Биологический каталог




Биоэнергетика. Введение в хемиосмотическую теорию

Автор Д.Д.Николс

и степенью отклонения системы от равновесия. Уравнения неравновесной термодинамики могут быть использованы для описания взаимосвязанных процессов переноса электронов, транслокации протонов и синтеза АТР в терминах потоков и потенциалов. Этот подход поз-

Количественная биоэнергетика: измерение движущих сил

65

воляет описать ток электронов в электрической цепи и показать, что протонный цикл (разд. 4.1) описывается аналогично для случая одномерного тока протонов.

Описание формальных подходов неравновесной термодинамики выходит за рамки настоящей книги, однако важно отметить те области, где эти подходы могут быть использованы.

В условиях, близких к равновесию, величина потока / есть функция А — сродства или разности свободных энергий. Вблизи равновесия эти параметры связаны линейной зависимостью:

J = L ¦ А,

где L — коэффициент пропорциональности. В случае транспорта ионов через мембрану, например если он происходит по механизму простого унипорта, сродство (А) эквивалентно разности электрохимических потенциалов (выраженной в тех же единицах, что и сродство):

J = L ¦ Д(х,

Так, в случае утечки протонов, катализируемой протонофором,

^н+ = ^н+ ' А^н-н >

т. е. поток протонов линейно зависит от величины Дцн+. Это уравнение остается справедливым даже в случае значительных отклонений от положения равновесия для диффузионных процессов, но не для химических реакций.

Для прочно сопряженного симпорта двух веществ через мембрану

Л = L [ АрА + Ацв).

Так, например, для симпорта лактозы с протоном, катализируемого лактозным переносчиком в Е. coli (разд. 8.5),

H+ / ~ ~ \

Лгакт = L { А^лакт + А Ц^) .

Это означает, что лактоза будет транспортироваться против градиента своего^ электрохимического потенциала до тех пор, пока существует Аи.н+ достаточной величины.

Для ионной помпы со стехиометрией п, например для АТР-синтетазы, связь потоков ионов и субстрата выражается следующими уравнениями:

/атр = ?атр (Лот + яАцн+)> JH+ = nJATP.

66 Глава 3

Другими словами, общая скорость превращения энергии при работе ионной помпы пропорциональна отклонению от термодинамического равновесия.

В случае митохондрий все протонные потоки, связанные с работой дыхательной цепи, АТР-синтетазы или с пассивной утечкой через мембрану, а также поток электронов в дыхательной цепи и поток синтеза АТР могут быть описаны сходными уравнениями. Во всех случаях поток равен произведению коэффициента пропорциональности на разность свободных энергий между начальным и конечным состояниями.

Наиболее важным приложением этих уравнений явились попытки измерения истинных, определяемых механизмом работы помпы стехиометрии переноса протона при дыхании и синтезе АТР в экспериментах, где неизбежно существовали побочные пути утечки протонов (van Dam et al., 1980).

Протонный цикл в митохондриях бурого жира имеет утечку, которую могут ликвидировать такие нуклеотиды, как GDP. Это является частью механизма теплопродукции, использующего энергию окисления жирных кислот до ацетата. Проводимость ионов С1- остается пока загадкой (разд. 4.5).

Глава 4

хемиосмотический протонный цикл

4.1. ВВЕДЕНИЕ

Протонный цикл, включающий работу первичных генераторов Ацн+ и АТР-синтетазы, был рассмотрен в глг 1. В этой главе мы обсудим функционирование протонного цикла в различных системах хемиосмотического сопряжения, которые могут быть созданы in vitro. Особо мы остановимся на сходстве протонных циклов с эквивалентными электрическими цепями (рис. 1.3), которые не только служат удобной моделью, но опи-

МитохонОрия

-Л.

О

Электрический аналог V

. 1 Г 1 ч. 02

Я

Гег

АТР

I-—<^~J

, г ~i

l_ F с \ CP

—ч о

-тЛАЛ-

'-o-J

Рис. 4.1. Аналогия между протонным циклом в митохондриях и электрической цепью. А. Разомкнутая цепь. Ток равен нулю (дыхания нет). Потенциал (Лрн+) максимален. Б. Цепь замкнута. Ток течет (дыхание есть). Совершается полезная работа (синтезируется АТР). Потенциал (Лри+) ниже максимального. В. Цепь замкнута накоротко. Энергия рассеивается, потенциал низок, а ток (дыхание) велик.

68

Хемиосмотический протонный цикл

69

сываются теми же уравнениями для потоков переноса энергии, что и протонные циклы (разд. 3.9).

