Биоэнергетика и линейная термодинамика необратимых процессов - Кеплен С.Р.
Скачать (прямая ссылка):
2. Матрицы коэффициентов проводимости или сопротивления должны удовлетворять двум условиям: первое обеспечивает
положительность диссипативной функции, второе является условием симметрии между всеми парами соответствующих перекрестных коэффициентов, т. е. Ьц — Ьц и /?,•/ = /?/» (взаимность по Онзагеру).
3. Сопряжение между химической реакцией и трансмембранным потоком, такое, как в активном транспорте, требует применения векторного коэффициента сопряжения. Согласно определенно Кедем, активный транспорт возникает, если перекрестные коэффициенты сопротивления между реакцией и потоком не равны нулю.
4. Согласно принципу Кюри — Пригожина, сопряжение между скалярными и векторными потоками в линейном режиме возможно только в анизотропной среде. Векторный характер коэффициентов сопряжения отражает анизотропию среды.
5. В линейных системах с симметрией Онзагера производство энтропии принимает минимальное значение, совместимое с налагаемыми ограничениями. Такие «стационарные состояния с минимальным производством энтропии» могут приводить к взаимодействию между процессами с общим потоком, названному стационарным сопряжением. Обсуждается ряд примеров.
6. Рассмотрено несколько важных преобразований диссипативной функции для процессов мембранного транспорта. Эти преобразования приводят к такому набору потоков и сил, которые более удобны для экспериментатора, так как легко могут быть зафиксированы или измерены.
7. Преобразованные формы диссипативной функции могут использоваться для соответствующих преобразований феноменологических уравнений, что приводит к практическим феноменологическим коэффициентам. Примеры таких преобразований дают уравнения потоков Кедем — Качальского.
8. Детально рассмотрены коэффициенты в уравнениях Кедем — Качальского, причем особое внимание уделено определению объемных потоков, с тем чтобы учесть возможные ошибки, обусловленные электродными процессами. Подчеркнуто, что хорошо известный коэффициент отражения, первоначально предложенный Ставерманом, является показателем степени связи между потоком растворенного вещества и объемным потоком.
9. Обсуждается простая экспериментальная модель активного транспорта, основанная на стационарном сопряжении. В этой модели составная мембрана, включающая фермент, при обеспечении извне подходящим субстратом способна вызвать электрический ток между двумя идентичными растворами. Эта модель проявляет как линейность, так и симметрию.
Эффективность превращения энергии
Ясно, что общность трактовки сопряженных процессов, изложенной в гл. 2 и 3, позволяет применять ее для анализа разнообразных биологических систем. В частности, она позволяет провести последовательный анализ эффективности использования метаболической энергии в жизненно важных процессах активного транспорта и мышечного сокращения. В гл. 3 мы обсуждали определение активного транспорта и связанные с этим вопросы. В данной главе мы сначала рассмотрим классический подход к активному транспорту, ограничиваясь главным образом транспортом натрия как в силу его важного значения, так и потому, что он лучше Изучен; отметим существенные, на наш взгляд, недостатки классического метода и затем рассмотрим превращение энергии с точки зрения неравновесной термодинамики.
4.1. Активный транспорт: основы
Давно уже известны важность процессов активного транспорта в биологических системах, их общий характер и разнообразие. При поверхностном изучении нормального метаболизма обнаруживаются многочисленные продукты, которые непрерывно образуются и должны специфично и быстро выводиться, зачастую несмотря на отрицательный градиент концентраций. Подобным же образом необходимость активного транспорта следует из постоянства состава и динамической функции клетки в норме.
В связи с процессами активного транспорта естественно возникают следующие вопросы: Как однозначно проявляется активный транспорт? Что является источником энергии? Каков механизм, посредством которого (скалярная) химическая свободная' энергия производит (векторный) транспорт и электро-осмотическую работу? Какова природа энергетики системы активного транспорта? Этот последний вопрос представляет интерес как сам по себе, так и в связи с предыдущими вопросами.
Активную природу транспорта, а также источники энергии и механизмы этих процессов пытались исследовать с помощью
эффектов ингибирования аэробного и анаэробного метаболизма. Такие исследования были полезны, но вызывают существенные возражения. Прежде всего метаболизм может влиять не только на функцию транспортной системы, но и на другие функции, так же как и на структуру системы. К тому же эффекты ингибиторов метаболизма могут быть либо первичными,, либо вторичными. Например, первичное воздействие на активный натриевый транспорт может приводить к вторичному влиянию на пассивный транспорт хлора. Таким образом, ингибирование метаболизма само по себе не всегда может свидетельствовать об активной природе процесса. Более того, даже когда изменение метаболизма позволяет отличить пассивный транспорт от активного, нельзя оценить эффективность использования метаболической энергии в различных состояниях, представляющих интерес. Это является одной из проблем термодинамики. Термодинамическое определение было сформулирована Розенбергом [14], который полагал, что «наличие транспорта от более низкого к более высокому потенциалу... единственный несомненный критерий активного транспорта», но этот критерий не включает очевидные случаи активного транспорта, в которых разность электрохимических потенциалов может быть нулевой или отрицательной и, естественно, не может служить последовательной и исчерпывающей формулировкой.
