鐮狀細胞貧血是1949年世界上最早發現的第一個分子病，由此開創了疾病分子生物學時代。其分子病理是β基因發生單一堿基突變，正常β基因第6個密碼子為GAG，編譯谷氨酸，突變后變為GTG，編譯纈氨酸，這種單個氨基酸的替代即形成HbS。在臨床上，血紅蛋白S病有3種主要形式：①純合子狀態，即鐮狀細胞貧血;②雜合子狀態，即鐮狀細胞性狀;③血紅蛋白S與其他異常血紅蛋白的雙雜合子狀態，包括血紅蛋白S-β珠蛋白生成障礙性貧血、血紅蛋白C病、血紅蛋白D病等。在脫氧狀態下，HbS的溶解度為脫氧HbA的1/40。因此脫氧可使紅細胞僵硬變形，成為鐮刀狀，故名。
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