हीमोग्लोबिन शायद उतना सहयोगी नहीं जितना पाठ्यपुस्तकें बताती हैं

हीमोग्लोबिन (hemoglobin), वह प्रोटीन जो हमारे रक्त में ऑक्सीजन ले जाता है, सहयोगिता (cooperativity) का पाठ्यपुस्तकीय उदाहरण भी है: एक ऑक्सीजन अणु से जुड़ जाने के बाद, यह अगले अणुओं से अधिक आसानी से जुड़ता है, चार तक। इसी से यह फेफड़ों में पूरी तरह भर पाता है और ऊतकों में ख़ाली हो पाता है। दो क्लासिक मॉडल इसकी व्याख्या करते हैं — एक वह जिसे एल. पॉलिंग (L. Pauling) ने 1935 में प्रस्तावित किया, जिसमें चारों बंधन-स्थल एक-दूसरे की मदद करते हैं, और 1965 का मोनो-वाइमन-शांजो (Monod-Wyman-Changeux, MWC) मॉडल, जिसमें पूरा अणु दो आकृतियों के बीच बदलता रहता है जो ऑक्सीजन को कम या अधिक मज़बूती से पकड़ती हैं।

दोनों को आमतौर पर एक ही परिस्थिति में हल किया जाता है: हीमोग्लोबिन का एक अकेला अणु, मुक्त ऑक्सीजन अणुओं के एक भंडार (reservoir) में डूबा हुआ, जिसका वर्णन एक दाब से होता है। भौतिकविद इसे “ग्रैंड कैनॉनिकल एन्सेम्बल” (grand canonical ensemble) कहते हैं। संतृप्ति वक्र — यानी हर दाब पर हीमोग्लोबिन कितनी ऑक्सीजन धारण करता है — इसी से निकलता है, और सहयोगिता उसी वक्र से पढ़ी जाती है।

एक भंडार जो वहाँ है ही नहीं

आर्मेनिया में अलिखान्यान राष्ट्रीय प्रयोगशाला (Alikhanyan National Laboratory) और येरेवान राजकीय विश्वविद्यालय (Yerevan State University) से A. E. अल्लाहवेर्दियान (Allahverdyan) और सहयोगियों के अनुसार, लाल रक्त कोशिका के भीतर वह भंडार मौजूद ही नहीं है। कोशिका में घुली मुक्त ऑक्सीजन, हीमोग्लोबिन से बँधी ऑक्सीजन की तुलना में कम से कम 100 गुना कम सांद्र है — और यही हीमोग्लोबिन के अस्तित्व का कारण है। हर मुक्त ऑक्सीजन अणु के लिए लगभग 30 हीमोग्लोबिन अणु हैं। धमनी के रक्त में भी, अधिकांश हीमोग्लोबिन अणुओं के आसपास कहीं कोई मुक्त ऑक्सीजन नहीं होती: हर एक केवल उन चार अणुओं को देखता है जिन्हें वह थामे हुए है।

इसलिए टीम स्थिति का वर्णन अलग ढंग से करती है: एक हीमोग्लोबिन और मुट्ठी भर ऑक्सीजन अणु — अधिकतम पाँच — एक निश्चित आयतन में, यानी “कैनॉनिकल एन्सेम्बल” (canonical ensemble)। यह आयतन इस बात से तय होता है कि कोशिका में हीमोग्लोबिन कितना ठसाठस भरा है: अणु के अपने आयतन का लगभग चार गुना, 6.93 नैनोमीटर भुजा वाला एक घन। इस चित्र में, ऑक्सीजन मुक्त ऊर्जा (free energy) के अंतरों के अनुसार भीतर या बाहर जाती है, जो इस बात का माप है कि कौन-सी व्यवस्था सांख्यिकीय रूप से अधिक अनुकूल है।

(a) नया चित्र: एक हीमोग्लोबिन (वृत्त) अपने चार ऑक्सीजन अणुओं के साथ, अपने आयतन से लगभग चार गुना बड़े आयतन में। (b) सामान्य चित्र: कई मुक्त ऑक्सीजन अणुओं के भंडार में एक हीमोग्लोबिन। (c) दो पड़ोसी हीमोग्लोबिन ऑक्सीजन का आदान-प्रदान कर सकते हैं। — चित्र 1, Allahverdyan et al. (2026), arXiv:2611.00824.

