ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Природная проницаемость бислойных участков мембраны из "Биоэнергетика Введение в хемиосмотическую теорию" Гидрофобный слой, образованный липидным бислоем, создает эффективный барьер для заряженных веществ. Поэтому бислои, кроме некоторых важных случаев (разд. 2.5), непроницаемы для катионов и анионов. Они непроницаемы также и для протонов, что является жизненно важным для энергетического сопряжения, так как благодаря этому предотвращается короткое замыкание в цепи протонного тока (разд. 4.5). Бислой обладает не только высоким электрическим сопротивлением, но и способностью выдерживать очень большие электрические поля. При мембранном потенциале 200 мВ напряженность электрического поля, приложенного к гидрофобному слою сопрягающей мембраны, превышает 300 ООО В-см . [c.34] Бислой хорошо проницаем для незаряженных молекул Н2О, О2 и СО2, а также для незаряженных форм многих низкомолекулярных кислот и оснований, таких, как аммиак и уксусная кислота. Это позволяет использовать их для изучения градиентов pH на мембранах (разд. 3.5). [c.34] Ионофоры могут быть либо подвижными переносчиками, либо могут образовывать каналы в мембране (рис. 2.3). Подвижные переносчики диффундируют через мембрану и способны обычно осуществлять транспорт около 1000 ионов в секунду. Они могут обладать очень высокой избирательностью в отношении ионов, функционируют в искусственных многослойных мембранах, и на их функционирование влияет вязкость мембраны. Напротив, ионофоры, образующие каналы, имеют низкую ионселективность, однако работают очень быстро, обеспечивая транспорт до 10 ионов в секунду на канал. [c.35] Сопрягающие мембраны не имеют, как правило, природных электрогенных переносчиков К+. Применение ионофора позволяет индуцировать проницаемость для К+ и таким образом создать (разд. 4.2) или рассеять (разд. 4.3) мембранный потенциал, а также исследовать транспорт анионов (разд. 2.7). [c.37] Грамицидин представляет собой каналообразующий ионофор (рис. 2.4), который формирует в бислое короткоживущие проводящие димеры. Это характерно для каналообразующих ионофоров с низкой селективностью для протонов, моновалентных катионов и МШ. Ионы переносятся по этим каналам, не теряя гидратной оболочки. Проводимость каналов определяется лишь скоростью диффузии ионов, что позволяет пропускать через один канал до 10 ионов в секунду. [c.37] А23187 — это ионофор, несущий карбоксильные группы и проявляющий высокую специфичность в отношении двухвалентных катионов по сравнению с одновалентными. Он катализирует электронейтральный обмен Са + или Mg + на два Н+, не влияя на градиенты одновалентных ионов. [c.38] Непрямой перенос протонов можно индуцировать при одновременном возникновении унипорта иона и электронейтрального антипорта этого иона в обмен на протон. Так, например, комбинация валиномицина и нигерицина индуцирует суммарный унипорт Н+, тогда как К+ циклически переносится через мембрану. [c.39] Свойства белковых систем, катализирующих транспорт через сопрягающие мембраны, обычно сильно отличаются от свойств бислойных участков как в присутствии, так и в отсутствие ионофоров. Транспортные белки обладают многими свойствами, присущими ферментам они проявляют стереоспецифичность, часто их можно специфически ингибировать, они генетически детерминированы. Последнее обстоятельство делает невозможной ту степень обобщения, которая применима к транспорту через бислой. Например, если РССР (рис. 2.5) индуцирует протонную проводимость в митохондриях, то можно смело полагать, что его эффект будет тем же в случае хлоропластов, бактерий или искусственного бислоя. В отличие от РССР транспортный белок может быть специфическим не только для данной органеллы, но и для органеллы из определенной ткани. Например, переносчик цитрата существует в митохондриях из печени, где он участвует в переносе промежуточных соединений синтеза жирных кислот (разд. 8.3), но отсутствует в митохондриях из сердца. Иногда утверждают, что для белковых транспортных систем характерна кинетика насыщения. Хотя в некоторых случаях это может быть верным, в целом кинетика транспортных процессов настолько сложна (особенно если они зависят от мембранного потенциала), что интерпретация ее требует большой осторожности. [c.40] Транспортные белки изучались с помощью многих подходов, что привело к появлению избытка названий, таких, как переносчики, пермеазы, портеры и транслоказы. Все они являются синонимами транспортных