Биоэнергетика и линейная термодинамика необратимых процессов - Кеплен С.Р.
Скачать (прямая ссылка):
[34]. Сопоставляются свободные энергии реакций и рассчитывается эффективность процесса. Далее, второй закон термодинамики дает критерий самосогласованности данных. Так, если п — предполагаемый стехиометрический коэффициент, то необходимо, чтобы
— AGox ^ ti AGphos (13.1)
или, другими словами, эффективность подчиняется соотношению
- п AGphos/AGox < 1 (13.2)
Это соображение можно использовать также при рассмотрении возможности сопряжения в различных участках дыхательной
фосфорилирование Н++ДДФ+Фн АТФ + Н20
Рис. 13.1. Общая схема окислительного фосфорилирования.
АНг+г°г А+Н20
Окисление субстрата
цепи. Так, полагая п=1 в данном центре сопряжения, можно сравнить окислительно-восстановительные потенциалы (свободные энергии) с фосфатным потенциалом [22, 34]. Однако термодинамика вовсе не требует, чтобы п было равно 1 в данном центре. Вполне возможно, что окислительное фосфорилирова-ние может происходить в центрах, которые обычно не рассматриваются и в которых п < 1. Подробная термодинамическая трактовка окислительно-восстановительных реакций (равновесных и неравновесных) содержится в превосходном обзоре [41].
Как было отмечено в работе [31], изложенные выше соображения однозначно верны только в том случае, когда имеется полное сопряжение. Поскольку это явно не так1, нельзя обсуждать стехиометрическое соотношение безотносительно к состоянию системы, или, вернее, такие расчеты лишь случайно могут отражать ее физические параметры. Следует отметить, что величины п, AGox и AGphos редко определяются одновременно, а расчеты часто основаны на экстраполяции полученных оценок, которые не обязательно относятся к тому же состоянию.
Точно так же не приведены в соответствие различные подходы к энергетическому анализу данных, полученных в состоянии 4 (окисление в отсутствие фосфорилирования из-за ограниченного количества АДФ [10]) и в состоянии 3 (стационарное фосфорилирование после добавления АДФ). При классическом рассмотрении рассчитывают «коэффициент дыхательного контроля», т. е. отношение скорости окисления в состоянии 3 к скорости окисления в состоянии 4 [10]; однако, хотя этот коэффициент принимают за меру полноты сопряжения, его нельзя рассматривать как надежный источник информации. Ясно, что система в состоянии 4, когда Р/0 = 0, находится в состоянии статического напора и, следовательно, отражает работу механизма преобразования энергии так же, как и система в состоянии 3.
Фотофосфорилирование в хлоропластах (и хроматофорах бактерий) во многом похоже на окислительное фосфорилирование. Так, если суспензия хлоропластов класса II (с разрушенной внешней оболочкой), в которых имеется свободный доступ метаболитов и реагентов к преимущественно интактным гра-нальным мембранам, освещается в среде, содержащей АДФ и Фн, то происходит синтез АТФ [2]. Как и в митохондриях, этот синтез сопряжен с транспортом электронов, который здесь идет от воды к НАДФ. Движущую силу для транспорта создает энергия излучения, поглощенного двумя различными фотосистемами. Электроны текут спонтанно вдоль цепи окислительновосстановительных ферментов, как и при окислительном фосфо-рилировании, при этом образуется АТФ. Однако в данном случае отношение Р/2е- редко превосходит 1 [3].
Более прямая форма фотофосфорилирования имеет место в крайних галофильных бактериях Нalobacterium halobium — облигатном аэробе, который может существовать при низкой концентрации кислорода (а иногда и совсем без кислорода) при условии, что на них действует свет. При этом галобактерии синтезируют бляшки, содержащие пурпурный пигмент, распределяемый по клеточным мембранам. Пигмент заменяет элек-трон-транспортную систему, действуя как протонный насос, приводимый светом в рабочее состояние.
Роттенберг [29] отметил, что примерное совпадение разобщителей окислительного фосфорилирования в митохондриях и фотофосфорилирования в хлоропластах указывает на сходные механизмы сопряжения обоих процессов. Мы пока еще не обсуждали механизм сопряжения при окислительном фосфорили-ровании. Хотя нельзя полностью исключить тот факт, что механизмы сопряжения в митохондриях и хлоропластах могут оказаться совершенно различными, такая возможность представляется маловероятной. Поэтому нет смысла ограничивать обсуждение только какой-нибудь одной из этих двух систем. Од-
нако для удобства и ясности мы сосредоточим свое внимание в основном на митохондриях. Хотя термодинамические соотношения как таковые не зависят от механизма, частные молекулярные модели нередко имеют термодинамические следствия, которые можно проверить экспериментально. Большинство теорий и моделей, выдвинутых для окислительного фосфорилирования, распадается на две категории: химическую гипотезу и хемиосмотическую гипотезу.
Химическая гипотеза постулирует прямое химическое сопряжение: окисление приводит к образованию высокоэнергетического интермедиата, который является движущей силой фосфорилирования [34]. Поскольку известно, что в митохондриях могут поддерживаться градиенты концентрации ионов (в том числе протонов) [23], в эту гипотезу обычно включают и сопряжение с транспортом ионов за счет расщепления высокоэнергетического интермедиата. В отличие от этого хемиосмоти-ческая гипотеза постулирует, что окисление сопряжено с выбросом протонов из митохондрий [24,25]. Образующийся при этом градиент электрохимического потенциала протонов движет фосфорилирование в мембранах путем обращения работы АТФазного протонного насоса. Градиенты концентрации катионов рассматриваются как прямой результат электрического мембранного потенциала, возникающего благодаря переносу протонов.
