結構生物化學/蛋白質功能/血紅素/血紅蛋白
血紅蛋白是一種由紅細胞攜帶的蛋白質。血紅蛋白在肺部吸收氧氣並將氧氣輸送到組織以維持細胞活力。它由四個多肽鏈和四個輔基組成。其中兩個單元具有相同的氨基酸序列，稱為α鏈，另外兩個相同的氨基酸序列稱為β鏈。α鏈和β鏈結合形成血紅蛋白的主體。通常α鏈與β鏈結合，而不是α鏈與α鏈結合，而β鏈與β鏈結合。後者在出生前不表達。僅在胎兒發育期間發現的血紅蛋白稱為γ（γ）。它取代了β鏈。胎兒具有γ鏈而不是β鏈，因為它需要更高的氧氣親和力，因此胎兒可以從母親那裡吸收足夠的氧氣。胎兒透過改變β鏈的氨基酸序列來完成這項任務。γ鏈以這樣一種方式改變，即它去除了β鏈上的兩個正電荷，其中2,3-二磷酸甘油酸（2,3-BPG）存在。這降低了對2,3-BPG的親和力。由於2,3-BPG降低了對氧氣的親和力，因此降低它將提高胎兒結合氧氣的能力。2,3-BPG有助於血紅蛋白結合氧分子，以便將更多氧氣輸送到身體組織，這一事實被稱為異源性變構效應。二磷酸甘油酸（BPG）、pH和二氧化碳會對血紅蛋白產生影響。在細胞中，當pH降低時，它會降低細胞中氧氣的親和力，因此成為更有效的氧氣轉運蛋白。當二氧化碳存在量增加時，它會降低細胞中氧氣的親和力，這是使細胞成為更好的氧氣轉運蛋白的另一個因素。
四聚體蛋白，有兩個α和β氨基酸單元，或球蛋白或球狀蛋白，以及四個血紅素基團，每個血紅素基團都有一個鐵原子，重要的是Fe2+是透過近端組氨酸與球蛋白基團結合以及透過氧分子的彎曲幾何形狀與氧分子結合來實現的，這對於蛋白質的生物學功能具有協同作用，因此它們透過紅細胞在體內迴圈，以輸送到組織（用於糖酵解和氧化磷酸化），並與二氧化碳結合，以便將其運輸到肺部（作為廢物撥出）。氧合血紅蛋白是血紅蛋白的一種形式，其中蛋白質分子的血紅素基團與氧氣結合；脫氧血紅蛋白是沒有氧氣的血紅蛋白。
血紅素基團的+2價鐵離子與卟啉環的一個平面上四個氮原子和球蛋白分子咪唑環的近端組氨酸氨基酸相結合，該組氨酸氨基酸位於卟啉環平面的下方。血紅素基團透過彎曲的方式結合氧氣。這不會增加鐵離子的氧化態，而是會減小其原子尺寸。這會導致鐵離子移入卟啉環平面，並使近端組氨酸氨基酸基團升高。最終，它會改變球蛋白分子的變構構象。當鐵結合氧氣時，鐵離子會改變其位置以保持在卟啉環的同一平面上。這會導致鐵與氧的鍵長增加，而鐵與咪唑環組氨酸的鍵長減小。鐵與咪唑環組氨酸鍵長的減少會導致環平面從血紅蛋白的四聚體中移出。現在，血紅素基團的結合位點被開啟，以便與氧氣結合。總的來說，該過程被歸類為正協同性。血紅蛋白對氧氣的結合親和力可以透過增加氧氣分子的底物飽和度來提高。血紅蛋白與氧氣的結合會改變結合位點的構象，這會導致其他氧氣分子對蛋白質分子的結合親和力增加。血紅蛋白分子對氧氣和二氧化碳的結合親和力之間存在間接的比例關係，這被稱為波爾效應，在這種情況下，蛋白質分子的氧氣結合曲線向圖表的右側移動，因此二氧化碳與血紅蛋白的結合水平降低會增加氧氣與蛋白質分子的結合親和力。
