Биоэнергетика и линейная термодинамика необратимых процессов - Кеплен С.Р.
Скачать (прямая ссылка):
4.2. Классический анализ энергетики: модель эквивалентных схем
Большинство исследований энергетики ионного транспорта основывалось на работах Уссинга, который рассматривал активный транспорт натрия на языке эквивалентных электрических схем и оценивал работу, необходимую для транспорта одного эквивалента натрия [18,19]. Считалось, что эта работа включает три компонента: «(а) работу, требуемую для преодоления градиента концентрации... (б) работу, требуемую для преодоления градиента потенциала... (в) работу, требуемую для преодоления сопротивления движению натрия в коже». Эта последняя величина вычислялась из «отношения потоков» или отношения «однонаправленных» потоков натрия. Таким образом, общая работа (на моль натрия) вычислялась из уравнения
W = RT In (CJC0) + FE + RT In (Mia/Moat) (4.1>
где Mm/M0Ut — отношение потоков. Так как кожа рассматривалась на языке электрических аналогий, то Уссинг ввел понятие «электродвижущая сила активного транспорта натрия» ?Na. Эта величина получалась путем деления работы W на число Фарадея F.
Для оценки W и ENа использовались два общих метода. Первый состоял в определении электрохимической разности потенциалов, требуемой для уменьшения результирующего транспорта натрия [и, следовательно, ln(Min/iVf0ut)] до нуля. Это достигалось путем измерения разности концентраций или разности электрических потенциалов на мембране либо путем замены непроникающих анионов на проникающие. Во втором методе кожа помещалась между двумя идентичными растворами, устанавливалась нулевая разность электрических потенциалов на коже и измерялось отношение потоков в условиях «короткого замыкания».
Как отмечал Уссинг, эти методы позволяли оценивать только кажущуюся величину ?Na, поскольку они не учитывали влияние утечек. Кроме того, на основании работы Ходжкина и Кейнса на отравленных аксонах кальмара, а также если учесть возможность обменной диффузии, становится ясным, что существуют серьезные трудности в попытках использовать отношение потоков для оценки энергетических параметров. Действительно, для того чтобы оба вышеупомянутых метода давали одинаковые величины EN!l, необходимо выполнение^трех условий: 1) отсутствие утечки, 2) отсутствие изотопного взаимодействия и 3) равенство метаболизма в состояниях статического напора и установившегося потока [10]. (Состояние статического напора, или состояние с фиксированной силой, и состояние установившегося потока — два важных стационарных состояния, характеризующихся нулевым трансмембранным потоком и нулевой трансмембранной силой соответственно; точные определения будут даны в разд. 4.6.) Такое сочетание обстоятельств, по-видимому, совершенно невероятно. Даже если первые два требования выполняются, то третье почти наверняка нет, так как было показано, что скорость окислительного метаболизма в коже лягушки, коже жабы и мочевом пузыре жабы зависит от разности электрохимических потенциалов натрия в ткани (см. гл. 8).
Другое возражение против вышеупомянутой формулировки связано с существенно различным характером трех компонентов «работы». Первые два члена правой части уравнения (4.1), взятые вместе, представляют собой разность электрохимических потенциалов натрия и поэтому соответствуют скорости выполнения электроосмотической работы, очевидно требующей расхода метаболической энергии с равной или большей скоростью. С другой стороны, третий член представляет собой не полезное превращение энергии, а ее диссипацию, которая к тому же не может быть точно определена с помощью измерений, проводимых извне системы. Величину RT 1п (Мш/М out) можно считать «внутренней работой», так же как при обсуждении энергетики мышц, где предполагалось, что она представляет собой затра-
ты энергии на преодоление сопротивления, обусловленного трением и вязкостью (см. [11]). Возникает вопрос, уместно ли включение диссипативного члена в выражение для работы, совершаемой процессом. Это не принято при термодинамическом анализе тепловых машин или других энергопреобразующих систем. Основным правилом при анализе таких систем является недвусмысленное разделение скорости, с которой энергия расходуется, и скорости, с которой она выделяется.
Еще одна трудность, связанная с классическим описанием,, состоит в том, что при рассмотрении кожи лягушки на языке электрических аналогий имеется опасность предположения о существовании постоянной или стехиометрической зависимости между скоростями транспорта и метаболизма при всех условиях эксперимента [18,20]. Отсюда иногда возникало убеждение, что линейная зависимость между скоростями транспорта и метаболизма доказывает существование стехиометрии и позволяет рассчитать стехиометрические соотношения, несмотря на то что линейность не эквивалентна пропорциональности. К тому же, когда экспериментально обнаруживается переменная стехиометрия, как часто случается, например, при исследовании окислительного фосфорилирования, это приписывают обычно техническим недостаткам, вместо того чтобы исследовать ее внутренний смысл. Полное сопряжение (стехиометрия) транспорта и метаболизма фактически найдено в идеальных электрохимических ячейках. Однако в биологических системах следовало бы ожидать частичного десопряжения вследствие либо разложения метаболических интермедиатов, либо диссипации градиента электрохимического потенциала из-за утечки [16]. В таких случаях поддержание разности электрохимических потенциалов в ткани, даже в отсутствие результирующего потока, потребовало бы затраты метаболической энергии. Это находится в очевидном противоречии с трактовкой, лежащей в основе уравнения (4.1), которая подразумевает, что в отсутствие результирующего потока скорость совершения работы (№Х скорость натриевого транспорта) будет равна нулю. Считается, что уравнение (4.1) дает только минимальную величину необходимой скорости расходования метаболической энергии,, но если это так, то данная трактовка несколько утрачивает свою ценность как средство точного анализа энергетики транспортной системы.
