HEMOGLOBIN CÓ THỂ KÉM HỢP TÁC HƠN SÁCH GIÁO KHOA VẪN NÓI

Hemoglobin, protein vận chuyển oxy trong máu của chúng ta, cũng là ví dụ kinh điển trong sách giáo khoa về tính hợp tác (cooperativity): khi đã gắn được một phân tử oxy, nó gắn các phân tử tiếp theo dễ dàng hơn, tối đa bốn phân tử. Chính điều này cho phép nó nạp đầy oxy ở phổi và nhả oxy ở các mô. Hai mô hình kinh điển giải thích hiện tượng này — mô hình do L. Pauling đề xuất năm 1935, trong đó bốn vị trí gắn hỗ trợ lẫn nhau, và mô hình Monod-Wyman-Changeux (MWC) năm 1965, trong đó cả phân tử chuyển đổi giữa hai hình dạng giữ oxy chặt hơn hoặc lỏng hơn.

Cả hai thường được tính toán trong cùng một khung: một phân tử hemoglobin đơn lẻ chìm trong một bể chứa (reservoir) các phân tử oxy tự do, được mô tả bằng một áp suất. Các nhà vật lý gọi đây là “tập hợp chính tắc lớn” (grand canonical ensemble). Đường cong bão hòa — lượng oxy mà hemoglobin giữ ở mỗi áp suất — được suy ra từ đó, và tính hợp tác được đọc ra từ đường cong này.

Một bể chứa không hề tồn tại

A. E. Allahverdyan và các đồng nghiệp, tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Alikhanyan và Đại học Quốc gia Yerevan ở Armenia, chỉ ra rằng bên trong một hồng cầu, bể chứa đó không tồn tại. Oxy tự do hòa tan trong tế bào có nồng độ thấp hơn ít nhất 100 lần so với oxy gắn với hemoglobin — đó cũng chính là lý do hemoglobin tồn tại. Có khoảng 30 phân tử hemoglobin cho mỗi phân tử oxy tự do. Ngay cả trong máu động mạch, phần lớn các phân tử hemoglobin không có phân tử oxy tự do nào ở gần: mỗi phân tử chỉ thấy bốn phân tử oxy mà nó đang giữ.

Vì vậy, nhóm nghiên cứu mô tả tình huống theo cách khác: một hemoglobin và một nhúm phân tử oxy — nhiều nhất là năm — trong một thể tích cố định, tức “tập hợp chính tắc” (canonical ensemble). Thể tích đó được xác định bởi mức độ hemoglobin được xếp chặt trong tế bào: khoảng bốn lần thể tích của chính phân tử, một khối lập phương cạnh 6,93 nanomet. Trong bức tranh này, oxy đi vào hay đi ra tùy theo chênh lệch năng lượng tự do, một đại lượng cho biết cách sắp xếp nào được ưu tiên về mặt thống kê.

(a) Bức tranh mới: một hemoglobin (hình tròn) với bốn phân tử oxy của nó trong một thể tích khoảng bốn lần thể tích của chính nó. (b) Bức tranh thông thường: một hemoglobin trong một bể chứa nhiều phân tử oxy tự do. (c) Hai hemoglobin kề nhau có thể trao đổi oxy. — Hình 1, Allahverdyan et al. (2026), arXiv:2611.00824.

Tính hợp tác yếu hơn

Nhóm nghiên cứu đã khớp cả hai mô hình kinh điển với dữ liệu chuẩn về cách hemoglobin nhả oxy khi áp suất oxy giảm — phân tử đầu tiên rời đi trong khoảng từ 80 đến 40 torr, phân tử cuối cùng trong khoảng từ 20 đến 7,5 torr.

• Trong mô hình của Pauling, hệ số hợp tác (bằng 1 nghĩa là không có hợp tác) đạt 1,88 trong khung mới, so với 6,32 trong khung thông thường, khi khớp với cùng một bộ dữ liệu. Phép khớp của chính Pauling, với dữ liệu cũ hơn, cho ra 12.
• Trong mô hình MWC, tỷ số giữa ái lực với oxy của hai hình dạng — thước đo mức độ phân tử lệch khỏi kiểu gắn đơn giản, độc lập — vào khoảng 4,7, so với 95,4 trong khung thông thường.

Vẫn cần một mức hợp tác nhất định. Không có nó, hemoglobin có thể nạp đầy oxy ở phổi nhưng chỉ phục vụ được các mô đang nghỉ.

Các mức năng lượng tự do của mô hình Pauling khi gắn từ một đến bốn phân tử oxy. Các đường ngang đánh dấu các khoảng sinh lý; chỉ có phép khớp tốt nhất (tam giác đen, hệ số hợp tác 1,88) nằm trong tất cả các khoảng đó. Các màu khác biểu diễn tính hợp tác mạnh hơn (đỏ tía, nâu) và không có hợp tác (xanh lam). — Hình 2, Allahverdyan et al. (2026), arXiv:2611.00824.

Khi hợp tác biến thành thác đổ

Trong khung mới, quá nhiều hợp tác trở nên nguy hiểm. Với hệ số 4,83, phép tính cho ra một hiệu ứng thác đổ: ngay khi phân tử oxy đầu tiên rời đi, ba phân tử còn lại tự động được giải phóng — một kịch bản mà các tác giả gọi là không thể chấp nhận, vì nó sẽ dẫn đến ngộ độc oxy. Ở mức 7,83, hemoglobin hoàn toàn không thể nạp oxy ở phổi nữa. Các giá trị của khung thông thường, khi đưa vào khung mới, cũng dẫn đến bất ổn. Ngược lại, khung thông thường không đặt ra giới hạn nào như vậy.

Bức tranh mới cũng thay đổi bản chất của phân tử. Trong mô tả thông thường, số phân tử oxy đã gắn dao động với biên độ xấp xỉ chính giá trị trung bình của nó. Trong mô tả chính tắc, nó hầu như không dao động: hemoglobin hoạt động gần giống một cỗ máy, nhận và nhả oxy từng bước một, và một phân tử đã đầy thì không hút thêm oxy nữa.

Oxy nhảy cóc

Các tác giả rút ra thêm một hệ quả: vì các hemoglobin kề nhau có thể trao đổi oxy theo năng lượng tự do của chúng, oxy có thể di chuyển bên trong hồng cầu một phần bằng cách nhảy từ hemoglobin này sang hemoglobin kế tiếp. Kiểm chứng ý tưởng đó sẽ cần đến các mô hình động lực học. Nghiên cứu này mang tính lý thuyết, và các ngưỡng sinh lý của nó, theo lời các tác giả, “phần nào mang tính quy ước” — nhưng nó đặt dấu hỏi về một nền tảng trong cách sách giáo khoa sinh học mô tả oxy trong máu của chúng ta.