血红蛋白定义

血红蛋白是红细胞中一类蛋白质分子的总称，它们负责将肺部吸入的氧气输送到身体组织，并将二氧化碳运回肺部。 构成其结构的四种蛋白质分子被称为珠蛋白链，它们都连接在一起。

在典型的成年人体内，存在两条 α-珠蛋白链和两条 β-珠蛋白链；然而，在新生儿中，β-珠蛋白链不存在，婴儿血红蛋白由两条 α 链和两条 γ-珠蛋白链组成。

随着年龄增长，γ-珠蛋白会发育成 β-珠蛋白，形成成人血红蛋白的结构。此外，珠蛋白含有一个关键的含铁卟啉复合物，称为血红素基团，其中包含一个对氧气和二氧化碳在人体血液中运输至关重要的铁原子。血液的红色也是血红蛋白中铁元素造成的。

血红蛋白的定义

血红蛋白是一种含铁蛋白质，存在于脊椎动物的红细胞（红细胞）和许多其他动物的血液中，负责将氧气输送到组织。 氧气与血红蛋白结合时，它们的结合是脆弱且可逆的。它被称为氧合血红蛋白，在充氧时呈亮红色；在缺氧时呈紫蓝色。

骨髓中产生红细胞的细胞在生长过程中会产生血红蛋白。红细胞死亡时，血红蛋白会被分解。铁被回收，通过一种称为转铁蛋白的蛋白质转移到骨髓，并用于制造新的红细胞。剩余的血红蛋白则作为胆红素的构成部分，胆红素被排入胆汁，赋予粪便独特的黄褐色。

每个血红蛋白分子由一个珠蛋白基团被四个血红素基团包围，共同形成一个四面体形状。血红素由卟啉组成，这是一种具有环的化学结构，上面连接着一个铁原子。 血红素仅占整个分子重量的 4%。当血液在肺部和组织之间循环时，铁原子负责将氧气固定在原位。每个血红蛋白分子含有四个铁原子，因此能够结合四个氧分子。珠蛋白的多肽链以两对的形式连接。

镰状细胞贫血是一种严重的遗传性贫血，在这种贫血中，当缺氧时，细胞会呈现新月形的形态，其特征是存在血红蛋白 S，这是血红蛋白的一种不同形式。 异常的镰状细胞在死亡前可能会堵塞微小的血管，阻止血液流动，并可能导致组织损伤。虽然中东、地中海或印度血统的人也可能患有镰状细胞病，但非洲裔血统的人患有这种特征的可能性更大。

血红蛋白的历史

1825 年，John Friedrich Engelhart 发现不同动物血红蛋白中铁与蛋白质的比例是相同的。 他通过已知的铁原子质量，测量出血红蛋白的分子质量为 n 16000（n = 每个血红蛋白的铁原子数量，目前已知为 4），这是第一次测量蛋白质的分子质量。 他认为任何分子都可以如此巨大，这在当时引起了其他科学家的嘲笑，称其为“仓促的结论”。1925 年，Gilbert Smithson Adair 通过测量含有血红蛋白的液体的渗透压并利用这些数据，验证了 Engelhart 的发现。

尽管自 1794 年以来至少已知血液具有携氧能力，但 H�nefeld 于 1840 年首次报告了血红蛋白的携氧能力。1851 年，德国科学家 Otto Funke 在他写的一系列出版物中详细描述了血红蛋白晶体的形成。他表示，这是通过将红细胞与清水、酒精或乙醚稀释后，缓慢蒸发蛋白质溶液中的溶剂而实现的。几年后，Felix Hoppe-Seyler 解释了血红蛋白如何可逆地进行氧化。

随着 X 射线晶体学技术的发明，现在可以对蛋白质结构进行测序。Max Perutz 于 1959 年发现了血红蛋白的分子结构。他与分析球状蛋白质肌红蛋白的 John Kendrew 一起，因这项成就于 1962 年获得了诺贝尔化学奖。

