你血液里的铁是一个配合物
从上一篇你已经知道，生命对金属是挑剔的：少数几种元素被选为 生命必需金属，而铁高居榜单前列。本篇就用最著名的那个例子来兑现这个想法——那个把氧气从你的肺运到每一个细胞的铁原子。先把蛋白质拨到一旁，你看到的正是你整个阶梯学过的那类东西：一个过渡金属离子坐在一组配体的中心。蛋白质很精巧，但真正干活的化学，是纯粹的配位化学。
握住铁的那个配体是 血红素：一个扁平的环状 卟啉，一种有机的 大环配体，它四个朝内的氮原子在一个正方形的四个角抓住铁，就像一只手用四根手指把掌心里的弹珠合拢。这正是你早先见过的 螯合 与 大环效应 在全力运作：一个事先组织好的单环把金属夹得比四个分立分子紧得多，所以铁不会就这么掉进你的血液里。也请留意，这是无机化学安然栖身于一个富含碳的分子之中——提醒我们「无机」从不意味着「不含碳」。
数一数配位位点，几何就自然显现。四个卟啉氮占了四个位置；蛋白质从一侧伸进来，献出第五个配体——一个 组氨酸 侧链的氮（即「近端组氨酸」）。这样就恰好剩下一个位点——第六个——朝外指向一个小口袋。于是铁是一个六 配位 中心，呈大致 八面体 排布，而那个空着的第六位置就是全部的关键所在：它是为一个 O2 分子预留的停车位。
O2 落座，铁随之改变自旋
在没有氧气时，铁是 Fe2+，一个 d6 离子，而关键是它处于 高自旋 态。回想你在晶体场那一阶建立的规则：周围的配体撑开一个分裂间隙 delta-o，而 d6 电子是铺开还是配对，取决于 delta-o 与成对能 P 的比较。五配位、配体偏少的去氧铁看到的 delta-o 很小，于是它走 高自旋：六个 d 电子里有四个未成对（t2g^4 eg^2）。高自旋的 Fe2+ 是个略显「胖」的离子，它稍稍太大、塞不进卟啉中心那个方孔，于是略微偏出平面，把环顶成一个浅浅的拱。
现在一个 O2 分子滑入空着的第六位点，与铁成键。氧是一种强场配体——它在 光谱化学序列 中靠上——所以它的加入会急剧加宽 delta-o。如今间隙已大于成对能，电子随之重排：d6 组塌缩成 低自旋 构型 t2g^6 eg^0，六个全部配对、零个未成对。低自旋的 Fe2+ 更小，这下正好嵌进那个方孔。于是铁落回环平面，浅拱被抚平。这个微小的「耸肩」——大约 0.4 埃的位移——正是其后一切的扳机。
肌红蛋白储存，血红蛋白运送
肌红蛋白 是简单的情形：一条蛋白质链裹住一个血红素，是你肌肉里一个孤立的储氧罐。把它被 O2 占据的比例对周围氧压作图，你得到一条朴素的上升曲线，逐渐弯折并饱和——这是单个位点稳步填满的形状。储氧很有用，但当信使却很差：它在高压下抓得太牢，到了氧压低、最需要送达的组织里，反而绝不肯松手。
血红蛋白 则是为运送而生的。它由四个类似肌红蛋白的亚基拼合而成，四个血红素、四个铁位点——而这四个并非彼此独立。这里那著名的「入平面耸肩」就派上了用场。当 O2 在某个铁上结合、把它拉回卟啉平面时，铁牵动相连的近端组氨酸，组氨酸牵动整条蛋白质链，进而把另外三个亚基推入一种更乐于结合氧的构象。每落座一个 O2，就让下一个更容易被捕获。这就是 协同结合，是四个从不相互接触的金属中心之间的机械通讯。
其回报，是一条结合曲线，形状不像肌红蛋白那朴素的弯折，而像被拉长的 S——即 S 形（sigmoid）。蛋白质不情愿地接下第一个氧，随后一拥而上抓住其余，最后饱和。把这条 S 曲线放在两个要紧的氧压处读，要点便全然显现：在肺里、氧气充裕处，血红蛋白处在曲线高位、几乎装满；在工作中的组织里、氧气稀缺处，它落到曲线的陡峭段，只需氧压略降，就卸下一大部分货物。一个平直结合的肌红蛋白绝做不到这点。协同性把四个寻常的铁位点变成了一个开关。
同一份工作的另一种金属：血蓝蛋白
