Биоэнергетика и линейная термодинамика необратимых процессов - Кеплен С.Р.
Скачать (прямая ссылка):
Хотя сущность хемиосмотической гипотезы исчерпывается схемой, приведенной на рис. 13.4, Митчелл включает в свою модель весьма детализированные представления о структурной организации электрон-транспортной цепи: три «петли» на пути от НАДН к 02 или две петли на пути от янтарной кислоты к Ог. Петли образуют центры сопряжения, в которых связаны транспорт протонов и транспорт электронов. При этом предполагается стехиометрия 2Н+/2е~ в каждой петле: два протона захватываются из внутреннего пространства мембраны и выталкиваются наружу. Это приводит к отношениям Н+/0, рав-
ным 6 для окисления НАДН и 4 для сукцината. Далее вводится еще одно предположение, что стехиометрия протон-транслоказ-ной АТФазы соответствует 2Н+/АТФ, и поэтому общее отношение P/О становится равным 3 для НАДН и 2 для сукцината при условии, что в системе нет утечек и независимых процессов, сопряженных с транспортом протонов. Последние исследования, однако, показывают, что отношения Н+/0, и Н+/АТФ следовало бы примерно удвоить, причем общее отношение Р/О остается без изменений (подробно этот вопрос обсуждается в статье Роттенберга [30]).
Механизм разобщения такими классическими разобщителями, как 2,4-динитрофенол (ДНФ), карбонилцианид-/г-трифтор-метоксифенилгидразон и т. д., которые рассматриваются как мембранорастворимые переносчики протонов [4, 24, 25], очевидно, сводится просто к диссипации «протонодвижущей силы» (АрнЛИ- Разобщающий эффект различных ионофоров определяется или диссипацией Аг|з, или диссипацией АрН в результате облегченной или обменной диффузии [9]. Можно добиться полного или почти полного разобщения окислительного фосфори-лирования, что представляется несовместимым с химической гипотезой. Хотя эти явления разобщения рассматриваются как аргументы в пользу хемиосмотической гипотезы, Роттенберг [29] придерживается точки зрения, согласно которой хемиосмо-тическую и химическую (в том виде, как мы ее здесь изложили) теории нельзя различить на такой основе, поскольку диссипация протонодвижущей силы приведет к установлению равновесия между высокоэнергетическим интермедиатом и продуктом его гидролиза. По-видимому, это крайняя позиция, которую трудно обосновать. Сопряжение типа Е образует протонный насос, приводимый в действие интермедиатом Я, и хотя он, очевидно, будет работать быстрее в состоянии установившегося потока, чем в других условиях, нет оснований предполагать, что он будет работать настолько быстро, что исчерпает возможности источника энергии.
13.2.4. Гипотеза параллельного сопряжения
Чтобы подчеркнуть, что названные выше гипотезы не исключают друг друга, Роттенберг и др. [31] выдвинули модель параллельного сопряжения, в которой оба механизма объединены. Это означает наличие сопряжения типа А (или ГД), как в химической гипотезе, а также сопряжений типа ? и В в двух различных центрах, как в хемиосмотической гипотезе (рис. 13.2). Экспериментальные данные в пользу такой модели будут обсуждены ниже.
13.3. Анализ окислительного фосфорилирования и ионных потоков с точки зрения термодинамики необратимых процессов
13.3.1. Функция диссипации
Значительные усилия, направленные на то, чтобы сделать выбор между моделями окислительного фосфорилирования, были сконцентрированы на попытках выделить высокоэнергетические интермедиаты. Однако неравновесная термодинамика дает критерии, которые не зависят от выделения интермедиата. Нет также надобности наблюдать ту компоненту потока протонов, которая используется для фосфорилирования [8]. Хотя необходимо определить АДН (и, может быть, АДК)> другие параметры оцениваются из внешних условий. В принципе можно ввести условия, при которых /н будет поддерживаться отличным от нуля и постоянным в течение коротких периодов времени путем установления подходящего значения Дрн. Для такой системы в изотермических условиях, по-видимому, разумно написать
Ф =/рЛр +/н Дцн +/0До (13.3)
Как и ранее, подстрочные индексы Р, Н и О относятся соответственно к фосфорилированию, суммарному потоку протонов и окислению субстрата. Несмотря на сложность системы, уравнение (13.3) вполне адекватно. Мы рассматриваем только стационарные состояния, в которых потоки таких частиц, как Са2+, Mg2+ и Н20, останавливаются, поскольку сопряженные силы, т. е. градиенты электрохимического потенциала, экспериментально не контролируются2. Генерация и расщепление высокоэнергетического интермедиата, если они имеют место, будут, вероятно, осуществляться за время, которое на несколько порядков меньше, чем время, необходимое для установления или релаксации стационарной протонодвижущей силы. В любом случае эта реакция образует в принципе типичный циклический процесс сопряжения, который ранее обсуждался Качальским и Шпенглером [20]. В стационарном состоянии такие процессы выражаются лишь в неявном виде через феноменологические коэффициенты, а не в явном виде через функции диссипации. В обзоре Роттенберга [29] показано, что в данном случае циклический сопрягающий процесс (при участии высокоэнергетического интермедиата) действительно в неявном виде выражается через феноменологические коэффициенты.
