四級結構與運氧功能

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建立於 2026年10月29日

學習重點 正常成人血紅素 HbA 是 α₂β₂ 的異四聚體（tetramer），由兩條 α 鏈與兩條 β 鏈（即兩對珠蛋白鏈）組成。整個分子不是 homodimer，也不是 heterodimer。 每一條珠蛋白鏈結合一個血基質（heme），每個 heme 含一個原卟啉與一個 Fe²⁺，最多結合一個 O₂。因此每個 HbA 分子共有四個 heme、四個原卟啉、四個 Fe²⁺，最多攜帶四個 O₂。 氧氣是與 heme 中的 Fe²⁺ 結合，不是與珠蛋白鏈結合。四級結構使各次單元之間產生正協同性，氧飽和曲線因此呈 S 型。 應能區分 HbA、HbA₂、HbF 及胚胎期血紅素的珠蛋白鏈組成，並熟悉成人血紅素的組成比例與胎兒造血部位的變化。 血紅素、肌紅素、細胞色素 C 都含有 heme，但三者的次單元數目與功能不同。methemoglobin 的鐵為 Fe³⁺。 核心觀念 一、血基質、珠蛋白鏈與血紅素的組成數目 血基質（heme）由原卟啉 IX（protoporphyrin IX）與一個 Fe²⁺ 構成。一條珠蛋白鏈與一個 heme 結合，形成一個血紅素次單元。正常成人 HbA 由四個次單元組成。 單一 HbA 分子中各部分的數目如下： α 珠蛋白鏈：2 條 β 珠蛋白鏈：2 條 heme：4 個，每條珠蛋白鏈各有一個 原卟啉 IX：4 個，每個 heme 含一個 Fe²⁺：4 個，每個 heme 含一個 可記為：α／β／原卟啉／Fe²⁺＝2／2／4／4。若題目問「幾個 heme 與幾對 globin 肽鏈」，答案是4 個 heme 與 2 對珠蛋白鏈。「兩對」等於四條鏈，不可誤認為只有兩條鏈或只有兩個 heme。 二、四級結構的意義 一級結構：每條珠蛋白鏈的胺基酸排列順序。 二級結構：珠蛋白鏈主要形成 α 螺旋等局部規則構造。 三級結構：單一珠蛋白鏈折疊成球狀，並在疏水性口袋中容納一個 heme。 四級結構：兩條 α 鏈與兩條 β 鏈組合成 α₂β₂ 四聚體。結構上可視為兩組 αβ 二元體相互結合，但完整的血紅素分子是四聚體。這種排列使四個 heme 能協同結合氧氣。 只有具備多個次單元的蛋白質才有四級結構。肌紅素只有一條鏈，因此沒有四級結構，也沒有次單元之間的協同作用。 三、血紅素與氧氣結合的數目及協同性 氧氣與 heme 中心的 Fe²⁺ 可逆結合，鐵在結合過程中不會被氧化。每個 heme 結合一個 O₂，因此一個含四個 heme 的血紅素分子最多可攜帶四個 O₂。 低氧時，血紅素主要呈 T 型（tense），氧親和力較低。氧逐步結合後，分子轉向 R 型（relaxed），其餘 heme 對氧的親和力上升，此現象稱為正協同性。因此氧飽和曲線呈 S 型。這項特性讓血紅素能在肺部充分攝氧，並在組織處有效釋放氧氣。 變性血紅素（methemoglobin）的鐵已被氧化成 Fe³⁺，不能正常結合 O₂。正常具有攜氧能力的 heme 鐵為 Fe²⁺。 四、血紅素可攜帶的其他氣體 血紅素並非只能攜帶氧氣： CO：與 heme 的 Fe²⁺ 結合，親和力遠高於 O₂，形成碳氧血紅素（carboxyhemoglobin），會嚴重妨礙氧的運送與釋放。 CO₂：部分 CO₂ 與珠蛋白鏈的末端胺基結合，形成 carbaminohemoglobin。 NO：也能與血紅素結合。 