法国科学家 Claude Bernard 解释了血红蛋白在血液中的功能。血红素（heme）和珠蛋白（globin）这两个词被组合起来创造了血红蛋白（haemoglobin）这个名字，这反映了每个血红蛋白成分都是一种球状蛋白质，其中嵌入了血红素基团。每个血红素基团含有一个铁原子，利用离子产生的偶极力，它可以结合一个氧分子。在动物中最常见的血红蛋白类型中，有四个这样的成分。

血红蛋白的功能

血红蛋白的主要作用是为各种组织提供氧气。氧气以协同方式与血红蛋白结合。血红蛋白在组织和肺部中与氧气的相互作用和释放，分别是由低氧亲和力的 T 态（紧张态）和高氧亲和力的 R 态（松弛态）之间的转换引起的。

1. 输送氧气

• pH、2、3-BPG（2,3-二磷酸甘油酸）会影响氧气与血红蛋白的亲和力。在组织中，低 pH、高 BPG 和高 CO2 浓度有利于 T 态，从而导致氧气释放。相反，在肺泡中，高 pH、低 CO2 和高 BPG 浓度有利于 R 态，从而导致氧气与血红蛋白结合。
• 氧气分压也控制着氧气的结合量。虽然在氧分压低的组织中氧气会被释放，但在氧分压高的肺部，氧气会与血红蛋白结合。
• 每 100 毫升充氧血液可将 5 毫升氧气输送到组织。
• 由于第一个氧分子与脱氧血红蛋白亚基（T 态）之一的血红素基团结合而引起的构象变化，亲和力增加，第二个分子结合得更快。而第四个分子已经处于 R 态，结合随之发生。氧气以 S 形曲线与血红蛋白结合。
• 这种结合被称为变构结合，即在一个位点的结合会改变其他结合位点的亲和力。
• 血氧饱和度通过脉搏血氧仪测定。它用于识别低氧血症。它基于氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的吸收光谱不同的观察结果。临床医生利用这种重要的仪器检查 COVID-19 患者以及有风险人群的血氧饱和度。

2. 输送二氧化碳

• 当 CO2 与血红蛋白结合时，以氨基甲酰血红蛋白的形式输送，占 20% 到 25%。二氧化碳在 CO2 分压较高的组织中比在 O2 分压较低的组织中更容易结合，而在肺泡中，高 O2 分压和低 CO2 会导致氨基甲酰血红蛋白解离。一种称为碳酸酐酶的酶有助于将剩余的 CO2 作为碳酸氢盐输送。
• 每 100 毫升脱氧血液输送到肺泡的 CO2 量为 4 毫升。
• 血红蛋白还负责运输与珠蛋白结合的氧化氮。珠蛋白链上的硫醇基团是其结合位点。
• 当一氧化碳与血红蛋白结合时，会形成一种称为一氧化碳血红蛋白的化合物。血红蛋白与一氧化碳的亲和力是氧气的 250 倍。

因此，即使是很低浓度的一氧化碳也可能影响氧气的结合。吸入富含 CO 的空气可能导致头痛、恶心甚至昏迷。重度吸烟者可能会抑制 20% 的活性氧结合位点。

血红蛋白的结构

Max Perutz 于 1959 年首次确定了血红蛋白的分子组成。血红蛋白由四聚体蛋白组成。成人中最主要的血红蛋白类型由 '?' 和 '?' 多肽链组成，每条链有两个亚基。

每个多肽链都有一个血红素辅助基团连接。血红蛋白的结构由四条氨基酸链组成。每条链都包含血红素。血红素是化学血红素的组成部分。铁存在于血红素化学物质中。血红素通过血流输送氧气是其主要工作之一。

