ГЕМОГЛОБИН, ВОЗМОЖНО, МЕНЕЕ КООПЕРАТИВЕН, ЧЕМ ПИШУТ В УЧЕБНИКАХ

Гемоглобин, белок, переносящий кислород в нашей крови, — ещё и хрестоматийный пример кооперативности: связав одну молекулу кислорода, он легче связывает следующие, вплоть до четырёх. Именно это позволяет ему полностью загружаться в лёгких и разгружаться в тканях. Объясняют это две классические модели — модель 1935 года, автор которой Л. Полинг (L. Pauling), где четыре места связывания помогают друг другу, и модель Моно — Уаймена — Шанжё (MWC) 1965 года, в которой вся молекула переключается между двумя формами, удерживающими кислород сильнее или слабее.

Обе обычно рассчитывают в одних и тех же условиях: одна молекула гемоглобина, погружённая в резервуар свободных молекул кислорода, описываемый давлением. Физики называют это «большим каноническим ансамблем». Из него следует кривая насыщения — сколько кислорода гемоглобин удерживает при каждом давлении, — и кооперативность определяют по этой кривой.

Резервуар, которого нет

А. Э. Аллахвердян (A. E. Allahverdyan) и коллеги из Национальной научной лаборатории имени Алиханяна и Ереванского государственного университета в Армении указывают, что внутри эритроцита такого резервуара не существует. Свободный кислород, растворённый в клетке, по крайней мере в 100 раз менее концентрирован, чем кислород, связанный с гемоглобином, — в этом и состоит сама причина существования гемоглобина. На каждую свободную молекулу кислорода приходится около 30 молекул гемоглобина. Даже в артериальной крови рядом с большинством молекул гемоглобина нет никакого свободного кислорода: каждая видит лишь те четыре молекулы, которые удерживает сама.

Поэтому команда описывает ситуацию иначе: один гемоглобин и горстка молекул кислорода — не больше пяти — в фиксированном объёме, «канонический ансамбль». Этот объём задаётся тем, насколько плотно гемоглобин упакован в клетке: примерно в четыре раза больше собственного объёма молекулы, куб со стороной 6,93 нанометра. В этой картине кислород входит или выходит в зависимости от разницы свободной энергии — меры того, какое расположение статистически выгоднее.

Схемы, сравнивающие один гемоглобин с четырьмя молекулами кислорода в маленьком ящике, один гемоглобин среди множества свободных молекул кислорода и два соседних гемоглобина, обменивающихся кислородом.

(a) Новая картина: один гемоглобин (круг) с четырьмя своими молекулами кислорода в объёме, примерно вчетверо превышающем его собственный. (b) Привычная картина: гемоглобин в резервуаре из множества свободных молекул кислорода. (c) Два соседних гемоглобина могут обмениваться кислородом. — Рисунок 1, Allahverdyan et al. (2026), arXiv:2611.00824.

Более слабая кооперативность

Команда подогнала обе классические модели к стандартным данным о том, как гемоглобин отдаёт кислород по мере падения давления кислорода: первая молекула уходит между 80 и 40 торр, последняя — между 20 и 7,5 торр.

В модели Полинга множитель кооперативности (1 означает её отсутствие) получается равным 1,88 в новом подходе против 6,32 в обычном, при подгонке к тем же данным. Исходная подгонка Полинга по более старым данным давала 12.
В модели MWC отношение сродства к кислороду у двух форм — мера того, насколько молекула отклоняется от простого независимого связывания, — получается около 4,7 против 95,4 в обычном подходе.

Некоторая кооперативность всё же нужна. Без неё гемоглобин мог бы загружаться в лёгких, но обслуживал бы только ткани в покое.

График четырёх уровней свободной энергии в зависимости от числа связанных молекул кислорода, с горизонтальными полосами; чёрные треугольники попадают в каждую полосу.

Уровни свободной энергии в модели Полинга для одной–четырёх связанных молекул кислорода. Горизонтальные линии отмечают физиологические окна; во все из них попадает только наилучшая подгонка (чёрные треугольники, кооперативность 1,88). Другие цвета показывают более сильную кооперативность (пурпурный, коричневый) и её отсутствие (синий). — Рисунок 2, Allahverdyan et al. (2026), arXiv:2611.00824.

Когда кооперация превращается в каскад

В новом подходе избыточная кооперативность становится опасной. При множителе 4,83 расчёт даёт каскад: как только уходит первая молекула кислорода, остальные три высвобождаются автоматически — сценарий, который авторы называют неприемлемым, потому что он привёл бы к кислородному отравлению. При 7,83 гемоглобин вообще не смог бы загружаться в лёгких. Значения из обычного подхода, перенесённые в новый, тоже ведут к неустойчивостям. Обычный подход, напротив, никаких таких ограничений не задаёт.

Новая картина меняет и характер самой молекулы. В обычном описании число связанных молекул кислорода флуктуирует примерно на величину своего среднего значения. В каноническом оно почти не флуктуирует: гемоглобин ведёт себя почти как машина, принимая и отдавая кислород по одному шагу за раз, а полностью загруженная молекула больше кислород не притягивает.

Кислород, который перескакивает

Авторы выводят ещё одно следствие: поскольку соседние гемоглобины могут обмениваться кислородом в соответствии со своими свободными энергиями, кислород внутри эритроцита, возможно, отчасти перемещается, перескакивая от одного гемоглобина к другому. Чтобы проверить эту идею, понадобятся динамические модели. Исследование теоретическое, и его физиологические пороги, по словам авторов, «в некоторой степени условны», — но оно ставит под вопрос один из краеугольных камней того, как учебники биологии описывают кислород в нашей крови.