Биоэнергетика и линейная термодинамика необратимых процессов - Кеплен С.Р.
Скачать (прямая ссылка):
12.4. Заключительные замечания
Мышечную фибриллу можно рассматривать как рабочий элемент, характеризуемый двучленной функцией диссипации: выходной механической мощностью и химической работой на входе. Получено множество данных в пользу того, что в процессе изометрического или изотонического тетанического сокращения, по крайней мере на начальной его стадии, фибрилла достигает стационарного состояния. Такая стационарность, по-видимому, часто имеет место in vivo, как это показано Уилки [69] на' примере хилловского соотношения в мышцах человека.
Механохимический гидролиз АТФ в мышце вполне может представлять собой длинный ряд промежуточных стадий, каждая из которых характеризуется низким сродством. Некоторые из этих стадий могут сводиться к транспорту реагентов и про-
дуктов внутрь или из локальных компартментов. В связи с этим применение линейных феноменологических соотношений к начальной фазе тетанического сокращения может оказаться необоснованным. В любом случае, чтобы продвинуться вперед, нам пришлось ввести представление о «правильных траекториях» механохимического процесса. Это позволило рассматривать фибриллу как линейный преобразователь энергии. Степень его сопряжения (гл. 4) может быть меньше единицы, как это показано, например, для продолжительного гидролиза АТФ в процессе изометрического тетанического сокращения.
Мышца в принципе может относиться к классу простых саморегулируемых преобразователей энергии [12], поскольку механохимический процесс может быть линейным и, по-видимому, удовлетворяет требованиям стационарности и неполного сопряжения. Если это так, то соотношение Хилла между силой и скоростью содержит лишь один параметр, подлежащий уточнению, — степень сопряжения.
Тип регуляции, который характеризует этот класс преобразователей энергии, можно описать как регуляцию по сродству, основываясь на энергетических факторах. Другой, в некотором смысле противоположный тип регуляции — по стехиометрии — основан на кинетических факторах.
Как степень сопряжения q, так и феноменологическая стехиометрия Z механохимического процесса могут быть выражены на основе трех молекулярных параметров этой системы: средней молекулярной сократительной силы, развиваемой за время жизни активного комплекса при изометрическом сокращении, относительного смещения на полутолщину фила мента при расщеплении каждым из его субфрагментов-1 одной молекулы АТФ при ненагруженном сокращении и сродства в расчете на одну молекулу АТФ, гидролизованную при изометрическом сокращении.
Можно ожидать, что расход химической энергии мышцей будет подчиняться уравнению Хилла (12.27). Последнее требует значительного изменения сродства реакции при высокой степени сопряжения. Соответствующие изменения активности могут осуществляться локально под действием регулятора.
Значения сродства при любом заданном напряжении в принципе можно определить в гладких мышцах из одновременных измерений напряжения, скорости потребления кислорода и скорости сокращения. Эти значения целесообразно сопоставить с результатами химических оценок на целых мышцах (см., например, работы [21,50]), основанных на ряде предположений, весьма удаленных от собственно эксперимента.
12.5. Выводы
1. Путем рассмотрения фибрилл как рабочего элемента мышцы получена функция диссипации сокращающейся мышцы. По-ви-димому, она разделяется на две положительно-определенные части, одна из которых связана с механохимическим процессом, а другая — с чисто химическим. Представлены данные в пользу того, что фибриллы можно рассматривать таким образом, как если бы они находились в процессе сокращения в стационарном состоянии.
2. Если представить «механохимическую» диссипацию в виде (pmech = V7(—P)-\-JrA, где в привычных обозначениях, введенных Хиллом, Р — напряжение, V — начальная постоянная скорость при тетаническом сокращении (остальные обозначения имеют обычный смысл), то легко записать феноменологические соотношения через коэффициенты L или R. Представлены экспериментальные данные, подтверждающие предполагаемую линейность этих уравнений. Кратко обсуждено соотношение между феноменологическими коэффициентами и молекулярными параметрами.
3. Показано, что характеристическое гиперболическое соотношение между силой и скоростью для мышц (уравнение Хилла) приводит к концептуальной модели, основанной на понятии саморегуляции. Теоретический анализ саморегулируемых линейных преобразователей энергии проведен в приложении. Анализ показывает, что уравнение Хилла содержит всего один параметр, подлежащий уточнению, — степень сопряжения; этот параметр можно определить из кривизны графика зависимости между силой и скоростью. В частности, для икроножной мышцы лягушки получена степень сопряжения около 90 %, соответствующая максимальной эффективности 40 %•
4. В отличие от систем активного транспорта, рассмотренных ранее, следует ожидать, что сродство в мышцах меняется в зависимости от нагрузки под действием регулятора. Рассмотрены способы экспериментальной оценки сродства в данном состоянии.
