选择血红蛋白

马克斯·费迪南德·佩鲁茨（Max Ferdinand Perutz，1914—2002），亦译佩鲁兹，出生于维也纳，1936年前往剑桥卡文迪许实验室，在约翰·戴斯蒙德·贝尔纳指导下研究X射线晶体学。他选择血红蛋白，一方面因为它承担血液运输氧的功能，另一方面因为材料较易取得，且能够形成适合衍射实验的晶体。

战争中断过他的研究。战后，在劳伦斯·布拉格等人的支持下，英国医学研究理事会于1947年建立研究生物系统分子结构的小组，由佩鲁茨领导。1962年发展成立分子生物学实验室后，他担任主席。这种长期支持，为一项多年不能交出完整结构的研究保留了空间。

参考：[1] [4]

重原子如何补上相位信息

X射线衍射记录可以提供各反射的强度，但重建晶体中的电子密度还需要相位。蛋白质分子复杂，仅凭衍射斑点的位置和亮暗不能直接拼出原子排列。佩鲁茨曾利用晶体收缩及盐浓度变化取得部分信息，后来将同晶置换推进到蛋白质研究。

其要点是让重原子化合物进入晶体并结合于特定位点，同时尽量保持原有晶体结构不变。比较加入前后的衍射强度，再结合重原子位置，便可约束原来未知的相位。1953年的实验及随后发表的工作由戴维·格林、弗农·英格拉姆和佩鲁茨共同推进；早期二维投影的成功并不等于已经完成整个蛋白质的三维解析。

参考：[1] [2]

从投影图到三维模型

将方法扩展到三维，仍需准确确定不同重原子衍生物之间的位置关系，并处理大量衍射数据。迈克尔·罗斯曼等人的计算方法和剑桥EDSAC电子计算机参与了这一过程。1959年得到的约5.5埃分辨率血红蛋白图像，显示其不同肽链具有与肌红蛋白相似的折叠轮廓，但尚不能把每个原子都清晰定位。

约翰·肯德鲁领导的肌红蛋白研究与此密切相关，却不是同一项结构成果。肌红蛋白是较小的单链蛋白，主要在肌肉中储氧；血红蛋白则由四条链组成。肯德鲁团队先公布低分辨率肌红蛋白结构，再提高分辨率。两人于1962年共同获得诺贝尔化学奖，奖励的是球状蛋白质结构研究。

参考：[1] [2] [4]

结构解析之后的协同性解释

血红蛋白结合一个氧分子后，会改变其他位点结合氧的倾向，这种协同性不能仅由四个孤立的血红素解释。佩鲁茨继续比较脱氧与结合配体时的结构，将血红素局部变化和亚基之间的整体移动联系起来。

1970年，他提出立体化学机制：氧结合引起铁原子位置改变，并经相连的组氨酸及螺旋传递到亚基界面；某些盐桥则有助于稳定低氧亲和力状态。这是在结构逐步精细化之后提出的功能解释，而非1950年代第一张电子密度图已经解决的问题。后续光谱、动力学及不同血红蛋白的研究继续检验和修正其细节。

参考：[3]