结构生物化学/蛋白质功能/血红素/血红蛋白
血红蛋白是一种由红细胞携带的蛋白质。血红蛋白在肺部吸收氧气并将氧气输送到组织以维持细胞活力。它由四个多肽链和四个辅基组成。其中两个单元具有相同的氨基酸序列，称为α链，另外两个相同的氨基酸序列称为β链。α链和β链结合形成血红蛋白的主体。通常α链与β链结合，而不是α链与α链结合，而β链与β链结合。后者在出生前不表达。仅在胎儿发育期间发现的血红蛋白称为γ（γ）。它取代了β链。胎儿具有γ链而不是β链，因为它需要更高的氧气亲和力，因此胎儿可以从母亲那里吸收足够的氧气。胎儿通过改变β链的氨基酸序列来完成这项任务。γ链以这样一种方式改变，即它去除了β链上的两个正电荷，其中2,3-二磷酸甘油酸（2,3-BPG）存在。这降低了对2,3-BPG的亲和力。由于2,3-BPG降低了对氧气的亲和力，因此降低它将提高胎儿结合氧气的能力。2,3-BPG有助于血红蛋白结合氧分子，以便将更多氧气输送到身体组织，这一事实被称为异源性变构效应。二磷酸甘油酸（BPG）、pH和二氧化碳会对血红蛋白产生影响。在细胞中，当pH降低时，它会降低细胞中氧气的亲和力，因此成为更有效的氧气转运蛋白。当二氧化碳存在量增加时，它会降低细胞中氧气的亲和力，这是使细胞成为更好的氧气转运蛋白的另一个因素。
四聚体蛋白，有两个α和β氨基酸单元，或球蛋白或球状蛋白，以及四个血红素基团，每个血红素基团都有一个铁原子，重要的是Fe2+是通过近端组氨酸与球蛋白基团结合以及通过氧分子的弯曲几何形状与氧分子结合来实现的，这对于蛋白质的生物学功能具有协同作用，因此它们通过红细胞在体内循环，以输送到组织（用于糖酵解和氧化磷酸化），并与二氧化碳结合，以便将其运输到肺部（作为废物呼出）。氧合血红蛋白是血红蛋白的一种形式，其中蛋白质分子的血红素基团与氧气结合；脱氧血红蛋白是没有氧气的血红蛋白。
血红素基团的+2价铁离子与卟啉环的一个平面上四个氮原子和球蛋白分子咪唑环的近端组氨酸氨基酸相结合，该组氨酸氨基酸位于卟啉环平面的下方。血红素基团通过弯曲的方式结合氧气。这不会增加铁离子的氧化态，而是会减小其原子尺寸。这会导致铁离子移入卟啉环平面，并使近端组氨酸氨基酸基团升高。最终，它会改变球蛋白分子的变构构象。当铁结合氧气时，铁离子会改变其位置以保持在卟啉环的同一平面上。这会导致铁与氧的键长增加，而铁与咪唑环组氨酸的键长减小。铁与咪唑环组氨酸键长的减少会导致环平面从血红蛋白的四聚体中移出。现在，血红素基团的结合位点被打开，以便与氧气结合。总的来说，该过程被归类为正协同性。血红蛋白对氧气的结合亲和力可以通过增加氧气分子的底物饱和度来提高。血红蛋白与氧气的结合会改变结合位点的构象，这会导致其他氧气分子对蛋白质分子的结合亲和力增加。血红蛋白分子对氧气和二氧化碳的结合亲和力之间存在间接的比例关系，这被称为波尔效应，在这种情况下，蛋白质分子的氧气结合曲线向图表的右侧移动，因此二氧化碳与血红蛋白的结合水平降低会增加氧气与蛋白质分子的结合亲和力。
2,3-BPG与血红蛋白结合在四聚体的中心以稳定T状态（例如，在肌肉组织中）。
2,3-BPG在稳定血红蛋白的T状态方面也极其重要。血红蛋白想要转变为更有利的R状态，因为T状态很不稳定。对纯血红蛋白（不含2,3-BPG）进行了测试，发现其与氧气的结合比血液中的血红蛋白强得多。含有2,3-BPG的血红蛋白对氧气的结合亲和力较低，这使其成为比不含2,3-BPG的纯血红蛋白更好的氧气转运蛋白。当存在2,3-BPG时，它会运输大约66%的氧气，而纯血红蛋白仅运输大约8%。原因是2,3-BPG结合在血红蛋白内部，并以某种方式稳定了其T状态（与氧气亲和力较低的状态）。当足够量的氧气与血红蛋白结合时，就会从T状态转变为R状态，从而释放2,3-BPG。2.3-BPG会一直留在血红蛋白中，直到足够量的氧气来取代它为止。这使氧气保持在T状态，直到它准备好转变为R状态（在此状态下，它对氧气的亲和力会急剧增加）为止。这会拓宽血红蛋白的氧气饱和曲线。
