पाठ्यपुस्तके सांगतात तितके हिमोग्लोबिन कदाचित सहकारी नसावे

हिमोग्लोबिन, आपल्या रक्तात ऑक्सिजन वाहून नेणारे प्रथिन, हे सहकारितेचे (cooperativity) पाठ्यपुस्तकी उदाहरणही आहे: ऑक्सिजनचा एक रेणू बांधला गेला की ते पुढचे रेणू अधिक सहजतेने बांधते, चारपर्यंत. यामुळेच ते फुफ्फुसांत पूर्ण भरले जाते आणि ऊतींमध्ये रिकामे होते. दोन अभिजात प्रारूपे हे स्पष्ट करतात — L. Pauling यांनी 1935 मध्ये मांडलेले प्रारूप, ज्यात चार बंधन-स्थळे एकमेकांना मदत करतात, आणि 1965 चे Monod-Wyman-Changeux (MWC) प्रारूप, ज्यात संपूर्ण रेणू दोन आकारांमध्ये बदलत राहतो आणि त्या आकारांची ऑक्सिजनवरील पकड कमी-अधिक घट्ट असते.

दोन्ही प्रारूपे सहसा एकाच मांडणीत सोडवली जातात: मुक्त ऑक्सिजन रेणूंच्या साठ्यात (reservoir) बुडालेला हिमोग्लोबिनचा एकच रेणू, ज्या साठ्याचे वर्णन दाबाने केले जाते. भौतिकशास्त्रज्ञ याला “ग्रँड कॅनॉनिकल समूह” (grand canonical ensemble) म्हणतात. संपृक्तता वक्र — प्रत्येक दाबाला हिमोग्लोबिन किती ऑक्सिजन धरून ठेवते — यातून मिळतो, आणि सहकारिता त्या वक्रावरून वाचली जाते.

जो साठा अस्तित्वातच नाही

आर्मेनियातील Alikhanyan National Laboratory आणि Yerevan State University येथील A. E. Allahverdyan आणि सहकारी लक्ष वेधतात की लाल रक्तपेशीच्या आत असा साठा अस्तित्वातच नसतो. पेशीत विरघळलेल्या मुक्त ऑक्सिजनची संहती हिमोग्लोबिनशी बांधलेल्या ऑक्सिजनपेक्षा किमान 100 पट कमी असते — आणि हिमोग्लोबिन अस्तित्वात असण्याचे कारणच हे आहे. प्रत्येक मुक्त ऑक्सिजन रेणूमागे सुमारे 30 हिमोग्लोबिन रेणू असतात. धमनीतील रक्तातही, बहुतेक हिमोग्लोबिन रेणूंच्या आसपास कुठेही मुक्त ऑक्सिजन नसतो: प्रत्येकाला फक्त स्वतः धरलेले चार रेणूच दिसतात.

म्हणून पथक परिस्थितीचे वेगळे वर्णन करते: स्थिर आकारमानात एक हिमोग्लोबिन आणि ऑक्सिजनचे मोजके रेणू — जास्तीत जास्त पाच, म्हणजेच “कॅनॉनिकल समूह” (canonical ensemble). हे आकारमान पेशीत हिमोग्लोबिन किती दाटीवाटीने भरलेले आहे यावरून ठरते: रेणूच्या स्वतःच्या आकारमानाच्या सुमारे चौपट, म्हणजे 6.93 नॅनोमीटर बाजूचा घन. या चित्रात, ऑक्सिजन मुक्त ऊर्जेतील (free energy) फरकांनुसार आत येतो किंवा बाहेर जातो; कोणती मांडणी सांख्यिकीयदृष्ट्या अनुकूल आहे याचे हे एक माप आहे.

(a) नवे चित्र: स्वतःच्या आकारमानाच्या सुमारे चौपट आकारमानात, आपल्या चार ऑक्सिजन रेणूंसह एक हिमोग्लोबिन (वर्तुळ). (b) नेहमीचे चित्र: अनेक मुक्त ऑक्सिजन रेणूंच्या साठ्यातील एक हिमोग्लोबिन. (c) दोन शेजारी हिमोग्लोबिन ऑक्सिजनची देवाणघेवाण करू शकतात. — Figure 1, Allahverdyan et al. (2026), arXiv:2611.00824.

