科學研究 - 鱷魚爲什麼能長時間飽和地下水？橫濱市立大學、大阪大學等解明鱷魚特有的異位控制機制

橫濱市立大學研究生院生命醫科學研究科的高橋捷也（博士生）、Jeremy R.H.Tame教授、西澤知宏教授、李勇燦助教等組成的研究團隊，與丹小麥奧胡斯大學、美國内布拉斯加大學以及大阪大學蛋白質研究所的慄棲源嗣教授、川本晃大助教等合作發表研究成果稱，透過冷凍電鏡單粒子解析，明確了鱷魚血紅素的立體構造以及使得鱷魚能夠長時間飽和地下水的特有的異位控制相關的碳酸氫根離子與鱷魚血紅素的結合方式。這一發現將有助於理解血紅素等普遍分子的生物演化機制。相關研究成果於8月2日發表在國際學術期刊《Nature Communications》上。

大分縣別府市鱷魚園中的鱷魚（攝影：客觀日本編輯部）

血紅素是一種在血液中負責運輸氧的蛋白質，在所有生物體中都發揮着共通的功能。血紅素中的兩個α次單元和兩個β次單元分別結合形成四聚體結構，每個次單元都含有一個被稱爲血基質的紅色鐵離子化合物，能夠與一個氧分子結合。氧與血基質結合後，血紅素四聚體就呈R（Relaxed）型「開放」結構；氧與血基質脫離後，血紅素四聚體就轉換爲T（Tense）型「閉合」結構。

在大多數脊椎動物中，這種結構變化是在有機磷酸的作用下透過異位來控制的。異位控制是指，血紅素四聚體的一個次單元與氧結合後，會將結構變化連鎖性地傳遞給四聚體的其他次單元，從而提高對氧的親和性，透過這種機制血紅素與氧的結合和解離程序協調發生。

40多年前科學家們就已發現，只有鱷魚能夠不受有機磷酸的作用，而是受到碳酸氫根離子作用的影響。這種碳酸氫根離子的作用使得鱷魚能夠長時間飽和地下水，但由於無法獲得高質量的晶體，所以用X射線晶體結構分析來解析碳酸氫根離子的作用機制一直是件困難的事情。

爲此，本次研究透過冷凍電鏡單粒子解析方法來明確鱷魚血紅素的結構。研究結果成功揭示了氧結合態、一氧化碳結合態和氧解離狀態（脫氧態）三種狀態下的鱷魚血紅素空間結構。