当氧气与血红蛋白结合时，血红素中的铁会从平面的外部移动到内部。在此过程中，当铁移动时，组氨酸侧基也会改变其α螺旋。因此，这会触发α螺旋的羰基末端改变位置，从而有利于从T状态到R状态的转变。
2,3-二磷酸甘油酸（2,3-BPG）或2,3-二磷酸甘油酸（2,3-DPG）与脱氧血红蛋白的结合亲和力较大，因此它使血红蛋白的T状态更稳定或提高了蛋白质对氧气的亲和力；它的生物学功能是控制血红蛋白与氧气分子之间的结合，以便将氧气释放到身体组织中。
这种变构效应器与四聚体上的一个位点结合，该位点仅存在于血红蛋白的紧张（T）形式中。该位点呈口袋状，由β亚基构成。这些带正电的亚基，His143、Lys82和His2，与2,3-BPG相互作用，将其固定在位。当紧张形式的平衡被推到松弛（R）形式时，固定2,3-BPG分子的键会断裂，并将其释放。在低氧气浓度下，血红蛋白会一直保持在T形式中，因此当存在2,3-BPG时，必须填充更多的氧气结合位点，才能发生从T形式到R形式的转变。
血红蛋白的协同性使其成为比肌红蛋白更有效的氧气转运蛋白。虽然肌红蛋白和血红蛋白在高浓度下（例如，在肺部）都变得高度饱和氧气，但与肌红蛋白相比，血红蛋白的特点是与氧气的结合强度在低浓度下要弱得多。四聚体的协同性在血红蛋白中双向起作用。当一个氧气分子与一个血红素基团结合时，其他基团对氧气的亲和力会增加。一旦一个氧气分子被释放，就会刺激其他氧气分子的释放。这使血红蛋白非常适合将氧气从肺部运输到组织中，并在需要的地方释放氧气。
协同性是由于血红蛋白结构的变化而发生的。在脱氧形式（不存在氧气的情况下），血红蛋白以T（紧张）状态存在。在氧合作用中，血红蛋白中的二聚体会移动15度，并采用R（松弛）状态。R状态形式对氧气的亲和力要高得多。
为了具体说明，血红蛋白在其四个独立单体之间表现出的协同性，是由于一个单体与氧原子结合时，近端组氨酸发生位移而产生的。血红蛋白的亚铁血红素基团以四個吡咯环围绕一个铁离子组成的结构排列。此外，还存在一个近端组氨酸基团，也与铁离子配位，构成第五配位配体。在脱氧形式中，铁离子并不完全处于吡咯环的平面上，实际上它比环平面低约 0.4 埃。这种向下位移是由于配位络合物底部上的近端组氨酸配体造成的。但是，当其中一个单体与氧分子结合时，铁离子获得第六配位配体，即氧分子本身，并且它被拉到吡咯环平面以上 0.4 埃。这种向上位移也会拉动近端组氨酸基团向上。正是组氨酸基团的这种运动促成了血红蛋白的协同性。近端组氨酸位于血红蛋白中α和β亚基的界面（血红蛋白有两个相同的α亚基和两个相同的β亚基）。当组氨酸基团向上移动时，它会迫使该界面发生构象变化，从而使下一个单体以一种增加其对另一个氧分子亲和力的方式定位。当该单体结合氧分子时，整个过程会再次发生。正是这种级联事件，即铁结合后向上移动，组氨酸随之向上移动，描述了血红蛋白在其四个单体之间表现出的协同性，以及它从T态到R态的转变。
当酶的活性位点与底物结合时，酶可以更有效地与底物反应的化学过程；其中有三种形式：正协同性、负协同性和非协同性；例如，对于正协同性，当氧气与血红蛋白结合时，蛋白质对氧气的亲和力会增加；因此，氧气更容易与蛋白质结合；例如，对于负协同性，当酶与配体结合时，结合亲和力会降低。
从血红蛋白的氧气结合曲线可以看出，血红蛋白遵循S型模型，因为它看起来像一个“S”形曲线。曲线还表明，血红蛋白具有较低的氧气结合亲和力。这是由于血红蛋白在红细胞内与2,3-二磷酸甘油酸结合这一事实造成的。
