カルボキシヘモグロビン

語源

炭素（carbon）は、石炭を意味するラテン語carboに由来し、フランス語のcharboneを経て1786年に初めて印刷物に現れた^[15]。 酸素の語源は、ラヴォアジエの体系に基づき「酸」を意味すると一般に受け入れられている。この体系では、炭素も酸化されうる非金属元素として認識されていたが、酸化物の初期の段階区分は、ダイヤモンド、グラファイト、石炭、および最も酸化された形である炭酸（CO₂）に基づいていた^[15]。 carbonicの接尾辞-icは、ラテン語-icusおよびギリシア語-ikosに由来し、「関係する」または「性質をもつ」という意味をもつ。これがacidという語と結びついて-ic acidとなる場合、ラヴォアジエの体系では、carbonic acidという名称は炭素の最大酸化状態、すなわち非金属炭素に結合した酸素原子数が最大であることを示した。より少ない酸素原子をとりうる非金属では、その後-ous acidと命名された。ラヴォアジエの体系は、他の廃れた酸化物命名体系に取って代わられた^[16]。

クルックシャンクは、コークス（coal-cakeの短縮形^[15]）に由来する一連の実験を通じて一酸化炭素を発見した際、この新分子を「gaseous oxide of carbon」と名づけた。これは「carbonic oxide」へ変化し、ドイツ語では「kohlenoxyd」と訳された。Kohlenはドイツ語で石炭を意味し、kohlenstoffはラヴォアジエの時代に現れた炭素元素を指す語である。oxydはドイツ語で酸化物を意味するため、直訳すれば石炭の酸化物となる^[4][17]。 炭酸（CO₂）はラヴォアジエ体系で最も高度に酸化された形と考えられていたため、carbonic oxideという名称は、石炭と炭酸の中間の酸化種を意味した。酸という語の使用は最大酸化を示していた。酸化物は1804年に「酸性の性質をもたない酸素化合物」と定義された^[18]。 したがって、carbonic oxideにおける接尾辞-ic oxideは、字義的には「酸化物の性質をもつ炭素」と訳すことができる。人工空気（英語版）に関する古い文献には、carbonous oxideという語が現れることもある。これはラヴォアジエの命名法を新分子へ橋渡ししようとした試みであり、接尾辞-icがもともとCO₂中の2つの酸素原子を示すならば、接尾辞-ousは酸素原子1つをもつCOのより低い酸化度を示すという考えに基づくが、この名称はほとんど用いられなかった。

haemは古代ギリシア語で血液を意味する語に由来する^[19][20]。 haemについては、ヒポクラテス文献からhaimaとして翻訳されたのち、古代ローマ文献に初めて現れ、その後1400年代に英語で初めて現れた。「ae / æ」の使用は現代のイギリス英語でも広く残る^[21]一方、アメリカ英語ではhemaに由来するラテン語風の簡略綴りhemeが採用された^[20]。 hemeという綴りの正確な起源は不明であり、確立していたアメリカ英語のhemoglobinから科学用語としてhemeが逆成されたこと、また出血を意味するhemorrhageのような既存語の影響など、複数の要因が関係した可能性がある。hemorrhageは、ノア・ウェブスターの1828年の辞典『An American Dictionary of the English Language』に現れたhem-接頭辞または語根をもつ語群の一つであり、当時のアメリカ英語は英語の正書法において、合字を放棄する英語の綴り字改革の時代にあった。喀血を意味するhæmoptysisからhemoptysisへのような、hæm-からhem-への逸話的な出現は1787年にはすでにみられる^[22]。 hemは視覚的に不完全に見えるため、英語名詞が美観上、またフランス語や学術的綴りの影響から、借用語の末尾にサイレントeを置くことが多いことに従って修正された可能性がある。その他の利点として、音素配列上の合図、hem（英語版）との曖昧性回避、語彙上の分離などが考えられる。標準化は後に行われた。なお不明確ではあるが、hemeは1900年頃に文献に現れた可能性がある。^[要出典] このhaemとhemeの分岐の結果、COHbには複数の許容される綴りが存在する。