Электрическая цепь характеризуется двумя основными параметрами: разностью потенциалов (в вольтах) и силой тока (в амперах). Измерив эти величины, можно рассчитать и другие параметры, такие, как уровень передачи энергии (в ваттах) или сопротивление компонентов цепи (в омах). На рис. 4.1 показана простая электрическая цепь, а также аналогичный протонный цикл во внутренней мембране митохондрий (цикл, существующий в фотосинтетической мембране, практически не отличается от изображенного на рис. 4.1). В разомкнутой цепи (рис. 4.1, А) электрический потенциал максимальный, но ток не течет, поскольку разность редокс-потенциалов, создаваемая батареей, точно уравновешивается разностью электрических потенциалов. В силу того что окисли гельно-восстановительные реакции в батарее прочно сопряжены с переносом электронов, в этих условиях химических реакций не происходит. В случае митохондрий протонный цикл оказывается разомкнутым, если протоны, выброшенные при работе дыхательной цепи, не могут вновь вернуться в матрикс. Как и в случае электрической цепи, мембранный потенциал в этих условиях максимальный и разность редокс-потенциалов в протонтранспортирующих участках дыхательной цепи (разд. 5.3) находится в равновесии с разностью электрохимических потенциалов протонов [с учетом стехиометрии Hh/e_ (разд. 3. 8)]. Если ре-докс-реакции жестко сопряжены с переносом протонов, то в этих условиях дыхания не происходит.

На рис. 4.1, Б показаны нормальные режимы работы электрического и протонного циклов, в которых совершается полезная работа. Потенциал в этих условиях несколько ниже, чем при разомкнутой цепи. Движущей силой служит небольшая разница между редокс-по-тенциалом дыхательной цепи (батареей) и потенциалом электрической цепи. Можно рассчитать «внутреннее сопротивление» батареи, исходя из падения потенциала, необходимого для поддержания данного тока. Так было определено «внутреннее сопротивление» дыхательной цепи, которое оказалось очень низким (разд. 4.5).

АТР

Рис. 4.2. Митохондриальная дыхательная цепь содержит три протонные помпы, которые включены в протонный цикл параллельно, а относительно потока электронов — последовательно. Сукц. — сукцинат, фум. — фумарат.

70 Глава 4

Электрическая цепь может быть замкнута накоротко, если параллельно с ней ввести цепь с малым сопротивлением (рис. 4.1. В). Ток в этом случае течет, не совершая полезной работы, а энергия рассеивается в виде тепла. В случае протонного цикла разобщение происходит после добавления протоно-форов (разд. 2.4). Дыхание при этом не сопровождается стехи-> ометрическим синтезом АТР.

Конечно, было бы слишком большим упрощением рассматривать дыхательную цепь как единый генератор протонного тока. Система дыхательной цепи состоит из трех протонных помп, включенных в протонный цикл параллельно, но работающих последовательно по отношению к току электронов (рис. 4.2). Подробному обсуждению работы дыхательной цепи будет посвящена гл. 5. Здесь же мы рассмотрим комплексы дыхательной цепи в основном как «черные ящики». Надо лишь отметить, что существует возможность подавать и принимать электроны на уровне каждой из протонных помп, что позволяет исследовать их раздельно.

4.2. ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА ПРОТОНОВ

(Обзоры: Rottenberg, 1975, 1979а; Fillingame, 1980)

Количественное определение протонного электрохимического потенциала имело большое значение для хемиосмотической теории, поскольку всякий эксперимент, в котором наблюдался бы

синтез АТР в отсутствие достаточного по величине Дцн+,цМог бы подорвать основы теории. Протонный электрохимический потенциал является также наиболее прямым и количественным показателем «энергизованного» состояния сопрягающей мембраны в органеллах.

Все существующие методы измерения Ацн+ включают раздельное определение величины Аг|з и АрН (разд. 3.5). Дф можно рассчитать по уравнению Нернста [уравнение (3.30)], определив равновесный концентрационный градиент какого-нибудь иона, проникающего через мембрану, если, мембрана непроницаема для других ионов, присутствующих в среде (разд. 2.3). Можно также использовать спектральные индикаторы Дф, предварительно откалибровав их с помощью заданных диффузионных потенциалов (разд. 3.6). ДрН обычно рассчитывают на основании равновесного распределения нейтральных проникающих форм слабых кислот и оснований (разд. 3.5).

Особенно осторожно следует подходить к выбору индикато-

Хемиосмотический протонный цикл

71

ров. Во-первых, для измерения Дф должен быть выбран ион, который будет накапливаться внутри везикул: катион, если внутри органеллы (митохондрии) «минус», или анион, если внутри «плюс» (субмитохондриальные частицы, хроматофоры, хлоропласты). Во-вторых, должна существовать возможность расчета концентрации свободного индикатора внутри органеллы. Следует выбирать либо такой индикатор, который не связывается с компонентами органеллы, либо индикатор, позволяющий легко рассчитать коэффициент его активности. В-третьих, индикатор должен быстро перераспределяться между средой и внутривези-кулярным пространством, достигая электрохимического равновесия, причем желательно, чтобы перенос индикатора через мембрану осуществлялся по какому-то одному механизму. В-четвертых, индикатор должен в минимальной степени изменять электрохимические градиенты. В-пятых, индикатор не должен метаболизироваться.

В случае измерений ДрН к индикатору предъявляются те же требования. К тому же индикатор должен быть слабой кислотой, чтобы накапливаться внутри органеллы, имеющей внутри щелочной рН, и слабым основанием, если внутри кислый рН (разд. 3.5).

После того как достигнуто равновесное распределение индикатора, его концентрацию необходимо измерить. Это достигается, например, при быстром отделении органелл от среды или при непрерывном измерении падения кон

страница 12
< 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
(14.12.2017)