ТЕРМОДИНАМИКА ОКИСЛИТЕЛЬНОГО ФОСФОРИЛИРОВАНИЯ
Как уже сказано, окислительное фосфорилирование сопряжено с ионным транспортом в митохондриальных мембранах. И субстраты, и продукты окисления и фосфорилирования являются ионами, и, очевидно, их транспорт должен влиять на скорость соответствующих процессов. Вместе с тем окислительное фосфорилирование, как таковое, есть система сопряженных процессов, а не отдельная химическая реакция. Максимально упрощенная схема сопряжения фосфорилирования с окислением показана на рис. 6.11 [34].
АТФ АТФ АТФ
0/гитттш фаефоршраеание АДФ (®H:0 = J, АДФ :0=J)
АДФ+ФН АДФ+ФН АДФ+ФН О/гиштемная атумуящия Са++(Фи: 0 = J, Са:0=^)
.Фосфат Са фосфат Са Фосфат Са
1,В7С&*+ 1,В7 Са++ 1В7 Са++ + + +
1,0 Фн 1,0 Фн 7,0 Фн
Рис. 6.10. Схемы альтернативных окислительных процессов — фосфорилирования и аккумуляции Са++.
Предложен ряд гипотез о механизме сопряжения в окислительном фосфорилировании. Согласно Слэйтеру в результате окисления возникают обладающие избытком энергии промежуточные вещества, участвующие в фосфорилировании [35]. Это —
химическая гипотеза. Она включает сопряжение с ионным транспортом, если принять, что промежуточное вещество определяет работу ионного насоса [36, 37]. С другой стороны, высказано предположение, что катионный насос неспецифичен и специфичность возникает благодаря различным барьерам проницаемости [38]. Химической гипотезе противостоит хемиосмотичс - ская теория Митчелла, подробно рассматриваемая в следующем параграфе. Согласно основной идее Митчелла, система окислительно-восстановительных фермен - Н++АДФ + Ф„ АТФ+н20 тов расположена во внутренней
Мембране митохондрий таким обра - фосфорштровшшеу 30м> чт0 перенос электронов от во
Дорода к кислороду сопровождается переносом заряда сквозь мембрану. В результате на мембране возникает разность потенциалов и ВНг+|о2 В+Н20 (или) градиент рН.
Разобщение окисления и фосфо - Рис. 6.11. Общая схема сопря - рилирования катионами, вводимы - жения окисления И фосфорили - ми из объясняется в химической рования. '
ВН,-окисляемый субстрат. ТЄ0РИИ КОНКУРЄНЦИЄИ 33 ВЫСОКО-
Энергетические промежуточные соединения. Исследования разобщения посредством различных веществ дают некоторые возможности для выбора модели (см. §6.5).
Общее термодинамическое описание процессов сопряжения не зависит от конкретной модели. При сопряжении двух линейных процессов (см. стр. 53)
H — Ч~ LnX2, І
(6.4)
J 2 = H~ L22X2 )
Степень сопряжения дается выражением
<7 = - Т
V LUL22
Причем в линейной области справедливо условие Онзагера Li2 = L2\. В отсутствие сопряжения q — 0, при полном сопряжении <7=1. При полном сопряжении окисления и фосфорилирования между изменениями свободной энергии должно реализоваться соотношение
Где v — стехиометрическое соотношение При неполном сопряжении вместо равенства имеет место неравенство и
| V ДОф/ДОо I < 1.
При промежуточных значениях ц отношение скоростей двух процессов является функцией отношения действующих сил. Для
Окислительного фосфорилирования {М - — сродство)
)
^о j
■Ч—' Г ь22 т ' I
Jo — Ml —f h Ma ~f-■ j
F (6.5)
I
T ' j
И отношение /ф//о есть отношение Ф„/0. Имеем
Ф„ /ф Q + іх
О ~ J0 _ Г1 + qx
ГДЄХ=^ф/^о, Ц определяется соотношением (6.4), а/ = д//'22/^П- При q = 1 имеем Фц/0 = 1 = 3, независимо от отношения ^ф/j^o, при <7 = 0 имеем Фн/О = Яг = при 0 < q < 1,
Т. е. при неполном сопряжении, отношение Фп/О нелинейно зависит от X.
Учитывая перенос протонов, напишем функцию диссипации (умноженную на Т) в виде
АГ = /ф^ф + /нЛДн + /о^о, (6.6)
Где Айн есть разность электрохимических потенциалов ионов водорода на входе и выходе из мембраны, т. е.
