結構生物化學/蛋白質功能/血紅素
紅血球，或紅細胞，是血液中最多的血細胞。每個紅血球都含有血紅蛋白，血紅蛋白是一種含鐵蛋白質，可以將氧氣從肺部運輸到身體的其他部位。在血紅蛋白中，每個亞基都包含一個血紅素基團；每個血紅素基團都包含一個鐵原子，能夠與一個氧分子結合。由於血紅蛋白由四個多肽亞基組成，兩個α鏈和兩個β鏈，每個亞基都包含一個血紅素基團；每個血紅蛋白蛋白最多可以結合四個氧分子。
該輔基由一個位於原卟啉中心的鐵原子組成，原卟啉由四個吡咯環組成，這些吡咯環透過亞甲基橋、四個亞甲基、兩個乙烯基和兩個丙酸側鏈連線在一起。每個吡咯環包含一個甲基。兩個吡咯環具有乙烯基側鏈，而另外兩個環分別具有丙酸基。血紅素蛋白含有一些鐵卟啉，例如血紅素 a、血紅素 b、血紅素 c、血紅素 d、血紅素 d1、血紅素 o 等。它們由四吡咯環構成，但在取代基方面有所不同。例如，血紅素 o 含有四個亞甲基，而血紅素 a 含有三個亞甲基，其餘結構在這兩個基團之間相似。血紅素之間的差異賦予了它們不同的功能。
血紅蛋白蛋白的血紅素是一種輔基，是含有一個鐵原子的卟啉雜環；該基團的生物學功能是將氧氣輸送到身體組織，使得氣體分子配體與蛋白質基團的鐵原子結合會改變蛋白質的結構，透過血紅素分子周圍的組氨酸殘基的氨基酸基團。全酶被定義為具有其輔基、輔酶、其輔因子等的酶。因此，全酶的一個例子是血紅蛋白及其含鐵的血紅素基團。
血紅素 A 是一種雙分子血紅素，由稱為卟啉的大環配體組成，與一個鐵原子螯合。血紅素 A 與血紅素 B 的不同之處在於它在環位置包含一個甲基側鏈，該側鏈被氧化為甲醯基和羥乙基法尼基基團。此外，鐵四吡咯血紅素將連線到乙烯基側鏈和異戊二烯鏈上。血紅素 A 被認為與血紅素 O 相當相似，因為兩者都包含法尼基。
血紅素 B 存在於血紅蛋白和肌紅蛋白中。通常，血紅素 B 與脫輔基蛋白結合，脫輔基蛋白是一種蛋白質基質，透過血紅素鐵和氨基酸側鏈之間的一個配位鍵執行。
血紅素 B 中所含的鐵與卟啉的四個氮原子和蛋白質的一個供電子原子相結合，使其處於五配位狀態。當一氧化碳結合時，鐵轉變為六配位。
血紅素 C 與血紅素 B 的不同之處在於，血紅素 B 中的兩個乙烯基側鏈被取代為與脫輔基蛋白的共價硫醚鍵。由於這種連線，血紅素 C 難以從全蛋白和細胞色素 c 中解離。
血紅素 C 在細胞凋亡中起著至關重要的作用，因為一些細胞質細胞色素 c 分子必須含有血紅素 C。因此，這將導致細胞破壞。
血紅素 D 是血紅素 B 的另一種形式。相反，羥化的丙酸側鏈形成一個γ-螺內酯。血紅素 D 在低氧張力的細菌水中還原氧氣。
血紅素是一種與 Fe(II) 配位的卟啉。自然界中最重要的螯合劑類別之一是卟啉[1]。卟啉分子可以使用四個氮原子作為電子對供體來與金屬配位。在體內，血紅素中的鐵與卟啉的四個氮原子配位，也與血紅蛋白（血紅蛋白蛋白質中的一種氨基酸殘基）的組氨酸殘基中的一個氮原子配位。當血紅蛋白被氧合時，第六個蛋白質配位位點（在血紅素的鐵周圍）被 O2 佔據。當血紅素沒有與氧氣結合時，血紅素基團是非平面的[2]。鐵被拉出卟啉平面，朝向與其相連的組氨酸殘基。這種非平面構型是脫氧血紅素基團的特徵，通常被稱為“圓頂狀”[2]。當 Fe 血紅素基團與氧分子結合時，卟啉環採用平面構型，因此 Fe 位於卟啉環的平面上[2]。氧合和脫氧血紅蛋白的構象
