7血红蛋白
第七章血红蛋白：蛋白质发挥作用的图景
在血管中，红细胞将肺部氧气运送到需要氧气的组织。血红蛋白有四个亚基，每个亚基有一个结合氧的色素基团（即血红素）。血红素使红细胞具有红色，能够根据需要运输和释放氧气。血红蛋白是空间结构明了的首例蛋白质。上图的右边是血红蛋白一个亚基的折叠结构。[Left, Dr Dennis Kunkel/Visuals Unlimited]
有氧代谢能够获得更多的能量，因此生物从厌氧代谢转变成有氧代谢是一个巨大的进步。生物体有氧代谢葡萄糖所获得的能量是无氧代谢葡萄糖所获得能量的15倍。单细胞生物或其它简单生物能够直接从空气或周围水溶液获取氧气。脊椎动物获取氧气的方式有两种。第一种方式是用循环系统将氧气输送到全身。第二种方式是采用运氧和储氧蛋白（血红蛋白和肌红蛋白）。血红细胞有血红蛋白。血红蛋白能够将肺部氧气运送到各个组织，并将各组织的CO2和H+运回肺部。位于肌肉的肌红蛋白是氧气储存蛋白，能及时提供肌肉需要的氧气。
比较肌红蛋白和血红蛋白能够阐明蛋白质结构和功能的一些重要内容。这两种蛋白质进化相关，结合氧的结构几乎一致。但是血红蛋白携带氧的能力大，能够达到90%的潜在氧容量。在相似的条件下，肌红蛋白质能实现其潜在氧容量的7%。这种巨大差异的原因何在？
肌红蛋白是单链多肽，而血红蛋白有4条多肽链。血红蛋白四条多肽链结合氧是协同进行的，即一个亚基与氧结合能够增加同一蛋白其余三个亚基结合样的能力。而且，血红蛋白结合氧的能力还受到结合的CO2和H+的正调节。氧结合的协同性和受CO2和H+的调节性使血红蛋白在不同组合的结合状态能改变血红蛋白的三维结构。
血红蛋白和肌红蛋白在生物化学史上占重要地位。这些蛋白是首例用x-射线晶体图谱解析三维结构的蛋白质。而且基于蛋白质序列变异导致疾病的概念就是从镰刀型贫血病研究提出的。这个疾病是血红蛋白多肽链单个氨基酸发生变异所致的。血红蛋白研究给生物化学提供了很多内容，既包含血红蛋白自身的生物化学，也包括血红蛋白作为原型研究其它蛋白质的内容。
7.1 肌红蛋白和血红蛋白将氧结合于血红素的铁原子上
测定三维结构的第一个蛋白质是鲸鱼的肌红蛋白。1950年代，John Kendrew在x-射线晶体学研究阐明了该蛋白质的结构（图7.1）。肌红蛋白的α-螺旋多，螺旋间用拐弯连接形成球状结构。
图7.1 肌红蛋白结构。肌红蛋白是一条多肽链，形成的α-螺旋用拐弯连接，有一个氧结合位
点。
肌红蛋白有氧结合状态(称为氧合肌红蛋白，oxymyoglobin)或无氧状态（称为去氧肌红蛋白，deoxymyoglobin）。与血红蛋白一样，肌红蛋白结合氧的能力依赖于血红素辅基。血红素辅基使血液和肌肉显示特有的红色。血红素是有机分子，中央是铁原子。这个有机分子叫原卜啉，四个卜啉环之间用次甲基连接起来形成四卜啉环。卜啉环上连有四个甲基、两个乙烯基、和两个丙酸基团。
铁原子处于原卜啉的中央。铁原子与四个卜啉环的氮原子结合。正常状态下，铁原子处于氧化状态Fe2+。在血红素平面的两侧，铁离子还能形成另外两个化学键。这两个结合位点称为第五和第六配位位点。肌红蛋白中，第五配位位点被蛋白质组氨酸的咪唑环占居。这个组氨酸称为近位组氨酸（proximal histidine）。脱氧肌红蛋白第六配位点空余，可以结合氧。铁离子处于卜啉环平面外0.4A处（此时的铁离子比卜啉环中央孔大，无法嵌入中央孔）（图7.2，左边）。
图7.2 氧结合改变铁离子位臵。在脱氧状态铁离子处于卜啉环平面的外部（左边）。当铁离子与氧结合，铁离子就移入血红素平面的中央（右边）。
氧分子与铁离子第六配位点的结合导致铁的电子云发生重排，铁离子比原来的直径小得多，
因此铁离子就被移入卜啉环平面中央孔内（图7.2，右边）。铁离子电子结构的改变伴随着磁性的改变，成为功能性磁共振成像（fMRI）的基础。fMRI是脑功能检测的有效手段（32.1节）。1936年Linus Pauling基于磁性测量就预测出氧结合导致结构改变，比肌红蛋白和血红蛋白三维结构阐明时间早25年。
