Биоэнергетика и линейная термодинамика необратимых процессов - Кеплен С.Р.
Скачать (прямая ссылка):
Аналогичные рассуждения показывают, что мы могли бы выразить функцию диссипации исходя из внешних потоков и внутренних значений сродства. Хотя такая постановка вопроса вполне обоснована, по ряду причин она практически не приемлема. При оценке внутреннего сродства встречаются очевидные затруднения. Митохондрия — это высокоорганизованная структура, разделенная на компартменты, поэтому сведения об активностях во внутреннем пространстве неточны3. Кроме того, даже когда внутренние концентрации постоянны, надо рассматривать множество потоков и силы, поскольку внешние потоки в отличие от внутренних не обязаны быть нулевыми для неконсервативных частиц, когда митохондрия находится в стационарном состоянии.
13.3.2. Феноменологические соотношения
Уравнения (13.9) и (13.10) задают функции диссипации, которые приводят к феноменологическим описаниям системы, включающим соответственно три уравнения с шестью независимыми коэффициентами или два уравнения с тремя независимыми коэффициентами. Эти описания применимы к различным ситуациям, возникающим в эксперименте, как будет показано ниже. Наиболее общее описание основано на уравнении (13.9). Соответствующие феноменологические уравнения таковы:
Какая бы из гипотез ни была верна, этот формализм применим, по крайней мере вблизи равновесия. Мы здесь сделали обычные предположения Онзагера о симметрии и линейности. Рассмотрим теперь каждую из гипотез в свете этих уравнений.
Химическая гипотеза. В рамках этой гипотезы, так как окисление субстрата приводит к образованию высокоэнергетического интермедиата, который создает движущую силу для фосфорилирования или выброса протонов, /0 положительно сопряжен с /р и /н, как показано на рис. 13.3. Однако, поскольку выброс протонов может также происходить за счет гидролиза АТФ, /Р и /н сопряжены отрицательно. Ясно, что
/р = LpAp -)- LPH АДН Н~ ^-ро-^о /н = LPHAP + LH АДН + LqhAq Jq = LpQAp -)- L0H AjIH “b -^o^o
(13.11)
(13.12)
(13.13)
для этой системы на каждый поток будет действовать любая из сил. Другими словами, феноменологически все коэффициенты в уравнениях (13.11) —(13.13) отличаются от нуля.
Хемиосмотическая гипотеза. Уравнения (13.11) — (13.13) снова применимы. Однако в этом случае результирующие коэффициенты можно охарактеризовать исходя из коэффициентов, соответствующих центрам, показанным на рис. 13.4.
В центре I окисление приводит к транспорту протонов против ДРн, тогда как в центре II спонтанный поток протонов приводит к фосфорилированию.
Суммарный поток протонов выражается как
(13.11) — (13.13). Таким образом, коэффициенты Lo. Lр и перекрестные коэффициенты Loh и Lph просто совпадают с коэффициентами для соответствующих элементарных центров, тогда как LH = LlH-\- Щ. Весьма важно также, что в хемиосмотиче-
„ . ... поддерживается постоянным, то фосфорилирова-
ние не зависит от окисления и наоборот. Как можно было ожидать исходя из модели, если Дрн = 0, то сопряжение неполное, и /р = 0 при Лрх = 0 независимо от Jo, тогда как /о = 0 при Ло =0 независимо от /р.
Гипотеза параллельного сопряжения. Как видно из рис. 13.2, эта гипотеза охватывает химическую гипотезу для центра I и хемиосмотическую для центра II. Формально химическая гипотеза и гипотеза параллельного сопряжения неразличимы: все коэффициенты в уравнениях (13.11) — (13.13) снова отличаются от нуля. В данном случае коэффициент LPO в уравнениях (13.11) — (13.13) специфично связан с центром I. Однако
Центр I
(13.14)
(13.15)
Центр II
(13.16)
(13.17)
(13.18)
так что сложение уравнений (13.14) и (13.17) дает
ской гипотезе
(13.20)
Lpo == 0
21 Кеплен, Эссиг
исследования Гриффитса [14] показали, что высокоэнергетический интермедиат, образуемый в центре I, возможно, диффундирует к центру II, прежде чем обеспечить фосфорилирование. Если это так, то Lpo включает кинетические параметры обоих центров, а также диффузионную стадию.
Следует иметь в виду, что, хотя Lpo отличается от нуля в химической гипотезе и гипотезе параллельного сопряжения, в последней он может быть очень мал. Это означает, что если Арн поддерживать равным или близким к нулю, то фосфатный потенциал в состоянии 4 будет соответственно небольшим. Слабое сопряжение между окислением и фосфорилированием в этих условиях отражало бы диссипацию энергии, запасенной в высокоэнергетическом интермедиате с помощью реакций, двигающих протоны в режиме установившегося потока (как это уже обсуждалось ранее). Однако, если окисление продолжается, сродство постулированной реакции высокоэнергетического интермедиата не может в действительности уменьшиться до нуля за счет этого процесса и должно увеличиться за счет возрастания окислительно-восстановительного потенциала 4.
Очевидно, применение феноменологических уравнений сопряжено со значительными экспериментальными трудностями. Между тем можно варьировать и измерять величины сродства Лох и Лрх в широких пределах [28]. Кроме того, разность pH и разность электрических потенциалов можно оценивать и регулировать в функционирующих митохондриях [27]. Хотя фиксировать значение Арн точно на нуле трудно, можно, по-види-м°м>»чсделать его очень небольшим.