曲线的S型结合模型表明，血红蛋白遵循一种特殊的氧气结合行为，称为协同性。曲线表明，蛋白质一个位点的结合会增加其他位点结合的可能性。同样，一个位点上的氧气卸载也会促进其他位点上的氧气卸载。
这种氧气结合的S型模型的生物学意义在于它可以有效地运输氧气。氧气的卸载可以在图中看到，在肺部（100 乇）时，蛋白质被氧气饱和，所有氧气结合位点都被占据。然而，当它转移到组织中释放氧气时，饱和度会下降，总的卸载氧气水平为 66%。这种情况是有利的，因为血红蛋白会经历协同性，从而增加氧气结合和解离的倾向。与肌红蛋白不同，肌红蛋白对氧气的结合非常紧密，难以释放。
在**协同模型**中，T态和R态是血红蛋白存在的两种唯一形式。T态是血红蛋白以脱氧形式具有四级结构的状态，这也是一种紧张状态。R态是血红蛋白完全氧合形式具有四级结构的状态。这种状态是松弛的，约束性较小，并使氧气结合位点保持自由。在这两种状态之间存在一个平衡，该平衡会被氧气的结合所改变，从而使平衡向R态移动。这种移动（向R态）会增加氧气对结合位点的亲和力。血红蛋白的所有四聚体都必须处于相同状态。
在**顺序模型**中，没有从T态到R态的完全转换。氧气的结合会改变亚基的构象，进而诱导其他亚基发生变化，从而增加它们对氧气的亲和力。配体结合的亚基会改变其构象，而不会中断其他亚基发生构象改变。
在分数饱和度（包括结合氧气的可能结合位点的分数）与氧气浓度（以乇为单位的部分压力衡量）的曲线中，当所有分子都处于T态时，T态结合曲线在低氧气浓度下相对平坦，因为如果假设一个分子处于R态，则氧气亲和力会增加，这意味着新的氧气分子更有机会与剩余的三个未占据位点结合。R态结合曲线在开始时急剧上升，但在所有结合位点都被氧气占据时趋于平缓。
血红蛋白的行为类似于这两种模型的混合。只有一个结合氧气分子的分子主要存在于T态，但其他亚基对氧气具有更高的亲和力，如顺序模型所示。同时，三个亚基结合的分子主要存在于R态，如协同模型所示。
文件：Transition.JPG 勒沙特列原理在体内的CO2循环中发挥作用。在红细胞内，通过降低HCO3-的浓度，它会产生一种力量，需要更多的CO2进入细胞，以便将其转化为HCO3-。
H2O + CO2 <---> H+ + HCO3-
这个反应是由碳酸酐酶催化的，也会降低红细胞内的pH值。因此，这会鼓励血红蛋白呈现T态，因为细胞内过量的氢离子会促进盐桥的形成。这些盐桥会诱导细胞更频繁地形成T态，而不是R态。
血红蛋白的变构效应剂是指一种与氧气结构无关的分子，它会结合到与氧气结合位点完全不同的位点，从而调节血红蛋白的功能。
2,3-BPG是一种存在于血红蛋白中的高度阴离子化合物，使它成为有效的氧气转运者。它通过结合在四聚体的中心，稳定血红蛋白的“T”态，从而降低血红蛋白对氧气的亲和力。2,3-BPG具有很高的负电荷，它与两个α-β二聚体中每个β链上的 3 个带正电荷的基团相互作用。为了发生从“T”态到“R”态的转变，必须破坏 2,3-BPG。为了实现这一点，血红蛋白四聚体内的更多氧气结合位点必须被占据。因此，血红蛋白会保持在较低亲和力的T态，直到达到更高的氧气浓度。在没有2,3-BPG的纯血红蛋白中，只有 8% 的位点会参与氧气转运。2,3-BPG 在血红蛋白中的存在将百分比提高到 66%。
胎儿血红蛋白对氧气的亲和力比普通血红蛋白高。普通血红蛋白由两个α/β二聚体组成，而胎儿血红蛋白由两个α/γ二聚体组成。γ亚基对2,3-BPG的结合亲和力较低。因此，由于2,3-BPG较少，胎儿血红蛋白对氧气的亲和力更高。这对胎儿来说是有利的，因为氧气必须比正常情况下走更长的距离（从母亲那里）。