血红蛋白决定了红细胞的形状。红细胞通常像甜甜圈，但中心没有孔，取而代之的是一个薄的中心。异常血红蛋白类型（包括）会影响红细胞的形状及其输送氧气和二氧化碳的能力。

• 血红蛋白 S (HgbS)： 这种类型的血红蛋白存在于镰状细胞病中，导致红细胞在缺氧时变硬呈新月形。
• 血红蛋白 C (HgbC)： 这种类型的血红蛋白不适合输送氧气，与轻度贫血有关。
• 血红蛋白 E (HgbE)： 这种类型的血红蛋白主要见于东南亚血统的人群，可能没有症状或只有轻度贫血，可以在某些个体中检测到。

血红素的结构

血红蛋白是一种多亚基球状蛋白，展示了许多此类蛋白质共有的四级结构。血红蛋白中的大多数氨基酸组织成 α-螺旋，这些螺旋由简短的非螺旋片段连接。

血红蛋白的四级结构由其四个亚基组成，这些亚基大致呈四面体排列。氢键有助于稳定该蛋白质的螺旋部分，这反过来会在分子内产生吸引力，并使每个多肽链折叠成特定的形状。

在大多数动物中，血红蛋白分子由四个球状蛋白质成分组装而成。每个成分由一条多肽链组成，该链与一个非蛋白质的辅助血红素基团紧密连接。每条多肽链形成一系列结构性的 α-螺旋片段，这些片段以珠蛋白折叠构型相互连接。

这种构型与肌红蛋白等其他血红素/珠蛋白具有相同的折叠模式，因此得名。这种折叠模式具有一个牢固结合血红素基团的口袋。血红素由卟啉组成，这是一种杂环，在其内部含有一个铁 (Fe) 离子。四种吡咯分子相互环状连接（通过次甲基桥）形成该卟啉环，其中心与铁离子结合。

四个氮原子位于环的中心，并且都处于一个平面上，与铁离子配位，铁离子是氧气结合的位点。通过 F8 组氨酸残基（也称为近端组氨酸）的咪唑环的 N 原子（位于卟啉环下方），血红素通过共价键牢固地连接到球状蛋白质上。六个配体的八面体基团可以通过一个可以与氧气可逆结合的坐标共价键的第六个位置来完成。

由于与氧气的这种可逆结合，血红蛋白能够有效地将氧气输送到全身。氧气以“端对弯曲”几何形状结合到铁上，其中一个氧原子连接到铁上，另一个以一定角度突出。 当氧气被结合很弱的水分子取代时，未结合的氧气形成一个变形的八面体。

尽管二氧化碳由血红蛋白输送，但它与连接到血红素基团的蛋白质链的氨基结合，而不是与铁结合位点竞争氧气。虽然铁离子可以是亚铁 Fe2+ 或铁离子 Fe3+ 状态，但高铁血红蛋白（高铁血红蛋白）（Fe3+）不能结合氧气。

由于结合时氧气会暂时氧化（Fe2+）成（Fe3+）并暂时转化为超氧离子，因此铁必须处于 +2 氧化态。如果与 Fe3+ 结合的超氧离子被质子化，血红蛋白中的铁将继续被氧化并无法结合氧气。在这种情况下，高铁血红蛋白可以通过酶高铁血红蛋白还原酶还原铁核而最终被活化。

血红蛋白 A 是成人中最常见的血红蛋白类型，它是一种四聚体（具有四个组分蛋白），由两个 ? 和两个 ? 非共价结合的亚基组成，分别包含 141 和 146 个氨基酸残基。其符号为 ?2?2。亚基大小相似，结构也相似。四聚体的总分子量约为 64,000 道尔顿（64,458 克/摩尔），每个亚基的分子量约为 16,000 道尔顿，1 克/分升等于 0.1551 毫摩尔/升。

血红蛋白 A 是研究最广泛的血红蛋白分子。新生儿体内的血红蛋白分子由两条 ? 链、两条 ? 链和两条链组成。随着婴儿的成长，? 链最终会被 ? 链取代。疏水作用、氢键和盐桥将四个多肽链结合在一起。

