E21生命体中的化学平衡:血液中血红蛋白传输氧气
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目标:说明血液中O2的输送能通过化学平衡来理解。
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体内发生的许多生化平衡反应对我们的生存起很重要的作用。其中一个例子就是氧气和血液中血红蛋白之间存在的平衡。这个平衡反应能用下面的方程式表示:
这个平衡可用两句话描述:
是不是带有四个位点的球形结构吸附氧气分子比四个独立结构分别吸附一个氧气分子更有优势呢?
在自然界任何事情都组织得很好。也许图E21中的S形曲线有些出乎我们意料，而对这条曲线的解释 并不是显而易见的。从图中可以看出，氧气分压较低的时候转化率非常低，而当氧气分压增大一些的时候 转化率才稍微增长。
这个现象可以简单地用下面的图形解释:
当四个血晶质群中的一个吸附第一个氧气分子时，在结构上发生了变化。在结构上这个变化表现在断裂了两根键。吸附第二个氧气分子时，空间结构也发生了变化，但是这次就没有第一次明显，因此也就更容易发生(表现出只断裂一根键)。吸附第三个氧气分子时也发生了相同的情况。因为吸附第四个氧气分子对球形结构没有进一步改变(没有键断裂)，因此发生得更容易。
这就解释了为什么会观察到S形曲线。
优势是什么呢?
如果血红蛋白是由四个蛋白质链线性连接，那么随着氧气分压改变转化率将如上图变化。这是平衡反应的一个双曲函数模型:
在血红蛋白中，氧气在分压为50hPa和150hPa之间的传输效率为35%，而图E21中的传输效率为75%。我们可以清楚地看到典型的(三级)球形结构的血红蛋白确实有优势，它加倍了传输氧气的功效。
肺部的气囊(气泡)中氧气的分压大约是150hPa，氧气分子穿过细胞壁扩散到毛细血管的Hb分子中。因为那里氧气的分压相当高，平衡向右移动。转化率大约是0.96。就是说，在肺部如果存在25个血红蛋白分子，最多可能有24个吸附氧气。结果富氧的红色血液由心脏压至全身，甚至能毫不费力到达身体末端的组织和细胞。
在细胞中氧气被消耗，血液中氧气的分压降低，并且平衡向左移动释放氧气。氧气的消耗主要是在线粒体(粒状棒型结构，含有代谢脂肪和蛋白质等产生能量所需的酶)内发生了氧化反应。
自由的血红蛋白(Hb)被血流带走，而含氧量低的血液呈现出紫红色，流回心脏。在这种血液中氧气的平均分压仍然有50hPa。它从心脏被压到肺部，在那里又吸附氧气，从而完成了周游全身。
传输二氧化碳的情形是什么样的呢?
哺乳动物吸入氧气呼出二氧化碳。二氧化碳是如何进入肺部的呢?当氧气在氧化过程中消耗时产生二氧化碳，并被血液吸附转变成碳酸，在血流中离子化:
质子帮助氧气分子从血晶质群中释放出来(能从上边给出的平衡方程式看出)。
在肺部发生相反的过程。由于氧气的分压高，质子从血红蛋白中释放出来。这使H2CO3平衡左移，释放CO2。
因此CO2/O2系统因改变两个不同(但相互关联的)平衡反应的平衡条件来保持恒定。
