氧气运输与储存

生命系统利用基于铁和铜的金属蛋白（如血红蛋白和肌红蛋白）可逆地结合氧气，将其输送到全身并在组织中储存。

Definition

氧气运输与储存是金属蛋白在金属中心可逆结合分子氧，以便在血液中运输并在组织中储存以供呼吸作用使用的生物无机化学过程。

Scope

本主题涵盖了双氧载体的生物无机化学：血红蛋白和肌红蛋白的血红素铁中心、血红蛋白的协同氧结合及其变构控制、伴随氧合的结构变化，以及替代氧载体血蓝蛋白和血红蛋白。它涉及可逆的氧结合和储存，而氧激活催化则留待金属酶主题讨论。

Core questions

• 血红素铁中心如何可逆地结合氧气而不被氧化？
• 为什么血红蛋白的氧结合具有协同性？
• 氧合伴随着哪些结构变化？
• 血蓝蛋白和血红蛋白如何利用铜或非血红素铁携带氧气？

Key concepts

• 血红素和近端组氨酸
• 可逆双氧结合
• 协同性和S形曲线
• 变构调节
• 血蓝蛋白（双铜）
• 血红蛋白（双铁）

Key theories

血红素铁的可逆双氧结合

血红素的铁(II)中心位于蛋白质口袋中，并与近端组氨酸相连，以末端方式结合双氧，同时蛋白质阻止不可逆氧化，从而实现反复的摄取和释放循环。

血红蛋白的协同性和变构作用

氧气与一个亚基的结合会触发三级和四级结构变化，从而提高其他亚基的亲和力，形成S形结合曲线，佩鲁茨从蛋白质的立体化学角度解释了这一点。

替代氧载体

血蓝蛋白使用双铜位点，血红蛋白使用非血红素双铁位点结合双氧，这表明自然界已经进化出几种不同的金属中心用于可逆氧气运输。

Mechanisms

在血红蛋白中，氧气与一个亚基的铁结合，将铁拉入血红素平面并使连接的组氨酸发生位移，从而引发四级结构变化，使蛋白质从低亲和力状态转变为高亲和力状态，从而实现协同结合。

Clinical relevance

氧载体的化学是呼吸生理学和氧输送障碍、与血红素位点竞争的一氧化碳毒性以及影响血红蛋白的疾病分子基础的基础；这属于参考资料，而非临床指导。

History

氧气运输的分子基础随着首批蛋白质晶体结构的解析而变得清晰：肯德鲁（Kendrew）解析了肌红蛋白，佩鲁茨（Perutz）解析了血红蛋白，这项工作获得了1962年诺贝尔奖。佩鲁茨随后从氧合和脱氧形式之间的结构差异解释了协同性。

Key figures

• Max Perutz
• John Kendrew
• Linus Pauling

Seminal works

• perutz1970
• lippard1994
• bertini2007

Frequently asked questions

为什么血红蛋白中的铁在结合氧气时不会简单地生锈？

蛋白质口袋将每个血红素隔离开来，并定位近端组氨酸和远端残基，使氧气可逆结合，而不会有两个铁中心相遇形成不可逆氧化的桥联物种，从而使铁可用于重复循环。

协同结合在生理上有什么作用？

协同性赋予血红蛋白陡峭的S形氧结合曲线，因此它在氧分压高的肺部高效加载氧气，并在氧分压低的组织中高效释放氧气。