ボーア効果

ボーア効果は、1904年にデンマークの生理学者クリスチャン・ボーアによって初めて説明された現象です。ヘモグロビンの酸素結合親和性（酸素–ヘモグロビン解離曲線を参照）は、酸性度と二酸化炭素濃度の両方に反比例します。^[1]つまり、ボーア効果は、二酸化炭素濃度または環境のpHの変化によって引き起こされる酸素解離曲線のシフトを指します。二酸化炭素は水と反応して炭酸を形成するため、CO ₂が増加すると血液のpHが低下し、^[2]ヘモグロビンタンパク質が酸素を放出します。逆に、二酸化炭素が減少するとpHが上昇し、ヘモグロビンがより多くの酸素を取り込むようになります。

1900年代初頭、クリスチャン・ボーアはデンマークのコペンハーゲン大学の教授で、呼吸生理学の分野ですでによく知られた存在でした。^[3]彼は過去20年間、酸素、二酸化炭素、その他のガスのさまざまな液体への溶解度を研究し、^[4]ヘモグロビンとその酸素との親和性について広範な研究を行っていました。^[3] 1903年、彼は大学の同僚であるカール・ハッセルバルヒとアウグスト・クローと密接に協力し、ヘモグロビン溶液の代わりに全血を使用して、グスタフ・フォン・ヒュフナーの研究を実験的に再現しようとしました。^{[1]ヒュフナーは、酸素とヘモグロビンの結合曲線は}双曲線状であると示唆していましたが、^[5]広範な実験の後、コペンハーゲンのグループは、実際には曲線がS字状であることを突き止めました。さらに、多数の解離曲線をプロットする過程で、二酸化炭素の分圧が高いと曲線が右にシフトすることがすぐに明らかになりました。^[4] _CO2濃度を変えながらさらに実験を続けると、すぐに決定的な証拠が得られ、すぐにボーア効果として知られるようになるものの存在が確認されました。^[1]

_{ボーアが実際にCO2}と酸素親和力の関係を発見した最初の人物だったのか、それともロシアの生理学者ブロニスラフ・ヴェリゴ [ru]がボーアより6年前の1898年にその効果を発見したと言われているのかについては、さらに議論がある。^[6]これは証明されていないが、ヴェリゴは実際に1892年にヘモグロビンとCO2の関係_についての論文を発表している。^[7]彼が提案したモデルには欠陥があり、ボーアは自身の出版物でそれを厳しく批判した。^[1]

ボーアの発見に対するもう一つの反論は、彼の研究室からのものだった。ボーアはすぐに自分の功績を自分のものにしたが、実験でガス濃度を測定する装置を発明した同僚のクロッグは^[8] 、実際にこの効果を最初に実証したのは自分だということを生涯にわたって主張した。これを裏付ける証拠はいくつかあるが、よく知られた現象の名前を遡及的に変更するのは極めて非現実的であるため、この現象はボーア効果として知られている^{[4] 。}

ボーア効果により、血液を通じた酸素輸送の効率が向上します。酸素濃度が高いため肺でヘモグロビンが酸素と結合すると、ボーア効果により組織、特に酸素を最も必要とする組織への酸素の放出が促進されます。組織の代謝率が上がると、二酸化炭素の老廃物の生成も増えます。二酸化炭素は血流に放出されると、次の反応により 重炭酸塩と陽子を形成します。

${\displaystyle {\ce {CO2 + H2O <=> H2CO3 <=> H+ + HCO3^-}}}$

この反応は通常非常にゆっくりと進行しますが、炭酸脱水酵素（赤血球に存在）は重炭酸塩と陽子への変換を劇的に加速します。^[2]これにより血液のpHが低下し、ヘモグロビンからの酸素の解離が促進され、周囲の組織が需要を満たすのに十分な酸素を得ることができます。肺などの酸素濃度が高い領域では、酸素が結合してヘモグロビンが陽子を放出し、それが重炭酸塩と再結合して呼気中に二酸化炭素を除去します。これらの相反する陽子化と脱陽子化の反応は平衡状態で発生するため、血液のpHは全体的にほとんど変化しません。

