ヘモグロビンの協同性は、教科書が言うほど強くないかもしれない

血液中で酸素を運ぶタンパク質であるヘモグロビンは、協同性の教科書的な例でもある。酸素分子を1つ結合すると、次の分子をより結合しやすくなり、最大で4つまで結合する。だからこそ、肺では酸素を満載し、組織では降ろすことができる。これを説明する古典的なモデルは2つある。1935年にL. ポーリング（L. Pauling）が提案した、4つの結合部位が互いに助け合うモデルと、1965年のモノー・ワイマン・シャンジュー（MWC）モデルだ。後者では、分子全体が、酸素をつかむ強さの異なる2つの形のあいだで切り替わる。

どちらのモデルもふつうは同じ設定で計算される。1つのヘモグロビン分子が、圧力で表される自由な酸素分子の貯蔵庫（リザーバー）に浸っているという設定だ。物理学者はこれを「大正準集団」と呼ぶ。飽和曲線、つまり各圧力でヘモグロビンがどれだけの酸素を抱えているかを示す曲線はそこから導かれ、協同性はその曲線から読み取られる。

存在しない貯蔵庫

アルメニアのアリハニャン国立研究所とエレバン国立大学のA. E. Allahverdyanらは、赤血球の中にはそのような貯蔵庫は存在しないと指摘する。細胞内に溶けている自由な酸素の濃度は、ヘモグロビンに結合した酸素の少なくとも100分の1しかない。そもそもヘモグロビンが存在する理由がそこにある。自由な酸素分子1つに対して、ヘモグロビン分子は約30個ある。動脈血の中でさえ、ほとんどのヘモグロビン分子の近くには自由な酸素がまったくない。それぞれに見えているのは、自分が抱えている4つの分子だけだ。

そこでチームは状況を別の形で記述する。一定の体積の中に、1つのヘモグロビンと少数の酸素分子（多くて5つ）があるという「正準集団」だ。その体積は、細胞内でヘモグロビンがどれだけ密に詰まっているかで決まる。分子自身の体積の約4倍、一辺6.93ナノメートルの立方体だ。この描像では、酸素は自由エネルギーの差に応じて出入りする。自由エネルギーとは、どの配置が統計的に有利かを示す量だ。

小さな箱の中に4つの酸素分子とともにある1つのヘモグロビン、多数の自由な酸素分子に囲まれた1つのヘモグロビン、酸素をやりとりする隣り合った2つのヘモグロビンを比べた図。

(a) 新しい描像：1つのヘモグロビン（円）が、自身の約4倍の体積の中で4つの酸素分子とともにある。(b) ふつうの描像：多数の自由な酸素分子からなる貯蔵庫の中のヘモグロビン。(c) 隣り合った2つのヘモグロビンは酸素をやりとりできる。— 図1、Allahverdyan et al. (2026), arXiv:2611.00824.

弱まる協同性

チームは2つの古典的なモデルを、酸素分圧が下がるにつれてヘモグロビンが酸素を放出する様子についての標準的なデータに当てはめた。1つ目の分子は80〜40 torrのあいだで離れ、最後の分子は20〜7.5 torrのあいだで離れる。

ポーリングのモデルでは、協同性の係数（1なら協同性なし）は、同じデータに当てはめて、新しい枠組みで1.88、ふつうの枠組みで6.32となる。古いデータを使ったポーリング自身の当てはめでは12だった。
MWCモデルでは、2つの形の酸素親和性の比（分子が単純で独立な結合からどれだけ外れているかを示す尺度）は、ふつうの枠組みの95.4に対して、約4.7となる。

それでも、ある程度の協同性は必要だ。協同性がなければ、ヘモグロビンは肺で酸素を満載することはできても、安静時の組織にしか酸素を届けられない。

結合した酸素分子の数に対する4つの自由エネルギー準位を示すグラフ。水平の帯があり、黒い三角はすべての帯の中に入っている。

結合した酸素分子が1〜4個のときの、ポーリングのモデルの自由エネルギー準位。水平線は生理的な許容範囲を示し、そのすべてに収まるのは最良の当てはめ（黒い三角、協同性1.88）だけだ。ほかの色は、より強い協同性（マゼンタ、茶色）と協同性なし（青）を示す。— 図2、Allahverdyan et al. (2026), arXiv:2611.00824.

協同が連鎖反応に変わるとき

新しい枠組みでは、協同性が強すぎると危険になる。係数が4.83では、計算上連鎖反応（カスケード）が起こる。最初の酸素分子が離れたとたん、残りの3つも自動的に放出されてしまうのだ。酸素中毒につながるため、著者らはこのシナリオを受け入れられないとしている。7.83になると、ヘモグロビンは肺で酸素をまったく積み込めなくなる。ふつうの枠組みで得られた値を新しい枠組みに持ち込んでも、同じように不安定になる。対照的に、ふつうの枠組みにはこうした制限がない。

新しい描像は、分子の性格も変える。ふつうの記述では、結合した酸素分子の数は、その平均値と同じくらい大きくゆらぐ。正準集団の記述では、ほとんどゆらがない。ヘモグロビンはまるで機械のようにふるまい、酸素を1段階ずつ受け取っては放し、満杯の分子はそれ以上酸素を引き寄せない。

飛び移る酸素

著者らはもう1つの帰結を引き出している。隣り合ったヘモグロビンは自由エネルギーに応じて酸素をやりとりできるので、赤血球の中の酸素は、一部はヘモグロビンからヘモグロビンへと飛び移ることで移動しているのかもしれない。この考えを検証するには、動的なモデルが必要になる。研究は理論的なもので、生理的なしきい値は、著者ら自身の言葉で言えば「いくぶん慣習的」なものだ。それでもこの研究は、血液中の酸素について生物学の教科書が描いてきた描像の礎石に、疑問を投げかけている。