Энергетика биологических мембран - Скулачев В.П.
ISBN 5-02-004027-4
Скачать (прямая ссылка):
1.3. А|йН, Ар; AjuNa И AS
Как показано на рис. 3, трансмембранная разность электрохимических потенциалов (AjlH, или протонный потенциал) занимает центральное положение в системе процессов трансформации энергии, происходящих в «протонных» мембранах. AjlH состоит из двух компонентов: 1) электрического и 2) химического (иначе концентрационного, или осмотического). Первый из них — трансмембранная разность электрических потенциалов (A^F), второй — трансмембранная разность концентраций ионов водорода (АрН).
Рис. 4 иллюстрирует эти два понятия. Если между двумя отсеками, разделенными мембраной, существует разность электрических потенциалов, образованная, скажем, электрической батареей, то оказывается энергетически выгодным перемещение ионов Н+ из отсека, заряженного положительно, в отрицательно заряженный отсек (на рис.4,а движение Н+ слева направо). Другой способ достичь той же цели — закислить левый отсек отно' сительно правого. В этом случае протонный ток слева направо также будет идти «под гору» (см. рис. 4, б).
Потенциальная энергия, накопленная в виде A^F или А pH, может быть утилизирована полезным образом, если поместить в мембрану устройство, сопрягающее перенос протонов «под гору» с совершением какой-либо полезной работы.
1.4. Аденозинтрифосфат
15
Энергия, накопленная в форме А(ГН, может быть рассчитана по уравнению (2):
Д^Н =
=FД? + RT In (ШЧп/[Н+]0), (2)
где A^F — трансмембранная разность электрических потенциалов, R — газовая постоянная, Т — абсолютная температура, F —число Фарадея, [Н+]л и [Н+]0 — молярные концентрации ионов Н+ в соответственно положительно заряженном (или более кислом) и в отрицательно заряженном (или более щелочном) отсеках.
Д]1Н измеряется в джоулях на моль х |.УЭйЬ Для перевода AjIH в вольты эту величину необходимо разделить на число Фарадея. Полученное частное Митчел [1045] предложил называть протондвижущей силой по аналогии с электродвижущей силой и обозначил ее символом Др. Для 25° Др может быть рассчитана по уравнению (3):
Др = A\iH/F = Д? - 0,06 ДрН. (3)
Знак вычитания между A^F и ДрН обусловлен тем, что pH есть отрицательный логарифм концентрации водородных ионов. Применительно к рис. 4 это обстоятельство иллюстрируется фактом, что AjIH будет тем больше, чем выше положительный заряд и чем ниже pH в левом отсеке.
Согласно уравнению (3), ДрН, равная 1, эквивалентна AY, равной 0,06 В, или 60 мВ. Та же величина, выраженная в килоджоулях на моль-1, будет равна 5,7, а в килокалориях на моль-1— 1,37.
Аналогичные уравнения можно применить также и к натриевой энергетике. В этом случае в уравнении (3) вместо AjIH надо подставить AjlNa, а вместо Др — натрийдвижущую силу, которую можно обозначить Дэ (s от sodium):
As = AjINa/F = AY - 0,06 ApNa. (4)
1-4. Аденозинтрифосфат
Концепция, рассматривающая АТР в качестве конвертируемой энергетической «валюты», была выдвинута Липманом еще в 1941 г. [949], т. е. задолго до того, как стала понятной аналогичная роль А(Щ.
©ОН-
Ё j = :
п н+^ F н+ = = к +
м ОН" © сг § [ 01П
г Z j j
Рис. 4. Схема, иллюстрирующая наличие AY (а) и ДрН (б) между двумя отсеками, разделенными мембр аноп
16
1. Введение в мембранную биоэнергетику
АТР (рис. 5) образуется из ADP и неорганического фосфата системами фотосинтетического, дыхательного и субстратного фос-форилирования. Некоторое количество АТР расходуется мембранными АТРазами для совершения осмотической или электрической работы при транспорте ионов «в гору», т. е. в сторону большей их
? АТР
О о
не:
NH,
о—р—о— Р-~0—Р—О— СН,
II II
"М"
он он
XII,
Рис. 5. Аденозинтри- и аденозиндифосфат
концентрации. Остальное используется в качестве источника энергетики при многочисленных эндэргонических процессах, протекающих вне мембран. Таковы прежде всего ATP-зависимые биосинтезы и связанные с ними реакции, сократительные АТРазные системы и т. д.
В некоторых случаях используется не АТР, а какой-либо из других нуклеозидтрифосфатов. Так, например, работа рибосом обеспечивается энергией GTP [138]. Однако GTP обычно образуется из GDP за счет переноса концевой фосфатной группы с АТР. Процесс катализируется нуклеозиддифосфаткиназой:
АТР +GDP-* ADP + GTP. (5)
Следовательно, и в этом случае также эндэргоническая реакция связана с энергодающим процессом через АТР.
АТР и все вещества, могущие образовать АТР в ферментативных реакциях переноса групп, объединяются термином высокоэнергетические соединения. Изменение свободной энергии при гидролизе аких соединений всегда не меньше, чем таковое у АТР, т. е.
1.4. Аденозинтрифосфат
17
10 ккал-моль-1 при физиологических условиях (при стандартных условиях эта величина для АТР составляет около 7 ккал-моль-1).
Следует подчеркнуть, что термин «высокоэнергетические соединения» имеет скорее биологический, чем химический смысл. Эту мысль можно пояснить следующим примером. Креатинфосфат служит высокоэнергетическим соединением у позвоночных, располагающих ферментом креатинфосфокиназой, который катализирует обратимый перенос фосфорила между АТР и креатином. В то же время у некоторых беспозвоночных, где роль буфера для АТР играет аргининфосфат, а креатинфосфокиназа отсутствует, креатинфосфат уже не является высокоэнергетическим соединением, если следовать определению, данному выше.
