为什么血红蛋白与一氧化碳的结合能力比氧气强？

 

　　一氧化碳 (CO) 与红细胞的结合能力比氧 ( [公式] ) 大 210-250 倍，且结合以后不易与血红蛋白分离，而碳氧血红蛋白较氧合血红蛋白的解离速度慢 3,600 倍，当 CO 浓度在空气中达到 35ppm，结合了 CO 的血红蛋白不能再与 [公式]结合，人就会缺氧窒息死亡，这就是 CO 中毒的原理。

 

　　每个 [公式]分子由 1 个珠蛋白和 4 个血红素（又称亚铁原卟啉）组成（如图 1）。每个血红素又由 4 个吡咯基组成一个环，中心为一铁原子。每个珠蛋白有 4 条多肽链，每条多肽链与 1 个血红至少连接构成 Hb 的单体或亚单位。Hb 是由 4 个单体构成的四聚体。不同 Hb 分子的珠蛋白的多肽链的组成不同。成年人 Hb（HbA）的多肽链是 2 条 α 链和 2 条 β 链，为 α2β2 结构。胎儿 [公式] （ [公式] ）是 2 条 α 链和 2 条 γ 链，为 α2γ2 结构。出生后不久 [公式] 即为 HbFA 所取代。多肽链中氨基酸的排列顺序已经清楚。每条 α 链含 141 个氨基酸残基，每条 β 链含 146 个氨在酸残基。血红素的 [公式] 均连接在多肽链的组氨基酸残基上，这个组氨酸残基若被其他氨基酸取代，或其邻近的氨基酸有所改变，都会影响 [公式] 的功能。可见蛋白质结构和功能密切相关。

 

　　血红素在遇 CO 时，因 CO 与[公式]的亲和力约为 [公式] 的 210-250 倍，与 Hb 结合后占据 Hb 分子中的「氧结合位点」，妨碍 [公式]与 [公式]的结合。即与 CO 合为 [公式] ，而排斥 [公式] ，故须注意吸入 CO 气体。CO 与血红素键结时会产生 π-donating (Fe(II)) 和 σ-accepting (CO) (如图 2) ，由此可知 Fe 与 CO 是由两个 bond 键结而成，也因此相较与氧键结强许多。

 

　　以配位键的角度来看，CO 中成三键，OO 成双键。所以 CO 键比 OO 键更活泼，空出的孤对电子更容易与血红蛋白中的铁的空轨道结合，这说明 CO 的配位能力比 [公式]更强。也许你会问：为何 [公式] 虽是双键，但却没办法跟 CO 一样与 [公式] 有很强的键结呢？

 

　　当然，第一点我们必须知道，我们在讨论 CO 时，可看出 CO 的「分子轨域，molecular orbital」在 HOMO 的 σ 轨域为全满的，而 LUMO 的 π 轨域为空轨域，这两者可分别扮演着电子的提供 π-donating (Fe(II) 提供电子给 CO 的 π 空轨域) ，和电子的接受 σ-accepting (CO 接受 σ 轨域的电子对)，也因此形成强而有力的双键「Fe = C = O」。(如图 3) 同样的我们也发现，CO 是「逆磁性，diamagnetic」相当安定，且有 HOMO 和 LUMO 可提供 lone pair and also can accept lone pair。

 

　　第二个来说，我们可以从 [公式] 的分子轨域来看， [公式]的 π* 分子轨域的电子为「顺磁性，paramagnetic」 (作为 LUMO)，而 σ* 分子轨域为空轨域 (作为 HOMO)。也因此很明显 [公式] 并无法像与 CO 一样形成共价双键。氧分子雖有 HOMO， 但仍沒有很好的 LUMO 所以無法形成 π-donating (藉由二價鐵離子 Fe(II)) ，而只有單一共價鍵)。因此，我們就可因此而判斷 Fe → CO 鍵結很強、很安定。而所有物質都會以對自己本身最安定相移動，也因此只要一有 CO 存在，CO 馬上就會替代 [公式] 與血紅素鍵結，這也是為何會 CO 中毒的原因。

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