血紅蛋白（Hb）是主要存在于脊椎動(dòng)物的紅細(xì)胞中的一種攜氧蛋白質(zhì)，具有運(yùn)輸氧和CO2的功能。酵母、草履蟲(chóng)、許多無(wú)脊椎動(dòng)物也有血紅蛋白。1945年中國(guó)科學(xué)家王應(yīng)睞和英國(guó)科學(xué)家D.基林從豆科植物的根瘤中分離出了豆血紅蛋白。
1 血紅蛋白的分子結(jié)構(gòu)
血紅蛋白是一種由血紅素和珠蛋白組成的結(jié)合蛋白。珠蛋白肽鏈有兩種，一種是α鏈，由141個(gè)氨基酸構(gòu)成；另一種是非α鏈（β鏈、γ鏈及δ鏈），各有146個(gè)氨基酸。各種肽鏈有固定的氨基酸排列順序，不同血紅蛋白的珠蛋白肽鏈組成不同。每條肽鏈和一個(gè)血紅素連接，構(gòu)成一個(gè)血紅蛋白亞基。人類血紅蛋白是由4個(gè)亞基構(gòu)成的四聚體。
一級(jí)結(jié)構(gòu)成人的血紅蛋白主要由2條α鏈和2條β鏈組成，含有2個(gè)α亞基和2個(gè)β亞基，分別用α1、α2、β1、β2表示。血紅蛋白的分子量為64 000，每個(gè)亞基的分子量為16 000。每個(gè)亞基結(jié)構(gòu)的中間都有一個(gè)疏水局部，可結(jié)合1個(gè)血紅素輔基。血紅素是一個(gè)由原卟啉分子與一個(gè)鐵原子結(jié)合的化合物，又稱鐵卟啉，每個(gè)血紅素又由4個(gè)吡咯基組成一個(gè)環(huán)，其中心為一個(gè)Fe2+。血紅素基團(tuán)中心的Fe2+可與氧結(jié)合，使血紅蛋白成為氧合血紅蛋白（HbO2）。每個(gè)亞基可結(jié)合1個(gè)血紅素并攜帶1分子氧，因此1分子血紅蛋白共結(jié)合4分子氧。
2 高級(jí)結(jié)構(gòu)
血紅蛋白分子中四條鏈各自折疊卷曲形成一級(jí)結(jié)構(gòu)，再通過(guò)分子表面的一些次級(jí)鍵（主要是鹽鍵和氫鍵）的結(jié)合而聯(lián)系在一起，互相凹凸相嵌排列，形成一個(gè)四聚體的功能單位。α鏈和β鏈的一級(jí)結(jié)構(gòu)差別較大，但它們的三級(jí)結(jié)構(gòu)卻大致相同，并和肌紅蛋白相似，這反映它們?cè)谥饕δ苌弦簿哂邢嗨菩?，即都能進(jìn)行可逆的氧合作用。但是血紅蛋白物在進(jìn)行氧合作用時(shí)表現(xiàn)出別構(gòu)現(xiàn)象。
別構(gòu)現(xiàn)象是指當(dāng)某些蛋白質(zhì)表現(xiàn)其功能時(shí)，其構(gòu)象會(huì)發(fā)生改變，從而改變了整個(gè)分子的性質(zhì)。例如，血紅蛋白的四聚體具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，但與氧的親合能力很弱。當(dāng)氧和血紅蛋白中一個(gè)亞基血紅素鐵結(jié)合后，就會(huì)引起該亞基的構(gòu)象發(fā)生改變，這個(gè)亞基構(gòu)象的改變又會(huì)引起另外三個(gè)亞基相繼發(fā)生變化。整個(gè)血紅蛋白構(gòu)象的改變，會(huì)使所有亞基血紅素鐵原子的位置都變得適于與氧結(jié)合，血紅蛋白與氧結(jié)合的速度大大加快。
