HEMOGLOBIN MUNGKIN TIDAK SEKOOPERATIF KATA BUKU PELAJARAN

Hemoglobin, protein yang mengangkut oksigen dalam darah kita, juga merupakan contoh klasik buku pelajaran untuk kooperativitas: begitu mengikat satu molekul oksigen, ia mengikat molekul-molekul berikutnya dengan lebih mudah, hingga empat. Inilah yang memungkinkannya terisi penuh di paru-paru dan melepaskan muatannya di jaringan. Dua model klasik menjelaskannya — model yang diajukan L. Pauling pada 1935, dengan keempat situs pengikatan saling membantu, dan model Monod-Wyman-Changeux (MWC) tahun 1965, dengan seluruh molekul beralih di antara dua bentuk yang memegang oksigen lebih erat atau kurang erat.

Keduanya biasanya dikerjakan dalam latar yang sama: satu molekul hemoglobin yang terendam dalam sebuah reservoir molekul oksigen bebas, yang dideskripsikan oleh sebuah tekanan. Fisikawan menyebutnya “ensembel kanonik besar” (grand canonical ensemble). Kurva saturasi — seberapa banyak oksigen yang dipegang hemoglobin pada setiap tekanan — diturunkan darinya, dan kooperativitas dibaca dari kurva itu.

Reservoir yang tidak ada

A. E. Allahverdyan dan rekan-rekan, di Alikhanyan National Laboratory dan Yerevan State University di Armenia, menunjukkan bahwa di dalam sel darah merah, reservoir itu tidak ada. Konsentrasi oksigen bebas yang terlarut di dalam sel setidaknya 100 kali lebih rendah daripada oksigen yang terikat pada hemoglobin — yang justru menjadi alasan keberadaan hemoglobin. Ada sekitar 30 molekul hemoglobin untuk setiap molekul oksigen bebas. Bahkan dalam darah arteri, sebagian besar molekul hemoglobin tidak memiliki oksigen bebas sama sekali di dekatnya: masing-masing hanya melihat empat molekul yang dipegangnya.

Maka tim itu menggambarkan situasinya secara berbeda: satu hemoglobin dan segelintir molekul oksigen — paling banyak lima — dalam volume tetap, yaitu “ensembel kanonik”. Volume itu ditentukan oleh seberapa padat hemoglobin terkemas di dalam sel: sekitar empat kali volume molekul itu sendiri, sebuah kubus bersisi 6,93 nanometer. Dalam gambaran ini, oksigen masuk atau keluar menurut perbedaan energi bebas, ukuran tentang susunan mana yang secara statistik lebih disukai.

(a) Gambaran baru: satu hemoglobin (lingkaran) dengan empat molekul oksigennya dalam volume sekitar empat kali volumenya sendiri. (b) Gambaran yang lazim: sebuah hemoglobin dalam reservoir berisi banyak molekul oksigen bebas. (c) Dua hemoglobin yang bertetangga dapat saling bertukar oksigen. — Gambar 1, Allahverdyan et al. (2026), arXiv:2611.00824.

Kooperativitas yang lebih lemah

Tim itu mencocokkan kedua model klasik dengan data standar tentang cara hemoglobin melepaskan oksigen ketika tekanan oksigen turun — molekul pertama lepas antara 80 dan 40 torr, yang terakhir antara 20 dan 7,5 torr.

• Dalam model Pauling, faktor kooperativitas (1 berarti tidak ada kooperativitas) bernilai 1,88 dalam kerangka baru, dibandingkan 6,32 dengan kerangka yang lazim, dicocokkan pada data yang sama. Pencocokan Pauling sendiri, dengan data yang lebih lama, memberikan 12.
• Dalam model MWC, rasio antara afinitas oksigen kedua bentuk — ukuran seberapa jauh molekul itu menyimpang dari pengikatan sederhana yang independen — bernilai sekitar 4,7, dibandingkan 95,4 dalam kerangka yang lazim.

Sedikit kooperativitas tetap dibutuhkan. Tanpanya, hemoglobin dapat terisi penuh di paru-paru, tetapi hanya akan melayani jaringan yang sedang beristirahat.

Tingkat energi bebas model Pauling untuk satu hingga empat molekul oksigen yang terikat. Garis-garis horizontal menandai jendela fisiologis; hanya pencocokan terbaik (segitiga hitam, kooperativitas 1,88) yang jatuh di dalam semuanya. Warna-warna lain menunjukkan kooperativitas yang lebih kuat (magenta, cokelat) dan tanpa kooperativitas (biru). — Gambar 2, Allahverdyan et al. (2026), arXiv:2611.00824.

Ketika kerja sama berubah menjadi kaskade

Dalam kerangka baru, kooperativitas yang terlalu besar menjadi berbahaya. Dengan faktor 4,83, perhitungan menghasilkan sebuah kaskade: segera setelah molekul oksigen pertama lepas, tiga lainnya terlepas secara otomatis — skenario yang oleh para penulis disebut tidak dapat diterima, karena akan mengakibatkan keracunan oksigen. Pada 7,83, hemoglobin sama sekali tidak dapat lagi terisi di paru-paru. Nilai-nilai dari kerangka yang lazim, jika dibawa ke kerangka baru, juga menimbulkan ketidakstabilan. Sebaliknya, kerangka yang lazim tidak menetapkan batas semacam itu.

Gambaran baru ini juga mengubah watak molekul itu. Dalam deskripsi yang lazim, jumlah molekul oksigen yang terikat berfluktuasi kira-kira sebesar nilai rata-ratanya. Dalam deskripsi kanonik, jumlah itu nyaris tidak berfluktuasi: hemoglobin berperilaku hampir seperti mesin, mengambil dan melepaskan oksigen selangkah demi selangkah, dan molekul yang sudah penuh tidak menarik oksigen lagi.

Oksigen yang melompat

Para penulis menarik satu konsekuensi lagi: karena hemoglobin yang bertetangga dapat saling bertukar oksigen menurut energi bebasnya, oksigen mungkin berpindah di dalam sel darah merah sebagian dengan cara melompat dari satu hemoglobin ke hemoglobin berikutnya. Menguji gagasan itu akan membutuhkan model dinamis. Studi ini bersifat teoretis, dan ambang-ambang fisiologisnya, menurut kata-kata para penulis, “agak konvensional” — tetapi studi ini mempertanyakan salah satu fondasi cara buku-buku pelajaran biologi menggambarkan oksigen dalam darah kita.