血紅蛋白血紅素裡面的亞鐵和氧氣結合的時候不會被氧化成三價鐵嗎？

11-16

如果說的確是這樣而且是血紅蛋白運輸氧氣的原理的話，那麼為什麼血紅蛋白會跟CO結合？

是氧合而不是氧化。即 @i0nium 提到的不是「化合」，而是「配合」。

每個Hb（血紅蛋白）分子由1個珠蛋白和4個血紅素，對血紅蛋白的整體結構就不做搬運了，其中運輸氧的關鍵是血紅素又稱亞鐵原卟啉，是下面這個大萌物。

如圖，根據原子軌道理論，二價鐵會形成六個配位鍵，其中四個被上圖卟啉環中的吡咯基上的氮（N）占著，還有兩個，一個被組氨酸殘基的氮占著，另一個用來與氧分子配位（如下）。那麼血紅蛋白是如何運輸氧氣的呢？

-------------------組氨酸殘基 ----------------------------------圖（b)中的卟啉環 -----------------氧氣
（連接著多肽鏈曲折纏繞形成亞基）

該構造厲害之處在於卟啉環的孔徑大小正好符合二價鐵離子，可以把氧分子卡住，而此時輔以結合力相對較弱的配位鍵簡直要吊炸天！首先因為配位鍵結合力度較弱，所以解離和結合的難度相對就小，當二價鐵與氧氣配合後，氧的另一端由於可以形成氫鍵會對Hb的四級結構形成影響（四級結構就是多肽鏈亞基通過非共價鍵而形成大分子體系），因為是非共價鍵結合，當血液環境中CO2和H+的濃度發生改變時，也會對Hb的四級結構產生影響。四級結構發生改變帶來的的一個影響是未配位的二價鐵離子與氧氣的的接觸機會發生改變，即Hb再結合氧氣的難度改變，產生協同效應，氧氣逐個脫離，逐個增加；另一方面（高潮來了）：當血紅蛋白需要脫去氧氣時，四級結構的改變牽拉組氨酸殘基，然後牽拉帶動二價鐵，而鐵與氮配位能力要大於氧的，而此時氧氣確無法穿過卟啉環，便被卡了下來，如此氧氣便脫去。
試著想像上圖從右向左拽的動態過程。

而換成一氧化碳就悲劇了。一氧化碳與二價鐵離子的結合能力要比氮，氧強太多，其中其極性是一大因素，一旦結合很難脫去。影響了上述過程。

另外，從血紅蛋白一級結構（氨基酸殘基的排列）特點來看，大部分氨基酸是可變的，在Hb內部的氨基酸變異非常大，但一般都是從一種疏水氨基酸變為另一種疏水氨基酸。這樣為血紅素提供一個疏水的微環境，可以防止Fe2+與水接觸氧化為Fe3+而喪失與氧結合的功能。

第一個問題：根據能斯特方程，由於配位作用遊離Fe2+的濃度降低，使得鐵離子到亞鐵離子的電極電勢升高，不易被氧氣氧化
第二個問題：http://1.CO是C配位，C的電負性比O低好多，且原子半徑小，電子云密度大，所以比氧氣更易給出孤對電子，更何況CO中C還要接受來自O的配位電子對，使得C更富電子2.亞鐵離子的d軌道中含有電子，形成Fe-C-Sigma配位鍵（已經很強了）後，d軌道中的電子還會反饋到CO的空的Pi反鍵軌道中去，即形成d-Pi反饋鍵，從而又加強了CO和亞鐵離子的配位作用，所以CO比O2和血紅蛋白容易結合得多。

血紅蛋白和氧氣、一氧化碳結合，不是一般的「化合」，而是「配合」（「絡合」）

絡合的過程是提供空軌道的中心離子同提供孤對電子的配體形成配位鍵的過程。
在這一主反應過程中不會有化合價變化，因為只是孤對電子插入空軌道，並沒有發生電子的轉移。

這裡是Fe2+先形成卟啉配合物，再由O2或CO依次刺激卟啉上的四個亞基並與之結合（反應逐漸容易，協同效應）形成的氧合血紅蛋白，正常情況下還是二價鐵。

但其實是有可能被氧化成三價鐵的。（剛剛漏掉的地方，但這不是運輸氧的原理。）

三價鐵的血紅蛋白確實存在（高鐵血紅蛋白），是氧合血紅蛋白通過自身氧化還原而產生的。但事實上這貨不能釋放出O2，而能與CN-、F-等結合。在體內，由於細胞色素b5還原酶——一種NADH依賴型酶（高鐵血紅蛋白還原酶）的作用，含量會被控制在1%左右且較為恆定。

反應如下：
NADH + H+ + 2 高鐵細胞色素b5 = NAD+ + 2 亞鐵細胞色素b5

為什麼又能和CO結合？
到上面為止，其實題主的「如果說的確是這樣而且是血紅蛋白運輸氧氣的原理的話，那麼為什麼血紅蛋白會跟CO結合？」的問題已經解決了吧。
題主提到CO的原因是誤認為運輸氧氣的原理是形成三價鐵，我打下面這段其實純屬多餘了。

之所以血紅蛋白會結合CO是因為CO比起O2配合能力更強，像CO在常溫下就會與鎳形成四羰基鎳（Ni(CO)4），過渡金屬的羰基配位化合物也相當多。（羰基就是CO作為配位體的名稱）

自我反思
這個答案也有問題，比如我只說了CO比O2配合能力更強——我是從結果倒推，沒有理論依據。
順便吐槽，我覺得現代化學最大的問題就在這裡，沒有理論層面的精確可預測性，多的是對結果的總結和概括——配合物的概念其實也是這麼來的。這就導致一個很嚴重的問題：化學一直在「造」概念。
（曾經物理學家指責進化論的時候是不是也是這個原因？但是生物學家們對真社會性哺乳動物的預測扳回一局，如今的化學還有希望么？）

結合的時候看不出來，但分離時確實有一部分被氧化了，成了高鐵血紅素和超氧陰離子。這也是紅細胞內ROS的主要來源。

價態在這裡並沒有太大意義
畢竟配位之後，鐵離子的半徑都變了

咋說得清楚氧化了還是沒氧化？
說氧化了，可以說氧化可逆
說沒氧化，也很有道理，畢竟配體造成半徑改變也很正常

類似的肌紅蛋白在氧氣分壓太低時會氧化成高鐵肌紅蛋白（三價鐵，被卟啉，組氨酸殘基和一個羥基配位），我們老師說是褐色，但是給的圖片上略帶綠色。氧氣分壓較高的時候就生成氧合肌紅蛋白。至於為什麼氧分壓太低反而被氧化，我沒記住，或者他沒說。

血紅蛋白氧化之後變成什麼顏色了呢？