АДН = Д°ход - Д™ = RT In [Н+Г7[Н+ГХ + ЗГ Аф =
= - 2,SRT АрН + ЗГ Дф, (6.7)
Где 9" — число Фарадея, Д\|з — разность потенциалов (см. стр. 107).
Рассмотрим стационарное состояние с нефиксированными градиентами электрохимических потенциалов для ионов Са++, Mg++ и т. д. Соответственно потоки этих ионов равны нулю.
Функция диссипации (см. (6.6)) не определена в том смысле, что не указано, о каких значениях сродства идет речь — о внешних или внутримембранных. Согласно [34], можно провести соответствующее уточнение. Рассмотрим митохондриаль - ное окисление. Функцию диссипации для мембраны, находящейся в стационарном состоянии, можно написать в виде
Здесь pL^ и rij — электрохимические потенциалы и числа молей Для субстрата, продукта, 02, С02, Н^О, АТФ, АДФ, Ф„, Н+, К+, Са++, Mg++. Индексы і и е — внутри и вне мембраны. Для
совокупности метаболических реакций имеем
X v/r/r = £ (n'Jr + п'г) = п' + (6.9)
Где Jr — поток для г-н реакции, v3> — стехиометрические коэффициенты. Подставляя (6.9) в (6.8) и исключая nj, получаем
= - I (й{ дА, + I V/r/rjx?) . (6.10)
И во внешней, и во внутренней областях для сродства si - имеем
= — Z V/rl1/-
І
Следовательно,
От = - Z А\ Д Д, + Z /Х - (6.11)
І г
Если внутри мембраны реализовано стационарное состояние для всех компонентов, то п.1. — 0 и
АТ = Z JrStl = /ф^ф + /<Ж - (6.12)
Г
Таким образом, в стационарном состоянии достаточны измерения, проводимые только во внешнем растворе. Величины si% и st-о фиксированы, соответственно /ф и /0 отличны от нуля. Напротив, /н = 0. Если в стационарном состоянии отличны от нуля ДДн и J к, то
+ + (6.13)
Соответствующие феноменологические уравнения имеют вид
4Є \
H = + L*H ДІін + Чо-с
(6.14)
Здесь предполагается сопряжение химических реакций окисления и фосфорилирования с векторным потоком протонов — отличие ОТ нуля коэффициентов Z-фН и Z-оН - Прямое сопряжение может осуществляться лишь вследствие анизотропии мембраны. Косвенное сопряжение реализуется в условиях стационарности (см. стр. 68 и 72). Расчет коэффициентов L требует конкретной модели.
Обратные феноменологические уравнения имеют вид
^Н — ^фН^ф + RhJU + ^оН^о' І
Если Jh =0, то степень сопряжения равна
^-ДфоЛ/ЯфЯо^фо-
Если Лр. н = 0, получаем
< = Яф 0 - <4н) h ~ V Яф^о (<7фо + ?Фн? он) /о.
О
< = - Л/Ч*о (V + ?Фн? он) 'Ф + «о 0 - <7он)
<7 =
Где
<7і/ = - RtiNRuRn-
Степень сопряжения можно оценить экспериментально. При ограниченном поступлении АДФ происходит окисление без фосфорилирования [14], следовательно, Ф„/0 = 0. При добавлении АДФ возникает стационарное фосфорилирование. Количественное исследование дыхания состоит в том, что в митохондриаль - ную систему in vitro добавляют известное количество АДФ и измеряют количество поглощаемого кислорода [34]. Определяется отношение Фц/0, а также потенциал фосфата и окислительный потенциал субстрата. Соответствующие опыты были проведены Истабруком [39] (см. также [34]). Из полученных значений s4>% и S&1 следует высокая степень сопряжения окисления и фосфорилирования (q — 0,96). Максимальная эффективность потребления энергии, т. е. отношение выходной мощности к входной зависит только от значения q и выражается формулой [40]
(1 + Уї^Г
При q = 0,96 находим r)max = 0,56.
О>
Лшах
Эти феноменологические оценки не дают информации о механизме процесса, они могут иметь лишь ограниченную применимость при рассмотрении событий, реализуемых in vivo, так как вовсе не очевидно, что условие близости к равновесию здесь действительно соблюдается. Вместе с тем, высокую степень сопряжения окисления и фосфорилирования, следующую из термоди
намической трактовки экспериментальных данных, можно, по - видимому, считать установленной. Точность определения q имеет решающее значение для оценки эффективности г] — при q = 1,00 T)max = 1,00, при q = 0,96 Т]щах = 0,56.