肌红蛋白与血红蛋白：结构和功能比较
肌红蛋白是肌组织中的一种复杂蛋白质，具有最高的三级结构，由一条多肽链组成并包含一个血红素（一个活性中心）。血红蛋白具有四级结构：四个原聚体（两个α-珠蛋白链和两个β-珠蛋白链）和四个血红素，即四个活性中心。
肌红蛋白具有很高的氧亲和力，能紧密结合氧气，仅在组织出现明显缺氧时才释放。血红蛋白的亲和力较低，承担运输功能：将 O₂ 从肺部输送至组织，并将 CO₂ 从组织输送至肺部。血红蛋白对氧的亲和力可被调节，而肌红蛋白则不能。
血红蛋白是一种寡聚结构域蛋白：其每个亚基称为原聚体，分子中心位于一个变构腔。肌红蛋白是非寡聚蛋白。
血红素的结构与组氨酸的作用
珠蛋白链的二级结构由八个 α-螺旋（A–H）组成。血红素位于 F 和 E 螺旋之间的疏水口袋中，通过两个关键的组氨酸进行固定。
血红素本身是由四个吡咯环组成的卟啉环，其氮原子与中心铁离子 Fe²⁺形成配位键。环的侧链基团为乙烯基、甲基和丙酸基团。
- His F8（近端组氨酸）——与血红素的铁形成配位键，将其固定在蛋白质中。
- His E7（远端组氨酸）——确保 O₂ 分子在口袋中的正确取向，并相对于一氧化碳（CO）提高血红素对氧的亲和力，从而降低中毒风险。
血红素周围的疏水微环境可阻挡水分进入，从而防止 Fe²⁺ 被氧化为无结合氧能力的 Fe³⁺（高铁血红蛋白）。当结合 O₂ 时，His F8 会将铁“拉回”卟啉平面——这一运动会引发协同构象变化。
氧的协同结合
血红蛋白对 O₂ 亲和力的调节始于原聚体的协同构象变化。当结合第一个氧分子时，相应的原聚体会改变其构象，并促进邻近原聚体对 O₂ 的结合。每一个后续分子的结合都变得更容易：第四个分子的结合大约比第一个分子容易 300 倍。
氧的释放过程与此类似：已经解离的 O₂ 越多，下一个分子解离就越容易。这呈现出特征性的S 形解离曲线，并确保了氧气向组织的有效递送。
玻尔效应与 2,3-BPG 调节
玻尔效应：血红蛋白质子化程度越高，其释放氧气就越容易。在代谢活跃的组织中会产生 CO₂，CO₂ 与水结合形成碳酸，碳酸解离为 H⁺ 和 HCO₃⁻。质子的积聚和环境酸化会稳定血红蛋白的脱氧形式并促进 O₂ 的释放。CO₂ 还可与原聚体的 N 末端基团结合，形成氨基甲酰血红蛋白。
在血红蛋白的中心变构腔中会结合2,3-二磷酸甘油酸（2,3-BPG）——这是一种在红细胞拉帕波特-卢本伯格途径（Rapoport-Luebering shunt）中生成的中间代谢产物。在缺氧时其合成会增强。通过结合中心腔，2,3-BPG 降低了血红蛋白对氧的亲和力，并促进其向组织释放氧气。
胎儿血红蛋白（HbF）与 2,3-BPG 的结合较弱，因此对 O₂ 具有更高的亲和力，这对于氧气通过胎盘从母体输送至胎儿是必需的。
变性与分子伴侣
变性——破坏蛋白质的四级、三级以及部分二级结构，但保持一级结构不变。分为可逆变性（可恢复天然构象）和不可逆变性。
- 高温——破坏氢键。
- 酸和碱——破坏氢键和离子键。
- 醇、酚、尿素——主要破坏氢键。
细胞内存在可防止变性并促进正确折叠的分子伴侣。分为组成型分子伴侣（持续存在）和诱导型分子伴侣，例如热休克蛋白（HSP），其合成在应激反应下会增强。
镰状细胞贫血
镰状细胞性贫血（HbS）是一种遗传性血红蛋白病，由 $\beta$-珠蛋白基因的单点突变引起：多肽链第六位的谷氨酸（带负电荷、亲水性）被置换为缬氨酸（疏水性、不带电荷）。
分子表面疏水残基的出现创造了互补位点，脱氧状态下的 HbS 分子通过这些位点聚集成长纤维。这会使红细胞变形，呈现镰刀状，并破坏其膜的弹性和可塑性。
- 镰状红细胞难以通过毛细血管，从而引起微血栓形成和组织缺血。
- 它们的寿命缩短，导致溶血性贫血和慢性缺氧。
- 形式代号：HbA——正常成人血红蛋白，HbF——胎儿血红蛋白，HbS——镰状细胞血红蛋白。
非洲国家高突变频率的原因在于杂合子携带者在疟疾疫区具有选择优势：疟原虫在镰状红细胞中繁殖较差，而镰状红细胞被破坏得更快，使寄生虫无法完成发育周期。
关键要点
- 肌红蛋白是单体，含一个血红素且对 O₂ 具有高亲和力；血红蛋白是四聚体（2α + 2β），含四个血红素并具有运输功能。
- 血红素固定在 F 和 E 螺旋之间的口袋中；His F8 结合 Fe²⁺，His E7 定向 O₂ 并降低对 CO 的亲和力。
- O₂ 的协同结合确保了 S 形解离曲线以及氧气向组织的有效输送。
- 玻尔效应：H⁺ 和 CO₂ 降低血红蛋白对 O₂ 的亲和力，使其更易在活动组织中释放。
- 2,3-BPG 结合于中心腔并减小对 O₂ 的亲和力；在缺氧时其水平升高。
- 胎儿血红蛋白 HbF 与 2,3-BPG 结合较弱，对 O₂ 具有更高的亲和力。
- HbS 是 β 链中 Glu6→Val 的突变，导致血红蛋白聚集和红细胞镰状变形。
- HbS 杂合性可赋予对疟疾的抵抗力，这解释了其在非洲的高突变频率。