水中の動物たちの呼吸 12

ヘモグロビンとヘモシアニンその3
美味しい無脊椎動物たち

今回は、エビ・カニ・イカ・タコなどの無脊椎動物が美味しいのは、細胞が海と戦っているから、という話をしましょう。
その前に、前回、軟体動物は「すべてHc（ヘモシアニン）を利用して、赤血球を持たない」と書きましたが、「ほとんどすべて」のまちがいでした。

海生二枚貝の赤貝は古生代オルドビス紀に発生した原始的なフネガイ目に属していて、ヘモリンパ液の中に直径約16μmの赤血球を持っています。その中にヘモグロビンに似た赤いエリスロクルオリンを持っていて開放血管系で酸素を運んでいるとのことです。

イカでもヒトでも体を構成している細胞は塩類やタンパク質を一定の濃度に保って生きています。（正確には濃度でなく、浸透圧ですが）
「水中の動物たちの呼吸2（2021/06/04）」では、海に住む魚は体から水分が海水中へ逃げていくのを防ぐため沢山海水を飲んで水を吸収し、余分な塩類は腎臓とエラにある塩類細胞を用いて捨てて、体内の濃度を一定に調節していると話しました。これを浸透調節型の動物と言い、魚から私たち哺乳類まで脊椎動物はこの調節をしています。

一方、イカ・タコ（軟体動物）や、二枚貝、エビ・カニ（甲殻類）などの無脊椎動物はこの調節機構がないので体液は海水に近い成分・濃度になっていて、それを浸透順応型動物と言います。
浸透順応型のうち、貝類やエビ・カニなどの循環系は解放循環系なので、間質液とヘモリンパ液は同一であり、成分や濃度（浸透圧）も海水とほとんど同じになります。
しかし細胞内液は海水よりも物質の濃度は薄いので、そのままであれば細胞から間質に向かって水分が出て行き、細胞は脱水・濃縮されて代謝に障害が起きます。この脱水を防ぐために塩分濃度を上げると、その過剰な塩分が代謝を阻害します。

そこで、細胞内の代謝に影響を与えない水溶性のアミノ酸やその類似物質（グリシンやグルタミン、タウリン、オクトピンなど）の濃度を上げて細胞の脱水を防いでいます。
例えば、フジツボの筋肉細胞では脱水を防ぐ力（浸透圧）の70％がアミノ酸で。その内グリシンが半分以上を占めています。

イカ・タコでは？
イカ・タコも同じように浸透順応型なので、間質液の成分や濃度はほぼ海水と同じです。
しかし、他の軟体動物と違って閉鎖循環系なので、ヘモリンパ液は海水と異なる成分を持つことができます。特に、海水にはほとんど含まれていないタンパク質が高濃度に（タコでは8～13g/100mlも！）含まれています。
ヒトでは血液中に7～8g/100ml溶けているタンパク質（主にアルブミンとグロブリン）の役割は、栄養素や免疫として働くほかに、浮腫（むくみ）をおこした組織や、間質の余分な水分を血管内に回収する働きがあります。栄養不良で血液中のタンパク質が減ると全身がむくむのはそのためです。
イカ・タコがヒトと大きく違うのは、そのタンパク質の約40～80％ほどがヘモシアニン（Hc）なのです。前回の話のようにHcはとても大きな分子です（分子量385万、ヒトアルブミンは6.9万）。その大きさのために、10g/100ml前後と高い濃度でも間質液からヘモリンパ管内に水を回収する力（浸透圧）は極めて弱くなっています。過剰な水分を吸収しないで循環液量を保てるので、閉鎖循環が可能になっているのでしょう。
細胞内液については、エビやカニ、貝類と同じように間質液へ水分が抜けていかないように、アミノ酸類を大量に持っているのは同じです。
因みに、スルメイカの筋肉（外套膜）中のアミノ酸類はプロリン、グリシン、アラニン、アルギニン、タウリン、オクトピンが全体の94％を占めています。どれも美味しいアミノ酸です。
また、一部のエビの仲間（オキアミ）では、栄養をとれない時にはHcをタンパク源として消費するという、栄養素としての役割も報告されています（Spicer 2010）

エビや貝をもっと美味しくする方法！
間質液の濃度（浸透圧）が高くなると細胞内のアミノ酸が増えるということを確認した実験がありました。生きているエビやハマグリを3日から6日間かけて徐々に海水の1.5倍の塩水に順応させると、なんとエビでもハマグリでも、旨みと甘みの成分であるグリシンとアラニンが増えていました（阿部2008）。
.図のようにエビではアラニンとグリシンが増えて、ハマグリではアラニンがすごく増えているのがわかります。つまり、更に美味しくなると言うことです。エビやハマグリには苦労をかけますが、頑張って美味しくなってほしいものです。
（生きたまま買ってきたエビや貝は少し濃いめの塩水につけた方が美味しくなると言うことです！）


