Биоэнергетика и линейная термодинамика необратимых процессов - Кеплен С.Р.
Скачать (прямая ссылка):
7H+ = L+* + L+rtf0Av, Jr — Lr+X + LrN Qhv (13.55)
где L+r?zLr+ и Lr+, конечно, может быть равен нулю. Тем не менее максимальный квантовый выход, очевидно, дается выражением (7Н+JJr)x_ —L+r/Lr. Следовательно, квантовый выход
надо определять в состоянии установившегося потока. Это требование удовлетворяется в суспензии фрагментов пурпурных
мембран, для которой Голдшмидт и др. [12, 13] экспериментально установили, что значение квантового выхода одной только прямой фотореакдии равно 0,3 моля Кйэо в расчете на один моль возбужденного bRs7o- Таким образом, цикл т должен в значительной мере определять долю рассеиваемой энергии.
Схема основных уровней свободной энергии, соответствующих кинетической диаграмме для бактериородопсина (рис. 13.12), показана на рис. 13.13. Помимо того, что на ней указаны различные источники разобщения, которые уже обсуждались ранее, схема хорошо иллюстрирует одно из важных и характерных свойств системы. Циклы т, п, о и р (рис. 13.12) приводят к полной потере энергии, тем не менее они играют важную роль в системе. Вполне возможно, что, когда пурпурные мембраны переходят из состояния установившегося потока в состояние статического напора, снижение /? + /г+ /* + /; точно или приблизительно компенсируется возрастанием /т + /« + + Jo + /р. Этим можно объяснить тот факт, что суммарная скорость потребления энергии света в данном процессе оказы-
Рис. 13.13. Схема основных уровней свободной энергии бактериородопсина, соответствующих кинетической диаграмме на рис. 13.12. Предполагается, что транспорт протонов осуществляется в режиме статического напора. Стрелками указано преобладающее направление цикла. Относительное положение уровня Lc-л пока неизвестно [7].
вается практически постоянной (Гарти и Кеплен, неопубликованные данные). Неоднократные сообщения о том, что удается различить замедление реакции, вызванное «обратным давлением» протонов [16], основаны на крайне слабых эффектах. Поскольку существенное снижение скорости фотореакции Ы?57о bR* в условиях монохроматического освещения при постоянной интенсивности следует исключить, циклы т, п, о и р могут действовать как своеобразные «клапаны безопасности». Как правило, наличие множества циклов связано с регуляторными свойствами и является необходимым условием эффективной накачки.
13.6. Заключительные замечания
Термодинамические соображения, изложенные в этой главе, могут быть использованы для проверки и построения ряда моделей. На практике это оказывается не простой задачей. Даже когда число независимых переменных сведено к минимуму, встречаются затруднения при определении величин сродства различных реакций и разностей электрохимических потенциалов на мембране. Показано, что применительно к стационарному состоянию митохондрий для измерения сил (отличных от Дрн) можно пользоваться концентрациями компонентов во внешней среде. Такие измерения представляются вполне реальными, по крайней мере для некоторых экспериментальных условий. Мы подчеркиваем важное значение одновременных измерений сил и потоков в одной и той же системе везде, где это возможно.
Все термодинамические параметры, относящиеся к эффективности трансформации энергии в митохондриях, можно оценить из опытов, проведенных в двух режимах: в состоянии статического напора (состояние 4) и в стандартном состоянии (состояние 3). Всегда, когда это возможно, следует в качестве стандартного состояния выбирать стационарное или почти стационарное состояние, а не континуум состояний, через которые система эволюционирует, переходя в состояние 4. Все измерения в стандартном состоянии должны выполняться в сопоставимых, а лучше — в идентичных условиях. Для установления того, действительно ли феноменологические уравнения линейны в термодинамическом смысле или же необходимо допустить наличие в них аддитивных постоянных, требуются измерения в нескольких состояниях статического напора.
Между хемиосмотической моделью, с одной стороны, и химической моделью или моделью параллельного сопряжения — с другой имеются фундаментальные термодинамические различия. В то же время последние две модели с термодинамической точки зрения неразличимы.
13.7. Выводы
1. Рассмотрены три модели сопряжения окислительного фос-форилирования и фотофосфорилирования: химическая гипотеза (образование высокоэнергетического интермедиата), хемиосмо-тическая гипотеза (сопряжение через циркулирующий поток протонов) и гипотеза параллельного сопряжения (представляющая собой комбинацию двух первых). Показано, что эти три модели включают различные комбинации шести возможных способов сопряжения.
2. Сконцентрировав свое внимание на окислительном фос-
форилировании в митохондриях, мы показываем, что функцию диссипации для этой системы можно записать в виде Ф = = /РЛ|х + /н Др,н + J0A^) где Л|х и Лдх — величины сродства реакций фосфорилирования и окисления соответственно, измеренные вне митохондрий; Дрн — разность электрохимических потенциалов протонов на митохондриальной мембране, т. е. ?н — и Л) — скорости фосфорилирования и окисления;
