第 6 课 · 35 分钟
生命中的金属：血红蛋白怎样运氧
血红素里的 Fe²⁺ 结合 O₂ 时从高自旋翻成低自旋；四个血红素协同，使 S 形曲线正好在组织的氧分压处最陡。再看玻尔效应、一氧化碳中毒，以及脉搏血氧仪怎样用两个波长读出血氧。
本课目标
- 描述血红素中 Fe²⁺ 的配位环境，并用晶体场理论解释脱氧与氧合时自旋态和磁性的变化
- 比较肌红蛋白的双曲线与血红蛋白的 S 形曲线，用希尔系数描述协同性，并计算从肺到组织卸下的氧
- 用玻尔效应、温度和霍尔丹定律预测 pH、发热和一氧化碳对运氧的影响
- 用氧合与脱氧血红蛋白的吸收光谱解释血液的颜色和脉搏血氧仪的原理
1845 年 11 月 8 日，法拉第测了干血的磁性，在笔记里写下：“必须试试新鲜的液态血。”他没有做下去。九十年后，鲍林和科里尔（1936）做了：氧合血红蛋白和一氧化碳血红蛋白没有未成对电子，脱氧血红蛋白每个血红素却有四个——完全氧合与完全脱氧的血液，磁化率因此相差可达 20 %。
一个铁离子，结合一分子氧，自旋态整个翻转。这一课从血红素里的这个铁讲起：它为什么能可逆地结合 O₂ 而不被氧化，四个血红素怎样“商量”着一起结合与释放氧，为什么一氧化碳致命，以及一个夹在手指上的小仪器怎样读出你血液里的氧。
先预测
动脉血鲜红，静脉血暗红。脱氧血红蛋白比氧合血红蛋白强得多地吸收哪种光？
先选一个答案并锁定，再看模型怎么说。猜错比不猜学得更多。
血红素里的铁
血红素是一个卟啉环，四个氮原子围住一个 Fe²⁺。在肌红蛋白和血红蛋白的每条肽链里，蛋白质的一个组氨酸（近端组氨酸）从下方提供第五个配体，上方留给 O₂。
脱氧时铁只有五个配体，配体场较弱：d⁶ 的 Fe²⁺ 取高自旋（t₂g⁴e_g²，四个未成对电子）。高自旋的 Fe²⁺ 较大，卡不进卟啉的“孔”，停在环平面下方一点。结合 O₂ 后，第六个配体让配体场跨过成对能：铁变成低自旋（t₂g⁶，没有未成对电子），变小，滑进环平面，并拉动近端组氨酸和它所在的螺旋——这一牵动传到其他亚基，正是协同结合的开关（佩鲁茨，1970）。
铁始终保持 +2 价。如果被氧化成 Fe³⁺（高铁血红蛋白，棕色），它就再也不能结合 O₂。蛋白质口袋里的远端组氨酸和疏水环境既稳定了结合的 O₂，也保护铁不被氧化。
- 未成对电子数
- 玻尔磁子
一个位点，还是四个
肌红蛋白只有一个血红素，储存在肌肉里。它的结合曲线是一条双曲线 S = p/(p + P₅₀)——与表面吸附的朗缪尔等温式形式完全相同：一个位点，占据与空出的动态平衡。马肌红蛋白在 37 °C、pH 7.0 下的 P₅₀ 只有 2.39 Torr。
血红蛋白是四聚体，四个血红素。第一个 O₂ 最难结合；它一旦结合，蛋白质从“紧张态”（T）向“松弛态”（R）转变，其余位点的亲和力随之升高。结果是一条 S 形曲线：低压时几乎不结合，中间一段陡升，高压时趋于饱和。常用希尔方程描述这种陡度。
- 氧饱和度
- 半饱和时的氧分压
- 希尔系数
先预测
肺泡中 p(O₂) ≈ 100 Torr，静息组织约 40 Torr。在两者之间，肌红蛋白会放出它所带氧的多少？
先选一个答案并锁定，再看模型怎么说。猜错比不猜学得更多。
例题精解
一分钟送出多少氧
血液含血红蛋白 150 g/L（64 500 g/mol，每个分子最多结合 4 个 O₂）。用标准曲线估算血液从肺（100 Torr）流到静息组织（40 Torr）时每升放出的氧，以及心输出量 5 L/min 时每分钟送出的氧。
酸与热让血红蛋白放手
1904 年，玻尔、哈塞尔巴尔赫和克罗格发现：二氧化碳越多，血液结合氧越少。H⁺ 和 CO₂ 与脱氧血红蛋白结合得更好，稳定了 T 态，把曲线推向右边——这就是玻尔效应。工作中的肌肉又酸又热，正好在最需要的地方多放氧；在肺里，CO₂ 被呼出、pH 回升，血红蛋白又牢牢抓住氧。
Severinghaus 的方程给出 P₅₀ 附近 Δlg P₅₀/ΔpH ≈ −0.52：pH 从 7.40 降到 7.20，P₅₀ 从 26.8 升到 34.1 Torr。温度每升高 1 °C，P₅₀ 约增加 7 %。红细胞中的 2,3-二磷酸甘油酸同样稳定 T 态，这也是胎儿血红蛋白（与它结合较弱）能从母体血液中“抢”氧的原因之一。
计算练习