2,3-BPG與血紅蛋白結合在四聚體的中心以穩定T狀態（例如，在肌肉組織中）。
2,3-BPG在穩定血紅蛋白的T狀態方面也極其重要。血紅蛋白想要轉變為更有利的R狀態，因為T狀態很不穩定。對純血紅蛋白（不含2,3-BPG）進行了測試，發現其與氧氣的結合比血液中的血紅蛋白強得多。含有2,3-BPG的血紅蛋白對氧氣的結合親和力較低，這使其成為比不含2,3-BPG的純血紅蛋白更好的氧氣轉運蛋白。當存在2,3-BPG時，它會運輸大約66%的氧氣，而純血紅蛋白僅運輸大約8%。原因是2,3-BPG結合在血紅蛋白內部，並以某種方式穩定了其T狀態（與氧氣親和力較低的狀態）。當足夠量的氧氣與血紅蛋白結合時，就會從T狀態轉變為R狀態，從而釋放2,3-BPG。2.3-BPG會一直留在血紅蛋白中，直到足夠量的氧氣來取代它為止。這使氧氣保持在T狀態，直到它準備好轉變為R狀態（在此狀態下，它對氧氣的親和力會急劇增加）為止。這會拓寬血紅蛋白的氧氣飽和曲線。
當氧氣與血紅蛋白結合時，血紅素中的鐵會從平面的外部移動到內部。在此過程中，當鐵移動時，組氨酸側基也會改變其α螺旋。因此，這會觸發α螺旋的羰基末端改變位置，從而有利於從T狀態到R狀態的轉變。
2,3-二磷酸甘油酸（2,3-BPG）或2,3-二磷酸甘油酸（2,3-DPG）與脫氧血紅蛋白的結合親和力較大，因此它使血紅蛋白的T狀態更穩定或提高了蛋白質對氧氣的親和力；它的生物學功能是控制血紅蛋白與氧氣分子之間的結合，以便將氧氣釋放到身體組織中。
這種變構效應器與四聚體上的一個位點結合，該位點僅存在於血紅蛋白的緊張（T）形式中。該位點呈口袋狀，由β亞基構成。這些帶正電的亞基，His143、Lys82和His2，與2,3-BPG相互作用，將其固定在位。當緊張形式的平衡被推到鬆弛（R）形式時，固定2,3-BPG分子的鍵會斷裂，並將其釋放。在低氧氣濃度下，血紅蛋白會一直保持在T形式中，因此當存在2,3-BPG時，必須填充更多的氧氣結合位點，才能發生從T形式到R形式的轉變。
血紅蛋白的協同性使其成為比肌紅蛋白更有效的氧氣轉運蛋白。雖然肌紅蛋白和血紅蛋白在高濃度下（例如，在肺部）都變得高度飽和氧氣，但與肌紅蛋白相比，血紅蛋白的特點是與氧氣的結合強度在低濃度下要弱得多。四聚體的協同性在血紅蛋白中雙向起作用。當一個氧氣分子與一個血紅素基團結合時，其他基團對氧氣的親和力會增加。一旦一個氧氣分子被釋放，就會刺激其他氧氣分子的釋放。這使血紅蛋白非常適合將氧氣從肺部運輸到組織中，並在需要的地方釋放氧氣。
協同性是由於血紅蛋白結構的變化而發生的。在脫氧形式（不存在氧氣的情況下），血紅蛋白以T（緊張）狀態存在。在氧合作用中，血紅蛋白中的二聚體會移動15度，並採用R（鬆弛）狀態。R狀態形式對氧氣的親和力要高得多。
