**혈색소** 거의 모든 척추동물은 헤모글로빈을 가지고 있다.

헤모글로빈과 헤모글로빈 유사 분자는 많은 무척추동물, 균류, 식물에서도 발견된다. 이들 생물에서 헤모글로빈은 산소를 운반하거나 이산화 탄소, 산화 질소, 황화 수소, 황화물과 같은 다른 저분자와 이온을 운반하고 조절할 수 있다. 레그헤모글로빈이라는 변종은 콩과식물의 질소 고정 뿌리혹과 같은 혐기성 환경에서 산소를 제거하여 산소 중독을 방지하는 역할을 한다.

빈혈의 한 형태로 의학적 상태인 헤모글로빈혈증은 혈관 내 용혈로 인해 발생하며, 여기서 헤모글로빈은 적혈구에서 혈장으로 누출된다.

## 연구 역사
1825년에 요한 프리드리히 엥겔하르트(Johann Friedrich Engelhart)는 여러 생물종의 헤모글로빈에서 철과 단백질의 비율이 동일하다는 것을 발견했다. 그는 알려진 철의 원자량으로부터 헤모글로빈의 분자량을 ''n'' × 16000 으로 계산했는데, 이는 단백질의 분자량을 최초로 결정한 것이다. 이러한 "성급한 결론"은 어떤 분자도 그렇게 클 수 있다는 것을 믿을 수 없었던 동료 연구자들로부터 조롱거리가 되었다. 그러나 길버트 스미슨 아데어는 1925년에 헤모글로빈 용액의 삼투압을 측정하여 엥겔하르트의 결과를 확인하였다.

혈액은 적어도 1794년부터 산소를 운반하는 것으로 알려져 있었지만,

X선 결정학의 발달로 단백질의 구조를 분석하는 것이 가능해졌다.

혈액 내에서 헤모글로빈의 역할은 프랑스의 생리학자인 클로드 베르나르에 의해 밝혀졌다. 헤모글로빈(hemoglobin)이라는 이름은 헴(heme)과 글로빈(globin)이라는 단어로부터 유래되었으며, 이는 헤모글로빈의 각 소단위체가 헴기를 가지고 있는 구상 단백질이라는 사실을 반영한다. 각 헴기에는 이온 유도 쌍극자 힘을 통해 1개의 산소 분자와 결합할 수 있는 1개의 철 원자가 포함되어 있다. 포유류에서 가장 흔한 유형의 헤모글로빈에는 이러한 소단위체 4개가 포함되어 있다.

## 유전학
헤모글로빈은 단백질의 과학적 특성과 기능을 결정하는 특정 아미노산의 긴 접힌 사슬인 폴리펩타이드로 이루어진 단백질 소단위체(글로빈 분자)로 구성된다. 모든 폴리펩타이드의 아미노산 서열은 해당 유전자의 DNA의 한 부분에서 번역된다. 단백질의 화학적 특성과 기능을 결정하는 것은 아미노산의 서열이다.

하나 이상의 헤모글로빈 유전자가 존재한다. 사람의 경우 헤모글로빈 A(성인의 주요 헤모글로빈 형태)는 HBA1, HBA2, HBB 유전자에 의해 암호화된다. 알파 1 및 알파 2 소단위체는 16번 염색체의 서로 가까운 HBA1과 HBA2 유전자에 의해 각각 암호화되어 있는 반면, 베타 소단위체는 11번 염색체의 11번 염색체의 HBB 유전자에 의해 암호화되어 있다. 글로빈 소단위체의 아미노산 서열은 일반적으로 종마다 다르며, 진화적 거리에 따라 그 차이가 커진다. 예를 들어, 사람, 보노보, 침팬지의 가장 일반적인 헤모글로빈 서열은 완전히 동일하며 정확히 동일한 α 및 β 글로빈 단백질 사슬을 가지고 있다. 사람과 고릴라의 헤모글로빈은 α 사슬과 β 사슬 모두에서 1개의 아미노산이 다르며, 이러한 차이는 종 사이의 진화적 유연 관계가 멀어질수록 더 커진다.

