Биологический каталог




Биоэнергетика. Введение в хемиосмотическую теорию

Автор Д.Д.Николс

большинства методов измерения Дф в органеллах (разд. 4.2). Изменение равновесного распределения иона в зависимости от Дф показано на рис. 3.5.

Гхт1"

т=-Г

60 120 ДУ, мВ

Рис. 3.5. Равновесное распределение иона Хт+ как функция мембранного потенциала и переносимого заряда при транспорте по механизму унипорта.

60 Глава 3

Распределение незаряженных веществ не зависит от Агр и достигает равновесия, когда градиент концентрации становится равен нулю. Слабые кислоты и основания (те, что имеют р/С' между 3 и 11) часто способны проникать в незаряженной фор-

Снаружи

гНАп

Внутри

НА„

Снаружи

Внутри

ВН+

Вен

Рис. 3.6. Равновесное распределение слабых кислот и слабых оснований, проникающих через мембрану в незаряженной форме, как функция ДрН. А. Слабые кислоты. Если рК кислоты по обе стороны мембраны совпадают, то

К =

[Н+]сн[А-]сн [НЧвн [А-]вн

[НА]СН [НА]

вн

При равновесии [НА]Сн=[НА]вн; следовательно, ГН+]вн/ГН+]си = ГА-]сн/[А-]вН. Б. Слабые основания:

к - [Н+]СН[В]СН [Н+]вн[В]вн

[ВН+]С„ [ВН+]вн При равновесии [В]сн=[В]вН; следовательно,

[Н+]вн/[Н+]0н= [ВН+]ВН/[ВН+]СН. Обозначения: сн — снаружи, вн — внутри.

ме через бислойные участки мембран (разд. 2.4). В то же время ионизованные формы этих веществ не проникают через мембрану, даже если присутствуют в большом избытке по сравнению с незаряженной формой. Хотя распределение нейтральных форм (протонированной кислоты или депротонированного основания) не зависит от Агр, но в том случае, если на мембране существует градиент рН, концентрации ионизованных форм, согласно уравнению Гендерсона—Хассельбаха, должны быть различны по обе стороны мембраны, тогда как концентрации незаряженных форм одинаковы (рис. 3.6). Таким образом, анионы слабых кислот должны концентрироваться в отсеке с низким рН, а протонированные формы оснований — в отсеке с высоким рН. Этот принцип широко используется при определении величин АрН на сопрягающих мембранах (разд. 4.2).

Количественная биоэнергетика: измерение движущих сил

61

3.6. МЕМБРАННЫЙ, ДИФФУЗИОННЫЙ, ДОННАНОВСКИЙ И ПОВЕРХНОСТНЫЙ ПОТЕНЦИАЛЫ

Существуют три различных способа, с помощью которых может быть создан истинный мембранный потенциал (т. е. трансмембранная разность электрических потенциалов). Во-первых, он может возникать при работе электрогенных ионных помп, как это происходит в сопрягающих мембранах. Во-вторых, если по одну сторону мембраны добавить соль, катион и анион которой с разной скоростью проникают через мембрану, то благодаря именно этой разности скоростей возникает диффузионный потенциал. Диффузионный потенциал можно создать на сопрягающей мембране, например добавив К+ в присутствии валиномицина (рис. 4.7). На сопрягающих мембранах органелл диффузионные потенциалы быстро рассеиваются благодаря движению противоионов. В случае плазматической мембраны эукариотической клетки, где транспортные процессы в основном происходят медленно, такие потенциалы могут существовать часами.

Предельным случаем диффузионного потенциала является вариант, когда мембрана совершенно непроницаема для проти-воиона. Эти условия создаются во многих органеллах благодаря «фиксированным» отрицательным зарядам внутренних белков и фосфолипидов. В результате если органеллы суспендировать в среде с низкой ионной силой, то наиболее подвижные катионы будут выходить наружу до тех пор, пока возникший потенциал не уравновесится с градиентом их концентрации. Этот стабильный потенциал называют доннановским.

Как доннановский, так и диффузионный потенциал является истинной разностью потенциалов между водными фазами по разные стороны мембраны; они могут быть измерены соответствующими методами. Необходимо, однако, помнить, что Агр

является лишь одним из компонентов Ацн+, иначе могут возникать недоразумения (TedescW, 1979). Так, например, если митохондрии суспендировать в сахарозной среде в присутствии валиномицина (разд. 2.5) и FCCP (разд. 2.5), то на мембране поддерживается стабильный доннановский Агр более 80 мВ, хотя Ацн+ равен нулю, так как Агр' скомпенсирован равным градиентом рН (кислота в матриксе) (Nicholls, 1974). В присутствии субстрата и в отсутствие FCCP Агр возрастает лишь до 150 мВ,

а Ацн+ при этом растет от 0 до 230 мВ. Таким образом, при обсуждении хемиосмотической гипотезы вопрос о том, насколько Агр зависит от метаболизма (Tedeschi, 1979), не имеет особого значения, тогда как вопрос о зависимости от метаболизма суммарного Ацн+ является решающим.

62 Глава 3

Рис. 3.7. Влияние поверхностных зарядов на профиль мембранного потенциала, ДрН и Дцц+ вблизи мембраны. Отметим, что, хотя и Дф, и ДрН меняются вблизи мембраны, суммарная величина электрохимического протонного потенциала не зависит от поверхностного заряда. Это означает, что протоны, связанные с поверхностью мембраны или локализованные вблизи нее, находятся в электрохимическом равновесии с протонами в водной фазе (Junge, 1977).