為了具體說明，血紅蛋白在其四個獨立單體之間表現出的協同性，是由於一個單體與氧原子結合時，近端組氨酸發生位移而產生的。血紅蛋白的亞鐵血紅素基團以四個吡咯環圍繞一個鐵離子組成的結構排列。此外，還存在一個近端組氨酸基團，也與鐵離子配位，構成第五配位配體。在脫氧形式中，鐵離子並不完全處於吡咯環的平面上，實際上它比環平面低約 0.4 埃。這種向下位移是由於配位絡合物底部上的近端組氨酸配體造成的。但是，當其中一個單體與氧分子結合時，鐵離子獲得第六配位配體，即氧分子本身，並且它被拉到吡咯環平面以上 0.4 埃。這種向上位移也會拉動近端組氨酸基團向上。正是組氨酸基團的這種運動促成了血紅蛋白的協同性。近端組氨酸位於血紅蛋白中α和β亞基的介面（血紅蛋白有兩個相同的α亞基和兩個相同的β亞基）。當組氨酸基團向上移動時，它會迫使該介面發生構象變化，從而使下一個單體以一種增加其對另一個氧分子親和力的方式定位。當該單體結合氧分子時，整個過程會再次發生。正是這種級聯事件，即鐵結合後向上移動，組氨酸隨之向上移動，描述了血紅蛋白在其四個單體之間表現出的協同性，以及它從T態到R態的轉變。
當酶的活性位點與底物結合時，酶可以更有效地與底物反應的化學過程；其中有三種形式：正協同性、負協同性和非協同性；例如，對於正協同性，當氧氣與血紅蛋白結合時，蛋白質對氧氣的親和力會增加；因此，氧氣更容易與蛋白質結合；例如，對於負協同性，當酶與配體結合時，結合親和力會降低。
從血紅蛋白的氧氣結合曲線可以看出，血紅蛋白遵循S型模型，因為它看起來像一個“S”形曲線。曲線還表明，血紅蛋白具有較低的氧氣結合親和力。這是由於血紅蛋白在紅細胞內與2,3-二磷酸甘油酸結合這一事實造成的。
曲線的S型結合模型表明，血紅蛋白遵循一種特殊的氧氣結合行為，稱為協同性。曲線表明，蛋白質一個位點的結合會增加其他位點結合的可能性。同樣，一個位點上的氧氣解除安裝也會促進其他位點上的氧氣解除安裝。
這種氧氣結合的S型模型的生物學意義在於它可以有效地運輸氧氣。氧氣的解除安裝可以在圖中看到，在肺部（100 乇）時，蛋白質被氧氣飽和，所有氧氣結合位點都被佔據。然而，當它轉移到組織中釋放氧氣時，飽和度會下降，總的解除安裝氧氣水平為 66%。這種情況是有利的，因為血紅蛋白會經歷協同性，從而增加氧氣結合和解離的傾向。與肌紅蛋白不同，肌紅蛋白對氧氣的結合非常緊密，難以釋放。
在**協同模型**中，T態和R態是血紅蛋白存在的兩種唯一形式。T態是血紅蛋白以脫氧形式具有四級結構的狀態，這也是一種緊張狀態。R態是血紅蛋白完全氧合形式具有四級結構的狀態。這種狀態是鬆弛的，約束性較小，並使氧氣結合位點保持自由。在這兩種狀態之間存在一個平衡，該平衡會被氧氣的結合所改變，從而使平衡向R態移動。這種移動（向R態）會增加氧氣對結合位點的親和力。血紅蛋白的所有四聚體都必須處於相同狀態。
在**順序模型**中，沒有從T態到R態的完全轉換。氧氣的結合會改變亞基的構象，進而誘導其他亞基發生變化，從而增加它們對氧氣的親和力。配體結合的亞基會改變其構象，而不會中斷其他亞基發生構象改變。
在分數飽和度（包括結合氧氣的可能結合位點的分數）與氧氣濃度（以乇為單位的部分壓力衡量）的曲線中，當所有分子都處於T態時，T態結合曲線在低氧氣濃度下相對平坦，因為如果假設一個分子處於R態，則氧氣親和力會增加，這意味著新的氧氣分子更有機會與剩餘的三個未佔據位點結合。R態結合曲線在開始時急劇上升，但在所有結合位點都被氧氣佔據時趨於平緩。
血紅蛋白的行為類似於這兩種模型的混合。只有一個結合氧氣分子的分子主要存在於T態，但其他亞基對氧氣具有更高的親和力，如順序模型所示。同時，三個亞基結合的分子主要存在於R態，如協同模型所示。
檔案：Transition.JPG 勒沙特列原理在體內的CO2迴圈中發揮作用。在紅細胞內，透過降低HCO3-的濃度，它會產生一種力量，需要更多的CO2進入細胞，以便將其轉化為HCO3-。
H2O + CO2 <---> H+ + HCO3-
這個反應是由碳酸酐酶催化的，也會降低紅細胞內的pH值。因此，這會鼓勵血紅蛋白呈現T態，因為細胞內過量的氫離子會促進鹽橋的形成。這些鹽橋會誘導細胞更頻繁地形成T態，而不是R態。
血紅蛋白的變構效應劑是指一種與氧氣結構無關的分子，它會結合到與氧氣結合位點完全不同的位點，從而調節血紅蛋白的功能。
2,3-BPG是一種存在於血紅蛋白中的高度陰離子化合物，使它成為有效的氧氣轉運者。它透過結合在四聚體的中心，穩定血紅蛋白的“T”態，從而降低血紅蛋白對氧氣的親和力。2,3-BPG具有很高的負電荷，它與兩個α-β二聚體中每個β鏈上的 3 個帶正電荷的基團相互作用。為了發生從“T”態到“R”態的轉變，必須破壞 2,3-BPG。為了實現這一點，血紅蛋白四聚體內的更多氧氣結合位點必須被佔據。因此，血紅蛋白會保持在較低親和力的T態，直到達到更高的氧氣濃度。在沒有2,3-BPG的純血紅蛋白中，只有 8% 的位點會參與氧氣轉運。2,3-BPG 在血紅蛋白中的存在將百分比提高到 66%。
胎兒血紅蛋白對氧氣的親和力比普通血紅蛋白高。普通血紅蛋白由兩個α/β二聚體組成，而胎兒血紅蛋白由兩個α/γ二聚體組成。γ亞基對2,3-BPG的結合親和力較低。因此，由於2,3-BPG較少，胎兒血紅蛋白對氧氣的親和力更高。這對胎兒來說是有利的，因為氧氣必須比正常情況下走更長的距離（從母親那裡）。
從高pH值區域到低pH值區域移動的血紅蛋白有釋放更多氧氣的趨勢。這是因為隨著pH值的降低，血紅蛋白對氧氣的親和力也會降低。血紅蛋白的“T”態由 3 個氨基酸（α2 Lys40、β1 His146、β1 Asp94）穩定，它們形成 2 個鹽橋。His146 的 C 末端殘基與另一個α-β二聚體中α亞基的賴氨酸殘基形成鹽橋。His146 與 Asp94 之間的鹽橋只有在 pH 值下降時才會形成，這會使 His146 的側鏈質子化。
二氧化碳也會刺激血紅蛋白釋放氧氣。碳酸酐酶將從組織中擴散到紅細胞中的二氧化碳和水轉化為碳酸 (H2CO3)，碳酸是一種強酸 (pKa 3.5)。一旦形成這種化合物，它就會解離成 HCO3- 和 H+，這會增加環境的酸度並降低 pH 值。這種 pH 值的下降將再次穩定血紅蛋白的 T 狀態。在血紅蛋白中，有三個關鍵氨基酸殘基負責氧氣與活性位點的結合：賴氨酸 (Lys)、組氨酸 (His) 和天冬氨酸 (Asp)。