血红蛋白的氧饱和度

氧合血红蛋白是饱和有氧分子的血红蛋白类型，而脱氧血红蛋白是未饱和血红蛋白的类型，分别表示。

氧合血红蛋白

当氧气附着在红细胞血红蛋白分子的血红素部分时，在生理呼吸过程中会生成氧合血红蛋白。这个过程发生在肺泡附近的肺部毛细血管中。然后氧气通过血液循环输送到细胞，在那里它被输送和用作氧化磷酸化过程中最终电子受体，从而合成 ATP。

通气或呼吸可以纠正这种状况，通过排出二氧化碳，从而使 pH 值升高，但这并不能帮助对抗血液 pH 值下降。血红蛋白有两种不同的形式：张紧（Tense）形式 (T) 和松弛（Relaxed）形式 (R)。张紧形式具有低氧亲和力，并在组织中释放氧气，在组织水平上，如低 pH、高 CO2 和高 2,3-BPG 等条件有利于张紧形式。

另一方面，高 pH、低 CO2 或低 2,3-BPG 水平有利于松弛形式，它更能结合氧气。系统的分压也影响 O2 亲和力；在氧气分压高（如在肺泡中）时，有利于松弛（高亲和力，R）状态。而低分压（如在呼吸组织中）时，则偏好（低亲和力，T）张紧状态。

氧气与亚铁血红素 (II) 的结合还会引起铁的轻微构象变化，将铁推向卟啉环的平面。这种变化使得血红蛋白中其余三个血红素单位对氧气结合更加敏感（因此，氧气结合是协同的）。

血红蛋白脱氧

未结合氧气的血红蛋白称为脱氧血红蛋白。脱氧血红蛋白与氧合血红蛋白的吸收光谱不同。与脱氧血红蛋白相比，氧合血红蛋白在较低的波长（660 nm）下吸收光，而在 940 nm 处略有增加。利用这种差异，一种称为脉搏血氧仪的设备可以计算患者血液中的氧气含量。

这种差异也解释了发绀的出现，即当发生缺氧时，组织呈现出的蓝紫色调。失去氧气的血红蛋白是顺磁性的，这意味着磁场会非常微弱地吸引它。相反，由于抗磁性，磁场会排斥充氧的血红蛋白。

脊椎动物血红蛋白的进化

据科学家称，当七鳃鳗从有颌类脊椎动物分化出来时，肌红蛋白和血红蛋白也随之分化。这两种分子的分离使得它们各自不同的功能得以出现和发展；肌红蛋白更侧重于氧气储存，而血红蛋白负责氧气运输。编码蛋白质组成亚基的基因是 ? 和 ? 样珠蛋白的基因。

在 4.5 亿至 5 亿年前，从无颌鱼进化而来的颌口类共同祖先也经历了一次基因复制事件，产生了这些基因的前体。祖先重建研究表明，? 和 ? 基因的复制祖先是由相同的珠蛋白亚基组成的二聚体，在复制后进一步进化为组装成四聚体结构。

基因的进化为血红蛋白由多个不同亚基组成提供了可能性，这种物理组成对于血红蛋白输送氧气的能力至关重要。多个亚基的存在影响了血红蛋白协同结合氧气和变构调节的能力。

后来，珠蛋白基因经历了复制事件，产生了 HBA1 和 HBA2 基因。[这些额外的突变和分裂产生了各种各样的珠蛋白 ?- 和 ?- 样珠蛋白基因，这些基因受到调控，使得某些形式在特定的发育阶段出现。大多数 Channichthyidae 冰鱼因适应寒冷而失去了产生血红蛋白的能力。

什么是血红蛋白病？

血红蛋白疾病（或血红蛋白病）是遗传性的血液疾病。 存在于红细胞中的化学物质血红蛋白负责将氧气输送到全身。当由于无法正常发挥功能而未能产生足够量的血红蛋白时，就会发生血红蛋白问题。

它们包括

• α-地中海贫血
• β-地中海贫血
• 镰状细胞病
• 血红蛋白 E

血红蛋白异常的体征和症状可能从不存在到危及生命不等。即使在同一种疾病中，对不同个体的影响程度也各不相同。所有血红蛋白异常都会导致一定程度的贫血，这会让你感到疲惫和虚弱，并给心脏增加额外负担，因为它需要更努力地将氧气输送到全身。

