七君

順磁性和抗磁性

1845年11月8日，法拉第做了一件萬磁王看了想撕劇本的事，那就是測試了一下血液是否有磁性。法拉第在日記中寫道：“血液沒有鐵磁性，我很震驚……考慮到鐵在幾乎各種狀態(tài)下都具有鐵磁性，這件事就更令人驚訝了?！?/p>

法拉第實際上只發(fā)現(xiàn)了真相的一半。91年后，另一位大佬、曾兩次獲得諾貝爾獎的美國化學家萊納斯·鮑林（Linus Pauling）和同事發(fā)現(xiàn)，動脈血和靜脈血的磁性也有差別，和靜脈血相比，動脈血更容易被磁鐵排斥。

在物理學中，會被磁鐵吸引的性質(zhì)叫做順磁性，會被磁鐵排斥的性質(zhì)叫做抗磁性。實際上“diamagnetic”（抗磁性）這個詞也是法拉第在1845年玩滴一滴血的時候發(fā)明的。法拉第還發(fā)現(xiàn)，所有物質(zhì)都具有不同程度的抗磁性：水、大多數(shù)有機化合物、金屬和水銀（汞）都會被磁鐵排斥。

水會被磁鐵排斥

鉛筆筆芯中石墨的抗磁性讓它們能在磁鐵上懸浮。而在所有具有抗磁性的物質(zhì)中，超導體是王者，它們擁有超強的抗磁性。要確定某個物質(zhì)具有抗磁性還是順磁性很簡單：看它的分子有沒有不成對的電子就可以了。

不成對電子就是單個電子的意思，也就是在分子軌道中形單影只、沒有形成電子對的電子。眾所周知，單身令人躁動，單個電子也是一樣，容易暴走發(fā)生化學反應。比如，青蒿素就是利用單個電子制造的自由基殺死瘧原蟲的。

此外，單個電子也容易失去定力被磁場吸引，讓分子具有順磁性。也就是說，如果一個分子的所有電子都成雙成對，那么它就具有抗磁性;反之，要是一個分子里有未成對的電子，那么它就有順磁性。水銀和金是金屬，但它們因為沒有未成對的單個電子從而具有抗磁性。我們平時觀察不到金和水銀被磁鐵排斥，主要是它的抗磁性比較弱。

提取青蒿素的黃花蒿

人體血液具有抗磁性

血紅蛋白是怎么工作的血紅蛋白由4個含鐵亞基構成.紅點為鐵原子

血紅蛋白是怎么工作的

那么人的血液是什么情況呢？血紅蛋白有4塊“腹肌”，也就是4個含鐵的亞基。每塊“腹肌”都可以掛上氧。腹肌掛環(huán)的叫做氧合血紅蛋白，沒掛環(huán)的叫做脫氧血紅蛋白。

鮑林和同事發(fā)現(xiàn)，氧合血紅蛋白具有抗磁性，但是脫氧血紅蛋白具有順磁性，因為沒被氧套上的鐵原子含有未成對的電子，“氣質(zhì)”浮躁，被套牢以后它就淡定了。所以，靜脈血的順磁性比動脈血更強。那么這個冷知識有什么用呢？實際上，靜脈血和動脈血所具有的不同電磁學性質(zhì)，正是哺乳動物血液輸送氧氣的基礎。

要知道，血紅蛋白的4塊“腹肌”上若有一塊已經(jīng)被氧氣套住的話，其他“腹肌”上的鐵原子和氧氣的結合會變得更容易，這有點像馬太效應——強者恒強。在生化領域，這個現(xiàn)象被稱為“協(xié)同效應”。

協(xié)同效應對氧氣的運輸極為重要。如果血紅蛋白和氧氣死活不分手，那么動脈血即使流到了組織里，也無法把氧氣釋放出來，身體組織就會缺氧。反過來，如果血紅蛋白和氧氣不容易結合，那么靜脈血就無法在肺部帶氧氣上車。最好的血紅蛋白要能順應時勢、見風使舵。

正是由于協(xié)同效應，血紅蛋白成為了最好的自己：它與氧氣的結合能力隨著氧氣濃度的增加而增加。因此在肺泡里血紅蛋白可以高效吸氧，到了身體組織中再愉快地把氧氣吐出來，促進了氧氣流動。協(xié)同效應和血紅蛋白的磁性變化密不可分。

鮑林當初就預測，血紅蛋白某塊“腹肌”上的鐵和氧結合后的磁性變化，讓其他“腹肌”更容易被氧套住。后來在20世紀80年代，奧地利分子生物學家馬克斯·佩魯茨（Max Perutz）和其他人的研究，進一步證實了血紅蛋白的磁性變化對協(xié)同效應的貢獻。

血紅蛋白負責運輸氧氣

為什么沒有人造血液

血紅蛋白氧載體HemAssist

機智的血紅蛋白讓你元氣滿滿充滿好感，這讓人誤以為它們對人只有好處，但你可能不知道，血紅蛋白對人體是有毒性的。

剛才說到，在紅細胞中，血紅蛋白有4塊“腹肌”——4個含鐵亞基形成的四聚體。但是在紅細胞之外，血紅蛋白的4塊“腹肌”很容易劈叉，成為兩個二聚體。血紅蛋白的這種傾向被稱為二聚化。

二聚體會在人體內(nèi)搞事情。20世紀70年代的研究發(fā)現(xiàn)，直接給人注射血紅蛋白（即血紅蛋白氧載體）的話會出大事，沒有細胞封印的血紅蛋白會造成心臟、腎臟等臟器損傷，甚至導致死亡。

實際上，不少制藥企業(yè)都曾研發(fā)HBOC，用來替代昂貴且供給不足的血液，但目前沒有任何一家企業(yè)成功，美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）和大多數(shù)國家的監(jiān)管機構也沒有批準任何HBOC。

比如，美國軍方和美國醫(yī)療器械公司百特國際就曾推出血紅蛋白氧載體HemAssist。這種人造血液曾一路過關進入了臨床3期試驗，遺憾的是，在臨床3期試驗中，研究人員發(fā)現(xiàn)使用了這種人造血液的患者的死亡率高于控制組。

因此，只有被封印在紅細胞里、成為紅細胞“式神”的血紅蛋白，才能安心地給人體打工。這也是為什么人造血液始終沒有出現(xiàn)，而獻血依然還是主流的原因。

（本文經(jīng)授權轉(zhuǎn)載自“把科學帶回家”公眾號，有刪節(jié)）