क्षीण सहकारिता

ऑक्सिजनचा दाब कमी होत जाताना हिमोग्लोबिन ऑक्सिजन कसा सोडते याच्या प्रमाणित माहितीशी पथकाने दोन्ही अभिजात प्रारूपे जुळवली — पहिला रेणू 80 ते 40 टॉर दरम्यान बाहेर पडतो, शेवटचा 20 ते 7.5 टॉर दरम्यान.

• Pauling च्या प्रारूपात, सहकारिता घटक (1 म्हणजे सहकारिता नाही) नव्या चौकटीत 1.88 येतो, तर त्याच माहितीशी जुळवलेल्या नेहमीच्या चौकटीत 6.32. Pauling यांच्या स्वतःच्या, जुन्या माहितीवरील जुळवणीतून 12 आले होते.
• MWC प्रारूपात, दोन आकारांच्या ऑक्सिजन-आसक्तींमधील (affinity) गुणोत्तर — रेणू साध्या, स्वतंत्र बंधनापासून किती दूर जातो याचे माप — सुमारे 4.7 येते, तर नेहमीच्या चौकटीत 95.4.

तरीही काही सहकारिता आवश्यक आहेच. तिच्याशिवाय, हिमोग्लोबिन फुफ्फुसांत भरले जाऊ शकले असते, पण केवळ विश्रांती घेणाऱ्या ऊतींनाच ऑक्सिजन पुरवू शकले असते.

एक ते चार बांधलेल्या ऑक्सिजन रेणूंसाठी Pauling च्या प्रारूपातील मुक्त-ऊर्जा पातळ्या. आडव्या रेषा शरीरक्रियात्मक खिडक्या दर्शवतात; केवळ सर्वोत्तम जुळवणी (काळे त्रिकोण, सहकारिता 1.88) त्या सर्वांत बसते. इतर रंग अधिक प्रबळ सहकारिता (किरमिजी, तपकिरी) आणि सहकारितेचा अभाव (निळा) दर्शवतात. — Figure 2, Allahverdyan et al. (2026), arXiv:2611.00824.

सहकार्य जेव्हा प्रपात बनते

नव्या चौकटीत, अति सहकारिता धोकादायक ठरते. 4.83 या घटकासह, गणनातून एक प्रपात (cascade) निर्माण होतो: ऑक्सिजनचा पहिला रेणू बाहेर पडताच उरलेले तीन आपोआप मुक्त होतात — लेखक या परिस्थितीला अस्वीकार्य म्हणतात, कारण त्यातून ऑक्सिजन विषबाधा होईल. 7.83 वर, हिमोग्लोबिन फुफ्फुसांत अजिबात भरले जाऊ शकणार नाही. नेहमीच्या चौकटीतील मूल्ये नव्या चौकटीत आणली, तरी तशीच अस्थिरता निर्माण होते. याउलट, नेहमीची चौकट अशा कोणत्याही मर्यादा घालत नाही.

नवे चित्र रेणूचे स्वरूपही बदलते. नेहमीच्या वर्णनात, बांधलेल्या ऑक्सिजन रेणूंची संख्या जवळजवळ तिच्या सरासरी मूल्याइतकी चढउतार करते. कॅनॉनिकल वर्णनात, ती क्वचितच चढउतार करते: हिमोग्लोबिन जवळजवळ एखाद्या यंत्रासारखे वागते, एका वेळी एक पायरी या पद्धतीने ऑक्सिजन घेते आणि सोडते, आणि पूर्ण भरलेला रेणू आणखी ऑक्सिजन आकर्षित करत नाही.

उड्या मारणारा ऑक्सिजन

लेखक आणखी एक निष्कर्ष काढतात: शेजारी हिमोग्लोबिन त्यांच्या मुक्त ऊर्जांनुसार ऑक्सिजनची अदलाबदल करू शकत असल्याने, लाल रक्तपेशीच्या आत ऑक्सिजन अंशतः एका हिमोग्लोबिनवरून दुसऱ्यावर उड्या मारत (hopping) प्रवास करत असावा. ही कल्पना तपासण्यासाठी गतिक (dynamic) प्रारूपे लागतील. हा अभ्यास सैद्धान्तिक आहे, आणि त्यातील शरीरक्रियात्मक उंबरठे लेखकांच्याच शब्दांत “काहीसे संकेतानुसार ठरवलेले” (somewhat conventional) आहेत — पण आपल्या रक्तातील ऑक्सिजनचे वर्णन जीवशास्त्राची पाठ्यपुस्तके ज्या प्रकारे करतात, त्याच्या एका आधारस्तंभावरच तो प्रश्नचिन्ह उभे करतो.