豆科血紅素 -上

豆科血紅素 -上

Posted on 2010/08/23 國立苗栗高級中學生物科郭美貞老師/國立台灣師範大學生命科學系張永達副教授責任編輯

豆科血紅素 (Leghemoglobin)-上
國立苗栗高級中學生物科郭美貞老師/國立臺灣師範大學生命科學系張永達副教授責任編輯

提到血紅素（hemoglobins），大部分的人都知道這是讓人體血液呈現紅色的一種色素，它具有攜帶氧氣的功能，滿足人體細胞對於氧氣的需求。越來越多的科學研究顯示，不僅是脊椎動物具有血紅素，在整個生物界，就連植物，都具有這種含有鐵的球蛋白。在豆科植物的根部，常會看到一顆顆稱為根瘤（legume nodules）的構造，把根瘤剖開接觸到空氣後，它就會呈現紅色（圖一）。這神奇的顏色轉變，就是跟血紅素有關，這種只存在豆科植物根瘤中的血紅素，稱為豆科血紅素（leghemoglobin）。

豆科血紅素是豆科植物根瘤中一種紅色的球蛋白，和人類的血紅素一樣，具有攜帶氧氣的功能。

豆科植物會和土壤中常見的桿狀細菌-根瘤菌（rhizobia）形成相互得利的共生關係。根瘤菌是一種固氮細菌，當它獨立生活時並沒有固氮能力，只有感染特定種類豆科植物的根部，而形成根瘤時，根瘤菌才會開始發揮固氮的能力。

根瘤菌生長在根瘤組織中，並且特化出具有固氮能力的類菌體（bacteroid），外圍由一層膜 (envelope)包圍著，類菌體產生豆科血紅素（hemoglobin）控制氧氣進出類菌體的量，使得根瘤菌具有能進行固氮作用的能力。

豆科血紅素由原蛋白（apoprotein）和血基質（heme）組成，原蛋白由豆科植物產生，血基質則由細菌合成，只有當根瘤菌侵入豆科植物根部形成根瘤，兩種生物的共生關係建立之後，植物豆科血紅素的基因才會表現。

豆科血紅素(Leghemoglobin)-下
在根瘤中進行的固氮作用的反應式如下：

由上式可見固氮作用需要消耗能量（ATP），而此反應式需要固氮酵素（nitrogenase）的催化。固氮酵素對氧氣極為敏感，很容易被氧氣破壞而失去活性。於是，固氮作用需要氧氣產生能量，和固氮酵素需要避開氧氣方能催化反應，兩者之間似乎產生矛盾。

這兩難的問題由豆科血紅素解決了！根瘤中的豆科血紅素，其血基質和氧氣的高親和力，攜帶大量氧氣供細胞行呼吸作用，製造大量ATP，使固氮作用順利進行。同時血基質和氧氣結合，也可以降低根瘤內的游離氧氣濃度，以避免固氮酵素受氧氣的抑制。因此在豆科植物根瘤中，豆科血紅素負起了輸送和調節氧氣濃度的雙重功能。

參考資料
1.Hopkins, W. G., 1995. Introduction to plant physiology. John Wiley & Sons, Inc.
2.Hardison, R., 1998. Hemoglobins from bacteria to man: evolution of different patterns of gene expression. J Exp Biol. 201, 1099–1117