белков. [c.40] Для набухания обычно необходимо, чтобы оба иона проникали через мембрану по единому механизму — либо электрогенно-му, либо электронейтральному. Можно, однако, вызвать набухание и в том случае, если это условие не выполняется. Для этого нужно индуцировать электрогенный перенос протонов с помощью переносчика типа РССР (рис. 2.7). Тот факт, что классические разобщители окислительного фосфорилирования (разд. 1.4) действовали согласно предсказаниям хемиосмотической теории в недышащих митохондриях (где не могло быть гипотетических высокоэнергетических интермедиатов), явился важным свидетельством в пользу этой теории (разд. 1.4). Митохондрии бурого жира имеют природный переносчик, вызывающий короткое замыкание протонного тока (разд. 4.5) во внутренней мембране. Он был впервые обнаружен с помощью той же техники набухания. [c.43] При исследовании изменений объема матрикса в дышащих митохондриях необходимо учитывать вклад протонов, переносимых через мембрану при работе дыхательной цепи. Набухание, зависящее от дыхания, можно наблюдать в присутствии электро-генно проникающего катиона (который накапливается в соответствии с мембранным потенциалом), а также электронейтраль-но проникающей слабой кислоты (которая накапливается по градиенту pH) (разд. 3.5), как показано на рис. 2.8. [c.43] Можно наблюдать также быстрое сокращение набухших митохондрий, вызванное дыханием. При этом матрикс должен содержать катион, выбрасываемый электронейтрально (по АрН), и анион, который выбрасывается электрофоретически (по Л ф). [c.43] В этой главе мы рассмотрим основные положения термодинамики в их приложении к биоэнергетике. В этой области биоэнергетики ошибки встречаются чаще всего, поскольку большинство биохимиков (как и автор) не имеют достаточной подготовки по физической химии. В основном мы ограничимся рассмотрением вопросов, представляющих интерес для биоэнергетики, но в то же время попытаемся развеять мистический ореол вокруг некоторых важнейших термодинамических соотношений, получив их на основании общедоступных формул. Мы настоятельно советуем читателю проследить за приводимыми преобразованиями хотя бы для того, чтобы избавиться от идеи, что АТР является высокоэнергетическим соединением. Наиболее важные части главы мы все же отметили чертой слева, чтобы проще было к ним возвращаться. [c.45] Термодинамика рассматривает три типа систем изолированные (или адиабатические) системы, полностью автономные и не обменивающиеся ни веществом, ни энергией с окружающей средой замкнутые системы, также не обменивающиеся веществом, но способные обмениваться энергией открытые системы, обменивающиеся с окружающей средой и веществом, и энергией. Сложность термодинамического описания этих систем возрастает по мере снижения степени изоляции системы. Классическая равновесная термодинамика не может дать точного описания открытых систем, так как поток вещества через их границы препятствует установлению истинного равновесия внутри системы. Поскольку все биоэнергетические системы являются открытыми (они обмениваются субстратами и продуктами со средой), очень важно учитывать ограничения в приложении равновесной термодинамики к этой области. [c.45] В изолированной системе движущей силой реакции служит энтропия. Всякий процесс может идти самопроизвольно лишь в том случае, если он приводит к повышению энтропии системы. В замкнутой системе также существует энтропийная движущая сила, однако для предсказания возможности спонтанного протекания процесса необходимо учитывать суммарные изменения энтропии в системе и окружающей среде. Поскольку энтропийные изменения в окружающей среде редко удается измерить, необходимо вычислить суммарное изменение энтропии на основании измеряемых параметров внутри системы, таких, как изменение энтропии и поток энтальпии (тепла) через границы системы (рис. 3.1). Как в изолированных, так и в закрытых системах количественной мерой суммы всех движущих сил процесса является изменение свободной энергии АС (при постоянной температуре и давлении). Если процесс приводит к снижению свободной энергии (АС 0), это свидетельствует о том, что он вызывает суммарное повышение энтропии системы и ее окружения и, следовательно, может протекать самопроизвольно. [c.46] НИЯ А В В, когда не происходит значительного изменения соотношения действуюш,их масс, не происходит также и изменений в свободной энергии, т. е. АО (выражаемая в кДж-моль ) равно нулю при равновесии. [c.48] Вернуться к основной статье