कमज़ोर सहयोगिता

टीम ने दोनों क्लासिक मॉडलों को उन मानक आँकड़ों पर फ़िट किया जो बताते हैं कि ऑक्सीजन दाब गिरने पर हीमोग्लोबिन ऑक्सीजन कैसे छोड़ता है — पहला अणु 80 और 40 torr के बीच निकलता है, आख़िरी 20 और 7.5 torr के बीच।

• पॉलिंग के मॉडल में, सहयोगिता गुणांक (1 का अर्थ है कोई सहयोगिता नहीं) नए ढाँचे में 1.88 आता है, जबकि सामान्य ढाँचे में, उन्हीं आँकड़ों पर फ़िट करने पर, यह 6.32 आता है। पॉलिंग के अपने फ़िट ने, पुराने आँकड़ों के साथ, 12 दिया था।
• MWC मॉडल में, दोनों आकृतियों की ऑक्सीजन-बंधुता (affinity) का अनुपात — इस बात का माप कि अणु सरल, स्वतंत्र बंधन से कितना हटता है — लगभग 4.7 आता है, जबकि सामान्य ढाँचे में यह 95.4 है।

फिर भी कुछ सहयोगिता ज़रूरी है। इसके बिना, हीमोग्लोबिन फेफड़ों में भर तो सकता था, लेकिन केवल विश्राम कर रहे ऊतकों की ही सेवा कर पाता।

एक से चार बंधे हुए ऑक्सीजन अणुओं के लिए पॉलिंग के मॉडल के मुक्त-ऊर्जा स्तर। क्षैतिज रेखाएँ शारीरिक (physiological) खिड़कियाँ दर्शाती हैं; केवल सर्वश्रेष्ठ फ़िट (काले त्रिकोण, सहयोगिता 1.88) उन सभी में आता है। बाक़ी रंग अधिक प्रबल सहयोगिता (मैजेंटा, भूरा) और शून्य सहयोगिता (नीला) दिखाते हैं। — चित्र 2, Allahverdyan et al. (2026), arXiv:2611.00824.

जब सहयोग कैस्केड में बदल जाता है

नए ढाँचे में, बहुत अधिक सहयोगिता ख़तरनाक हो जाती है। 4.83 के गुणांक के साथ, गणना एक कैस्केड (cascade) पैदा करती है: जैसे ही पहला ऑक्सीजन अणु निकलता है, बाक़ी तीन अपने आप मुक्त हो जाते हैं — एक ऐसा परिदृश्य जिसे लेखकों ने अस्वीकार्य बताया है, क्योंकि इससे ऑक्सीजन विषाक्तता होगी। 7.83 पर, हीमोग्लोबिन फेफड़ों में बिल्कुल भी भर नहीं पाता। सामान्य ढाँचे के मान, नए ढाँचे में लाए जाने पर, इसी तरह अस्थिरताओं की ओर ले जाते हैं। इसके विपरीत, सामान्य ढाँचा ऐसी कोई सीमा तय नहीं करता।

नया चित्र अणु के स्वभाव को भी बदल देता है। सामान्य वर्णन में, बंधे हुए ऑक्सीजन अणुओं की संख्या लगभग उतना ही घटती-बढ़ती है जितना उसका औसत मान है। कैनॉनिकल वर्णन में, यह मुश्किल से घटती-बढ़ती है: हीमोग्लोबिन लगभग एक मशीन की तरह व्यवहार करता है, एक बार में एक क़दम ऑक्सीजन लेता और छोड़ता है, और एक भरा हुआ अणु और ऑक्सीजन को आकर्षित नहीं करता।

उछलती हुई ऑक्सीजन

लेखकों के अनुसार इससे एक और परिणाम निकलता है: चूँकि पड़ोसी हीमोग्लोबिन अपनी मुक्त ऊर्जाओं के अनुसार ऑक्सीजन का लेन-देन कर सकते हैं, इसलिए ऑक्सीजन लाल रक्त कोशिका के भीतर आंशिक रूप से एक हीमोग्लोबिन से अगले पर उछलकर (hopping) यात्रा कर सकती है। इस विचार की जाँच के लिए गतिशील (dynamic) मॉडलों की ज़रूरत होगी। यह अध्ययन सैद्धांतिक है, और इसकी शारीरिक सीमाएँ, लेखकों के शब्दों में, “कुछ हद तक पारंपरिक” (somewhat conventional) हैं — लेकिन यह उस आधारशिला पर सवाल उठाता है जिस पर जीवविज्ञान की पाठ्यपुस्तकें हमारे रक्त में ऑक्सीजन का वर्णन टिकाती हैं।