헤모글로빈 유전자의 돌연변이는 단일 종 내에서 헤모글로빈 변이체를 초래할 수 있지만, 일반적으로 각 종에서 하나의 서열이 "가장 일반적"이다.

다른 단백질과 마찬가지로 헤모글로빈 서열의 변화도 적응적일 수 있다. 예를 들어, 헤모글로빈은 해수면의 높은 압력에 비해 산소 분압이 낮을수록 헤모글로빈과의 결합이 감소하는 높은 고도에서의 희박한 공기에 다양한 방식으로 적응하는 것으로 밝혀졌다. 사슴쥐에 대한 최근의 연구에서는 고지대와 저지대의 개체군 차이를 설명할 수 있는 4가지 유전자의 돌연변이가 발견되었다. 두 종의 유전자는 헤모글로빈의 산소 운반 능력을 조절하는 유전자를 제외하고는 사실상 동일하다는 사실이 밝혀졌다. 유전적 차이로 인해 고지대에 서식하는 쥐는 산소를 보다 효율적으로 사용할 수 있다.

또한 조류의 독특한 폐는 O의 낮은 분압에서 산소의 효율적인 사용을 촉진한다. 이러한 두 가지 적응은 서로를 강화하고 조류가 높은 고도에서 기능을 수행하는 것을 설명한다.

헤모글로빈의 적응 사례는 사람에게도 적용할 수 있다. 해발 4,000 m에 거주하는 티베트 여성들 중 높은 산소 포화 유전자형을 가지고 있는 티베트 여성의 자손 생존율이 높다. 자연선택은 이 유전자에 대한 주요 동력으로 보인다. 왜냐하면 자손의 사망률은 헤모글로빈-산소 친화력이 낮은 여성이 낳은 자손의 사망률과 비교할 때 헤모글로빈-산소 친화력이 더 높은 여성이 낳은 자손의 경우 상당히 낮기 때문이다. 이것이 일어나는 정확한 유전자형과 메커니즘은 아직 명확하지 않지만, 자연선택은 이러한 여성의 낮은 분압의 산소와 결합하는 능력에 작용하여 전체적으로 중요한 대사 과정을 더 잘 유지할 수 있게 한다.

## 합성
헤모글로빈은 복잡한 일련의 단계들을 거쳐 합성된다. 헴 부분은 미토콘드리아 및 미성숙 적혈구의 세포질에서 일련의 단계들을 거쳐 합성되며, 글로빈 단백질 부분은 세포질의 리보솜에 의해 합성된다.

## 헴의 구조
헤모글로빈은 많은 다중 소단위체 구형 단백질의 특징인 4차 구조를 가지고 있다.

대부분의 척추동물에서 헤모글로빈 분자는 4개의 구형 단백질 소단위체의 집합체이다. 각 소단위체는 비단백질 부분인 헴 보결분자단과 밀접하게 연관된 단백질 사슬로 구성된다. 각 단백질 사슬은 글로빈 접힘 배열로 서로 연결된 일련의 α-나선 구조 부분으로 배열된다. 이러한 배열은 미오글로빈과 같은 다른 헴/글로빈 단백질에 사용되는 것과 동일한 접힘 모티프이기 때문에 이러한 이름이 붙여졌다.

4개의 폴리펩타이드 사슬은 염다리, 수소 결합 및 소수성 효과에 의해 서로 결합되어 있다.

