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血红蛋白中铁元素是怎样运输氧的?


实验室k / 2019-01-16

       生命体逐渐学会利用周围环境中的各种金属元素,其中有一种元素在生命活动中发挥着至关重要的作用,它就是铁。在人体中,铁的职责是把氧输送至全身上下60万亿个细胞。我们甚至可以说铁是人类的生命线。

       血液从肺部出发,将氧输送至全身,然后把代谢产生的二氧化碳运回肺部排出。但氧与二氧化碳的运输方式截然不同。

       用血液输送二氧化碳真是再简单不过了,因为二氧化碳能溶于血液中的水,变成碳酸。即二氧化碳会自己转化成碳酸水,血液不用作任何特殊处理,只要让水分在全身循环就行了。

       但运输氧就没那么容易了。它的可溶性比二氧化碳差得多,如果血液是冷的,还能稍微溶解一些,可我们体温有37度,温度一高,溶解度就直线下降。

       顺便给大家普及一个小知识:为什么热带的海水这么透明?因为那里的海水温度较高,溶解在水中的氧比较少,浮游生物不易存活,于是海水看起来清澈见底。而北方的海水水温较低,溶有更多的氧,更适合浮游生物繁殖,所以水看上去比较浑浊。浮游生物多了,以浮游生物为食的鱼也多,所以巨大的鲸鱼才会栖息在北极圈与南极圈。

       我们体内的血液比热带的海水还要热,氧很难溶于血液。这就需要红细胞中的血红蛋白大展身手了。血红蛋白中有一种叫“血红素”的红色色素,铁就位于血红素的中心。正因为血红蛋白中有铁,它才能高效快速地搬运氧。


       其实,用化合物搬运氧也绝非易事。能和氧结合的物质比比皆是——只要是能氧化的东西,都能和氧结合。问题是,我们还得把这些氧输送给细胞。和其他东西结合在一起的氧对人体细胞毫无用处。

       在肺部与氧结合,再将氧输送给全身的细胞——只有体积够大的金属才能完成这项工作。碳、氢、氧、氮等构成的普通有机化合物的原子太小,不是没法与氧结合,就是结合得太彻底。

       而铁原子比上面几种原子都要大,只要充分利用它最外层的电子轨道,就能在温度较低的肺部让它与氧结合,然后再在温度较高的其他地方将氧剥离。血红蛋白就是专门为“运载氧”量身设计的蛋白质。

       所以人体一旦缺铁,氧的输送环节就会出问题,进而造成贫血。女性朋友有月经,每个月都会流失一定的血液,更容易缺铁,因此贫血患者以女性居多。

       其实从化学角度看,能用来运输氧的金属不止铁一种。铬(Cr)、锰(Mn)、钴(Co)、镍(Ni)、铜(Cu)等元素的最外层电子轨道状态与铁相似。从理论上来说,只要稍稍调整蛋白质的结构,也许就能创造出和血红蛋白有类似功能的物质。

       那为什么人体会把命运托付在铁身上?一言以蔽之,因为铁的存在量多!如果宇宙中到处都是钴,人体就可能用钴来运输氧。这样一来,我们的血液也许就是钴蓝色的了。


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