為什么血紅蛋白與一氧化碳的結(jié)合能力比氧氣強(qiáng)？
一氧化碳 (CO) 與紅細(xì)胞的結(jié)合能力比氧 ( [公式] ) 大 210-250 倍，且結(jié)合以后不易與血紅蛋白分離，而碳氧血紅蛋白較氧合血紅蛋白的解離速度慢 3,600 倍，當(dāng) CO 濃度在空氣中達(dá)到 35ppm，結(jié)合了 CO 的血紅蛋白不能再與 [公式]結(jié)合，人就會(huì)缺氧窒息死亡，這就是 CO 中毒的原理。
每個(gè) [公式]分子由 1 個(gè)珠蛋白和 4 個(gè)血紅素（又稱亞鐵原卟啉）組成（如圖 1）。每個(gè)血紅素又由 4 個(gè)吡咯基組成一個(gè)環(huán)，中心為一鐵原子。每個(gè)珠蛋白有 4 條多肽鏈，每條多肽鏈與 1 個(gè)血紅至少連接構(gòu)成 Hb 的單體或亞單位。Hb 是由 4 個(gè)單體構(gòu)成的四聚體。不同 Hb 分子的珠蛋白的多肽鏈的組成不同。成年人 Hb（HbA）的多肽鏈?zhǔn)?2 條 α 鏈和 2 條 β 鏈，為 α2β2 結(jié)構(gòu)。胎兒 [公式] （ [公式] ）是 2 條 α 鏈和 2 條 γ 鏈，為 α2γ2 結(jié)構(gòu)。出生后不久 [公式] 即為 HbFA 所取代。多肽鏈中氨基酸的排列順序已經(jīng)清楚。每條 α 鏈含 141 個(gè)氨基酸殘基，每條 β 鏈含 146 個(gè)氨在酸殘基。血紅素的 [公式] 均連接在多肽鏈的組氨基酸殘基上，這個(gè)組氨酸殘基若被其他氨基酸取代，或其鄰近的氨基酸有所改變，都會(huì)影響 [公式] 的功能。可見(jiàn)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能密切相關(guān)。
血紅素在遇 CO 時(shí)，因 CO 與[公式]的親和力約為 [公式] 的 210-250 倍，與 Hb 結(jié)合后占據(jù) Hb 分子中的「氧結(jié)合位點(diǎn)」，妨礙 [公式]與 [公式]的結(jié)合。即與 CO 合為 [公式] ，而排斥 [公式] ，故須注意吸入 CO 氣體。CO 與血紅素鍵結(jié)時(shí)會(huì)產(chǎn)生 π-donating (Fe(II)) 和 σ-accepting (CO) (如圖 2) ，由此可知 Fe 與 CO 是由兩個(gè) bond 鍵結(jié)而成，也因此相較與氧鍵結(jié)強(qiáng)許多。
以配位鍵的角度來(lái)看，CO 中成三鍵，OO 成雙鍵。所以 CO 鍵比 OO 鍵更活潑，空出的孤對(duì)電子更容易與血紅蛋白中的鐵的空軌道結(jié)合，這說(shuō)明 CO 的配位能力比 [公式]更強(qiáng)。也許你會(huì)問(wèn)：為何 [公式] 雖是雙鍵，但卻沒(méi)辦法跟 CO 一樣與 [公式] 有很強(qiáng)的鍵結(jié)呢？
當(dāng)然，第一點(diǎn)我們必須知道，我們?cè)谟懻?CO 時(shí)，可看出 CO 的「分子軌域，molecular orbital」在 HOMO 的 σ 軌域?yàn)槿珴M的，而 LUMO 的 π 軌域?yàn)榭哲売?，這兩者可分別扮演著電子的提供 π-donating (Fe(II) 提供電子給 CO 的 π 空軌域) ，和電子的接受 σ-accepting (CO 接受 σ 軌域的電子對(duì))，也因此形成強(qiáng)而有力的雙鍵「Fe = C = O」。(如圖 3) 同樣的我們也發(fā)現(xiàn)，CO 是「逆磁性，diamagnetic」相當(dāng)安定，且有 HOMO 和 LUMO 可提供 lone pair and also can accept lone pair。
第二個(gè)來(lái)說(shuō)，我們可以從 [公式] 的分子軌域來(lái)看， [公式]的 π* 分子軌域的電子為「順磁性，paramagnetic」 (作為 LUMO)，而 σ* 分子軌域?yàn)榭哲売?(作為 HOMO)。也因此很明顯 [公式] 并無(wú)法像與 CO 一樣形成共價(jià)雙鍵。氧分子雖有 HOMO， 但仍沒(méi)有很好的 LUMO 所以無(wú)法形成 π-donating (藉由二價(jià)鐵離子 Fe(II)) ，而只有單一共價(jià)鍵)。因此，我們就可因此而判斷 Fe → CO 鍵結(jié)很強(qiáng)、很安定。而所有物質(zhì)都會(huì)以對(duì)自己本身最安定相移動(dòng)，也因此只要一有 CO 存在，CO 馬上就會(huì)替代 [公式] 與血紅素鍵結(jié)，這也是為何會(huì) CO 中毒的原因。