结构生物化学/蛋白质功能/血红素
红血球，或红细胞，是血液中最多的血细胞。每个红血球都含有血红蛋白，血红蛋白是一种含铁蛋白质，可以将氧气从肺部运输到身体的其他部位。在血红蛋白中，每个亚基都包含一个血红素基团；每个血红素基团都包含一个铁原子，能够与一个氧分子结合。由于血红蛋白由四个多肽亚基组成，两个α链和两个β链，每个亚基都包含一个血红素基团；每个血红蛋白蛋白最多可以结合四个氧分子。
该辅基由一个位于原卟啉中心的铁原子组成，原卟啉由四个吡咯环组成，这些吡咯环通过亚甲基桥、四个亚甲基、两个乙烯基和两个丙酸侧链连接在一起。每个吡咯环包含一个甲基。两个吡咯环具有乙烯基侧链，而另外两个环分别具有丙酸基。血红素蛋白含有一些铁卟啉，例如血红素 a、血红素 b、血红素 c、血红素 d、血红素 d1、血红素 o 等。它们由四吡咯环构成，但在取代基方面有所不同。例如，血红素 o 含有四个亚甲基，而血红素 a 含有三个亚甲基，其余结构在这两个基团之间相似。血红素之间的差异赋予了它们不同的功能。
血红蛋白蛋白的血红素是一种辅基，是含有一个铁原子的卟啉杂环；该基团的生物学功能是将氧气输送到身体组织，使得气体分子配体与蛋白质基团的铁原子结合会改变蛋白质的结构，通过血红素分子周围的组氨酸残基的氨基酸基团。全酶被定义为具有其辅基、辅酶、其辅因子等的酶。因此，全酶的一个例子是血红蛋白及其含铁的血红素基团。
血红素 A 是一种双分子血红素，由称为卟啉的大环配体组成，与一个铁原子螯合。血红素 A 与血红素 B 的不同之处在于它在环位置包含一个甲基侧链，该侧链被氧化为甲酰基和羟乙基法尼基基团。此外，铁四吡咯血红素将连接到乙烯基侧链和异戊二烯链上。血红素 A 被认为与血红素 O 相当相似，因为两者都包含法尼基。
血红素 B 存在于血红蛋白和肌红蛋白中。通常，血红素 B 与脱辅基蛋白结合，脱辅基蛋白是一种蛋白质基质，通过血红素铁和氨基酸侧链之间的一个配位键执行。
血红素 B 中所含的铁与卟啉的四个氮原子和蛋白质的一个供电子原子相结合，使其处于五配位状态。当一氧化碳结合时，铁转变为六配位。
血红素 C 与血红素 B 的不同之处在于，血红素 B 中的两个乙烯基侧链被取代为与脱辅基蛋白的共价硫醚键。由于这种连接，血红素 C 难以从全蛋白和细胞色素 c 中解离。
血红素 C 在细胞凋亡中起着至关重要的作用，因为一些细胞质细胞色素 c 分子必须含有血红素 C。因此，这将导致细胞破坏。
血红素 D 是血红素 B 的另一种形式。相反，羟化的丙酸侧链形成一个γ-螺内酯。血红素 D 在低氧张力的细菌水中还原氧气。
血红素是一种与 Fe(II) 配位的卟啉。自然界中最重要的螯合剂类别之一是卟啉[1]。卟啉分子可以使用四个氮原子作为电子对供体来与金属配位。在体内，血红素中的铁与卟啉的四个氮原子配位，也与血红蛋白（血红蛋白蛋白质中的一种氨基酸残基）的组氨酸残基中的一个氮原子配位。当血红蛋白被氧合时，第六个蛋白质配位位点（在血红素的铁周围）被 O2 占据。当血红素没有与氧气结合时，血红素基团是非平面的[2]。铁被拉出卟啉平面，朝向与其相连的组氨酸残基。这种非平面构型是脱氧血红素基团的特征，通常被称为“圆顶状”[2]。当 Fe 血红素基团与氧分子结合时，卟啉环采用平面构型，因此 Fe 位于卟啉环的平面上[2]。氧合和脱氧血红蛋白的构象
