Транспорт электронов в биологических системах - Рубин А.Б.
Скачать (прямая ссылка):
Pj =
Заключение
электронов в комплексах интересуются изменением во времени окисленности и (или) восстановленности индивидуальных переносчиков электронов при изменении внешних условий — концентрации доноров, акцепторов и т. д. В случае электронного транспорта скорость переноса электронов определяется состояниями комплекса как целого, а наблюдаемыми в эксперименте являются, как правило, лишь состояния отдельных переносчиков электронов. Это и обусловливает в основном специфику описания электрон-транспортных процессов в комплексах в отличие от других процессов (транспорт ионов и др.). Вместе с тем, признавая идентичность исходной системы уравнений, можно переводить соотношения, получаемые, например, для описания скорости ферментативной реакции в аналогичные соотношения, относящиеся к какому-либо другому процессу. В этом смысле показателен тот факт, что уравнения, описывающие поведение центра, могущего находиться в двух состояниях, имеют не менее 20 (!) различных наименований. Сводки некоторых названий в ферментативном катализе можно найти в книгах Диксона и Уэбба [1982] и Рубина [1984].
Глава 3 КИНЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ТРАНСПОРТА ЭЛЕКТРОНОВ В БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
В главе рассмотрены существующие в литературе подходы к описанию транспорта электронов в биологических системах. Проанализированы два различных по физическому смыслу типа взаимодействия переносчиков электронов — в комплексах, внутри которых задан строгий порядок взаимодействия переносчиков, и между подвижными переносчиками электронов, взаимодействующими друг с другом путем соударений. Построенная в предыдущей главе вероятностная модель мультиферментного комплекса конкретизируется для описания переноса электронов в комплексах молекул-переносчиков. Как и ранее, центральным является понятие состояния комплекса как целого, которое определяется как пересечение состояний отдельных переносчиков, составляющих комплекс. Такое определение понятия состояний комплекса молекул-переносчиков, при естественных предположениях, позволяет записать систему линейных дифференциальных уравнений относительно вероятностей состояний комплекса. Линейный характер кинетических уравнений расширяет возможности аналитического исследования. В заключительном параграфе приводится обоснование использования вероятностного описания.
3.1. Два механизма взаимодействия
переносчиков электронов
Кинетика электронтранспортных процессов при фотосинтезе и дыхании является объектом интенсивного изучения в течение многих лет. Для количественного описания переноса электронов через дыхательную цепь митохондрий Чанс и сотр. [Chance et al., 1955; Chance, Williams, 1956; Chance et al., 1958; Чанс, 1963] применили кинетическую схему, согласно которой этот процесс представляет собой последовательность бимолекулярных реакций, протекающих в гомогенной среде. Предполагалось, что взаимодействие компонентов подчиняется закону действующих масс, т. е., что скорость реакции переноса электронов пропорциональна произведению концентраций реагентов в соответствующей форме [Chance et al., 1955; Chance, Williams, 1956].
Уже на первых этапах применения метода математического моделирования для описания электронтранспортных процессов необходимо было выбрать между двумя типами моделей, описывающих взаимодействие переносчиков электронов друг с другом [Чанс, 1963; Гарфинкель, 1967; Гарфинкель, 1968; Chance et al., 1955; Wagner, Erecinska, 1971]. В моделях первого типа одна молекула переносчика может взаимодействовать только лишь с одной, структурно определенной молекулой другого переносчика. В моделях второго типа, в противоположность первому случаю, взаимодействуют многие молекулы переносчиков. Первоначально была выдвинута гипотеза о переносе электронов в биологических системах путем соударений молекул-переносчиков [Чанс, 1963]. Именно в связи с этим при количественном описании переноса электронов использовался закон действующих масс. Кроме того, при моделировании электронного транспорта было обнаружено, что, несмотря на существенно отличный тип уравнений, в обоих рассматриваемых случаях, разница между кинетикой окислительно-восстановительных превращений молекул-пе-реносчиков в моделях, использующих различные предположения
о характере структурной организации переносчиков иногда находится внутри экспериментальных ошибок [Pring, 1968; Wagner, Erecinska, 1971]. Причина такого соответствия будет рассмотрена нами в следующей главе. Тем не менее, исследование, проведенное с помощью метода Монте-Карло, показало [Chance et al., 1962; Гарфинкель, 1967; Гарфинкель, 1968], что в этих описаниях возможно существенное различие, причем связанная цитохромная система ведет себя как фиксированная в мембране, а не как система, подчиняющаяся закону действующих масс. Рассмотрим указанные два механизма взаимодействия переносчиков электронов в цепях электронного транспорта более подробно.
Если переносчики электронов достаточно подвижные, чтобы взаимодействовать друг с другом посредством соударений, то кинетика переноса электронов между переносчиками может быть описана исходя из обычного закона действующих масс, согласно которому скорость реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ [Chance, Williams, 1956]. В рассматриваемом случае электронтранспортная цепь представляет собой динамическое образование, в котором нет жесткой стехиометрии переносчиков электронов, а сама цепь существует благодаря кинетическим ограничениям, не позволяющим взаимодействовать исходному донору и конечному акцептору, минуя переносчики электронов. Рассмотрим в качестве примера реакцию переноса электронов между двумя одноэлектронными переносчиками С\ и С 2, взаимодействующими друг с другом по схеме
