科普小讲堂像软糖一样的血红蛋白

红色血，蓝色血

RedBlood/BlueBlood

大家有没有想过为什么血管会变蓝呢？我们知道含氧血液是鲜红色的，而脱氧血液是深紫色的；当您献血或在医生办公室提供血液样本时，它会被吸入远离氧气的储存管中，因此您可以看到这种深紫色。但是，深紫色的脱氧血液在我们的静脉中流动时会呈现蓝色，尤其是在皮肤白皙的人中。这是由于不同颜色的光穿过皮肤的方式不同：蓝色光在皮肤表层反射，而红色光更深地穿透。静脉中的黑血吸收了大部分这种红光（以及在该距离内发出的任何蓝光），因此我们看到的是在皮肤表面反射的蓝光。

血红蛋白是使血液变红的蛋白质。它由条蛋白质链，2条α链和2条β链组成，每个链都有一个含铁原子的环状血红素基团。氧气可逆地与这些铁原子结合，并通过血液运输。每条蛋白质链的结构均与肌红蛋白相似，后者是用于在肌肉和其他组织中存储氧气的蛋白质。但是，如下所述，血红蛋白的四条链为其提供了一些额外的优势。

（图为血红蛋白，红色为血红素）

血红蛋白的使用和滥用UseandAbuseofHemoglobin

除了氧气运输，血红蛋白还可以结合和运输其他分子，例如一氧化氮和一氧化碳。一氧化氮会影响血管壁，使血管松弛，进而降低了血压。最近的研究表明，一氧化氮可以与血红蛋白中的特定半胱氨酸残基结合，也可以与血红素基团中的铁结合（如PDB条目1buw中所示）。因此，血红蛋白通过在血液中分配一氧化氮而有助于血压的调节。另一方面，一氧化碳是有毒气体。如PDB条目2hco所示，它可以轻松取代血红素基团上的氧气和许多其他化合物，形成难以去除的稳定络合物。血红素基团的这种滥用阻止了正常的氧气结合和运输，窒息了周围的细胞。

（PDB条目1buw：亚硝基人类血红蛋白A的晶体结构）（PDB条目2hco：2.7埃分辨率下人碳氧合血红蛋白的结构）人造血ArtificialBlood

输血挽救了无数生命。然而，仍然需要考虑血液类型的匹配，所储存血液的寿命短以及污染的可能性。基于数十年的生化研究和许多晶体学结构，对血红蛋白如何工作的理解促使人们寻找血液替代品和人造血。最明显的方法是使用纯血红蛋白溶液代替失血。主要的挑战是将血红蛋白的四个蛋白质链保持在一起。在缺少红细胞保护套的情况下，这四个链会迅速破裂。为避免此问题，已设计了新颖的血红蛋白分子，其中四个链中的两个物理连接在一起，如PDB条目1c7d中所示。在该结构中，两个额外的甘氨酸残基在两个链之间形成连接，从而防止它们在溶液中分离。

（PDB条目1c7d：DEOXYRHB1.2（重组血红蛋白））陷入困境的血红蛋白TroubledHemoglobins

血红蛋白蛋白质链的基因在不同人群中显示出很小的差异，因此人与人之间血红蛋白的氨基酸序列略有不同。在大多数情况下，这些变化不会影响蛋白质的功能，甚至通常不会引起注意。但是，在某些情况下，这些不同的氨基酸会导致主要的结构变化。这样的一个例子是镰状细胞血红蛋白，其中β链中的谷氨酸6被突变为缬氨酸。如PDB条目2hbs所示，这种变化使血红蛋白的脱氧形式彼此粘附，在红细胞内产生坚硬的血红蛋白纤维。这进而使通常为圆盘形的红细胞变形为C形或镰刀形。变形的细胞易碎，经常破裂，导致血红蛋白丢失。

（PDB条目2hbs：脱氧血红蛋白S的高分辨率晶体结构）这看起来似乎是一件可怕的事情，但是在某种情况下，它实际上是一种优势。导致热带病疟疾的寄生虫在生命周期的一部分内停留在红细胞中，无法生活在充满纤维的镰状细胞中。因此，带有镰状细胞血红蛋白的人对疟疾具有一定的抵抗力。导致血红蛋白出现问题的其他情况是由α和β蛋白产生的不匹配引起的。该结构要求两种蛋白质均等产生。如果缺少这些蛋白质之一，就会导致地中海贫血。

文章及图片来源：PDB

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