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血紅素是一種鐵卟啉化合物,它是血紅蛋白、肌紅蛋白、細胞色素、過氧化氫酶和過氧化物酶的輔基。血紅素在體內分解產生膽色素(bile pigment)。膽色素包括膽紅素、膽綠素、膽素原和膽素等多種化合物,其中以膽紅素為主。

1 血紅素 -簡介

(圖)血紅素血紅素

血紅素(heme)是(血紅蛋白、肌紅蛋白、腦紅蛋白)分子上的主要穩定結構,分子式:C34H32N4FeO4

血紅素是一種鐵卟啉化合物,它是血紅蛋白、肌紅蛋白、腦紅蛋白、細胞色素、過氧化氫酶和過氧化物酶的輔基。血紅素在體內分解產生膽色素(bile pigment)。膽色素包括膽紅素、膽綠素、膽素原和膽素等多種化合物,其中以膽紅素為主。人體內的血紅素由四個亞基構成,分別為兩個α亞基和兩個β亞基,在與人體環境相似的電解質溶液中血紅素的四個亞基可以自動組裝成α2β2的形態。

血紅素的每個亞基由一條肽鏈和一個血紅素分子構成。

2 血紅素 -作用機理

(圖)血紅素血紅素結構式

肽鏈在生理條件下會盤繞摺疊成球形,把血紅素分子抱在裡面,這條肽鏈盤繞成的球形結構又被稱為珠蛋白。血紅素分子是一個具有卟啉結構的小分子,在卟啉分子中心,由卟啉中四個吡咯環上的氮原子與一個亞鐵離子配位結合,珠蛋白肽鏈中第8位的一個組氨酸殘基中的吲哚側鏈上的氮原子從卟啉分子平面的上方與亞鐵離子配位結合,當血紅素不與氧結合的時候,有一個水分子從卟啉環下方與亞鐵離子配位結合,而當血紅素載氧的時候,就由氧分子頂替水的位置。

血紅素與氧結合的過程是一個非常神奇的過程。首先一個氧分子與血紅素四個亞基中的一個結合,與氧結合之後的珠蛋白結構發生變化,造成整個血紅素結構的變化,這種變化使得第二個氧分子相比於第一個氧分子更容易尋找血紅素的另一個亞基結合,而它的結合會進一步促進第三個氧分子的結合,以此類推直到構成血紅素的四個亞基分別與四個氧分子結合。而在組織內釋放氧的過程也是這樣,一個氧分子的離去會刺激另一個的離去,直到完全釋放所有的氧分子,這種有趣的現象稱為協同效應。

血紅素分子結構由於協同效應,血紅素與氧氣的結合曲線呈S形,在特定範圍內隨著環境中氧含量的變化,血紅素與氧分子的結合率有一個劇烈變化的過程,生物體內組織中的氧濃度和肺組織中的氧濃度恰好位於這一突變的兩側,因而在肺組織,血紅素可以充分地與氧結合,在體內其他部分則可以充分地釋放所攜帶的氧分子。可是當環境中的氧氣含量很高或者很低的時候,血紅素的氧結合曲線非常平緩,氧氣濃度巨大的波動也很難使血紅素與氧氣的結合率發生顯著變化,因此健康人即使呼吸純氧,血液運載氧的能力也不會有顯著的提高,從這個角度講,對健康人而言吸氧的所產生心理暗示要遠遠大於其生理作用。當血液內紅細胞破壞過多,肝臟負荷增加,肝細胞內運送、結合和排泄障礙,或肝外膽道阻塞,都可引起血內膽紅素濃度增高而出現黃疸。

除了運載氧,血紅素還可以與二氧化碳、一氧化碳、氰離子結合,結合的方式也與氧完全一樣,所不同的只是結合的牢固程度,一氧化碳、氰離子一旦和血紅素結合就很難離開,這就是煤氣中毒和氰化物中毒的原理,遇到這種情況可以使用其他與這些物質結合能力更強的物質來解毒,比如一氧化碳中毒可以用靜脈注射亞甲基藍的方法來救治。

3 血紅素 -在食品加工與儲藏中的變化

在肉品的加工與儲藏中,肌紅蛋白會轉化為多種衍生物,包括氧合肌紅蛋白、高鐵肌紅蛋白、氧化氮肌紅蛋白、氧化氮高鐵肌紅蛋白、肌色原、高鐵肌色原、氧化氮肌色原、亞硝醯高鐵肌紅蛋白、亞硝醯高鐵血紅素、硫肌紅蛋白和膽綠蛋白。這些衍生物的顏色各異,氧合肌紅蛋白為鮮紅,高鐵肌紅蛋白為褐色,氧化氮肌紅蛋白和氧化氮肌色原為粉紅色,氧化氮高鐵肌紅蛋白為深紅,肌色原為暗紅,高鐵肌色原為褐色,亞硝醯高鐵肌紅蛋白為紅褐色,最後三種物質為綠色。

新鮮肉放置空氣中,表面會形成很薄一層氧合肌紅蛋白的鮮紅色澤。而在中間部分,由於肉中原有的還原性物質存在,肌紅蛋白就會保持還原狀態,故為深紫色。當鮮肉在空氣中放置過久時,還原性物質被耗盡,高鐵肌紅蛋白的褐色就成為主要色澤。圖9-5顯示出這種變化受氧氣分壓的強烈影響,氧氣分壓高時有利於氧合肌紅蛋白的生成,氧氣分壓低時有利於高鐵肌紅蛋白的生成。

鮮肉在熱加工時,由於溫度升高以及氧分壓降低,肌紅蛋白的球蛋白部分變性,鐵被氧化成三價鐵,產生高鐵肌色原,熟肉的色澤呈褐色。當其內部有還原性物質存在時,鐵可能被還原成亞鐵,產生暗紅色的肌色原。火腿、香腸等肉類腌製品的加工中經常使用硝酸鹽或亞硝酸鹽作為發色劑。血紅素的中心鐵離子可與氧化氮以配價鍵結合而轉變為氧化氮肌紅蛋白,加熱則生成鮮紅的氧化氮肌色原,用圖9-6表示。因此,腌肉製品的顏色更加誘人,並對加熱和氧化表現出更大的穩定性。但可見光可促使氧化氮肌紅蛋白和氧化氮肌色原重新分解為肌紅蛋白和肌色原,並被繼續氧化為高鐵肌紅蛋白和高鐵肌色原。這就是腌肉製品見光褐變的原因。

鮮肉不合理存放會導致微生物大量生長,產生過氧化氫、硫化氫等化合物。過氧化氫可強烈氧化血紅素卟啉環的α–亞甲基而生成膽綠蛋白。在氧氣或過氧化氫存在下,硫化氫等硫化物可將硫直接加在卟啉環的α–亞甲基上,成為硫肌紅蛋白。另外,腌肉製品過量使用發色劑時,卟啉環的α–亞甲基被硝基化,生成亞硝醯高鐵血紅素。這是肉類偶爾發生變綠現象的原因。

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