Самоорганизация в неравновесных системах - Николис Г.
Скачать (прямая ссылка):
Наконец, поскольку в реакции с участием фосфодиэстеразы происходит образование 5'АМ.Ф из цАМФ, незатухающие колебания могут иметь место и в отсутствие АТФ-пирофосфогидро-лазы. Что же касается аденилциклазы, то без нее, по-видимому, колебания невозможны [135].
14.8. РЕАКЦИИ С УЧАСТИЕМ МЕМБРАННЫХ ФЕРМЕНТОВ
В живых клетках большинство ферментов связано с мембранными структурами или содержится в клеточных органеллах. В последние годы были найдены способы посадки ферментов на искусственные мембраны, что позволило изучать связь между ДиффузИей и ферментативной кинетикой в условиях, близких к биологическим. Особый интерес представляет возможность по-
994
Глава 14
лучения однородного распределения молекул фермента [374?. Кроме того, оказалось, что иммобилизация резко увеличивает время жизни ферментов в активных конформациях.
Наблюдаемые в таких системах явления, вообще говоря, можно отнести к двум категориям.
Влияние мембранной структуры на поведение фермента
Связывание ферментов с нерастворимой фазой приводит к образованию структур, свойства которых зависят от условий протекания диффузионных процессов. Одна из таких возможностей состоит в асимметричном распределении активных центров в пределах образовавшейся структуры. В результате может возникнуть явление, напоминающее активный транспорт в том смысле, что метаболит переносится через мембрану в направлении, обратном направлению движения под действием градиента собственной концентрации [50].
Влияние локального распределения концентраций реагентов на поведение фермента
Локальные концентрации внутри мембраны обусловлены как переносом вещества, так и его участием в химических превращениях. Вследствие этого концентрации субстрата и продукта в мембране могут изменяться во Бремени и пространстве и, в частности, отличаться от концентраций во внешнем растворе. Например, Каплан, Напарстск и Забуски [58] наблюдали колеба лия в реакции гидролиза бензоил-Ь-аргинипэтилового эфира в присутствии связанного с мембраной nauamia. Такие колебания удалось воспроизвести и в математической модели. Еще один яркий пример пространственной организации был получен при изучении реакции с участием глюкозооксидазы и уреазы, Глюко-зооксидаза способствует увеличению рН, а в реакции уреазы рН уменьшается. Поскольку активность ферментов сильно изменяется в зависимости от рН, реакция становится как бы ав-токаталитической [375J. Наконец, следует отметить работы Шапю и Дельмотта [85, 86], которые поставили ряд экспериментов по изучению ионного транспорта в мембранах с иммобилизованными ферментами, погруженных в проточный реактор. Эти авторы наблюдали устойчивые множественные режимы ионного переноса, которые являются следствием кооперативностн.
Эти явления можно проанализировать с помощью методов, описанных в настоящей книге. Основное внимание следует уделять тому, чтобы выражения для активности различных ферментов, как аллостерических, так и подчиняющихся кинетике
Регуляторные процессы на субклеточном уровне
395
Михаэлиса, имели локальный смысл. Таким образом, например, уравнение для концентрации субстрата имеет вид
где учитывает влияние ферментативной реакции. Такая
запись предполагает одномерную диффузию поперек мембраны. В общем случае это уравнение следует рассматривать совместно с уравнениями для концентраций продуктов и ионов Н+ или ОН .
Концентрации на границах, особенно для субстрата, могут быть симметричными, а также постоянными или переменными. На одной из границ может располагаться непроницаемая стенка, как, например, в том случае, когда мембрана с ферментами приводится в соприкосновение с чувствительным стеклянным электродом.
Как в гл. 7, так и в предыдущих разделах настоящей главы мы уже подчеркивали разнообразные возможности, заключенные в уравнениях, описывающих диффузионно-кинетическую систему. Чтобы показать это на примере иммобилизованных ферментов, рассмотрим вначале мембрану с урат-оксидазой, разделяющую два раствора субстрата при концентрации 50. Будем считать, что ферментативная кинетика соответствует ингибиро-ванию избытком субстрата. В стационарном состоянии для величины 5 получим уравнение [90]
где
5(0) = 50, ОН),-0 (14.36)
^-т+зтиг- (14-37)
Эти уравнения записаны в безразмерных переменных. В качестве характерной длины служит толщина мембраны, а единица Измерения концентрации определена как постоянная Михаэлига Для фермента. Положительные константы Км, а и к связаны с Коэффициентом диффузии, толщиной мембраны и характеристиками фермента.
Анализ этих уравнений показывает, что система допускает Множественные стационарные состояния н гистерезисные явлении, аналогичные рассмотренным в разд. 8.4. Проще всего убе
396
Глава 14
диться в этом, принимая следующее приближенное выражение для диффузионного потока:
I '
где I — толщина мембраны, которая теперь считается неактивной и отделяет резервуар от части пространства толщиной /, содержащей однородный раствор фермента.
При наличии скоростьопределяющего кофактора система описывается следующими уравнениями [90]:
