血红蛋白是血液中负责运输氧气和二氧化碳的分子，因为含有血红素辅基而呈红色，所以称为血红蛋白。血红蛋白的英文是haemoglobin（英）或hemoglobin（美），所以缩写为Hb。

血红蛋白由4条肽链构成一个四面体构型，肽链之间没有共价连接，所以每条肽链叫做一个亚基，四个亚基之间的位置关系就是它的四级结构了。血红蛋白的四级结构与其运氧功能密切相关。成人的血红蛋白主要是HbA（胎儿血红蛋白是HbF），由两个α亚基和两个β亚基构成，两个β亚基之间有一个二磷酸甘油酸，它与β亚基形成6个盐键，对血红蛋白的四级结构起著稳定的作用。因为其结构稳定，所以不易与氧结合。乍看起来，这似乎对运氧不利。其实，对运输来说，绝对的结合力高低并不重要，重要的是结合力的变化幅度。如果蛋白与氧一直紧密结合，就很难放出，起不到运输作用了。比如骨骼肌中的肌红蛋白，对氧的亲和力很高，就只能储存氧。

血红蛋白结构

血红蛋白运输氧的奥秘在于它的变构能力。当血红蛋白分子中的一个亚基与氧结合后，会引起整个分子四级结构的变化，使其它亚基对氧的亲和力增加，结合加快。第四个亚基对氧的亲和力是第一个亚基的300多倍。反之，一个亚基与氧分离后，其它亚基也易于解离。

血红蛋白氧合变构，引自PDB101

这种通过小分子配基与蛋白质可逆结合，使蛋白质的结构和功能发生变化的现象，称为变构现象。所以血红蛋白是变构蛋白，它的氧合曲线是S形曲线，与变构酶相同。这种曲线的特点是，在某一特定的区间内，只要氧分压（可以理解为氧的含量）有一个较小的变化，即可引起氧饱和度（满载氧气的血红蛋白比例）的较大改变。这种现象有利于氧的运输，因为肺中的氧分压只需比组织中稍微高一些，血红蛋白就可以顺利完成运氧工作。

血红蛋白与肌红蛋白的氧合曲线

血红蛋白氧的氧合曲线还受到温度的影响。温度升高会使血红蛋白的P50（一半分子被氧饱和时的氧分压）升高，即对氧的亲和力减弱。所以鱼类在温度升高时会缺氧，一方面是由于水中氧分压随温度升高而降低，另一方面也是由于血红蛋白对氧的亲和力减弱。

血红蛋白还与一种著名的分子病——镰刀型贫血病有关。这种疾病的患者在缺氧时血液中的红细胞会扭曲成镰刀状，所以叫镰刀型贫血。这种镰状红细胞不能通过毛细血管，所以会阻塞毛细血管，引起局部组织器官缺血缺氧，产生脾肿大、胸腹疼痛等症状。经研究发现，病人血红蛋白β链第六位谷氨酸突变为缬氨酸。这个氨基酸位于分子表面，在缺氧时引起血红蛋白线性凝集，导致红细胞变形成镰刀状。严重时红细胞容易发生破裂，造成溶血，甚至危及生命。这种蛋白质分子一级结构的改变引起其生物功能发生变化，导致疾病的现象称为分子病。

血红蛋白突变导致红细胞在缺氧时变形

镰刀型贫血症的发生率不到万分之一，但是在非洲裔的美国人中发生率却高达六百分之一。研究发现，在非洲疟疾流行的地区，镰刀型贫血携带者对疟疾的感染率比正常人低得多。这是因为镰刀型贫血杂合基因型在人体本身并不表现明显的贫血症状，而对寄生在红细胞里的疟原虫却是致死的，红细胞内轻微缺氧就足以中断疟原虫形成分生孢子，最终死亡。因此，在疟疾流行的地区，不利的镰刀型贫血基因突变却有利于防止疟疾的发生。所以，基因突变是否有害是相对的，在一定外界条件下，有害的突变基因可以转化为有利，反之亦然。

在实验室中用氰酸钾处理突变的血红蛋白(HbS)，使其N端缬氨酸的α氨基酰胺化，可缓解病情。因为这样可去掉一个正电荷，与和二氧化碳结合的血红蛋白相似，所以不会凝聚。目前临床上只能尽量缓解症状，要彻底治疗还有待基因治疗的进展。