這三個氨基酸由兩個鹽橋連線。其中一個鹽橋，在組氨酸和天冬氨酸之間，只有在組氨酸中新增一個質子後才會形成。在低 pH 條件下，組氨酸會被質子化，從而使鹽橋形成，從而導致構象變化，穩定 T 狀態，降低其對氧氣的親和力。此外，二氧化碳與血紅蛋白的氨基末端反應，形成帶負電荷的氨基甲酸酯基團，透過支援鹽橋相互作用，進一步穩定 T 狀態。從生理意義上來說，這是很方便的。由於組織中的氧氣含量低，二氧化碳濃度高，低 pH 環境會降低血紅蛋白對氧氣的親和力，導致紅細胞載體在組織中釋放氧氣。
血紅蛋白是體內有效的氧氣轉運蛋白。它如何向組織釋放氧氣？血紅蛋白在需要的地方釋放氧氣。例如，工作的肌肉和組織。當組織進行代謝時，它會釋放二氧化碳和氫離子。血紅蛋白對這些條件做出反應。這些被稱為二氧化碳效應和 pH 效應。
克里斯蒂安·玻爾發現，血紅蛋白在較低的 pH 值下氧飽和度較低。質子的釋放意味著 pH 值的變化。原因是質子會使血紅蛋白上一個β鏈末端的組氨酸質子化。因此，這使得組氨酸帶電，並在同一多肽鏈上的天冬氨酸 (帶負電荷) 之間形成鹽橋 (離子-離子相互作用)。該鹽橋穩定血紅蛋白的 T 狀態，有利於釋放氧氣。
細胞釋放的二氧化碳與血清混合形成碳酸。碳酸是一種相對強酸，因此它會解離成碳酸氫根離子和質子 (如上所述可用)。然而，二氧化碳本身也可以參與釋放氧氣。當二氧化碳遇到血紅蛋白肽的末端氨基時，它可以反應形成氨基甲酸酯，這些氨基甲酸酯是帶負電荷的。該反應還會產生額外的酸性質子。這些帶負電荷的基團也可以參與鹽橋，進一步穩定血紅蛋白的 T 狀態，從而進一步促進氧氣的釋放。當人們注意到在酸性和富含二氧化碳的環境中氧氣飽和度最低時，觀察到了這種效應。
血紅蛋白的缺乏或突變可能是蛋白質分子結構異常的結果，這與貧血和鐮狀細胞病有關 - 一種由於血紅蛋白分子結構異常導致紅細胞畸形，限制血流供應到身體組織的血管通道的疾病。
鐮狀細胞貧血是由一個氨基酸取代引起的疾病。在這種情況下，纈氨酸取代了血紅蛋白β鏈第 6 位的穀氨酸。突變形式被稱為血紅蛋白 S (HbS)。穀氨酸負電荷的消除和穀氨酸被疏水纈氨酸的取代導致不同血紅蛋白之間的疏水相互作用。從電子顯微照片中，研究表明鐮狀紅細胞中的血紅蛋白形成大的纖維聚集體。纖維聚集體在紅細胞中形成，扭曲了紅細胞的形狀，並增加了它們堵塞小毛細血管的可能性。這種有害的影響導致中風和細菌感染的風險增加，因為血液迴圈不暢。患者不僅獲得的氧氣量不足，而且聚集的血紅蛋白使血液更難以流經小血管，從而導致血栓形成。有趣的是，攜帶鐮狀細胞性狀的人口稠密地區與瘧疾流行地區相對應。鐮狀細胞性狀意味著一個人有一個正常基因和一個突變基因，這些人不會患病。原因是攜帶鐮狀細胞性狀的人對瘧疾有抵抗力。導致瘧疾的寄生蟲不能在攜帶鐮狀細胞性狀的人體內有效繁殖。然而需要注意的是，鐮狀細胞基因是共顯性的。這意味著在一個攜帶一個正常基因和一個突變基因的人體內，將同時存在正常的健康紅細胞和突變的紅細胞。然而，正常紅細胞的功能彌補了異常細胞的功能，因此患者不會感覺到任何症狀。