هموگلوبین شاید کمتر از آنچه کتاب‌های درسی می‌گویند هم‌یار باشد

هموگلوبین، پروتئینی که اکسیژن را در خون ما حمل می‌کند، نمونهٔ درسیِ هم‌یاری (cooperativity) نیز هست: همین که یک مولکول اکسیژن را به خود بست، مولکول‌های بعدی را آسان‌تر می‌بندد، تا چهار مولکول. همین ویژگی به آن امکان می‌دهد در شش‌ها کاملاً بار بگیرد و در بافت‌ها بار خود را خالی کند. دو مدل کلاسیک آن را توضیح می‌دهند — مدلی که ل. پاولینگ (L. Pauling) در 1935 پیشنهاد کرد، که در آن چهار جایگاه اتصال به یکدیگر کمک می‌کنند، و مدل مونو-وایمن-شانژو (MWC) در 1965، که در آن کل مولکول میان دو شکل جابه‌جا می‌شود که اکسیژن را با استحکام کمتر یا بیشتر نگه می‌دارند.

هر دو معمولاً در چارچوبی یکسان محاسبه می‌شوند: یک مولکول هموگلوبین تنها، غوطه‌ور در یک مخزن از مولکول‌های اکسیژن آزاد که با یک فشار توصیف می‌شود. فیزیک‌دانان این را «هنگرد بزرگ‌کانونی» (grand canonical ensemble) می‌نامند. منحنی اشباع — اینکه هموگلوبین در هر فشار چه مقدار اکسیژن نگه می‌دارد — از آن به دست می‌آید، و هم‌یاری از روی همین منحنی خوانده می‌شود.

مخزنی که وجود ندارد

آ. ئی. اللهوردیان (A. E. Allahverdyan) و همکارانش، در آزمایشگاه ملی علیخانیان و دانشگاه دولتی ایروان در ارمنستان، یادآوری می‌کنند که درون یک گلبول قرمز، چنین مخزنی وجود ندارد. غلظت اکسیژن آزادِ حل‌شده در یاخته دست‌کم 100 برابر کمتر از اکسیژن متصل به هموگلوبین است — و این دقیقاً دلیل وجود هموگلوبین است. به ازای هر مولکول اکسیژن آزاد حدود 30 مولکول هموگلوبین وجود دارد. حتی در خون سرخرگی، بیشتر مولکول‌های هموگلوبین هیچ اکسیژن آزادی در نزدیکی خود ندارند: هر کدام تنها چهار مولکولی را می‌بیند که نگه داشته است.

بنابراین گروه وضعیت را به گونه‌ای دیگر توصیف می‌کند: یک هموگلوبین و تعدادی انگشت‌شمار مولکول اکسیژن — حداکثر پنج — در حجمی ثابت، یعنی «هنگرد کانونی» (canonical ensemble). این حجم را میزان فشردگی هموگلوبین در یاخته تعیین می‌کند: حدود چهار برابر حجم خود مولکول، مکعبی به ضلع 6.93 نانومتر. در این تصویر، اکسیژن بر پایهٔ تفاوت‌های انرژی آزاد وارد یا خارج می‌شود؛ انرژی آزاد سنجه‌ای است از اینکه کدام چیدمان از نظر آماری مطلوب‌تر است.

(a) تصویر جدید: یک هموگلوبین (دایره) با چهار مولکول اکسیژنش در حجمی حدود چهار برابر حجم خودش. (b) تصویر معمول: یک هموگلوبین در مخزنی از مولکول‌های اکسیژن آزاد فراوان. (c) دو هموگلوبین همسایه می‌توانند اکسیژن مبادله کنند. — شکل 1، Allahverdyan و همکاران (2026)، arXiv:2611.00824.