在 P₅₀ 附近 Δln p/ΔpH = (p/26.6)^0.184 − 2.2（Severinghaus 方程 4）。标准血的 P₅₀ = 26.8 Torr；血液 pH 从 7.40 降到 7.20 时 P₅₀ 变成多少 Torr？
一氧化碳
CO 与 O₂ 争夺同一个位置，而且亲和力高得多。霍尔丹等人（1912）总结出：平衡时一氧化碳血红蛋白与氧合血红蛋白之比等于 M 乘以两种气体分压之比。对松弛态的人血红蛋白，M = 241 ± 29（紧张态约 123）。空气中只要 0.05 % 的 CO，就能在平衡时占去将近一半的血红素。更糟的是，结合了 CO 的血红蛋白处在 R 态，剩下的位点把 O₂ 抓得更紧，曲线左移，组织更难得到氧。
- CO 与 O₂ 的亲和力之比
- 肺泡中的分压
计算练习
空气中含 500 ppm CO，肺泡 p(O₂) = 100 Torr，M = 241。平衡时血红素中被 CO 占据的比例是百分之几？
概念检查
一氧化碳中毒为什么要吸纯氧（必要时用高压氧）？
要点回顾
- 血红素中的 Fe²⁺ 脱氧时五配位、高自旋（四个未成对电子，实测 5.46 μB），结合 O₂ 后六配位、低自旋、抗磁性；铁滑进卟啉平面，牵动蛋白质。
- 肌红蛋白是一条双曲线（P₅₀ 2.39 Torr），是储氧库；血红蛋白是协同的 S 形曲线（P₅₀ 26.8 Torr，n ≈ 2.7），从肺到静息组织放出约 23 % 的氧，运动时远多于此。
- 酸、CO₂ 和热使曲线右移（玻尔效应：Δlg P₅₀/ΔpH ≈ −0.52）；CO 以 M ≈ 240 倍的亲和力竞争同一位点并使曲线左移。
- 脱氧血红蛋白在 660 nm 的吸收是氧合的 10 倍，这让静脉血发暗，也让双波长血氧仪能读出饱和度。
数据与参考文献
- L. Pauling & C. D. Coryell, “The magnetic properties and structure of hemoglobin, oxyhemoglobin and carbonmonoxyhemoglobin”, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 22, 210–216 (1936).
- J. W. Severinghaus, “Simple, accurate equations for human blood O₂ dissociation computations”, J. Appl. Physiol. 46, 599–602 (1979).
- K. A. Schenkman, D. R. Marble, D. H. Burns & E. O. Feigl, “Myoglobin oxygen dissociation by multiwavelength spectroscopy”, J. Appl. Physiol. 82, 86–92 (1997).
- E. Di Cera, M. L. Doyle, P. R. Connelly & S. J. Gill, “Carbon monoxide binding to human hemoglobin A₀”, Biochemistry 26, 6494–6502 (1987).
- M. F. Perutz, “Stereochemistry of cooperative effects in haemoglobin”, Nature 228, 726–734 (1970); J. J. Weiss, “Nature of the iron–oxygen bond in oxyhaemoglobin”, Nature 203, 183 (1964).
- S. A. Prahl, Tabulated molar extinction coefficient for hemoglobin in water (Oregon Medical Laser Center, 1998), from data of W. B. Gratzer and N. Kollias.
- M. W. Sjoding, R. P. Dickson, T. J. Iwashyna, S. E. Gay & T. S. Valley, “Racial bias in pulse oximetry measurement”, N. Engl. J. Med. 383, 2477–2478 (2020).