Биоэнергетика и линейная термодинамика необратимых процессов - Кеплен С.Р.
Скачать (прямая ссылка):
При попытке применить такой подход в эксперименте кажется естественным рассмотреть полную цепь реакций и учитывать концентрации экзогенных субстратов и суммарных конечных продуктов. Однако это не всегда возможно. Например, если имеется ветвление метаболической цепи, то вообще нельзя допустить, что в системе есть лишь один выход. Другая возможность состоит в том, что сродство дополнительной части цепи поддерживается постоянным благодаря саморегулирующемуся процессу (который, вообще говоря, может вносить нелинейность в оставшуюся цепь). Если это так, то сродство является характеристическим свойством системы и может быть параметром, определяемым линейными уравнениями (7.34) и (7.35). Даже в системах, в которых рассмотрение полной цепи реакций экспериментально возможно, полезно проанализировать также подсистемы. Этот подход был успешно применен в случае экстрагированных глицерином мышечных волокон, которые не имели эндогенных источников АТФ. В таких волокнах в принципе возможно экспериментально регулировать сродство реакции гидролиза АТФ. Аналогичный метод можно было бы использовать в случае эпителиальных тканей, но это потребовало бы существенных методических разработок.
Энергетика активного транспорта: экспериментальные данные
В предыдущей главе мы попытались дать исчерпывающее самосогласованное описание энергетики активных транспортных процессов, учитывающее неадекватность классических подходов в этой области. Было показано, что во многих случаях можно получить существенные кинетические и энергетические параметры, если только активный транспорт и сопряженный с ним обмен веществ удается описать в рамках простого линейного формализма. Помимо того что это создает основу для содержательного анализа энергетических соотношений как таковых, появляются предпосылки для выяснения механизмов влияния различных факторов, действующих на активный транспорт. В настоящей главе мы рассмотрим экспериментальные данные, позволяющие судить об обоснованности и возможностях применений линейных соотношений термодинамики необратимых процессов при анализе активного транспорта, особенно в случае транспорта ионов натрия в эпителии земноводных, и обсудим различные другие задачи с целью проверки и установления возможности применения теоретических формул. Хотя по причинам, которые мы отметим далее, такого рода проверка пока еще не является исчерпывающей, имеющиеся результаты обнадеживают и создают стимул для дальнейших усилий по использованию линейных соотношений термодинамики необратимых процессов в анализе множества систем.
8.1. Обоснование линейных феноменологических уравнений
8.1.1. Выбор объектов эксперимента
В принципе любая биологическая ткань может служить объектом для проверки границ применимости линейных соотношений термодинамики необратимых процессов, но на самом деле весьма важно рассмотреть ряд практических деталей, которые могут существенно влиять на реализацию программы такого рода экспериментов.
Для начала лучше всего взять эпителиальную ткань, омываемую с обеих сторон физиологическими растворами. Посколь-
ку оба раствора легко доступны, можно непрерывно следить и регулировать термодинамические силы и трансэпителиальные разности электрохимических потенциалов любых интересующих нас веществ, переносимых через ткань. Выбрав подходящие объемы растворов и методы измерения, можно поддерживать состав растворов в течение длительного времени примерно постоянным и одновременно проводить измерения скоростей транспорта и метаболизма. К сожалению, в таких препаратах не удается фиксировать сродство метаболических реакций на произвольном уровне. При существующих биохимических методах обычно оказывается невозможным оценить сродство рассматриваемых реакций из-за сложности структуры тканей и клеток. В противоположность асимметричным эпителиальным тканям такие симметричные клетки, как эритроциты или клетки мышечной ткани, создают большие трудности для измерений трансмембранной разности электрохимических потенциалов. Кроме того, в долгоживущих стационарных состояниях суммарные потоки должны быть равны нулю, а при этом измерения противоположно направленных активной и пассивной компонент затруднительны и неточны. Установление же условий, приводящих к ненулевому суммарному потоку, должно вскоре изменить внутриклеточные параметры.
Рис. 8.1. Прибор для одновременного измерения электрических параметров н поглощения кислорода кожей лягушки или мочевым пузырем жабы. Когда какая'Нибудь из этих тканей находится в контакте с одинаковыми растворами Рингера по обе стороны, возникает разность электрических потенциалов, отражающая активный транспорт натрия от внешней поверхности кожи лягушки (или от слизистой поверхности мочевого пузыря жабы) к внутренней, или серозной, поверхности. КЭ кислородный электрод, ПЦ — полярографическая цепь, С — самописец [41].
Важное практическое соображение, касающееся выбора объекта эксперимента, состоит в том, что соотношения, подлежащие проверке, должны быть самыми простыми, например они могут включать всего лишь один транспортный процесс, сопряженный с одной метаболической реакцией. Для наших целей важны результаты, полученные Уссингом с сотрудниками в опытах на коже лягушки и Лифом с сотрудниками на мочевом пузыре доминиканской жабы, которые показали, что при подходящем выборе условий трансэпителиальный активный транспорт ограничивается почти исключительно натрием и определяется в основном окислительным обменом [27, 39, 46]. Исследования таких простых систем, интересные и сами по себе, должны, кроме того, создать основу для анализа более сложных систем, включающих несколько транспортных процессов, в том числе сопряженных.
