とアロステリー

1つのサブユニットへの酸素結合は、三次および四次構造変化を引き起こし、他のサブユニットの親和性を高めます。これにより、ペルーツがタンパク質の立体化学から説明したS字型の結合曲線が得られます。

代替酸素運搬体

ヘモシアニンは二銅部位を、ヘムエリトリンは非ヘム二鉄部位を利用して二酸素を結合させます。これは、可逆的な酸素輸送のために自然界がいくつかの異なる金属中心を進化させてきたことを示しています。

Mechanisms

ヘモグロビンにおいて、酸素が1つのサブユニットの鉄に結合すると、鉄がヘム平面に引き込まれ、結合しているヒスチジンが移動します。これにより四次構造変化が伝播し、タンパク質が低親和性状態から高親和性状態へと変化し、結合が協同的になります。

Clinical relevance

酸素運搬体の化学は、呼吸生理学、酸素供給障害、ヘム部位と競合する一酸化炭素の毒性、およびヘモグロビンに影響を与える病態の分子基盤を理解する上で重要です。これは参考資料であり、臨床的ガイダンスではありません。

History

酸素輸送の分子基盤は、最初のタンパク質結晶構造が解明されたことで明らかになりました。ケンドリューがミオグロビンを、ペルーツがヘモグロビンを解明し、この業績は1962年のノーベル賞で認められました。その後、ペルーツは酸素化型と脱酸素化型の構造的差異から協同性を説明しました。

Key figures

• Max Perutz
• John Kendrew
• Linus Pauling

Seminal works

• perutz1970
• lippard1994
• bertini2007

Frequently asked questions

ヘモグロビン中の鉄は、酸素と結合してもなぜ単純に錆びないのですか？

タンパク質ポケットは各ヘムを隔離し、近位ヒスチジンと遠位残基を配置することで、酸素が可逆的に結合し、2つの鉄中心が出会って不可逆的に酸化された架橋種を形成するのを防ぎ、鉄が繰り返しサイクルに利用できるようにしています。

協同的結合は生理学的にどのような役割を果たしますか？

協同性により、ヘモグロビンは急峻なS字型の酸素結合曲線を示します。これにより、肺のように酸素分圧が高い場所では効率的に酸素を結合し、組織のように分圧が低い場所では効率的に酸素を放出することができます。