Термодинамика активного транспорта

Мы рассмотрим систему активного транспорта одного иона (натрия), не сопряженного с переносом других веществ. Для простоты рассуждения будем считать, что можно выделить один метаболический процесс, приводящий в движение активный транспорт натрия.

Обозначим скорость активного транспорта катиона через , скорость метаболизма через J_r, тогда

где Х₊ - отрицательная разность электрохимических потенциалов катиона (идущего против градиента "своей" движущей силы), А - сродство метаболической реакции, обеспечивающей транспорт. В случае одной метаболической реакции (гидролиз АТФ) скорости потребления и производства всех метаболитов связаны стехиометрически. Поэтому для оценки скорости метаболизма можно взять, например, скорость потребления О₂ в дыхании. Тогда сродство А может быть выражено как отрицательное изменение полного термодинамического потенциала метаболической реакции (гидролиз АТФ) на моль потребления О₂.

Помещая с обеих сторон мембраны одинаковые растворы  и изменяя трансмембранную разность потенциалов ∆φ можно найти из (11) феноменологические коэффициенты  ,  , которые определяются из наклона соответствующих прямых ∆  и  

Очевидно, в экспериментальных условиях для нахождения коэффициентов важно сохранить параметры системы и уметь направленно варьировать Na при постоянстве А. Опыты проводили на коже лягушки, где варьировали значения X_Na путем изменения ∆φ. При этом сохранялся состав смывающей жидкости и концентрация натрия поддерживалась неизменной.

В прямых экспериментах была подтверждена линейная зависимость скорости активного транспорта  от ∆φ на коже лягушки, где ∆φ изменяли симметрично в области 0  80 мВ. Величину J_r можно определять по поглощению О₂ с применением кислородных электродов. Оказалось, что при симметричных возмущениях потенциала соотношение между J_r и ∆φ было линейным в интервале 0  70 мВ. Была изучена также зависимость и J₂ от наружной концентрации натрия в условиях постоянства его внутренней концентрации при постоянной нулевой разности электрических потенциалов (∆φ=0). В этих условиях также наблюдалась линейная зависимость скорости активного транспорта J_Na и поглощения кислорода J_r от разности химических потенциалов ∆μ_Na на мембране. Однако если Х_Na изменять путем варьирования внутренней концентрации натрия, то линейность уже не соблюдается. Это обусловлено уже изменениями в микроструктуре и составе самой мембраны.

Подобные исследования были успешно проведены и в отношении активного транспорта протонов с применением уравнений неравновесной термодинамики для двух потоков. Во всех случаях варьирование Х₊ позволяет оценить феноменологические коэффициенты и сродство А движущей метаболической реакции. В последнее время делаются успешные попытки применить подобный формализм для описания процессов фосфорилирования в митохондриях и хлоропластах. Считается общепринятым, что в этих объектах имеется тесное сопряжение между тремя главными процессами, лежащими в основе биоэнергетики клеточных мембран: электронный транспорт с окислением субстрата (J₀, А₀), фосфорилирование АДФ с образованием АТФ (J_Р, А_Р), транслокация протонов через сопрягающую мембрану (J_H, ∆μ_H). Ключевую роль играет трансмембранная циркуляция протонов, которая индуцируется переносом электронов и, в свою очередь, запускает синтез АТФ. Как оказалось, здесь также имеет место линейная зависимость между силами и потоками, что должно позволить найти опытным путем коэффициенты L.

На основе такого подхода обсуждаются различные гипотезы энергетического сопряжения. В частности, хемиосмотическая гипотеза предполагает непосредственную связь с образованием АТФ только транслокации протонов, но не переноса электронов. В этом предельном случае коэффициент L_P0 должен быть равен нулю. Работы в этом направлении продолжаются. Надо, конечно, ясно понимать, что термодинамический анализ может помочь оценить энергетическую эффективность и степень сопряжения процессов, но ничего не говорит об их молекулярных механизмах.