ФИЗИКА ЖИЗНЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

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

ОТ = - Е (пЩ + ед). (6.8)

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

(6.15)

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.