### 산소 포화도
일반적으로 헤모글로빈은 산소 분자에 의해 포화되거나(옥시헤모글로빈) 불포화(디옥시헴글로빈)될 수 있다.

#### 옥시헤모글로빈
옥시헤모글로빈(산소헤모글로빈)은 생리적 호흡 중에 산소가 적혈구의 헤모글로빈 단백질의 헴 성분과 결합할 때 형성된다. 이 과정은 폐의 폐포에 인접한 폐 모세혈관에서 일어난다. 그런 다음 산소는 혈류를 통해 이동하여 세포에서 산화적 인산화 과정을 통해 ATP 생성을 위한 최종 전자 수용체로 활용된다. 그러나 혈액의 pH 감소를 막는 데는 도움이 되지 않는다. 환기 또는 호흡은 이산화 탄소를 제거하여 이러한 상태를 반전시켜 pH를 상승시킬 수 있다.

헤모글로빈은 긴장된 형태와 이완된 형태의 두 가지 형태로 존재한다. 조직 수준에서 낮은 pH, 높은 CO 친화력에 영향을 미치며, 높은 산소 분압(예: 폐포에 존재하는 산소 분압)에서는 이완된 상태가 선호된다. 반대로 낮은 산소 분압(예: 좆기 세포에 존재하는 산소 분압)에서는 긴장된 상태가 선호된다. 또한 철(II) 헴에 산소가 결합하면 철이 포르피린 고리 평면으로 끌어당겨져 약간의 입체구조적 변화가 일어난다. 이러한 변화는 산소가 헤모글로빈 내에 남아 있는 3개의 헴 단위에 결합하도록 촉진한다(따라서 산소가 결합하는 것은 협동적이다).

고전적으로 옥시헤모글로빈의 철은 철(II) 산화 상태로 존재하는 것으로 보인다. 그러나 산소와 헴 철의 복합체는 반자성인 반면, 산소와 고스핀(high-spin) 철(II)은 둘 다 상자성이다. 실험적 증거는 헴 철이 옥시헤모글로빈에서 철(III) 산화 상태에 있고, 산소는 초과산화물 음이온(O

#### 디옥시헤모글로빈
디옥시헤모글로빈(탈산소화된 헤모글로빈)은 결합된 산소가 없는 헤모글로빈의 형태이다. 옥시헤모글로빈과 디옥시헤모글로빈의 흡수 스펙트럼은 다르다. 옥시헤모글로빈은 디옥시헤모글로빈보다 660 nm 파장에서 훨씬 낮은 흡수율을 갖는 반면, 940 nm에서는 흡수율이 약간 더 높다. 이러한 차이는 맥박산소측정기라는 장비를 사용하여 환자 혈액의 산소량을 측정하는 데 사용된다. 이러한 차이는 또한 저산소증 동안 조직에서 일어나는 파란색에서 자줏빛을 띠는 청색증의 발현을 설명한다.

디옥시헤모글로빈은 상자성이다. 디옥시헤모글로빈은 자기장에 약하게 끌린다.

## 척추동물에서 헤모글로빈의 진화
과학자들은 칠성장어가 턱이 있는 척추동물과 갈라진 후에 헤모글로빈에서 미오글로빈이 분리되는 사건이 일어났다는 데 동의한다.

남극빙어과의 대부분의 뱅어는 찬물에 대한 적응으로 인해 헤모글로빈 유전자를 상실했다.

## 협동성
산소가 철 복합체에 결합하면 철 원자가 포르피린 고리 평면의 중심을 향해 다시 이동하게 된다(오른쪽의 움직이는 그림 참조). 동시에 철의 다른 극에서 상호작용하는 히스티딘 잔기의 이미다졸 곁사슬이 포르피린 고리 쪽으로 당겨진다. 이러한 상호작용은 고리 평면을 사량체 바깥쪽으로 측면에 밀어넣고, 철 원자에 가까워질수록 히스티딘을 포함하는 단백질 나선에 변형을 유도한다. 이러한 변형은 사량체의 나머지 3개의 단량체로 전달되어 다른 헴 부위에서 유사한 입체구조적 변화를 유도하여 산소가 이들 부위에 더 쉽게 결합되도록 한다.

산소가 헤모글로빈의 한 단량체에 결합함에 따라 사량체의 입체구조는 T(긴장된) 상태에서 R(이완된) 상태로 변화한다. 이러한 변화는 나머지 3개의 단량체의 헴기에 대한 산소의 결합을 촉진하여 헤모글로빈 분자를 산소로 포화시킨다.

