Биоэнергетика и линейная термодинамика необратимых процессов - Кеплен С.Р.
Скачать (прямая ссылка):
Другая обширная область, которую нам предстоит рассмотреть,— это попытки использовать изотопные потоки для оценки сил, которые индуцируют потоки через мембраны. Уссинг и Терелл [16, 18—20] отметили в этой связи, что, хотя мы во многих случаях очень слабо представляем себе структурные характеристики и проницаемость биологических мембран, можно установить, движется то или иное вещество под действием только своего собственного градиента электрохимического потенциала или нет. Такое определение включает измерение «отношения потоков», т. е. отношения противоположных «однонаправленных» потоков через мембрану. Для этого случая было предложено простое соотношение, которые мы запишем в виде
RTlnf = — А& = X (9.5)
где In f — натуральный логарифм отношения потоков, а другие величины обозначены как обычно. В отсутствие электрических
эффектов уравнение (9.5) приобретает особенно простую форму:
f = ci/cii (9.6)
где с1 и с11 — концентрации исследуемых веществ по обе стороны (снаружи и внутри) мембраны. Принятое здесь правило знаков иллюстрируется на рис. 9.1. Рассматриваемое нами отношение потоков — это отношение потока внутрь к потоку наружу.
Если применить уравнение (9.5) или (9.6) к данной экспериментальной ситуации, то кажется разумным заключить, что исследуемое вещество движется только под действием своего собственного электрохимического градиента. Если же эти уравнения неприменимы, то такое заключение считалось неверным,
Рис. 9.1. Потоки внутрь, наружу и Поток внутрь J
суммарный поток между наружным Поток ншшжЛ
и внутренним растворами, омываю-
щими мембрану. Суммарный nomoKJ
и для таких случаев рассматривалась возможность влияния каких-то других сил па суммарный поток. Кроме того, предполагалось, что степень «аномальности» потоков, т. е. в какой мере они отклоняются от приведенных простых соотношений, может дать представление о величине этих внешних сил, какова бы ни была их природа. Измерения отношения потоков при попытке выяснить природу потока воды привели к представлению об «объемном потоке», согласно которому молекулы воды движутся через мембрану не по отдельности, а в виде кластеров. В ряде близких по существу исследований были измерены аномальные потоки ацетамида и тиомочевины при наличии осмотического потока воды, и из этих опытов был сделан вывод, что данные субстраты — аналоги мочевины, — проникая через эпителиальные мембраны, пользуются водными каналами, причем растворитель «несет» субстраты, усиливая их поток.
Дальнейшее использование отношения потоков при изучении сил, активирующих транспорт, было предпринято Уссингом и сотрудниками, чтобы охарактеризовать механизмы, ответственные за активный транспорт солей через эпителиальные мембраны. Кожа лягушки переносит соли против исключительно высокого градиента концентрации (cII/cI — 104— 105).Поскольку натрий в этой ситуации движется и против градиента концентрации, и против электрических сил, его перенос следует считать активным. Тем не менее, поскольку NaCl, возможно, движется в виде ионных пар, считалось важным показать, что потоки натрия и хлорида независимы друг от друга. Для этого измеряли отношения потоков натрия и хлорида, связанные
с вполне определенными разностями электрохимических потенциалов ApNa и Ajlci [8, 18, 20]. Как оказалось, отношение потоков натрия больше, чем ожидается исходя из разности электрохимических потенциалов (т. е. RT In jFNa > XNa), что как будто бы согласуется с активным транспортом. С другой стороны, отношение потоков С1~ соответствовало ожидаемому на основе разности электрохимических потенциалов этого иона (RT In fci = Xc\) (рис. 9.2). Это согласуется с пассивным пе-
1Z345678
реносом ионов вдоль градиента электрохимического потенциала, возникающего за счет транспорта натрия. На основании этого предположили, что, исходя из отношения потоков, можно различить активный и пассивный транспорт и что это возможно и тогда, когда транспорт осуществляется вдоль или против градиента электрохимического потенциала. Кроме того, степень отклонения отношения потоков от ожидаемого значения для пассивного транспорта рассматривалась как мера метаболической силы, движущей суммарный поток («?Ма»).
Эти подходы в историческом аспекте имели большое значение в исследованиях процессов биологического транспорта. Тем не менее уже давно было осознано, что столь уверенное использование отношения потоков как меры энергетических факторов может в принципе привести к грубым ошибкам. По-видимому, первыми дали пример ограниченности возможностей использования отношения потоков для указанных целей Ходжкин и Кейнс [6] в своих исследованиях потоков калия в аксонах кальмара, в которых было показано, что отношение потокои существенно аномально, причем ^Г1п/ резко отличается от разности электрохимических потенциалов калия (рис. 9.3), несмотря на отсутствие несущего эффекта растворителя и активного транспорта. В этом случае, который часто называют «однорядной диффузией», отношение потоков дает завышенную