参考文献
・船越　Bu1L　NatL　Res．Inst、Aquacult．No．29，1－103（2000
・高橋　農業と科学　4-5　H9年3月
・阿部 生化学 (2008) ８０:４, 308-15
・佐藤　化学と生物　28：82-90（1990）
・ガイトン生理学書　第11版
・K.シュミット・ニールセン　動物生理学―環境への適応 2007
・https://ocw.kyoto-u.ac.jp/wp-content/uploads/2012/04/2012_shigenseibutsukagakuganrion-b_05.pdf
よりダウンロード
・Spicer et al. Physiology and metabolism of Northern krill,
Advances in Marine Biology (2010) 57:91-126.
・Oellermann et al.　Blue blood on ice　Frontiers in Zoology (2015) 12:6

水中の動物たちの呼吸１１

ヘモグロビンとヘモシアニン　その2

ヘモグロビン（Hb）とヘモシアニン（Hc）はどちらも酸素を運ぶ血液中の色素ですが、今回はそれぞれの分子と循環系の違いについて見てみます。
なお、イカとタコのHcについてはほぼ同じものとして区別していません。
1． それぞれの構造と特徴
まず、その分子の大きさが図のように大きく違い、直径の比較ではHbはHcの約1/6程度です。
Hb分子は鉄原子を1つ持つ単位分子が4つ集まっていて、形は球状に近く直径が約６nmです。（nm（ナノメーター）とは１ｃｍの1千万分の１）
Hc分子は図のように円筒形をしていて、それは80個の単位分子から成り立っている。その単位分子にそれぞれ2つの銅原子が含まれている。

HbとHcの分子量（分子の重さに相当、水素原子の重さを1としたときの比率）
はHbが約6万4500に対して、Hｃは約385万と約60倍にもなります。
Hbは4つの鉄原子に酸素分子4つを結合し、Hcは160個の銅原子に酸素分子80個を結合して運ぶのです。

Hbでは6万4500の分子が4個の酸素を運ぶので酸素1分子当たりでは1.6万の分子量となり、Hcでは同様に4.8万の分子量となります。
重さが60倍も差があるにもかかわらず、HbとHcが酸素1分子を運ぶには3倍程度の分子量の差しかありません。Hbの方が確かに効率は良いですが、Hcもいい仕事をしています。

Hbの中の鉄イオン（Fe2＋）は酸素と結合して錆（さび）やすい（酸化されるとFeOになる）という性質があるので、鉄原子が酸素を引き付けてそばに置くけど、酸化はしないように周囲の分子が制御しています。

一方、Hc中の２個の銅イオン（Cu＋）は酸素がくると酸化して酸化第２銅
（Cu２O2）つまりCu2＋に変わります。酸素と結合してもしなくても、銅の安定性はほとんど変わらないので酸素を簡単に放出できます。でも酸素と結合したCu2＋は青い色をしているのでイカ・タコの動脈血の色は青く、静脈血は透明です。

２．　Hcとイカ・タコの血液循環
Hbは魚類から鳥類、哺乳類まで赤血球の中に納められていますが、Hcはすべて循環血液であるヘモリンパ液に溶解・分散しています。
さて、イカ・タコ以外では、Hcを利用する軟体動物の血管系は、解放血管系といって動脈から先の末梢毛細血管と静脈系を持たない構造です。

血管から流れ出たヘモリンパ液は各臓器の間隙（血体腔）や臓器内の細胞へ直接に酸素と栄養を運び老廃物と二酸化炭素を受け取って、臓器の間を流れてから再び心臓に戻ります。Hcはヘモリンパ液に溶けていますが、もしもHbのように血球に収納されたらどうなるでしょうか。
比較のために、脊椎動物である魚の赤血球の大きさを見てみましょう。Hcは巨大な分子ですが、図のように赤血球はヘモシアニンの約300倍も大きいので、十分に血球に収納することは可能です。

ここからは、私の推論です。
このような大きさの細胞が組織間隙を十分な早さで流れるのは無理でしょう。
組織内を滞ることなく流れて酸素を運搬するためにはHcが分子として循環液に溶けている方が有利だったと思われます。
ヘモグロビンの場合はHcと同じように血漿中に分散するとその毒性（一酸化窒素との結合）による血管収縮、心筋毒性、腎障害を引き起こすために、赤血球に収納するようになったのかもしれません。
イカ・タコの話に戻りましょう。
約5億年前にエディアカラ紀、カンブリア紀に、一枚貝に似たキンベレラやプレクトロノセラスのような祖先の軟体動物から、現在のハマグリ（二枚貝）、オウムガイやアワビ（巻き貝）イカ・タコへ分化して進化しました。貝類はすべて解放血管系であり、末梢毛細管と静脈系をもつ閉鎖循環系となったのはイカ・タコだけです。
進化の中で、貝殻のような盾を作るという防御作戦の代わりに魚類に匹敵する飛躍的な運動能力を得て生存を図るために、閉鎖循環系という酸素運搬には効率の良い循環系を獲得していった。しかし循環血液中に溶解しているHcを血球に納めるような進化圧力はなかったのかもしれません。こうして、イカ・タコは閉鎖循環系にもかかわらずHcを酸素運搬色素としているのでしょう。

参考文献
・3.8MDaの超巨大酸素運搬タンパク質Hcの結晶構造.　生化学　90：238-243（2018）
・キャンベル生物学 原書11版 2018
・「タコの身体問題」ピーター・ゴドフリー=スミス
・魚類生理学概論第5版　2000　恒星社厚生閣
・水産無脊椎動物学入門　2014　恒星社厚生閣