铁并不是运输氧气的唯一方式——它只是脊椎动物选的方式。许多软体动物和节肢动物（蜗牛、章鱼、鲎、龙虾）改用 血蓝蛋白，它靠铜运作。两个 Cu+ 离子，各由组氨酸侧链而非卟啉环握住，彼此靠得很近地坐在活性位点上。一个 O2 分子在它们之间架桥，同时与两个铜结合，并在此过程中把这对铜从 Cu+/Cu+ 氧化为 Cu2+/Cu2+，自己则变成一个桥联过氧根 O2 2-。同样的任务、不同的金属、不同的结合几何，但底层的招式相同：一个过渡金属与 O2 交换一点电子密度。
颜色泄露了化学。去氧血蓝蛋白无色，因为 Cu+ 是 d10——满 d 壳层无 d-d 跃迁可做，所以无法以那种方式吸收可见光。一旦 O2 结合、铜变成 d9 的 Cu2+，配合物就转为深蓝，这些动物的「蓝血」便由此而来。（严格说，那浓烈的蓝色主要是过氧根向铜的 电荷转移 带，而非微弱的 d-d 谱线；但颜色只在氧合时出现，正是铜的电子构型已经改变的诚实信号。）血蓝蛋白同样具有协同性，原因与血红蛋白相同：许多铜对安置在一个巨大的蛋白质里，借由其形状彼此通讯。
一氧化碳为何是杀手
那个迎接氧气的空着的第六位点，也会接纳别的小配体——而一氧化碳是危险的那一个。CO 在同一个低自旋 Fe2+ 口袋里与血红素铁结合，但它结合得牢固得多：对一个裸露、不受保护的血红素，CO 抓得比 O2 强上数千倍。原因正是你在金属羰基化合物里见过的成键图像：CO 是出色的 pi 受体。它向铁提供一对孤对电子，再把电子密度接回自己空的 pi* 轨道，这种双向的 反馈 是 O2 比不了的。一个能同时朝两个方向成键的配体，结合自然更牢。
演化用几何来反击。一个自由的 CO 分子偏好端基、笔直地结合，Fe-C-O 排成完美的一条直线，而 O2 天生弯着结合。蛋白质口袋在第六位点正上方安放了第二个组氨酸（即「远端」组氨酸），像一道低矮的天花板。这道天花板几乎不妨碍弯曲的 O2，却挤压并扭斜了线形的 CO，破坏了它理想的几何，把它的优势从数千倍压到仍然危险的几百倍。这是一件漂亮的位阻工程——蛋白质改变的不是金属，而是塑造了配体靠近的方式。
Heme iron, the sixth site (Fe2+ in a porphyrin):
proximal His-N
|
[N----Fe----N] <- 4 porphyrin nitrogens (the square)
|
X (sixth site, points into the pocket)
X = empty : deoxy -> high-spin Fe2+ (t2g^4 eg^2), 4 unpaired, Fe puckered out of plane
X = O2 : oxy -> low-spin Fe2+ (t2g^6 eg^0), 0 unpaired, Fe in plane, bent Fe-O-O
X = CO : poisoned-> low-spin Fe2+, near-linear Fe-C-O, binds ~hundreds x tighter把线索收拢
退一步看，你会发现这里几乎没有用到新化学。血红素是一个 大环 螯合物；铁是一个六配位、大致 八面体 的 d6 中心；O2 是把它从高自旋翻转为低自旋的强场配体；自旋变化使离子变小、把它拉进环内；这一位移正是驱动协同性的杠杆；CO 凭着更出色的 pi 受体 本领取胜；而蛋白质用位阻反击。每一块都是你在前面阶梯里建起的东西——晶体场分裂、光谱化学序列、螯合效应、氧化态记账、羰基式的反馈成键——如今被组装成一台活的机器。
最后提防把故事讲得过于齐整。蛋白质并非背景布景——若没有它的口袋，一个暴露在空气中的裸血红素会让两个铁夹住一个氧、锈成惰性的 Fe3+ 二聚体，还会贪婪地结合 CO，使生命无从谈起。蛋白质让铁彼此分开、调谐亲和力、把氧弯折、又挤压 CO。所以理解这一切的正确方式，是把它看作一种合作：无机内核提供氧化还原化学与自旋态开关，围绕它的有机骨架则负责调控、保护与协调。这种合作——金属做着任何有机基团都做不到的化学，被一个金属自身永远无法搭建的蛋白质所框定——正是贯穿整个这一阶的主题。