对于镰状细胞病，还可能出现剧烈的血管阻塞，可能导致感染、器官损伤和其他危及生命的并发症。以下是血红蛋白水平升高或降低时可能出现的一些常见疾病的列表

• 镰状细胞贫血： 镰状细胞贫血是红细胞的一种常见遗传性疾病。虽然西班牙裔、阿拉伯裔、印度裔或地中海裔也可能患镰状细胞贫血，但该病主要影响非洲裔人群。 在美国，每 500 名非裔美国新生儿中就有 1 名患有镰状细胞贫血，每 36,000 名西班牙裔新生儿中就有 1 名患有镰状细胞贫血，总共有约 90,000 至 100,000 人患病。
  由于血红蛋白缺乏导致了这种疾病的发生。这种情况导致 ? 珠蛋白链发生点突变。因此，“GAG”变成“GTG”，导致氨基酸链第 6 位由谷氨酸替换为缬氨酸。
  镰状细胞贫血可能导致疼痛、感染和器官损伤。
  在称为危象的时期，会出现镰状细胞贫血的疼痛症状。危象可能持续数小时或长达一周。除了发烧、手、脚和关节疼痛、呼吸急促、类似肺炎的症状、意识模糊、头痛、腿部溃疡以及脾脏或肝脏肿大外，镰状细胞贫血还会导致腿部溃疡。在密西西比州，所有新生儿都要进行血红蛋白疾病和基因筛查。患有血红蛋白疾病的新生儿在出生后尽快被转送到专门的医疗机构。
• 地中海贫血：该病导致血红蛋白生成量减少。该病进一步分为两种类型：?-地中海贫血和?-地中海贫血。它也可能是由于基因受损或许多基因缺失或受损所致。
  镰状细胞性状不是一种疾病，而是一种血红蛋白特征。携带者从父母一方继承了镰状细胞基因。在美国，每 12 名非裔美国人中就有 1 名患有镰状细胞性状。镰状细胞性状患者通常没有症状，过着正常的生活。在美国，约有 300 万患有镰状细胞性状的人，其中许多人并不知道自己患有该病。
  由于大多数镰状细胞性状携带者含有一些正常的 A 型血红蛋白，因此他们很少出现健康问题。然而，镰状细胞性状可能导致一些个体出现类似于镰状细胞贫血危象的医疗问题。如果患有镰状细胞性状的人参加体力要求高的活动或运动，使身体承受比平时更大的压力，他们可能会出现这些发作。发作的症状包括呼吸困难、手脚冰凉、脸色苍白、头痛和胸痛。如果您患有该病，您就有将镰状细胞性状或镰状细胞病遗传给子女的风险。

密西西比州最常见的血红蛋白特征

• 当一个孩子从一方父母那里遗传了正常的血红蛋白 A 基因，从另一方父母那里遗传了血红蛋白 S 基因时，就被称为具有血红蛋白 S 性状。
• 当一个孩子从一方父母那里遗传了正常的血红蛋白 A 基因，从另一方父母那里遗传了血红蛋白 C 基因时，就被称为具有血红蛋白 C 性状。
• 当一个孩子从一方父母那里遗传了正常的血红蛋白 A 基因，从另一方父母那里遗传了血红蛋白 D 基因时，就被称为具有血红蛋白 D 性状。
• 当从一方父母那里遗传了血红蛋白 O Arab 基因，从另一方父母那里遗传了正常的血红蛋白 A 基因时，这种情况被称为血红蛋白 O Arab 性状。

何时应考虑进行检测？

没有血液检查，您将无法得知您是否患有镰状细胞性状。在最佳情况下，如果您和您的伴侣不确定自己的状况，应该在决定要孩子之前进行血液检查。如果您已被医疗专业人员诊断出患有镰状细胞性状，则您有可能将有缺陷的基因遗传给您的孩子。