如图所示，左侧显示了脱氧血红素基团的电子密度云的表示，以粉红色表示，以及所连接的组氨酸残基，以浅蓝色表示[2]。这些电子密度区域相互排斥，中心铁原子被拉出平面。血红素基团的非平面形状由弯曲线表示。右侧图像描绘了氧合血红素基团的电子密度云，以粉红色表示，所连接的组氨酸残基以浅蓝色表示，所连接的氧分子以灰色表示[2]。氧合血红素采用平面构型，中心铁原子占据血红素基团平面的空间，由一条直线表示[2]。
血红素基团形状的变化对血红蛋白的其余部分也具有重要意义。当铁原子在氧合时移动到卟啉平面时，与铁原子相连的组氨酸残基被拉近血红素基团。组氨酸残基的这种移动会改变靠近组氨酸的其他氨基酸的位置[2]。当蛋白质中的氨基酸以这种方式通过蛋白质中一个血红素基团的氧合而发生移动时，四个亚基之间界面的结构会发生改变[2]。因此，当血红蛋白中单个血红素基团被氧合时，整个蛋白质会改变形状[2]。在新形状中，其他三个血红素基团更容易被氧合。一个氧分子与血红蛋白的结合增强了血红蛋白结合更多氧分子的能力。血红蛋白的这种特性被称为“协同结合”[2]。
结合常数是两种不同分子（底物和产物）之间结合亲和力处于稳定平衡时的常数。这种结合常数的一个例子发生在半抗原-抗体相互作用中。
解离常数是化合物、分子或离子解离的可量化常数。一种类型的解离常数是酸解离常数。该常数用于计算弱酸和强酸解离的发生情况。
血红素基团使肌红蛋白和血红蛋白能够结合氧气，因为存在铁原子。它还促成了肌肉和血液中发现的红色。每个血红素基团包含一个铁原子，该铁原子能够与一个氧气（O2）分子结合。每个血红蛋白蛋白质可以结合四个氧分子。铁原子通常处于亚铁氧化态（Fe2+），位于四个吡咯环之间，但略微偏离平面（距平面 0.4 埃）。铁离子在原卟啉平面两侧有两个额外的结合位点，称为第五和第六配位位点。通常，第五配位与近端组氨酸结合，而第六配位与氧气结合。当氧气与铁结合时，铁会略微变小，使其能够移动到卟啉环的平面上。远端组氨酸与氧气结合，以确保不会释放反应性氧气。当铁处于 3+ 状态时，远端组氨酸不会释放氧气。
铁原子的尺寸太大，无法完美地适合卟啉环内部，因此它位于环外 0.4 埃处。然而，在结合氧气后，铁半径会缩小，有利于与卟啉环的平面排列。这种变化导致与 Fe 原子结合的近端组氨酸被拉起，并导致与组氨酸残基相连的 α 螺旋发生结构变化。这种 α 螺旋的羧基末端与另一个 α-β 二聚体相互作用，在整个蛋白质中产生总的构象变化。构象变化促进了对氧气的亲和力增加，这表现在血红蛋白中从 T 状态到 R 状态的转变。血液在氧合和脱氧过程中发生的变化不仅在微观层面上可见，而且在宏观层面上也能看到。众所周知，体动脉中的血液呈红色，而体静脉中的血液呈蓝色。体动脉中的血液富含氧气，刚刚从肺部流向心脏，然后被泵送到全身，将氧气输送到身体的细胞中[2]。另一方面，体静脉中的血液含氧量低。它已将氧气释放到身体的细胞中，现在必须返回肺部补充氧气供应[2]。因此，简单的宏观观察，例如观察血液的颜色，可以告诉我们血液是氧合还是脱氧。