フェリクス・ホッペ＝ザイラーは1864年に「hämoglobin」という名称を作った^[23]。 ドイツ語ではウムラウト、たとえばäは「ae」と綴るのと同義であるため、hämoglobinはドイツ語文献でしばしばhaemoglobinと綴られ、これが英語文献に採用された。globinはラテン語のglobusに由来し、一般に塊、球状、丸い物体を意味すると受け入れられている。接尾辞-inはタンパク質種を示す。haem/hemeとglobinは、どちらも語根であるため、結合母音-o-によって結合される。-o-は、接合部に他の母音が存在していても2つの語根に対して使用できる^[24]。 ただしこの特定の例では、アメリカ英語のhemeから様式的母音-e-が脱落する一方、イギリス英語の代替形では古典ギリシア語由来の二重母音-ae-が保持され、子音-mが保たれた。いくつかの資料は、haemoglobinの語源を、ホッペ＝ザイラーの1864年論文でhämatoglobulinと記されたhematoglobulinの短縮形にすぎないと示唆している^[25][26]。 hæmato-globulinという語はイェンス・ベルセリウスが作ったものであり、1845年にはヘンリー・レザビー（英語版）などの科学者の論文に現れていた^[27][28]。 これはホッペ＝ザイラーによる分子の特徴づけよりかなり前であり、初期の血栓研究において科学者がこの分子について経験的な理解しかもっていなかった時代には、血栓を意味するcruorが同義語とみなされていた^[29]。

ホッペ＝ザイラーはまた、酸素の付加を意味する接頭辞oxy-を用いたoxyhaemoglobinという名称、およびkohlenoxydhämoglobinという名称も作った^[30]。 後者は同様に英語へ「carbonic oxide hæmoglobin」と直訳された可能性がある^[31]。 carboxyhæmoglobinという語は1890年代に現れた。接頭辞carb-は、既存語oxyhemoglobinに加えられ、炭素と酸素の両方を含む種の存在を示した。最初の出現は1891年の『Journal of the Chemical Society』であった可能性がある。^[要出典] 早期にcarboxyhemoglobinを用いた出版例としては、COの名称がなお広くcarbonic oxideとみなされていた1895年のジョン・ホールデンの研究がある^[32]。

「carbon monoxide」という用語は1879年に正式に導入されたが、この名称が主流になるまでには数十年を要した^[4]。 1930年代におけるライナス・ポーリングのcarbonmonoxyhemoglobinという用法など、COHb用語にはさまざまな変異が続き、最終的に炭素と酸素を含む配位子を表すために「carboxyhemoglobin」へと簡略化されていった^[33][11]。 ドイツ語では、ポーリングのcarbonmonoxyhemoglobinと同一のkohlenmonoxidhämoglobinが、carboxyhämoglobinと並んで現在も一般的に用いられている^[34][35]。

現代化学の言語では、carboxyは、carbonylとhydroxyの縮約として2つの官能基を含むものとして再定義されており、現在ではR-CO₂^-のカルボキシル基と強く結びついている。一方、一酸化炭素は一般にカルボニルとみなされるため、IUPACはCOHbの推奨名称として「カルボニルヘモグロビン」を示している^[4]。 carbonylという名称は2つの部分からなる。carbon-は歴史的名称carbonic acid（CO₂）に由来し、-ylはギリシア語のhylē、すなわち「あるものが作られる材料」を意味する語に由来する（すなわちカルボニル基は炭酸中に現れる）^[36]。 ただし、置換基を示す-ylは現代では別の意味をもつ。IUPACの勧告にもかかわらず、carboxyhemoglobinはなお最も広く使われる用語である。これは慣用名としての重炭酸命名法が生き残っていることに似ている。

毒性作用の様式

ガス交換は、多くの生物が恒常性を維持するために不可欠な過程である。酸素は地球の大気中の空気の約20%を占める。空気の吸入は、ボーア効果およびホールデン効果、および活動筋などにおける局所的な低い酸素分圧を通じて、好気呼吸のために細胞へ酸素を供給するうえで重要である^[43]。 同時に、細胞の廃棄物である二酸化炭素を呼気として排出することも、呼吸の同じく重要な側面である。身体は、無酸素運動で一般的に生じるような短時間の低酸素症には耐えることができるが、脳、心臓、肝臓、腎臓は骨格筋よりもかなり耐性が低い。二酸化炭素の排出に失敗すると、呼吸性アシドーシスを引き起こし、体液および血液が過度に酸性となって恒常性に影響する^[44]。 酸素が存在しない場合、細胞は嫌気呼吸へ切り替わる。これが長引くと、乳酸が大きく増加し、代謝性アシドーシスにつながる可能性がある^[45]。