ボーア効果により、体は変化する状況に適応し、最も酸素を必要とする組織に余分な酸素を供給することができます。たとえば、筋肉が激しい運動をしているとき、細胞呼吸を行うために大量の酸素が必要となり、副産物として CO ₂ (したがって HCO ₃ ⁻と H ⁺ ) が生成されます。これらの老廃物は血液の pH を下げ、活動中の筋肉への酸素供給を増加させます。二酸化炭素は、ボーア効果を引き起こす唯一の分子ではありません。筋肉細胞が細胞呼吸に十分な酸素を受け取っていない場合、乳酸発酵に頼り、副産物として乳酸を放出します。これにより、血液の酸性度が CO _{2のみの場合よりもはるかに高くなり、細胞の酸素の必要性がさらに高まっていることを反映しています。実際、無酸素状態では、筋肉は乳酸を非常に速く生成するため、}筋肉を通過する血液の pH は約 7.2 に低下し、ヘモグロビンが約 10% 多くの酸素を放出し始めます。^[2]

ボーア効果の大きさは、通常、対 曲線の傾きで表されます。 ここで、P _{50 は、}ヘモグロビンの結合部位の 50% が占有されているときの酸素分圧を指します。傾きは次のように表されます。ここで、は変化を表します。つまり、は の変化を表し、の変化を表します。ボーア効果の強さは生物の大きさと反比例関係を示します。大きさと重量が減少するほど、大きさが増加します。たとえば、マウスは-0.96 という非常に強いボーア効果を持ち、H ⁺または CO ₂濃度の比較的小さな変化を必要としますが、ゾウの場合は、はるかに弱い効果を得るためにはるかに大きな濃度の変化が必要です。^[9]${\textstyle \log(P_{50})}$${\textstyle {\text{pH}}}$${\textstyle {\scriptstyle \Delta \log(P_{50}) \over \Delta {\text{pH}}}}$${\textstyle \Delta }$${\textstyle \Delta \log(P_{50})}$${\textstyle \log(P_{50})}$${\textstyle \Delta {\text{pH}}}$${\textstyle {\text{pH}}}$${\textstyle {\scriptstyle \Delta \log(P_{50}) \over \Delta {\text{pH}}}}$${\textstyle \left({\scriptstyle \Delta \log(P_{50}) \over \Delta {\text{pH}}}=-0.38\right)}$

ボーア効果は、ヘモグロビン四量体のヘム間のアロステリック相互作用を中心に展開しており、このメカニズムは1970年にマックス・ペルーツによって初めて提唱された。^[10]ヘモグロビンは、高親和性のR状態と低親和性のT状態の2つの構造で存在する。肺のように酸素濃度が高い場合、R状態が優先され、ヘムに結合できる酸素の量を最大限にすることができる。酸素濃度が低い毛細血管では、組織への酸素の供給を促進するためにT状態が優先される。ボーア効果はこのアロステリーに依存しており、CO ₂とH ⁺の増加はT状態を安定させ、細胞呼吸が活発な期間中に筋肉への酸素供給量を増やすのに役立つ。これは、アロステリーのないモノマーであるミオグロビンがボーア効果を示さないことからも明らかである。 ^[2]アロステリーが弱いヘモグロビン変異体は、ボーア効果が低下する可能性がある。例えば、広島変異型ヘモグロビン症では、ヘモグロビンのアロステリーが減少し、ボーア効果が減少します。その結果、運動中、変異ヘモグロビンは酸素に対する親和性が高くなり、組織は軽度の酸素欠乏に陥る可能性があります。^[11]

