Транспорт электронов в биологических системах - Рубин А.Б.
Скачать (прямая ссылка):
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 С2, взаимодействующими друг с другом по схеме
Кинетические уравнения, описывающие рассматриваемые окислительно-восстановительные реакции и полученные исходя из закона действующих масс, могут быть записаны в следующем виде:
Здесь [Dl\ [С\\ [С12\— концентрации восстановленной формы донора D и переносчиков электронов С\ и С2; [С°], [С°], [А0]
— концентрации окисленной формы переносчиков Ci, С2 и акцептора^/ k\\ fe’, къ — бимолекулярные константы скорости соответствующих реакций.
Будем предполагать, что концентрация соответствующих форм экзогенных доноров и акцепторов поддерживается постоянной на всем рассматриваемом промежутке времени и что общие концентрации рассматриваемых переносчиков равны друг другу. В частности, для переносчиков С± и С2 выполняются следующие равенства:
Это позволяет переписать систему дифференциальных уравнений (3.2) в следующем виде, где переменными уже являются относительные концентрации соответствующих переносчиков электронов в восстановленной форме [Pring, 1968; Clement-Metral, 1969]:
D———>Ci ———>C2 ———>A
(3-1)
d[C\J/dt - kJD'][C";] - k2[C\][C\], d[C\]/dt = k\[C\ ][C\ ] - k\[C\ J[A“J.
(3.2)
[C,1 ] + [C® ] = [C, ]0 = [C2 ]0 = [C‘ ] + [C2° ],
(3.3)
dyx/dt = kl(\-yl)-k2yl(\-y2), dy2/dt = к2(I-y2)yx -k3y2.
Здесь
Уг =[Q1]/[Q]0; У2=[С1]/[С2]0; k1=k-[D1l- къ = к3[А°].
Моделирование электронтранспортных процессов, проведенное на основе закона действующих масс, оказалось весьма продуктивным и позволило в ряде случаев не только описать экспериментально наблюдаемую кинетику редокс-превращений отдельных переносчиков, но и путем сравнения данных моделирование с результатами экспериментов уточнить структуру и функциональную организацию электронтранспортных цепей. Поскольку это направление кинетического анализа отражено в ряде обзоров [Chance, Williams, 1956; Pring, 1968; Garfinkel et al., 1970; Рубин и др., 1977; Березин, Варфоломеев, 1979; Венедиктов и др., 1980а; Шинкарев и др., 1980], мы не будем подробно останавливаться на рассмотрении работ, основанных на кинетическом законе действующих масс, и ограничимся лишь перечислением некоторых ключевых работ [Chance et al., 1955; Chance, Williams, 1956; Чанс, 1963; Рубин, Фохт, 1965; Рубин и др., 1968а, 19686; Pring, 1968; Борисов, Ивановский, 1970; Пытьева и др., 1973; Кукушкин и др., 1973; Holzapfel, Bauer, 1975; Куприянов и др., 1977; Рубин и др., 1977; Кукушкин, 1980].