هم‌یاری ضعیف‌تر

گروه هر دو مدل کلاسیک را بر داده‌های استانداردی برازش داد که نشان می‌دهند هموگلوبین با کاهش فشار اکسیژن چگونه اکسیژن را رها می‌کند — نخستین مولکول میان 80 و 40 تور جدا می‌شود، آخرین میان 20 و 7.5 تور.

• در مدل پاولینگ، ضریب هم‌یاری (1 یعنی بدون هم‌یاری) در چارچوب جدید 1.88 به دست می‌آید، در برابر 6.32 با چارچوب معمول، با برازش بر همان داده‌ها. برازش خود پاولینگ، با داده‌های قدیمی‌تر، 12 به دست داده بود.
• در مدل MWC، نسبت میان میل ترکیبی دو شکل با اکسیژن — سنجه‌ای از اینکه مولکول چقدر از اتصال ساده و مستقل فاصله می‌گیرد — حدود 4.7 به دست می‌آید، در برابر 95.4 در چارچوب معمول.

همچنان مقداری هم‌یاری لازم است. بدون آن، هموگلوبین می‌توانست در شش‌ها بار بگیرد اما تنها به کار بافت‌های در حال استراحت می‌آمد.

ترازهای انرژی آزاد مدل پاولینگ برای یک تا چهار مولکول اکسیژن متصل. خطوط افقی بازه‌های فیزیولوژیک را نشان می‌دهند؛ تنها بهترین برازش (مثلث‌های سیاه، هم‌یاری 1.88) در همهٔ آن‌ها قرار می‌گیرد. رنگ‌های دیگر هم‌یاری قوی‌تر (سرخابی، قهوه‌ای) و نبودِ هم‌یاری (آبی) را نشان می‌دهند. — شکل 2، Allahverdyan و همکاران (2026)، arXiv:2611.00824.

وقتی همکاری به آبشار بدل می‌شود

در چارچوب جدید، هم‌یاری بیش از اندازه خطرناک می‌شود. با ضریب 4.83، محاسبه یک آبشار به دست می‌دهد: همین که نخستین مولکول اکسیژن جدا شود، سه تای دیگر خودبه‌خود رها می‌شوند — سناریویی که نویسندگان آن را پذیرفتنی نمی‌دانند، زیرا به مسمومیت با اکسیژن می‌انجامد. در 7.83، هموگلوبین دیگر اصلاً نمی‌توانست در شش‌ها بار بگیرد. مقادیر چارچوب معمول نیز، اگر به چارچوب جدید منتقل شوند، به همین ترتیب به ناپایداری می‌انجامند. در مقابل، چارچوب معمول هیچ محدودیتی از این دست تعیین نمی‌کند.

تصویر جدید ماهیت مولکول را نیز تغییر می‌دهد. در توصیف معمول، تعداد مولکول‌های اکسیژن متصل تقریباً به اندازهٔ مقدار میانگینش نوسان می‌کند. در توصیف کانونی، به‌زحمت نوسان می‌کند: هموگلوبین تقریباً مانند یک ماشین رفتار می‌کند، اکسیژن را گام به گام می‌گیرد و رها می‌کند، و مولکولی که پر است اکسیژن بیشتری جذب نمی‌کند.

اکسیژنی که می‌جهد

نویسندگان پیامد دیگری نیز نتیجه می‌گیرند: از آنجا که هموگلوبین‌های همسایه می‌توانند بر پایهٔ انرژی‌های آزادشان اکسیژن مبادله کنند، اکسیژن ممکن است درون گلبول قرمز تا اندازه‌ای با جهیدن از یک هموگلوبین به هموگلوبین بعدی جابه‌جا شود. آزمودن این ایده به مدل‌های دینامیکی نیاز دارد. این پژوهش نظری است، و آستانه‌های فیزیولوژیکش، به گفتهٔ نویسندگان، «تا اندازه‌ای قراردادی» است — اما یکی از پایه‌های توصیف کتاب‌های درسی زیست‌شناسی از اکسیژن خون ما را زیر پرسش می‌برد.