如圖所示，左側顯示了脫氧血紅素基團的電子密度雲的表示，以粉紅色表示，以及所連線的組氨酸殘基，以淺藍色表示[2]。這些電子密度區域相互排斥，中心鐵原子被拉出平面。血紅素基團的非平面形狀由彎曲線表示。右側影像描繪了氧合血紅素基團的電子密度雲，以粉紅色表示，所連線的組氨酸殘基以淺藍色表示，所連線的氧分子以灰色表示[2]。氧合血紅素採用平面構型，中心鐵原子佔據血紅素基團平面的空間，由一條直線表示[2]。
血紅素基團形狀的變化對血紅蛋白的其餘部分也具有重要意義。當鐵原子在氧合時移動到卟啉平面時，與鐵原子相連的組氨酸殘基被拉近血紅素基團。組氨酸殘基的這種移動會改變靠近組氨酸的其他氨基酸的位置[2]。當蛋白質中的氨基酸以這種方式透過蛋白質中一個血紅素基團的氧合而發生移動時，四個亞基之間介面的結構會發生改變[2]。因此，當血紅蛋白中單個血紅素基團被氧合時，整個蛋白質會改變形狀[2]。在新形狀中，其他三個血紅素基團更容易被氧合。一個氧分子與血紅蛋白的結合增強了血紅蛋白結合更多氧分子的能力。血紅蛋白的這種特性被稱為“協同結合”[2]。
結合常數是兩種不同分子（底物和產物）之間結合親和力處於穩定平衡時的常數。這種結合常數的一個例子發生在半抗原-抗體相互作用中。
解離常數是化合物、分子或離子解離的可量化常數。一種型別的解離常數是酸解離常數。該常數用於計算弱酸和強酸解離的發生情況。
血紅素基團使肌紅蛋白和血紅蛋白能夠結合氧氣，因為存在鐵原子。它還促成了肌肉和血液中發現的紅色。每個血紅素基團包含一個鐵原子，該鐵原子能夠與一個氧氣（O2）分子結合。每個血紅蛋白蛋白質可以結合四個氧分子。鐵原子通常處於亞鐵氧化態（Fe2+），位於四個吡咯環之間，但略微偏離平面（距平面 0.4 埃）。鐵離子在原卟啉平面兩側有兩個額外的結合位點，稱為第五和第六配位位點。通常，第五配位與近端組氨酸結合，而第六配位與氧氣結合。當氧氣與鐵結合時，鐵會略微變小，使其能夠移動到卟啉環的平面上。遠端組氨酸與氧氣結合，以確保不會釋放反應性氧氣。當鐵處於 3+ 狀態時，遠端組氨酸不會釋放氧氣。
鐵原子的尺寸太大，無法完美地適合卟啉環內部，因此它位於環外 0.4 埃處。然而，在結合氧氣後，鐵半徑會縮小，有利於與卟啉環的平面排列。這種變化導致與 Fe 原子結合的近端組氨酸被拉起，並導致與組氨酸殘基相連的 α 螺旋發生結構變化。這種 α 螺旋的羧基末端與另一個 α-β 二聚體相互作用，在整個蛋白質中產生總的構象變化。構象變化促進了對氧氣的親和力增加，這表現在血紅蛋白中從 T 狀態到 R 狀態的轉變。血液在氧合和脫氧過程中發生的變化不僅在微觀層面上可見，而且在宏觀層面上也能看到。眾所周知，體動脈中的血液呈紅色，而體靜脈中的血液呈藍色。體動脈中的血液富含氧氣，剛剛從肺部流向心臟，然後被泵送到全身，將氧氣輸送到身體的細胞中[2]。另一方面，體靜脈中的血液含氧量低。它已將氧氣釋放到身體的細胞中，現在必須返回肺部補充氧氣供應[2]。因此，簡單的宏觀觀察，例如觀察血液的顏色，可以告訴我們血液是氧合還是脫氧。