따라서 정상적인 성인 헤모글로빈의 사량체 형태에서 산소의 결합은 협동적 과정이다. 산소에 대한 헤모글로빈의 결합 친화력은 분자의 산소 포화도에 의해 증가하며, 결합된 첫 번째 산소 분자는 결합에 유리한 방식으로 다음 분자의 결합 부위의 형태에 영향을 미친다. 이러한 긍정적인 협동적 결합은 위에서 논의된 바와 같이 헤모글로빈 단백질 복합체의 입체구조적 변화를 통해 달성된다. 즉, 헤모글로빈의 어떤 소단위체가 산소와 결합하면 전체 복합체의 입체구조적 변화가 시작되어 다른 소단위체의 산소에 대한 친화력이 증가한다. 결과적으로 헤모글로빈의 산소 결합 곡선은 비협동적 결합과 관련된 정상적인 쌍곡선 모양과 달리 S자형이 된다.

헤모글로빈의 협동성의 동적 메커니즘과 저주파 공명과의 관계가 논의되었다.

## 산소 이외의 리간드의 결합
협동적인 방식으로 헤모글로빈에 결합하는 산소 리간드 외에도 헤모글로빈 리간드에는 일산화 탄소(CO)와 같은 경쟁적 저해제와 이산화 탄소(CO

태아 헤모글로빈이라고 불리는 헤모글로빈 변이체는 발생 중인 태아에서 발견되며 성인 헤모글로빈보다 더 큰 친화력으로 산소와 결합한다. 이는 태아 헤모글로빈의 산소 결합 곡선이 성인 헤모글로빈의 산소 결합 곡선과 비교하여 왼쪽으로 이동한다는 것을 의미한다. 즉, 더 높은 비율의 헤모글로빈이 더 낮은 산소 분압에서 산소와 결합되어 있다. 결과적으로 태반에 있는 태아의 혈액은 산소의 혈액으로부터 산소를 얻을 수 있다.

헤모글로빈은 또한 분자의 글로빈 부분으로 산화 질소(NO)를 운반한다. 이는 말초의 산소 운반을 개선하고 호흡의 조절에 기여한다. 산화 질소는 글로빈의 특정 시스테인 잔기에 가역적으로 결합한다. 결합은 헤모글로빈의 상태(R 또는 T)에 따라 달라진다. 생성된 ''S''-나이트로실화 헤모글로빈은 혈관 저항, 혈압 및 호흡의 조절과 같은 다양한 산화 질소 관련 활성에 영향을 미친다. 산화 질소는 적혈구의 세포질에서 방출되지 않지만 음이온 교환체 1(AE1)이라는 음이온 교환체에 의해 적혈구 밖으로 운반된다.

## 사람의 헤모글로빈 유형
헤모글로빈 변이체는 정상적인 배아 및 태아 발생의 일부분이다. 이는 또한 유전적 변이로 인해 개체군 내 헤모글로빈의 병리학적 돌연변이형일 수도 있다. 낫 모양 적혈구 빈혈증과 같은 일부 잘 알려진 헤모글로빈 변이체는 질병의 원인이 되며 헤모글로빈병증으로 간주된다. 다른 변이체는 탐지 가능한 병리를 일으키지 않기 때문에 비병리학적 변이체로 간주된다.

배아에서의 변이체는 다음과 같다.

태아에서의 변이체는 다음과 같다.

신생아(출생 직후의 신생아)에서의 변이체는 다음과 같다.

질병에서 발생하는 비정상적인 형태는 다음과 같다.

