設計奇妙的血紅蛋白

「呼吸對人來說，是再簡單不過的動作，也是最明顯的生命跡象。人之所以可以透過呼吸來維持生命，是因為在一個非常複雜的巨分子中，有很多不同的原子相互作用所產生的結果。」——馬克斯·佩魯茨，1962年諾貝爾獎得主，專門研究血紅蛋白分子

對人來說沒有什麼比呼吸更簡單的了，而且我們大多感覺不到自己正在呼吸。不過，要是創造主沒有創造血紅蛋白（血紅素），那麼即使我們可以呼吸也無法生存。血紅蛋白真的是很複雜的分子，也是創造主精心設計的傑作之一。血紅蛋白是在人體的紅血球裡，每個人都有大約30兆個紅血球。如果人少了血紅蛋白就會立刻死亡，因為血紅蛋白會將肺部的氧氣帶到全身的組織裡。

現在的問題是，血紅蛋白怎麼知道什麼時候要到肺裡帶走微小的氧分子？然後又保護著它們，到了一定的時間再放開氧分子呢？這牽涉到分子工程學的幾個奇妙的作用。現在讓我們來看看。

小分子「計程車」

你可以將在紅血球裡的每一個血紅蛋白分子當作一個微小的「四門計程車」，這個計程車只能容納四名「乘客」。特別的是，這個小分子計程車並不需要司機。既然血紅蛋白計程車是在紅血球裡面，那麼紅血球就會帶著它走遍全身，所以紅血球就好像一輛正在行進間的大貨櫃車，裡面裝滿了血紅蛋白分子。

血紅蛋白分子計程車的旅程是從哪裡開始的呢？就是當紅血球貨櫃車來到機場時開始的，而這個機場就是肺部裡的肺泡。我們吸入空氣時會吸入很多很多微小的氧分子，氧分子會先到達肺泡，而這些氧分子就是乘客了，他們都想要搭計程車，於是很快地就把整個紅血球貨櫃車都擠滿了。每個紅血球貨櫃車都有很多血紅蛋白分子計程車，而這時計程車的門都是關著的。可是，在這麼多乘客中有一個氧分子很快地排除萬難擠進計程車裡，選了一個位子開心地坐下來。

現在，有一件有趣的事發生了。紅血球裡的血紅蛋白計程車開始改變形狀，當第一個乘客擠進計程車之後，計程車的四個車門居然都自動地打開了，於是另外三個乘客就很輕鬆地坐進來了，這個過程就叫做合作現象，這是很有效率的交互作用，因為我們吸入一口氣的時間，每個紅血球裡百分之95的計程車都載滿旅客了。一個紅血球內有2.5億個血紅蛋白分子，所以紅血球裡總共有10億個氧分子！紅血球裡的計程車載滿旅客後就出發了，將寶貴的氧分子送到身體需要氧氣的組織裡。現在你可能很好奇，「什麼使氧分子留在車上，到了目的地再讓他們下車呢？」

其實，每個血紅蛋白分子裡都有鐵原子在等著這些氧分子，只要氧分子一上車就會黏著鐵原子。一般來說，當氧和鐵在有水的情況下結合，會有什麼變化呢？就會變成氧化鐵，也就是生鏽了。鐵生鏽的話，就會形成結晶體將氧分子永遠鎖住，氧分子就不能發揮作用。既然紅細胞裡充滿了水，血紅蛋白要怎樣將氧分子和鐵結合或分離，而不會受到水的影響而生鏽呢？

進一步了解

為了解答這個問題，我們先仔細地來看看血紅蛋白分子的結構。在每個血紅蛋白分子裡，有大約1萬個原子，包括氫原子、碳原子、氮原子、硫原子、氧原子，這些原子都在適當的位置，圍繞著4個鐵原子。為什麼4個鐵原子需要那麼多的原子來保護它們呢？

因為這4個鐵原子是帶電原子，所以一定要很小心地保護它們。帶電原子又稱為離子，如果帶電原子離開了自己原來位置，就會對細胞造成很大的破壞。所以，每個鐵原子都固定在一個有保護作用的一塊板子a中間。而這四塊板子就會很小心地放在血紅蛋白分子裡，結果只有氧分子可以接觸到鐵原子，由於水分子無法接觸到鐵原子，鐵原子就不會生鏽，這樣氧分子就不會被鎖住。

血紅蛋白中的鐵原子是無法獨自跟氧分子結合或分離的。但是，要是沒有這四個帶電的鐵原子，血紅蛋白也不能發揮任何作用。這些鐵離子一定要分毫不差地安放在指定的位置，這樣血紅蛋白分子才可以在血液中輸送氧氣。

「氧分子」請下車啦！

紅血球離開動脈後就會慢慢流進身體組織裡的微血管，紅血球周圍的環境就開始改變了，這裡的溫度比肺部還高，氧氣較少，而且紅血球受到二氧化碳包圍，所以酸性也較高。這些改變的信號就是讓紅血球裡的血紅蛋白分子計程車知道，該讓這些尊貴的氧分子乘客下車了。

氧分子一下車後，血紅蛋白分子的形狀又改變了，這個改變並不大，只是要關門而已，並讓氧分子留在車外，也就是身體很需要氧氣的地方。把車門關好是有一個作用的，就是血紅蛋白返回肺部時，即使碰到迷路的氧分子，這些氧分子也無法跳上車回到肺部，這個計程車回程時只接載二氧化碳。

這些缺氧的紅血球很快就回到肺部，到了肺部，血紅蛋白就會讓二氧化碳下車，然後再次接載可以維持生命的氧氣上車。一個紅血球可以生存大約120天，而以上的接載過程則會重複很多很多次。

由此可見，血紅蛋白是個很特別的分子。正如文章開頭指出，血紅蛋白是「很複雜的巨分子」。的確，我們的創造主創造了微觀工程學上一個既精細又精彩的傑作，使生命可以延續下去，我們除了感謝之外，也驚嘆不已！

［腳注］

［第26頁的圖解或圖片］

（排版後的式樣，見出版物）

蛋白結構

氧分子

鐵原子

血基質

在充滿氧氣的肺部裡，一個氧分子會黏著血紅蛋白

當第一個氧分子黏住血紅蛋白後，血紅蛋白的形狀就會稍微改變，於是另外三個氧分子很快地也黏住了血紅蛋白

血紅蛋白會離開肺部，將氧分子送到身體需要氧氣的地方，然後放下氧分子