ヘモグロビンが T 状態にあるとき、α サブユニットのN 末端アミノ基とβ サブユニットのC 末端 ヒスチジンがプロトン化されて正電荷を帯び、これらの残基が近くの残基のカルボキシル基とイオン相互作用に参加できるようになります。これらの相互作用により、ヘモグロビンは T 状態に保たれます。pH が低下すると (酸性度が上昇すると)、この状態はさらに安定化します。pH が低下すると、これらの残基がさらにプロトン化されやすくなり、イオン相互作用が強化されるからです。R 状態では、イオン対が存在しないため、pH が上昇すると、R 状態の安定性が高まります。これは、これらの残基がより塩基性の環境ではプロトン化されたままでいる可能性が低くなるためです。ボーア効果は、親和性の高い R 状態を同時に不安定化し、親和性の低い T 状態を安定化することで機能し、酸素親和性が全体的に低下します。^[2]これは、酸素-ヘモグロビン解離曲線上で曲線全体を右にシフトさせることによって 視覚化できます。

二酸化炭素は、次の反応に従って、 N末端アミノ基と直接反応してカルバメートを形成することもできます。

${\displaystyle {\ce {R-NH2 + CO2 <=> R-NH-COO^- + H+}}}$

CO _{2 は}T状態でより頻繁にカルバメートを形成し、この立体配座を安定化するのに役立ちます。このプロセスではプロトンも生成されるため、カルバメートの形成はイオン相互作用の強化にも寄与し、T状態をさらに安定化させます。^[2]

動物の体の大きさとヘモグロビンのpH変化に対する感受性との関連は十分に裏付けられているが、1961年に例外が発見された。^[12]体の大きさと体重に基づいて、多くの海洋哺乳類はボーア効果が非常に低く、ほとんど無視できると仮定されていた。^[9]しかし、血液を調べたところ、そうではなかった。体重41,000キログラムのザトウクジラの観測値は0.82で、これは体重0.57キログラムのモルモットのボーア効果の大きさとほぼ同等であった。^[9]この極めて強いボーア効果は、深く長い潜水のための海洋哺乳類の多くの適応の1つであると仮定されており、この効果により、ヘモグロビンに結合した酸素のほぼすべてが解離し、水中にいる間にクジラの体に供給できるようになる。^[12]他の海洋哺乳類種の調査でもこれが裏付けられている。ゴンドウクジラやイルカは主に表層で餌をとり、数分以上潜ることはめったにありませんが、その値は0.52で、牛と同等でした[ 9 ^]。これは、そのサイズの動物に予想されるボーア効果の大きさに非常に近い値です^{[12] 。}${\textstyle {\scriptstyle \Delta \log(P_{50}) \over \Delta {\text{pH}}}}$${\textstyle {\scriptstyle \Delta \log(P_{50}) \over \Delta {\text{pH}}}}$

ボーア効果のもう一つの特殊なケースは、一酸化炭素が存在するときに起こる。この分子は酸素の競合的阻害剤として働き、ヘモグロビンと結合してカルボキシヘモグロビンを形成する。^{[13]ヘモグロビンの CO に対する親和性は O} ₂に対する親和性よりも約 210 倍強いため^[14]、解離する可能性は非常に低く、一度結合すると、そのサブユニットへの O ₂の結合をブロックする。同時に、CO は O ₂と構造的に十分類似しているため、カルボキシヘモグロビンは R 状態になりやすく、残りの空いているサブユニットの酸素親和性が上昇する。この組み合わせにより、体の組織への酸素の供給が大幅に減少し、これが一酸化炭素が非常に有毒になる原因である。この毒性は、カルボキシヘモグロビンの存在下でのボーア効果の強度の増加によってわずかに軽減される。この増加は、最終的には、一酸化炭素ヘモグロビンと酸素化ヘモグロビンのヘム基間の相互作用の違いによるものです。酸素濃度が極めて低いときに最も顕著になり、酸素供給の必要性が極めて高くなったときの最後の手段として機能します。しかし、この現象の生理学的意味は不明です。^[13]

• アロステリック制御
• ハルデーン効果
• ルート効果
• 塩化物シフト

• トレーニングの影響