## 척추동물에서 헤모글로빈의 분해
적혈구가 노화나 결함으로 인해 수명이 다하면 지라나 간에 있는 대식세포의 식세포 작용에 의해 순환계에서 제거되거나 순환계 내에서 용혈된다. 그런 다음 유리 헤모글로빈은 단핵구 또는 대식세포에서만 발현되는 헤모글로빈 수용체 CD163을 통해 순환계에서 제거된다. 이들 세포 내에서 헤모글로빈 분자는 분해되고 철분은 재활용된다. 이 과정은 또한 분해된 헴 분자 하나 당 일산화 탄소 한 분자를 생성한다.

생물체에서 가장 눈에 띄는 헤모글로빈의 생성 및 용도 중 하나는 리프티아 파킵틸라(''Riftia pachyptila'')에서 찾아볼 수 있다. 리프티아 파킵틸라라는 이 거대 관벌레는 길이가 2.4 m에 달하고 해양의 화산 분출구에서 서식한다. 소화관 대신에 이 벌레에는 무게의 절반을 차지하는 세균 개체군이 포함되어 있다. 세균은 열수구의 H를 흡수한다. 이 구조는 각각 연관된 헴 구조를 포함하는 최대 144개의 글로빈 사슬을 갖는 몇 가지 매우 복잡한 헤모글로빈의 함량으로 인해 밝은 빨간색이다. 이러한 헤모글로빈은 대부분의 다른 종의 헤모글로빈처럼 황화물에 의해 완전히 "중독"되거나 억제되지 낳고 황화물이 있을 때 산소를 운반할 수 있고 심지어 황화물을 운반할 수 있다는 점에서 주목할 만하다.

## 적혈구가 아닌 세포에서의 헤모글로빈
일부 비적혈구 세포에는 헤모글로빈이 포함되어 있다. 뇌에서는 흑색질의 A9 도파민작동성 뉴런, 대뇌 겉질과 해마의 성상교세포, 모든 성숙한 희소돌기아교세포가 여기에 포함된다. 사후에 이들 세포가 어두워지는 원인(라틴어 이름인 substantia nigra의 유래)은 이들 세포에 있는 헤모글로빈 유래 철분이 아니라 뉴로멜라닌에 의한 것이다.

뇌 외부의 헤모글로빈은 대식세포,에서 항산화제 및 철 대사 조절제로서 산소 운반이 아닌 기능을 가지고 있다.

## 역사, 예술에서
역사적으로 피의 색과 녹 사이의 연관성은 로마 신화의 전쟁의 신인 마르스(Mars)와 화성과의 연관성과 관련이 있다. 그 이유는 화성이 고대인에게 피를 연상시키는 주황색-빨간색이기 때문이다. 화성의 색깔은 화성 토양의 산소와 결합된 철 화합물로 인한 것이지만, 혈액이 붉은색인 것이 헤모글로빈과 그 산화물의 철 때문이라는 것은 일반적인 오해이다. 철의 배위자화(ligation) 및 산화환원 상태가 포르피린의 pi에서 pi*로 또는 n에서 pi*로의 전자 전이에 영향을 미치고 따라서 광학적 특성이 있지만 붉은색은 실제로 철 그 자체가 아니라 철이 결합된 헤모글로빈의 포르피린 부분에 기인한다.

예술가인 줄리안 보스 안드레아는 2005년에 단백질의 공격을 기반으로 "하트 오브 스틸(헤모글로빈), Heart of Steel (Hemoglobin)"이라는 조각품을 만들었다. 조각품은 유리와 내후성 강철로 만들어졌다. 처음에는 반짝거리며 빛나는 예술 작품이 의도적으로 녹이 슬어가는 과정은 산소가 철과 결합하는 헤모글로빈의 근본적인 화학 반응을 반영한다.

몬트리올의 예술가인 니콜라스 바이어(Nicolas Baier)는 헤모글로빈 분자의 구조를 보여주는 스테인리스 스틸 조각품인 "Lustre (Hémoglobine)"를 만들었다. 이는 몬트리올에 있는 맥길 대학교 의료 센터의 연구 센터의 아트리움에 전시되어 있다. 이 조각품의 크기는 약 10 m × 10 m × 10 m이다.