血紅蛋白的整個(gè)結(jié)構(gòu)要比肌紅蛋白復(fù)雜得多，因此表現(xiàn)出肌紅蛋白所沒(méi)有的功能，如除運(yùn)輸氧外，還能運(yùn)輸H+和CO2。此外，血紅蛋白與氧的結(jié)合受到環(huán)境中其他物質(zhì)的調(diào)節(jié)，如H+和CO2，以及有機(jī)磷酸化合物的調(diào)節(jié)。
3 血紅蛋白病
血紅蛋白合成異常引起的疾病稱為血紅蛋白病?？煞譃楫惓Ｑt蛋白病和地中海貧血兩大類，都是以珠蛋白結(jié)構(gòu)異常為特征，由珠蛋白基因突變或缺陷所致。這種蛋白質(zhì)分子發(fā)生變異所導(dǎo)致的疾病，稱為分子病，其病因?yàn)榛蛲蛔兯?。全世界至少?.5億人攜帶血紅蛋白病基因，主要分布于非洲、地中海地區(qū)和東南亞人群中，我國(guó)南方為高發(fā)區(qū)。
鐮狀細(xì)胞貧血義稱血紅蛋白（HbS）病，是最嚴(yán)重的一種血紅蛋白病。屬常染色體隱性遺傳，主要見(jiàn)于非洲和非裔黑人。因β珠蛋白基因第6位遺傳密碼的堿基以胸腺嘧啶替換了腺嘌呤（GAG→GTG），使β鏈N端的第6位氨基酸由谷氨酸變成纈氨酸，形成HbS。從三級(jí)結(jié)構(gòu)看，由于第6位氨基酸位于分子表面，而纈氨酸是疏水性氨基酸，使得伸出HbS分子表面的纈氨酸形成了一個(gè)“黏性”突起（疏水接觸點(diǎn)），與另一個(gè)HbS分子β鏈EF角上的“互補(bǔ)口袋”借疏水作用聚合成螺旋形多聚體而沉淀。電鏡下沉淀由長(zhǎng)柱形螺旋纖維束組成，每根纖維是一個(gè)14股HbS鏈的超螺旋。HbS的溶解度很低，易析出結(jié)晶并形成凝膠化的棒狀結(jié)構(gòu)壓迫細(xì)胞膜，使紅細(xì)胞扭曲成鐮刀形（鐮變）。
純合子（HbS/HbS）的鐮狀細(xì)胞不像正常紅細(xì)胞那樣平滑而有彈性，細(xì)胞膜傴硬，脆性增高，變形能力降低，通過(guò)毛細(xì)l血管時(shí)易破裂而發(fā)生溶血性貧血。同時(shí)，鐮狀細(xì)胞使血液黏度增加，導(dǎo)致血流緩慢，細(xì)胞易在毛細(xì)血管中凝聚引起血管阻塞，造成組織缺氧甚至壞死，影響器官的正常功能，產(chǎn)生巨痛，病情急劇惡化可致死。雜合子（HbA/HbS）一般無(wú)臨床癥狀，高海拔（3000 m以上）或極度缺氧條件下才具有鐮狀細(xì)胞特征，另外具有雜合子優(yōu)勢(shì)，有高度的抗瘧力。
地中海貧血又稱海洋性貧血，是由于珠蛋白基因缺失或突變?cè)斐赡撤N珠蛋白鏈合成減少或缺乏，導(dǎo)致珠蛋白鏈比例失衡所引起的一種遺傳性溶血性貧血。正常血紅蛋白合成減少，珠蛋白鏈在紅細(xì)胞內(nèi)聚集沉淀，造成紅細(xì)胞僵硬和膜損傷，引起溶血性貧血。臨床上以α和β地中海貧血最常見(jiàn)。地中海貧血為世界性分布，多見(jiàn)于地中海區(qū)域、中東地區(qū)、印度以及東南亞，我國(guó)則以廣東、廣西、海南等省高發(fā)，北方少見(jiàn)。
來(lái)源：人教版高中生物學(xué)新教材必修教師用書