Биоэнергетика и линейная термодинамика необратимых процессов - Кеплен С.Р.
Скачать (прямая ссылка):
-V-
<72 — Л / -г, га (7-40)
(dlXldJ?);
7.4. Стехиометрия и степень сопряжения
Неявным допущением классического описания биоэнергетики является (по аналогии с жестко сопряженными химическими реакциями) существование фиксированного стехиометрического отношения скоростей транспорта и метаболизма. Считается, что такое отношение должно существовать как в различных тканях, так и в данной ткани, исследуемой при различных условиях. Ясно, что в первом случае, когда ткани исследуются в состоянии короткого замыкания с одинаковыми растворами у каждой поверхности, отсутствует термодинамическое ограничение для отношения потоков, так как в этих условиях не совершается электроосмотическая работа. В общем случае величина J+o/Jro может довольно сильно различаться для различных тканей.
Когда транспорт и метаболизм изменяются вследствие изменения сил, необходимо учесть следующее соображение. Если система активного транспорта является полностью сопряженной, т. е. если (qa)2= 1, то, как это следует из уравнений (7.9) и (7.10), отношение J+/Jr должно быть тождественно равно Za. В этих случаях уместно говорить о стехиометрическом отношении. Однако J+/Jr имеет однозначную величину, только если система активного транспорта полностью сопряжена. Априори нет оснований полагать, что это действительно так, и вполне возможно, что определенные преимущества связаны с отсутствием стехиометрии [20]. Тем не менее вычисление «стехиометрического отношения» обычно проводится на основе наблюдаемой линейной зависимости между потоками. Между тем из уравнений (7.9) и (7.10) видно, что, если А постоянно, линейность следует непосредственно из линейности феноменологических уравнений независимо от степени сопряжения. Таким образом, хотя (dJ+/dJr)A тождественно равно' Zafqa, величина J+/Jr постоянна, только если qa равно единице. Поведение j+/jr в более общем случае описывается уравнением (4.17).
Хотя для эффективного функционирования сопряжение в активном транспорте должно быть достаточно большим и, возможно, в некоторых случаях даже полным, ясно, что изучаемая система является не полностью сопряженной из-за наличия утечки. Этот вопрос вызывает интерес в связи с общими представлениями, касающимися стехиометрии. По-видимому, наличие стехиометрии часто предполагается из-за естественной аналогии с химическими реакциями in vitro, где для повышения эффективности стремятся исключить побочные реакции. Поэтому кажется, что в случае транспортных процессов было бы желательно исключить эквивалент побочных реакций, а именно утечки. Однако видно, что, хотя исключение утечек могло бы
обеспечить наличие стехиометрии в системе (если бы сам механизм активного транспорта был полностью сопряженным), в то же время это привело бы к прекращению результирующего транспорта соли. Поэтому ясно, что нельзя рассматривать наличие стехиометрии в качестве единственного и основного критерия идеальной системы транспорта. Вернее, необходимо учитывать конкретное назначение и характер работы каждой системы. Если системе «предназначено» поддерживать состояние с фиксированной силой, как в случае симметричных клеток, то утечка нежелательна. Если функцией системы является обеспечение большого потока соли против малого градиента химического потенциала, как в эпителиальных тканях (например, проксимальные извитые канальцы почки), то некоторая степень утечки необходима в том смысле, что это требуется по другим причинам. Если же функцией системы не является ни поддержание состояния с фиксированной силой, ни поддержание большого почти фиксированного потока, а что-то промежуточное, т. е. заметный поток против заметных градиентов, то будет желательным некоторый другой характер утечек, причем оптимальная ситуация должна изменяться с изменением характера деятельности системы, скажем в присутствии гормонов, лекарственных веществ или нервного стимула, активирующих транспорт. Этой стороне механизма активного транспорта не уделялось того внимания, которого он, по-видимому, заслуживает.
7.5. Эффективность превращения энергии
Изложенная выше теория позволяет сделать самосогласованную оценку эффективности преобразования энергии для любого состояния системы активного транспорта, но единого критерия, пригодного для этой цели, не существует. Вернее, условия функционирования системы диктуют соответствующий критерий.
Если скорость совершения электроосмотической работы значительна, то в этом случае эффективность равна
J.X, (ZX,+qA)X,
П = ---- = ~~ —---- --—-—-— (7 41)
*1 JA [qX+ + (\IZ)A]A
Изменения коэффициентов сопротивления, которые приводят к возрастанию /+, будут также увеличивать rj (для фиксированной Х+ < 0 и фиксированного А). Эффективность возрастает с увеличением q2, но для любого конечного J+ она всегда меньше единицы. Характер зависимости г) от Z(X+/A) при различных значениях q можно оценить с помощью рис. 4.3.
Симметричные клетки в стационарном состоянии должны находиться в состоянии с фиксированной силой (Х+ = Х+)> в котором, очевидно, функция системы транспорта состоит