五、正常成人與其他血紅素的鏈組成 血紅素珠蛋白鏈組成出現時期與比例 HbAα₂β₂正常成人最主要的血紅素，約占 95% 以上 HbA₂α₂δ₂正常成人約占 2～3.5% HbFα₂γ₂胎兒期的主要血紅素，出生後逐漸下降，成人通常少於 1% Gower Iζ₂ε₂胚胎早期 Gower IIα₂ε₂胚胎早期 Portlandζ₂γ₂胚胎早期 成人的三種血紅素都含有兩條 α 鏈，差別在於另一對鏈：HbA 是 β 鏈，HbA₂ 是 δ 鏈，HbF 是 γ 鏈。上述血紅素均為四聚體，每條鏈各結合一個 heme，因此每個分子都有四個 heme，最多攜帶四個 O₂。 鏈的種類會影響氧親和力。HbF 與 2,3-BPG 的結合較弱，對氧的親和力比 HbA 高，有利於胎兒經胎盤從母體取得氧氣。 六、胎兒造血部位與血紅素的發育時序 卵黃囊期：僅在胚胎最早期由卵黃囊製造血球與胚胎型血紅素。 肝臟期：之後由胎兒肝臟取代卵黃囊，成為主要的造血與血紅素合成場所，脾臟也有部分參與。妊娠中期（約 6～30 週）的主要製造部位是肝臟，不是卵黃囊。 骨髓期：妊娠後期骨髓逐漸成為主要造血器官，出生後以骨髓為主。 胎兒期的血紅素以 HbF 為主。胎兒在妊娠後期也開始製造 HbA，出生後 HbF 比例下降，HbA 成為成人的主要血紅素。 七、血紅素、肌紅素與細胞色素 C 的比較 蛋白質次單元與 heme主要功能 血紅素四條珠蛋白鏈、四個 heme運送氧氣，最多結合四個 O₂，具正協同性，飽和曲線呈 S 型 肌紅素一條珠蛋白鏈、一個 heme在肌肉中儲存氧，最多結合一個 O₂，無協同性，飽和曲線呈雙曲線 細胞色素 C一條多肽鏈、一個 heme粒線體電子傳遞，鐵在 Fe²⁺ 與 Fe³⁺ 之間轉換，不負責運氧 三者都含有血基質（heme），這是常考的共同點，但不代表三者功能相同。 常考陷阱 「血紅素是 homodimer 或 heterodimer」：錯誤。完整 HbA 是由四條鏈組成的 α₂β₂ 四聚體（tetramer）。雖然可看成兩組 αβ 二元體，但整個分子不是雙聚體。 「血紅素透過 heme 與氧分子結合」：正確。O₂ 結合在 heme 的 Fe²⁺ 上，不是結合在珠蛋白鏈上。 把「兩對鏈」算成兩個 heme：兩對鏈等於四條鏈，每條鏈一個 heme，共四個 heme，對應選項是「4 和 2」，不是「2 和 4」或「2 和 1」。 原卟啉與鐵的數目算錯：原卟啉與 Fe²⁺ 都跟著 heme 的數目走，各為 4 個，不是 2 個。組成應為 2／2／4／4。 氧攜帶量寫成 1 或 2 個：四個 heme 合計最多結合四個 O₂。只攜帶一個 O₂ 的是肌紅素。 「methemoglobin 含 Fe²⁺」：錯誤。methemoglobin 的鐵為 Fe³⁺，不能攜氧。 「6 至 30 週胎兒主要由卵黃囊製造血色素」：錯誤。卵黃囊只負責胚胎最早期，這段期間的主要製造部位是胎兒肝臟。 「血紅素只能攜帶氧氣」：錯誤。血紅素還能結合 CO、CO₂、NO。 「細胞色素 C 或肌紅素不含 heme」：錯誤。血紅素、肌紅素、細胞色素 C 都含 heme，「三者均含血基質」的敘述是正確的。 把肌紅素當成四聚體：肌紅素是單鏈、單 heme 的蛋白，沒有四級結構，也沒有協同性。 混淆鏈組成：HbA₂ 是 α₂δ₂，HbF 是 α₂γ₂，Gower I 是 ζ₂ε₂（不含 α 鏈）。 記憶口訣 成人 A，二α二β；A₂ 換δ，F 換γ。 一鏈一 heme，一 heme 一鐵一氧；兩對四鏈四 heme，最多四個 O₂。 數目題記「2／2／4／4」：α 和 β 各 2 條，原卟啉和鐵各 4 個。 結構題記「血紅四聚、肌紅單鏈、色素 C 傳電子，三者都有 heme」。 鐵價題記「二價攜氧，三價變性（Met＝Fe³⁺）」。