Биоэнергетика и линейная термодинамика необратимых процессов - Кеплен С.Р.
Скачать (прямая ссылка):
Другой важный аспект классического анализа энергетики транспорта натрия — способ оценки эффективности процесса. Обычно эффективность определяется как отношение скорости совершения работы, измеренной как описано выше, к скорости расходования метаболической энергии. Считается, что эта последняя величина является произведением скорости потребления кислорода сверх основного обмена и «теплотворной спо-
собности» 1 г-экв. кислорода при окислении глюкозы, определяемой с помощью калориметрической бомбы. Таким образом,
""ОФЪ <4'2>
где скорость потребления (сверх основного обмена) кислорода Qo, выражается через стехиометрическое отношение (число молей 02 на эквивалент перенесенного натрия) и (—АН) — теплотворная способность глюкозы. При таком определении функции эффективности возникают дополнительные сомнения в уместности включения диссипативного члена в выражение для работы. Увеличение диссипации неизбежно должно уменьшать эффективность процесса, однако, согласно уравнениям (4.1) и (4.2), рост диссипации энергии будет увеличивать эффективность. В дополнение к этому возражению можно подвергнуть сомнению определение количества доступной энергии методом калориметрии. Такими измерениями можно определить только энтальпию в условиях, существующих внутри калориметра, в то время как желаемой величиной является свободная энергия Гиббса в условиях, существующих in vivo. НгАконец, как упоминалось выше, существует широко распространенная тенденция считать, что отношения скоростей транспорта натрия и потребления кислорода постоянны при всех условиях, хотя в принципе для неполностью сопряженных систем это отношение будет изменяться в зависимости от термодинамических сил; более того, возможно, что при любой степени сопряжения и силе это отношение может изменяться от одного животного к другому.
4.3. Энергетика с позиций неравновесной термодинамики
Учитывая недостаточность классического подхода к энергетике, необходимо разработать соответствующую термодинамическую трактовку, которая, можно надеяться, даст исчерпывающее самосогласованное описание активного транспорта при широком разнообразии условий. Проблема энергетики интересна сама по себе, но такое описание могло бы привести также к пониманию механизма действия факторов, влияющих на транспорт.
Поскольку исследуемые нами системы большей частью далеки от равновесия, наше изложение должно основываться на неравновесной термодинамике. Некоторые авторы подходили к проблемам превращения энергии в биологических системах с этой точки зрения (например, [7]). Хошико и Линдлей [6] дали исчерпывающую формальную линейную математическую трактовку активного транспорта, которая облегчает анализ ак-
тивного солевого и водного транспорта в односолевых и би-ионных системах. Для облегчения планирования эксперимента и анализа мы ограничимся системами с активным транспортом только одного иона (натрия), несопряженного с потоком других веществ. В этом отношении наша работа является расширением подхода с позиций линейной неравновесной термодинамики, данного первоначально Кедем [8]. Однако до начала анализа специфических характеристик процесса активного транспорта натрия с этой точки зрения мы дадим более общее изложение процессов с двумя потоками, чтобы показать уместность основных термодинамических соображений, рассмотренных выше, и их широкую применимость. Общее описание процессов с двумя потоками приводит к определению двух полезных параметров, которые позволяют легко сравнивать системы с различной природой потоков и сил [9]. Степень сопряжения q — безразмерный параметр, абсолютная величина которого изменяется от нуля для полностью несвязанных систем до единицы для систем, в которых потоки связаны стехиометрически. Для данной степени связывания и данного отношения сил параметр Z определяет отношение потоков. Для полностью сопряженных систем Z представляет собой стехиометрическое отношение.
4.4. Степень сопряжения и взаимосвязь сил и потоков
Система, которую мы хотели бы рассмотреть, схематически представлена на рис. 4.1. Сопряжение, механизм которого, вообще говоря, может быть неизвестен, происходит внутри «черного ящика». Этот черный ящик обычно содержит рабочий элемент преобразователя энергии, например мембрану в процессе активного транспорта. Так как происходят два процесса, то диссипативная функция будет содержать два члена. В общем случае мы можем выбрать один процесс, который всегда приводит к положительному члену и, следовательно, может рассматриваться как источник энергии или вход. Второй процесс обычно приводит к отрицательному члену и представляет собой выход. Поскольку в биологических системах выход, в известном смысле, ближе к наблюдателю и обычно более доступен, чем вход, обозначим его индексом 1, а вход — индексом 2. Тогда диссипативная функция принимает вид
Ф= JiXi + J2X2 (4.3)
выходная входная энергия энергия
Отметим, что входной поток ]2 всегда течет в самопроизвольном направлении, другими словами, его направление находится
