Биоэнергетика и линейная термодинамика необратимых процессов - Кеплен С.Р.
Скачать (прямая ссылка):
сродства [60]. Транспортные процессы могут быть линейными в очень широком интервале сил (разностей электрохимических потенциалов) по сравнению с реакциями. Кинетические схемы ферментативных реакций всегда состоят из ряда последовательных стадий. Механохимический гидролиз АТФ в мышце явно включает достаточно сложный ряд промежуточных состояний, начиная со стадии связывания АТФ с поперечными мостиками Н-меромиозина с последующими трансформациями и конформа-ционными переходами, прежде чем окончательно отщепляются АДФ и Фн [16]. Поэтому в общем случае реакционный член Фшесь [уравнение (12.6)] состоит из ряда членов, соответствующих элементарным стадиям:
Г
Фшесь = — mgx + лауа + ? Лрир + Л^ (12.8)
p=i
где полное сродство Ак дается суммой
А = Ах+?лр + Ла (12.9)
р-i
Здесь процесс а может относиться к переносу реагента из цитоплазмы или локального компартмента к миозиновому фила-менту, а — к транспорту продуктов из филамента; р указывает на ряд промежуточных стадий г. В стационарном состоянии
Оа = 01 = 02 = ••• = V = Va> = Vk (12.10)
и Фшесъ сводится к исходному виду. Требование линейности было бы удовлетворено, если бы отдельные величины сродства Лр были достаточно малы или располагались в определенный ряд, при условии что факторы, которые изменяют Лр, существенно не влияют на соответствующие кинетические параметры. Это, разумеется, априорное требование, которое едва ли будет выполняться для систем, сильно удаленных от равновесия. Тем не менее, чтобы продвинуться дальше, нам придется ввести здесь представление о правильных траекториях (гл. 6) применительно к механохимическому процессу [т. е. траекториях, удовлетворяющих уравнению (12.6)]. Хорошо известная нелинейность соотношения между силой и скоростью реакции будет полностью определяться химическим процессом [соответствующим уравнению (12.7)].
Эти соображения, конечно, не означают, что х однозначно связана' с у*, т. е. что отношение x/vu постоянно при любых условиях. Если бы это было так, то сопряжение в мышце было бы полным (<7 — 1). В этом и только в этом случае реакция осуществлялась бы до полной остановки при изометрическом сокращении и обращалась бы при любых напряжениях в состоянии тетануса. Если же мышца сопряжена не полностью.
то реакция в принципе может происходить до остановки и обращаться, но лишь при достижении напряжения, превышающего изометрическое. Чем меньше значение q, тем больше возрастание напряжения сверх изометрического, необходимое для этой цели. Напряжения, недостаточно превышающие изометрическое, лишь замедляли бы реакцию. Аббот, Обер и Хилл [2] показали, что вся работа, совершенная мышцей при ее сокращении в результате стимуляции, может быть поглощена, т. е. не приводить к выделению тепла. Инфанте и др. [48] показали, что растяжение активированной икроножной мышцы лягушки, предварительно обработанной фтординитробензолом, более чем на 90 % подавляет расщепление АТФ, хотя развиваемые при этом напряжения на 70 % превышают изометрическое при длине покоя (ресинтез АТФ в конечном счете не наблюдается). Эти авторы показали также, что в процессе изометрического сокращения имеет место стационарный гидролиз АТФ при 0°С. К обсуждению этих явлений мы вернемся несколько позже. На данном этапе достаточно, что можно сделать вывод о неполноте сопряжения трансформации энергии в мышцах.
Прежде чем выписать феноменологические уравнения для мышцы как преобразователя энергии, целесообразно переписать уравнение (12.6) для механохимической функции диссипации в более удобной форме с помощью привычных обозначений силы и потока, введенных Хиллом:
Omech = V (- Р) + JrA (12.11)
где Р — напряжение, V — начальная постоянная скорость при сокращении в условиях тетануса, Jr — скорость сопряженной метаболической реакции, А — как обычно, сродство. Удобно рассматривать — Р как эквивалент обычной силы иа выходе системы Xlt приняв в качестве положительного направление сокращения, поскольку самопроизвольный эффект Р состоит в растяжении мышцы. Тогда Р0 — «изометрическое напряжение», или напряжение, развиваемое, когда мышца лишена возможности сокращаться, — является прямым аналогом э. д. с. электрохимической ячейки, Vm — скорость сокращения при нулевой нагрузке — аналогична току короткого замыкания. Если
V выражена в м/с, то Р надо выразить в ньютонах, чтобы соблюсти размерность. Нагрузочное, или механическое, сопротивление Rl = P/V можно варьировать от нуля до бесконечности. Уравнение (12.11) представляет собой двучленную функцию диссипации, смысл которой состоит в том, что система имеет две степени свободы. Таким образом, уравнению (12.11) соответствуют следующие феноменологические уравнения:
V =Lc(-P) + LerA, Jr = Lcr (— Р) + LrA (12.12,12.13)
18 Кеплси, Зссиг
где предполагается онзагеровская симметрия (индексы сиг указывают на сокращение и реакцию соответственно). Уравнения (12.12) и (12.13) содержат векторные перекрестные коэффициенты. Поэтому подразумевается, что сопряжение осуществляется в анизотропной среде. В этом плане трактовка не отличается от теории Кедем для активного транспорта (гл.З).