从高pH值区域到低pH值区域移动的血红蛋白有释放更多氧气的趋势。这是因为随着pH值的降低，血红蛋白对氧气的亲和力也会降低。血红蛋白的“T”态由 3 个氨基酸（α2 Lys40、β1 His146、β1 Asp94）稳定，它们形成 2 个盐桥。His146 的 C 末端残基与另一个α-β二聚体中α亚基的赖氨酸残基形成盐桥。His146 与 Asp94 之间的盐桥只有在 pH 值下降时才会形成，这会使 His146 的侧链质子化。
二氧化碳也会刺激血红蛋白释放氧气。碳酸酐酶将从组织中扩散到红细胞中的二氧化碳和水转化为碳酸 (H2CO3)，碳酸是一种强酸 (pKa 3.5)。一旦形成这种化合物，它就会解离成 HCO3- 和 H+，这会增加环境的酸度并降低 pH 值。这种 pH 值的下降将再次稳定血红蛋白的 T 状态。在血红蛋白中，有三个关键氨基酸残基负责氧气与活性位点的结合：赖氨酸 (Lys)、组氨酸 (His) 和天冬氨酸 (Asp)。这三个氨基酸由两个盐桥连接。其中一个盐桥，在组氨酸和天冬氨酸之间，只有在组氨酸中添加一个质子后才会形成。在低 pH 条件下，组氨酸会被质子化，从而使盐桥形成，从而导致构象变化，稳定 T 状态，降低其对氧气的亲和力。此外，二氧化碳与血红蛋白的氨基末端反应，形成带负电荷的氨基甲酸酯基团，通过支持盐桥相互作用，进一步稳定 T 状态。从生理意义上来说，这是很方便的。由于组织中的氧气含量低，二氧化碳浓度高，低 pH 环境会降低血红蛋白对氧气的亲和力，导致红细胞载体在组织中释放氧气。
血红蛋白是体内有效的氧气转运蛋白。它如何向组织释放氧气？血红蛋白在需要的地方释放氧气。例如，工作的肌肉和组织。当组织进行代谢时，它会释放二氧化碳和氢离子。血红蛋白对这些条件做出反应。这些被称为二氧化碳效应和 pH 效应。
克里斯蒂安·玻尔发现，血红蛋白在较低的 pH 值下氧饱和度较低。质子的释放意味着 pH 值的变化。原因是质子会使血红蛋白上一个β链末端的组氨酸质子化。因此，这使得组氨酸带电，并在同一多肽链上的天冬氨酸 (带负电荷) 之间形成盐桥 (离子-离子相互作用)。该盐桥稳定血红蛋白的 T 状态，有利于释放氧气。
细胞释放的二氧化碳与血清混合形成碳酸。碳酸是一种相对强酸，因此它会解离成碳酸氢根离子和质子 (如上所述可用)。然而，二氧化碳本身也可以参与释放氧气。当二氧化碳遇到血红蛋白肽的末端氨基时，它可以反应形成氨基甲酸酯，这些氨基甲酸酯是带负电荷的。该反应还会产生额外的酸性质子。这些带负电荷的基团也可以参与盐桥，进一步稳定血红蛋白的 T 状态，从而进一步促进氧气的释放。当人们注意到在酸性和富含二氧化碳的环境中氧气饱和度最低时，观察到了这种效应。
血红蛋白的缺乏或突变可能是蛋白质分子结构异常的结果，这与贫血和镰状细胞病有关 - 一种由于血红蛋白分子结构异常导致红细胞畸形，限制血流供应到身体组织的血管通道的疾病。
镰状细胞贫血是由一个氨基酸取代引起的疾病。在这种情况下，缬氨酸取代了血红蛋白β链第 6 位的谷氨酸。突变形式被称为血红蛋白 S (HbS)。谷氨酸负电荷的消除和谷氨酸被疏水缬氨酸的取代导致不同血红蛋白之间的疏水相互作用。从电子显微照片中，研究表明镰状红细胞中的血红蛋白形成大的纤维聚集体。纤维聚集体在红细胞中形成，扭曲了红细胞的形状，并增加了它们堵塞小毛细血管的可能性。这种有害的影响导致中风和细菌感染的风险增加，因为血液循环不畅。患者不仅获得的氧气量不足，而且聚集的血红蛋白使血液更难以流经小血管，从而导致血栓形成。有趣的是，携带镰状细胞性状的人口稠密地区与疟疾流行地区相对应。镰状细胞性状意味着一个人有一个正常基因和一个突变基因，这些人不会患病。原因是携带镰状细胞性状的人对疟疾有抵抗力。导致疟疾的寄生虫不能在携带镰状细胞性状的人体内有效繁殖。然而需要注意的是，镰状细胞基因是共显性的。这意味着在一个携带一个正常基因和一个突变基因的人体内，将同时存在正常的健康红细胞和突变的红细胞。然而，正常红细胞的功能弥补了异常细胞的功能，因此患者不会感觉到任何症状。