一般に、一酸化炭素は酸素を置換し、ヘムへの酸素結合を妨げることで全身への酸素供給を阻害し、低酸素を誘導すると考えられている。酸塩基化学の観点から全身性ガス交換の分子機構を簡略化して述べると、空気を吸入した際、任意のヘム部位への酸素結合が、ヘモグロビンのタンパク質単位にコンフォメーション変化を引き起こし、その後、他の各ヘム部位への追加の酸素結合を可能にするという機構が受け入れられている。細胞領域に到達すると、組織で酸素が放出される。これは、局所pHの「酸性化」によって部分的に起こる、ヘモグロビンの表面残基のイオン化に起因するコンフォメーション変化のためである。ここでいう酸性化とは、「酸性」の陽子、すなわち水素イオンH⁺の濃度が比較的高いことを意味する。酸性pHは一般に、対数の逆数的計算に基づいてpH 1から7が低い数値をとるため、低pHとして表される。局所的な酸性は、炭酸脱水酵素によって二酸化炭素廃棄物が炭酸へ生体内変換される増加によって生じる。言い換えれば、酸素化された動脈血は、比較的酸性度の低いpHに基づく、脱プロトン化または非イオン化されたアミノ酸残基をもつ「ヘモグロビンR状態」で細胞へ到達する。ヘモグロビンのアミンは、脱プロトン化または非イオン化されたHb-NH₂と、プロトン化またはイオン化されたHb-NH₃⁺の間で遷移する。動脈血の平均pHは7.407であるのに対し、静脈血はやや酸性でpH 7.371である^[46]。 ヘモグロビンのT状態は静脈血で脱酸素化されており、これは酸性環境によって生じるプロトン化またはイオン化が一因となって、酸素結合に適さないコンフォメーションを生じるためである^[47]。 演劇的なたとえでは、酸素は細胞に到達すると、H⁺イオンがヘモグロビン表面残基に作用してHbをR状態からT状態へ変換するため、溶液中へ「追い出される」。また、平衡動態が組織領域全体での空間的拡散と分布を駆動する。さらに、カルバミノヘモグロビン形成の機構は追加のH⁺イオンを生成し、プロトン化またはイオン化された脱酸素ヘモグロビンをさらに安定化しうる。静脈血が肺へ戻り、二酸化炭素が呼出されると、血液は「脱酸性化」される（過換気も参照）。これにより、ヘモグロビンの脱プロトン化または非イオン化が起こり、動脈血への移行の一部として酸素結合が再び可能になる。この過程は化学受容器、pH緩衝系、pO₂平衡、および多くの物理化学的機能が関与するため複雑である。一酸化炭素中毒はこの生理過程を乱す。そのため、中毒患者の静脈血は、カルボニルまたは一酸化炭素が保持されるため動脈血に似た鮮紅色を呈する。一方、脱酸素化ヘモグロビンは暗赤色であり、カルバミノヘモグロビンは青色調をもつ^[13]。

有毒濃度では、カルボキシヘモグロビンとしての一酸化炭素は、細胞による酸素獲得および酸素供給を同時に阻害し、さらに二酸化炭素排出の約10%から30%を担うカルバミノヘモグロビンの形成を妨げることにより、呼吸とガス交換を著しく妨害する^[48]。 したがって、一酸化炭素中毒患者は、重度の低酸素症およびアシドーシスに加え、一酸化炭素が多数のヘムタンパク質、金属標的、非金属標的に過剰に結合することによる毒性を経験する可能性がある。これには、シトクロムcオキシダーゼの阻害など、細胞機構に影響するものが含まれる^[7][49]。

トキシコキネティクス

通常の大気条件下では、典型的な患者におけるカルボキシヘモグロビンの半減期は約300分である^[4]。 高流量の純酸素を投与すると、この時間は90分に短縮される。さらに、エスター・キリックが最初に同定したように、5%二酸化炭素を含む酸素を投与した場合、時間はさらに短縮される^[4]。 加えて、高気圧室内での治療は、カルボキシヘモグロビンの半減期を30分に短縮するより効果的な方法であり^[4]、 酸素を生体液に溶解させて組織へ届けることを可能にする。^[要出典]

酸素補給は、ルシャトリエの原理を利用して、カルボキシヘモグロビンからヘモグロビンへの分解を速める^[50]。

HbCO + O₂ ⇌ Hb + CO + O₂ ⇌ HbO₂ + CO