Биоэнергетика и линейная термодинамика необратимых процессов - Кеплен С.Р.
Скачать (прямая ссылка):
Совершенно другой тип поведения обнаруживается у другой модели, часто привлекаемой в биологических исследованиях. Простейший пример такого рода показан на рис. 10.4. Здесь растворенное вещество может входить в мембрану, только соединяясь с молекулой переносчика, доступного с одной или с другой стороны мембраны, и пересекать мембрану лишь в комплексе с переносчиком. (При этом неважно, действительно ли сам переносчик пересекает мембрану или он только изменяет свою конфигурацию так, что влияет на движение растворенного вещества.) В этом случае, если мы припишем иенагруженному и нагруженному переносчикам различные константы скорости kc и k соответственно, проницаемость для суммарного потока дается выражением
Na°$kkc
со =
*А'аА
2RT (а + Р) (aft + $kc + 2kkc) Раствор А
Л
(10.14)
О
о
о
о
л
t
И к\
О
О
аэ' ав
Состояние
2
Раствор В 3 4
В
Рис. 10.4. Модель, в которой вещество пересекает мембрану только в виде комплекса с переносчиком.
15 Кеплен, Эссиг
тогда как для проницаемости метки имеем
Ю " 2ЯГ(а+рНР + 2А) (10.15)
так что со* превосходит со, и
^ = i + <10Л6>
Снова видно, что степень отличия м* от со зависит от условий эксперимента: если средняя концентрация растворенного вещества с и, следовательно, а становятся малыми, то а>*/а>—»-1. Отметим также, что со* ~ со, когда константа скорости ненагру-женного переносчика много больше константы скорости нагруженного (kc^> k). С другой стороны, если kc становится существенно меньше k, то со* может стать очень большой. При ?с->-0 ненагруженный переносчик неподвижен, а значит, суммарного потока вообще не будет, и ©*/©-»-схз, как при чисто обменной диффузии [11].
Хотя рассмотренные здесь модели привлекательны тем, что позволяют просто объяснить противоречия между коэффициентами проницаемости для суммарного потока и для потока метки, мы еще. раз подчеркиваем, что в основе этих противоречий могут быть и другие механизмы, отличные от однорядной диффузии и образования комплексов с переносчиками. Для двухрядной решетки, показанной на рис. 10.3, при наличии возможности обмена между молекулами, находящимися в соседних занятых центрах, отрицательное изотопное взаимодействие может смениться положительным [5]. В более общем случае для решеточных моделей имеется возможность того, что связывающие центры будут изменять свою конформацию после того, как они становятся занятыми, и что между различными центрами существует взаимодействие. Такая аллостерическая ко-оперативность может индуцировать положительное или отрицательное изотопное взаимодействие [10]. В разд. 10.4 мы рассмотрим, как циркуляция потока может приводить к положительному или отрицательному изотопному взаимодействию. В гл. 11 обсуждается экспериментальный пример еще одного механизма изотопного взаимодействия, связанного с неоднородностью мембраны.
10.3. Модель переносчиков: активный транспорт
Блюменталь и Кедем [2] представили многое проясняющий
анализ соотношений между однонаправленными потоками и обменом веществ для системы с переносчиком, осуществляющим активный транспорт. Их рассмотрение, как и представленное в предыдущем разделе, непосредственно восходит к Хиллу. Для
простоты они рассматривают транспорт неэлектролита. В качестве примера переносчика берется расширяющийся и сокращающийся белок внутри мембраны (рис. 10.5). Предполагается, что белок имеет один связывающий центр, который, как челнок, снует через мембрану туда и обратно. Этот белок взаимодействует с переносимым веществом. Имеется, кроме того, другой связывающий центр, всегда локализованный на внутренней стороне мембраны, который является каталитическим центром превращения субстрата в продукт и обратно. На рис. 10.5, а показаны возможные состояния этой модели, а на рис. 10.5,6 — возможные переходы между состояниями. (Мы следуем здесь Блюменталю и Кедем, обозначая расширенное состояние четными, а сокращенное нечетными цифрами.) Белок может проходить через три циклические последовательности состояний. В цикле а (12431) одна молекула F переносится внутрь через мембрану. В цикле b (156821) одна молекула субстрата S превращается в одну молекулу продукта Р. В цикле с (15682431) происходят оба процесса. С помощью последнего цикла можно объяснить сопряжение между транспортом и метаболизмом.
_jVWv_______^aaaQ
Состояние 1
Рис. 10.5. а — возможные состояния в активном транспорте при участии белка-переносчика (четырехугольник — субстрат, перевернутый треугольник — продукт, кружок — транспортируемая форма); б — переходы между состояниями и их частоты [2].
Если белок не может расширяться и сокращаться иначе как в состоянии, нагруженном переносимым веществом или субстратом, т. е. если переходы 1—2 невозможны, сопряжение между транспортом и метаболизмом полное. В той мере, в какой этот переход имеет место, степень сопряжения понижена.
Чтобы проанализировать кинетику изотопных потоков, мы можем теперь рассмотреть две изотопные формы переносимого вещества, причем будем считать, что исходно весь изотоп 1 находится с наружной, а весь изотоп 2 — с внутренней стороны
