Транспорт электронов в биологических системах - Рубин А.Б.
Скачать (прямая ссылка):
Дз (3.6)
(2) С,°С‘ -> С,‘С‘ (4)
На этой схеме верхние индексы 0 и 1 у С\ и С2 показывают отсутствие или наличие электрона на соответствующем переносчике: например, cfcj означает такое состояние комплекса, когда первый переносчик окислен, а второй — восстановлен. Цифры в скобках указывают номер состояния комплекса, ki — константы скорости соответствующих переходов, причем константы скорости к\ и к3 пропорциональны концентрации экзогенных доноров и акцепторов в соответствующей форме:
кх =ki[D ], к3 =к3[Л ]. р
Существенно, что константа скорости кг внутрикомплексного переноса электронов имеет мономолекулярный характер.
В отличие от переноса электронов между подвижными переносчиками в рассматриваемом случае возможна кооперативность в переносе электрона, т. е. зависимость констант скорости переноса электрона от состояния всех переносчиков, входящих в комплекс. Параметры а и 3 на схеме (3.6) характеризуют степень кооперативности. Так, например, перенос электрона от экзогенного донора в комплекс может существенно зависеть от зарядового состояния второго переносчика (а^1). Для концен-
траций различных состояний комплекса двух ферментов можно записать систему уравнений, которая полностью аналогична получающейся при рассмотрении переходов между различными, состояниями мультиферментного комплекса:
d/cjc»;/* = k^AV/'Ci’C’ ]-k\[D'][C°Cl],
d[C°C\]/dt = k2[C\C<>2]-(k'jA0 ] + ск',[0'])[с'!с\], (3.8)
d[C\cl]/dt = k'1[D1][C01Cl,2] + fik',[A0][C\C1J-k2[C\cU
d[C\C\]/dt = ck'1[Dl][C01C'2]-fik',[A<>][C\C\].
Решив систему дифференциальных уравнений относительно концентраций состояний комплекса (с соответствующими начальными условиями), можно найти также и концентрацию состояний отдельных переносчиков электронов, просуммировав концентрации всех тех состояний комплекса, в которых находится рассматриваемый переносчик в интересующем нас состоянии. Например, концентрация восстановленной формы первого переносчика равна
с,1]=[с1,с’5]+ [cjci] (3.9)
Кинетика переноса электронов в комплексах молекул-переносчиков даже в отсутствие кооперативности (а=(3=1) может суще-
Рис. 23. Зависимость скорости переноса электронов между Ci и Сг от концентрации реагентов для случая подвижных переносчиков (2) и переносчиков, организованных в комплексы
СО
ственно отличаться от таковой между подвижными переносчиками, поскольку зависит от объемной концентрации состояний комплекса, а не от объемной концентрации отдельных переносчиков, как это имеет место для подвижных переносчиков. В связи, с этим для рассматриваемых двух механизмов переноса электронов зависимость скорости переноса электронов от концентрации реагентов существенно различна. В случае комплексов скорость реакции линейно зависит от концентрации обоих реагентов (предполагаем, что концентрации обоих реагентов равны друг другу). В то же время аналогичная зависимость для подвижных переносчиков носит квадратичный характер (рис. 23). Поэтому
скорость переноса электрона в комплексах может быть достаточно быстрой даже при чрезвычайно малой концентрации реагентов, так как последние уже исходно находятся в «реакционноспособном» комплексе. В качестве иллюстрации к сказанному рассмотрим простой пример. Как правило, бимолекулярная константа скорости химической реакции в растворе не превышает Ю10 M'V [Даниэльс, Олберти, 1978]. Считая, что концентрации реагентов составляют 1 мкМ, имеем для скорости реакции F=1010-10'12=10'2 Мс'1. Если считать мономолекулярную константу скорости равной Ю10 с'1 (а для скорости переноса электронов в фотосинтетических реакционных центрах это справедливо), то при той же концентрации реагентов скорость реакции равна F=1010-10'6=104 М-с'1. Таким образом, суммарная реакция в комплексах может быть на нес-колько порядков быстрее, чем между подвижными переносчи-ками, только за счет организации переносчиков электронов в комплексы.
Рассмотрим теперь более подробно вероятностную модель переноса электронов в комплексах молекул-переносчиков, которая является детализацией модели, изложенной в гл. 2.
3.2. Перенос электронов в мультиферментных комплексах.
Построение модели
Как уже указывалось в гл. 1, цепь электронного транспорта при фотосинтезе и дыхании образована из небольшого числа встроенных в мембрану мультиферментных комплексов, причем переносчики электронов, входящие в тот или иной комплекс, в определенных условиях могут помимо обмена электронами присоединить протон, а также взаимодействовать с теми или иными лигандами. Поэтому в общем случае необходимо рассматривать все состояния, в которых может находиться комплекс. Состояния комплекса молекул переносчиков в этом случае могут быть определены [Шинкарев, Венедиктов, 1977] как пересечение состояний отдельных переносчиков, образующих комплекс, причем каждый из переносчиков электронов может находиться в окисленной или восстановленной форме, протонированном или депротонированном состоянии и т. д. Как известно из гл. 2, перенос электронов можно описать следующей системой линейных дифференциальных уравнений относительно состояний комплекса молекул переносчиков:
