結構生物化學/肌紅蛋白
肌紅蛋白是一種相對較小的蛋白質，分子量為 17.8kDa，由單個多肽鏈中的 153 個氨基酸組成。它是第一個透過 X 射線晶體學確定其三維結構的蛋白質，由 John Kendrew 於 1957 年完成。肌紅蛋白是一種典型的球狀蛋白，因為它是一種高度摺疊的緊湊結構，大多數疏水性氨基酸殘基埋藏在內部，而許多極性殘基位於表面。X 射線晶體學表明，肌紅蛋白的單個多肽鏈完全由 α 螺旋二級結構組成。事實上，肌紅蛋白中存在八個 α 螺旋二級結構。在多肽鏈摺疊形成的疏水性腔內是血紅素輔基。這個非多肽單元與肌紅蛋白非共價結合，對於蛋白質的生物活性至關重要。肌紅蛋白是一種在肌肉細胞中發現的小型氧結合蛋白。它的主要功能是在肌肉組織中儲存氧氣和促進氧氣擴散。肌紅蛋白是一個單鏈球狀 蛋白，由 153 個 氨基酸 和一個血紅素基團（含鐵卟啉）組成。肌紅蛋白的球狀結構主要由各種轉折連線在一起的 α 螺旋組成。肌紅蛋白以兩種形式存在：一種稱為脫氧肌紅蛋白的無氧形式，另一種稱為氧合肌紅蛋白的有氧形式。肌紅蛋白是否與氧氣結合取決於輔基血紅素的存在。當肌紅蛋白能夠與氧氣結合時，它充當肌肉組織中主要的氧氣攜帶分子。通常，肌紅蛋白中的鐵基團的氧化態為 +2。但是，當氧氣與鐵結合時，它被氧化成 +3 的氧化態。這使得與氧氣結合的氧氣帶負電荷，從而使其穩定。肌紅蛋白對氧氣的親和力高於 血紅蛋白。與存在於紅細胞中的血紅蛋白不同，肌紅蛋白存在於肌肉組織中。
肌紅蛋白對氧氣的高親和力歸因於幾個因素。首先，它有一個近端組氨酸基團，有助於它結合氧氣。一旦氧氣成功結合，肌紅蛋白的結構就會發揮作用。它透過改變血紅素基團的內在反應性來阻止活性氧物種逃逸。具體而言，與血紅素基團中的雙氧配位的亞鐵離子可以氧化為與超氧化物配位的鐵離子。因此，透過在其結構的幫助下控制氧氣的反應性，肌紅蛋白可以結合並保留氧原子。
雖然肌紅蛋白對氧氣的親和力遠高於其結構類似物 血紅蛋白，但它對細胞來說是一種效率較低的氧氣載體。由於它對氧氣的親和力很高，肌紅蛋白難以在正確的位置“釋放”氧氣。細胞需要氧氣被輸送到相應的細胞器，就像人體需要氧氣被輸送到正確的器官系統一樣。這意味著“攜帶”氧氣的物質必須能夠在到達其指定目的地後釋放氧氣。肌紅蛋白對氧氣的高親和力意味著一旦與氧氣結合，它不太可能釋放氧氣；反過來，這意味著肌紅蛋白將輸送到需要氧氣的區域的氧氣更少。因此，血紅蛋白實際上是細胞中更有效的氧氣載體，因為它對氧氣的親和力更低。較低的親和力意味著 血紅蛋白將更容易在身體的正確部位釋放氧氣。出於這個原因，細胞更依賴於 血紅蛋白 來輸送氧氣，而不是肌紅蛋白；然而，人體中有一些特定的區域，肌紅蛋白是更好的氧氣載體，例如肌肉細胞。可以從 血紅蛋白 部分了解更多關於 血紅蛋白 的資訊。
肌紅蛋白對氧氣的高親和力的另一個後果是更高的親和力常數 (KA)。由於親和力常數表示蛋白質活性位點 50% 飽和時的底物濃度，這意味著肌紅蛋白活性位點的 50% 將在比 血紅蛋白 低得多的濃度下被氧氣飽和。可以在相應的章節中瞭解更多關於親和力常數的資訊。
血紅蛋白是肌紅蛋白的類似物，由四個多肽鏈組成，兩個相同的 α 鏈和兩個相同的 β 鏈。每個亞基包含一組與肌紅蛋白中的 α 螺旋排列相同的 α 螺旋。這種重複出現的結構被稱為珠蛋白摺疊。
蛋白質的氧氣結合特性可以透過觀察其氧氣結合曲線來觀察。氧氣結合曲線是“分數飽和度與氧氣濃度之間的關係圖”。
肌紅蛋白實際上與肌鈣蛋白一起用於協助心肌梗塞的診斷過程。心肌梗塞或其他肌肉損傷發生後，肌紅蛋白水平在 2-3 小時內開始升高。這些水平在 8-12 小時內達到峰值，但通常在一天內恢復正常。肌紅蛋白被用作主要標誌物的原因是，它比肌鈣蛋白更早出現陽性結果。陽性結果可能表明或可能不表明心臟可能受損，因此經常會模稜兩可。因此，根據肌鈣蛋白測試來評估陽性結果。然而，肌紅蛋白陰性結果完全排除了心肌梗塞。關於肌紅蛋白的另一個有趣的事實是，它對腎臟高度有毒，如果發生嚴重的肌肉損傷，血液中的肌紅蛋白水平可能會迅速升高，腎臟（其功能包括將血液中的肌紅蛋白作為尿液釋放出來）可能會因肌紅蛋白含量增加而嚴重受損。肌紅蛋白含量增加的另一個原因是劇烈運動，以及過度飲酒。關於肌肉收縮，當纖維收縮時，它們會擠壓毛細血管壁，從而減少甚至完全阻止血流。實際上，在這些情況下，肌紅蛋白能夠釋放其氧氣。肌紅蛋白似乎在扮演英雄的角色。隨著肌肉放鬆，血流恢復，肌紅蛋白隨後使用由其氧氣載體夥伴血紅蛋白提供的氧氣進行重新充電。這些動作會導致肌肉損傷和血液中肌紅蛋白增加，最終導致腎衰竭。
肌紅蛋白在血氧供應嚴重減少時起著氧氣儲存的關鍵作用。當然，這個概念已經得到證實。同樣有趣的是，在陸地哺乳動物中，肌紅蛋白除了骨骼肌外，還彌補了心臟這一重要器官在收縮期間血流減少的情況。
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