Биоэнергетика и линейная термодинамика необратимых процессов - Кеплен С.Р.
Скачать (прямая ссылка):
д = л/ф0Ыт1а0 (12.41)
Подставляя значения молекулярных параметров, полученные путем обработки литературного материала, Оплатка рассчитал, что степень сопряжения q примерно равна 0,9 в согласии с оценками, полученными Кепленом [12] на основе уравнения
(12.23).
Уравнение (12.40) можно также использовать для определения феноменологической стехиометрии Z, которая является еще одной универсальной молекулярной постоянной:
Z = л!а0Ыт/Фо (12.42)
Как и ожидалось, кажущаяся стехиометрия для ненагружен-ного сокращения qZ = Д/т.
12.3. Некоторые общие замечания
12.3.1. Целесообразность применения уравнений неравновесной термодинамики
Классический подход к энергетике мышечного сокращения всегда выражался на основе классической (равновесной) термодинамики. Карлсон и Уилки [16] особо отметили, что ни один из законов классической термодинамики не ограничен в
своих применениях только системами, находящимися в равновесии. Они указывают далее, что оба закона термодинамики применимы ко всем системам независимо от того, близки ли они к состоянию равновесия. Именно это составляет основу прменимости термодинамики в биологии, поскольку в живых системах мы почти всегда имеем дело с превращениями химической энергии в процессах, не являющихся равновесными, и в условиях, которые далеки от равновесия.
Эти замечания абсолютно верны, но в действительности они естественным образом подводят к необходимости рассмотрения энергетики сократительных систем в рамках термодинамики необратимых процессов, которая восходит к первому и второму законам термодинамики и является модификацией основных термодинамических соотношений специально для неравновесных систем. Вместо того чтобы рассматривать только начальное и конечное состояния при различных переходах в системе, неравновесная термодинамика учитывает в явной форме сам процесс перехода. В отличие от классической термодинамики, в которой неявно предполагается, что мышца действует как закрытая система, это предположение не подразумевается и не является необходимым в неравновесной термодинамике, которая превосходно приспособлена к исследованию открытых систем.
Однако, вероятно, наиболее важная черта неравновесной термодинамики состоит в ее способности представлять мышцу как систему с двумя потоками. Этот факт невозможно выразить в терминах классической термодинамики, поскольку она имеет дело в основном не с процессами, а с состояниями. Например, при классическом рассмотрении электрохимического элемента обязательно предполагается полное сопряжение между электрическим током и химической реакцией. Другими словами, этот подход рассматривает систему как однопотоковую [ср. с уравнением (6.20)]. Феноменологические уравнения (12.12) и (12.13) или (12.14) и (12.15) дают, по нашему мнению, простейший возможный способ описания системы, имеющей две степени свободы.
Ниже мы перечислим четыре механохимические характеристики, которые время от времени создавали трудности концептуального характера, легко преодолеваемые на основе неравновесной термодинамики.
1. Изменения эффективности в зависимости от скорости. Было установлено, что с операционной точки зрения изменение эффективности в зависимости от скорости означает, что степень сопряжения между работой и гидролизом АТФ в механическом генераторе переменна [50]. Как было показано в гл. 4, такое изменение в действительности не кажется неожиданным, оно является отчетливо предсказуемым результатом для рассмот-
19 Кенлен, Эссиг
ренных ранее систем с фиксированной степенью сопряжения.
2. Затраты энергии при изометрическом сокращении. В работе [50] утверждалось, что при кратковременном изометрическом сокращении может быть совершена значительная внутренняя работа. Основанием послужили данные [47] о том, что использование АТФ связано главным образом с внешней работой, совершаемой при изотонических сокращениях, а также экстраполяция этого наблюдения на изометрические сокращения. При этом принималась «унитарная концепция» механизма механохимического сопряжения. Однако с термодинамической точки зрения понятие внутренней работы лишено смысла, поскольку работа есть способ передачи энергии между системами и ее всегда можно уподобить подъему груза. В неполностью сопряженной системе состояние статического напора связано с диссипацией энергии в чистом виде, так что работа не совершается. Система тратит энергию просто для того, чтобы поддерживать это состояние.
3. Замедление гидролиза АТФ: активное растяжение. Кор-тин и Дэвис [19,20] показали, что при низких скоростях растяжения скорость гидролиза АТФ значительно ниже, чем при изометрическом сокращении. Кроме того, они заключили, что в процессе растяжения поперечные мостики могут образовываться и сохранять силу в пределах смещения без расщепления АТФ. В связи с этим они отмечают, что «любая теория мышечного сокращения должна объяснить способность мышцы развивать напряжение, даже превышающее Р0, и поддерживать его на больших расстояниях при растяжении в условиях крайне слабого гидролиза АТФ» [47]. Однако уравнения (12.12) и