コア コンセプト
この記事では、動物の最も重要なタンパク質の 1 つであるヘモグロビンについて、その構造や酸素結合力学などについて学びます。
ヘモグロビンと輸送タンパク質
生物学では、タンパク質は物質を必要な場所に移動させる最も一般的な方法を提供します。細胞内では、キネシンのようなモータータンパク質が、細胞骨格フィラメントに沿って細胞の周りに脂質小胞を輸送します。細胞外では、ABC トランスポーターがビタミンやミネラルなどの重要な栄養素を運び、リポタンパク質がコレステロールを肝臓に運んで代謝されます。さらに、ヘモグロビンとミオグロビンには、体のすべての組織に酸素を循環させるという重要な役割があります。
ヘモグロビンは、さまざまな生物科学分野の注目を集めています。遺伝学者は、深刻な遺伝的状態、すなわち鎌状赤血球貧血との関連性から、このタンパク質に関心を持っています。進化生物学者は、それを使用するすべての生物間で構造が大きく異なるため、このタンパク質に興味を持っています。ヘモグロビンの生物学的機能における平衡と互変異性概念の重要性から、生化学者もヘモグロビンに関心を持っています。
この記事では、主にヘモグロビンの生化学に焦点を当てます。まず、タンパク質の構造を調べてみましょう。
ヘモグロビンの構造
前述のように、ヘモグロビンはタンパク質であり、主にアミノ酸で構成されています。ヒトヘモグロビンの全構造には、合計 574 個のアミノ酸が含まれています。しかし、これらの 574 は 4 つのペプチド サブユニット (141 アミノ酸の 2 つの Ɑ サブユニットと 146 アミノ酸の 2 つの β サブユニット) の間に割り当てられます。したがって、ヘモグロビンは、その 4 つのペプチドの四次構造により、四量体タンパク質としてカウントされます。興味深いことに、このタンパク質には、各サブユニット間の中央にかなりの空洞があります.
そのペプチド成分に加えて、各サブユニットはヘム基に共有結合します。この特別なグループには、中心に鉄 (Fe) 原子を持つ有機ポルフィリン環が含まれています。重要なことに、この鉄は、輸送のために二原子酸素に結合する役割を果たします。ポルフィリン環内の 4 つの窒素原子は鉄に協調的に結合し、鉄はヘモグロビンタンパク質のヒスチジンにも結合します。脱酸素化された形態では、ポルフィリン環はヒスチジンからわずかに (4.0 Å) 離れています (ヘモグロビン協同結合の画像を参照してください)。
生化学者は、ヘムが本質的にヘモグロビンタンパク質に結合しているため、酵素補因子クラスのようにヘムを「補欠分子族」と呼ぶことがよくあります。さらに、鉄の存在と機能により、ヘモグロビンはしばしば「金属タンパク質」と呼ばれます.
ヘモグロビン共同酸素結合
前述のように、ヘモグロビンはヘム基を使用して酸素を運びます。酸素が鉄に結合すると、別のヒスチジンが酸素を上から安定化させるため、ヘム基のひだが平面に平らになります。
重要なことに、酸素の結合は、ヘモグロビン構造の構造変化のカスケードも刺激します。これらの変化により、最終的に一方の Ɑ-ß ペアが他方に対して 15° 回転します。その結果、タンパク質の中央の空洞が閉じます。
ヘモグロビンのこの酸素化コンフォメーション (または R 状態) は、より拘束されたコンフォメーション (または T 状態) よりもヘム グループをよりよく露出します。したがって、最初の酸素がヘム基に結合した後、他のすべてのヘム基は、それ自体の酸素分子に結合するためのはるかに強い親和性を持ちます。生化学者は、「協同的結合」という用語を使用して、1 つの結合が後続の結合の可能性を高めるこの現象を説明します。
さらに、タンパク質が酸素で完全に飽和し、完全な R 状態に達すると、最初の酸素が解離した後、構造変化が逆転します。その後、他のすべてのヘム基は酸素に対する親和性をわずかに失い、2 回目の解離が起こりやすくなり、その後 3 回目の解離が起こりやすくなります。
最終的に、ヘモグロビンの協同結合能力により、酸素が豊富な条件では酸素が容易に結合し、酸素が少ない条件では解離が容易になります。ヘモグロビンは酸素が豊富な肺で急速に飽和しますが、酸素が乏しい組織に到達すると自動的に酸素を放出するため、これは酸素輸送において非常に有益であることが証明されています.
ヘモグロビン変異:鎌状赤血球貧血
すべてのタンパク質と同様に、DNA 配列は最終的にヘモグロビンのアミノ酸配列を決定し、最終的な三次元構造を決定します。ただし、DNA は時折、わずかに異なる配列に変異する傾向があります。ヒトヘモグロビンをコードする遺伝子におけるそのような変異の 1 つは、両方の β サブユニットでバリン (Val) をグルタミン酸 (Glu) に置換する結果となります。特に、Glu は極性構造を持ち、タンパク質の外側の溶媒と相互作用するのに適していますが、Val は非極性です。
この変異により、タンパク質の表面に新しい疎水性ポケットが作成され、他のヘモグロビンの疎水性基にくっつきます。最終的に、変異したヘモグロビンの凝集は、脱酸素化されたときにそれらを運ぶ赤血球を鎌状に変形させます.これらの変形した細胞は、野生型の血液細胞よりも詰まりやすく、運ぶ酸素が少ない傾向があります。その結果、この遺伝的状態を持つ患者は、痛みや血液関連の病気になる可能性が高くなる傾向があります.興味深いことに、鎌状赤血球貧血は、野生型の血液よりもマラリアに対する耐性が高い傾向があり、ヒト遺伝子プールに持続する理由の可能性を示唆しています.