Поверхностные потенциалы существенно отличаются от тех, что были рассмотрены выше. Наличие фиксированных отрицательных зарядов на поверхности сопрягающих мембран приводит к тому, что концентрация протонов в непосредственной близости от мембраны оказывается выше, чем вдали от нее (рис. 3.7). Разность электрохимических потенциалов протонов

на мембране Ацн+ не зависит от поверхностных потенциалов, поскольку повышение концентрации протонов у поверхности компенсируется снижением электрического потенциала. В тоже время некоторые мембранные индикаторы Дг|з, такие, как каро-тиноиды в фотосинтетических мембранах (разд. 6.3), реагируют также на величину поверхностных потенциалов.

3.7. ФОТОНЫ

В системах фотосинтеза первичным источником свободной энергии являются кванты электромагнитной энергии, или фотоны, которые поглощаются фотосинтетическими пигментами. Энергия одного фотона равна hv, где h — это постоянная Планка (6,62-Ю-34 Дж-с), a v — частота излучения (c_i). Если один фотон взаимодействует с одной молекулой, то N фотонов, где

Количественная биоэнергетика: измерение движущих сил

63

N — число Авогадро, взаимодействует с одним молем. Энергия одного моля (Эйнштейна) фотонов составляет

E = Nfo = Nhc/K = 120 ООО/

А кДж-эйнштейн"1, (3.30)

где с — это скорость света, а 'к — длина волны в нм. Из данных на рис. 3.8 видно, что поглощение лишь одного Эйнштейна красного света (600 нм) позволяет использовать около 200 кДж-•моль-1, что вполне сопоставимо с изменениями свободной энергии при биоэнергетических процессах.

3.8. ПРЕВРАЩЕНИЯ ЭНЕРГИИ В БИОЭНЕРГЕТИКЕ

Важнейшие стадии хемиосмотического сопряжения включают взаимопревращения различных форм свободной энергии, описанных в предыдущих разделах. Некоторые из наиболее важных процессов рассмотрены в табл. 3.4. Равновесная термодинамика позволяет ответить на следующие вопросы: 1. Находится ли данный процесс превращения энергии в равновесии (AG = 0)? 2. В каком направлении будет идти этот процесс? 3. Какова стехиометрия этого процесса (постольку, поскольку ее можно рассчитать, зная, что равновесие достигнуто и AG = 0)?

Таблица 3.4

Равновесные условия для некоторых хемносмотическнх преобразователей энергии

а) Редокс-зависимая протонная помпа

2AEh = пД (хн+,

где п равняется стехиометрии Н+/2е- для данного участка цепи. Отметим, что это уравнение верно лишь в том случае, если обе редокс-пары, образующие этот участок, находятся по одну сторону мембраны (Walz, 1979).

б) АТР-синтетаза

ДОР (внутри) = п'Д|лн+,

ЛОр (снаружи) = (и' + 1)Л[*н+ , где п' — это стехиометрия Н+/АТР, AGp (внутри) — фосфатный потенциал в матриксе митохондрий,. AGp (снаружи) — фосфатный потенциал во виемито-хондриальной среде; разность между ними определяется транспортом аденино-вых нуклеотидов и Pj через внутреннюю мембрану (разд. 7.6).

300

е з

а

200-

100

_I_

400 450

500 550 А. нм

_1_1_I

600 650 700

Рис. 3.8. Энергия фотонов, выраженная в Эйнштейнах, как функция длины волны.

64 Глава 3

Далее, как будет показано ниже (разд. 3.9), параметры равновесной термодинамики с некоторыми ограничениями могут быть использованы в рамках неравновесной термодинамики для описания процессов, протекающих вблизи равновесия, так как потоки энергии при этом являются такими функциями отклонения от равновесия, что их молено рассчитать на основании равновесных величин.

Для того чтобы рассчитать суммарное изменение свободной энергии для данного процесса превращения энергии, необходимо выразить все компоненты в одних и тех же единицах. Хотя наиболее фундаментальными единицами являются кДж-моль-1, величины редокс-потенциалов и электрохимических потенциалов удобнее выражать в единицах электрического потенциала. Перевод единиц- измерения свободной энергии в электрические единицы достигается путем деления на число Фарадея:

AG/F = AG0'IF + 2,3RT/F lgT (3.31)

Так, отклонению отношения действующих масс от равновесия на порядок [уравнение (3.4)] соответствует изменение свободной энергии 5,7 кДж-моль-' или 59 мВ. В табл. 3.4 приведены условия равновесия для некоторых процессов превращения энергии.

Биоэнергетические системы in vivo являются открытыми. В экспериментах с изолированными органеллами часто оказывается возможным создать условия равновесного превращения одной формы энергии в другую, если заингибировать последующие стадии процесса. Например, в изолированных митохондриях может устанавливаться равновесие между Ацн+ и AGp(ATP/ /ADP + Pj), если в системе отсутствуют любые внемитохондри-альные АТР-азы. В этих условиях можно рассчитывать термодинамическую стехиометрию процесса (разд. 4.4).

3.9. ПРИЛОЖЕНИЯ НЕРАВНОВЕСНОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ

(Обзоры: Rottenberg, 1979b, Westerhoff, van Dam, 1979)

Классическая равновесная термодинамика способна предсказывать условия, в которых данный процесс превращения энергии достигнет равновесия, а также направление, но не скорость протекания процессов, возникающих при отклонении от равновесия. Неравновесная (или необратимая) термодинамика содержит значительно меньше ограничений: она позволяет установить связь между потоками энергии

страница 11
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35

Скачать книгу "Биоэнергетика. Введение в хемиосмотическую теорию" (1.67Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(23.11.2017)