Нелинейные дифференциальные уравнения в биологии. Лекции о моделях - Марри Дж.
Скачать (прямая ссылка):
(1967) On the mathematical status of the pseudo-steady state hypothesis
of biochemical kinetics-Math. BioscL 1, 95-113.
Яковлев В. A.
(1966)* Кинетика ферментативного катализа-М.: Наука.
ГЛАВА 2 ОБЛЕГЧЕННАЯ ДИФФУЗИЯ
2.1. Физиологические основы и наблюдаемые явления
В большом числе физиологических процессов диффузия играет основную роль.
Здесь мы обсудим один ее важный аспект, связанный с внутриклеточным
транспортом. Конкретнее, мы будем заниматься облегченным диффузионным
транспортом субстратов через мембраны, происходящим благодаря
взаимодействию субстратов с некоторыми компонентами мембран. Общая идея
состоит в том, что мембрана содержит макромолекулы-"носители",
облегчающие прохождение субстрата через нее. Существует, по-видимому,
несколько возможных механизмов этого явления. Сейчас общепризнанно, что
важным и широко распространенным является механизм, при котором субстрат
соединяется с носителем, и комплекс субстрат-носитель осуществляет
диффузию субстрата через мембрану. Такой процесс называется облегченной
диффузией
Уиттенберг (1959) и Шоландер (1960) независимо исследовали облегченную
диффузию кислорода через растворы, содержащие гемоглобин (НЬ), белок,
обратимо соединяющийся с кислородом2'. Позднее Уиттенберг (1966) провел
серию экспериментов для выяснения истинного молекулярного механизма
явления. Облегченная диффузия оценивалась количественно путем измерения
избыточного потока кислорода через раствор при наличии гемоглобина по
сравнению с потоком кислорода при его отсутствии. Первоначально
эксперименты проводились с целью изучить функциональную роль миоглобина
(Mb) в мышечных волокнах. Миоглобин-это белок, присутствующий в красных
мышцах и обратимо соединяющийся с кислородом.
11 Употребляется также термин индуцированный транспорт; об облегченной
диффузии см. книгу Лайтфута (1977)*; модель транспорта кислорода см.
также в книге "Методы математической биологии" (1981)*. Следует отметить,
что облегченная диффузия может представлять собой искусственный химико-
технологический процесс, используемый для разделения некоторых веществ с
применением специальных носителей и жидких пленок-мембран; см. статью
Матуле-вичюса и Ли (\915)*.-Прим. перев.
21 В работе Строва, Смита и Колтона (1976)* рассмотрена более
реалистичная ситуация переноса кислорода посредством облегченной диффузии
в гетерогенной среде, состоящей из плазмы крови и красных кровяных
телец,-Ярим. перев.
50
Гл. 2. Облегченная диффузия
Тот факт, что миоглобин обратимо соединяется с кислородом, чрезвычайно
важен физиологически. В течение долгого времени считали, что
первоочередная роль миоглобина состоит в том, что он служит резервуаром
кислорода в сердечной и красной скелетной мышцах, удовлетворяющим
потребность в кислороде при повторной активности значительной силы. Нет
сомнения, что эта роль, вообще говоря, существенна. В этом заключается
основная функция миоглобина в мышцах таких животных, как кит и тюлень,
при продолжительном нырянии которых внешний доступ кислорода
прекращается: их мышцы могут запасать весьма значительное количество
кислорода. У китов около 10% мышц состоит из миоглобина. В
действительности мышцы китообразных не могут запасти достаточно кислорода
на весь период ныряния, который для кашалотов составляет около 1 ч, тогда
как для тюленей-около 5 мин. Мышцы китов потребляют весь свой кислород, а
затем переходят в так называемое состояние кислородной задолженности с
сопутствующим образованием молочной кислоты. Мы обсудим модель
потребления кислорода мышечными волокнами и возникновения в них
кислородной задолженности в разд. 2.6.
В результате исследований по облегченной диффузии кислорода, проведенных
в последние несколько лет, теперь общепризнанно, что более общая и
распространенная функция миоглобина состоит во внутриклеточном транспорте
кислорода. Исчерпывающий (на момент опубликования) обзор по облегченной
диффузии кислорода в • мышцах посредством миоглобина дал Уиттенберг
(1970), которому принадлежит основная заслуга в широком признании этой
более общей роли миоглобина.
Когда транспорт субстрата осуществляется с помощью носителя, возможны,
вообще говоря, два процесса. Чтобы рассмотрение было конкретным, а также
учитывая наличие детальных экспериментальных данных, будем вначале
считать субстратом кислород, а носителем гемоглобин. Однако теория,
которую мы изложим, носит вполне общий характер и справедлива для любого
субстрата, связывающего белок аналогичным образом. Мы будем заниматься в
основном случаями, когда субстратами служат кислород и окись углерода, а
в роли белков выступают гемоглобин и миоглобин. Один из возможных
процессов здесь это механизм "бригадной цепочки", когда центр,
связывающий кислород, не перемещается, а транспорт осуществляется
переходом ли-ганда-кислорода от одного связывающего центра к следующему.
Для такого механизма фиксированные связывающие центры должны быть
расположены весьма близко друг к другу. Подобный механизм облегченного
