WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |
THERMODYNAMICS ТЕРМОДИНАМИКА OF BIOLOGICAL БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ PROCESSES A. B. RUBIN..

‚ „‰‡‚ ‚ Thermodynamic laws and... ‚‡ their application for the analysis of biological proТермодинамика рассматривает общие законоcesses are considered.

мерности превращения энергии в форме тепла и Different biological pheработы между телами. В открытых биологических nomena are discussed системах постоянно происходит процесс обмена энергией с внешней средой. Внутренние метаболиwith respect to thermodyческие процессы также сопровождаются превращеnamics of irreversible ниями одних форм энергии в другие. Достаточно наprocesses.

помнить о механических процессах, трансформации энергии кванта света в энергию электронного возбуждения молекул пигментов, а затем в энергию хи‡ мических связей восстановленных соединений в фо ‡‚ ‰‡- тосинтезе. Другой пример – преобразование энергии электрохимического трансмембранного потенциала ·„ в энергию АТФ в биологических мембранах.

‡. ·‰‡Сейчас мы понимаем, что механизмы трансфорfl ‡ мации энергии в биоструктурах связаны с конфорfl ‰‡ - мационными превращениями особых макромолекулярных комплексов, таких, как реакционные ·‡ ‚ центры фотосинтеза, Н-АТФаза хлоропластов и ‡‡ ·„ митохондрий, бактериородопсин. Однако помимо fl‚. выяснения детального характера происходящих здесь процессов особый интерес представляют общие характеристики эффективности преобразования энергии в таких макромолекулярных машинах.

На эти вопросы призвана ответить термодинамика биологических процессов – один из разделов теоретической биофизики. Ниже мы увидим, каким образом применяются представления термодинамики необратимых процессов и в чем состоят несомненная ценность и ограничения такого подхода в анализе биологических явлений.

В классической термодинамике рассматриваются главным образом равновесные состояния системы, в которых параметры не изменяются во времени.

Однако в открытых системах реакции и соответствующие энергетические превращения происходят постоянно, и поэтому здесь необходимо знать скорости трансформации энергии в каждый момент времени. Это значит, что в энергетических расчетах надо учитывать и фактор времени. Для этого необходимо каким-то образом сочетать термодинамический и кинетический подходы в описании свойств открытой системы.

.. © ·.., Напомним вначале содержание основных зако- В самом деле, усложнение и увеличение упорянов классической термодинамики и результаты их доченности организмов в период их роста сопроприменения в биологии. Согласно первому закону, вождаются кажущимся уменьшением, а не увеличеколичество теплоты Q, поглощенное системой из нием энтропии, как должно было бы следовать из внешней среды, идет на увеличение ее внутренней второго закона.

энергии dU и совершение общей работы A, которая Однако увеличение энтропии в необратимых савключает работу против сил внешнего давления P мопроизвольных процессах происходит в изолиропо изменению объема dV системы и максимальную ванных системах, а биологические системы являполезную работу Amax, сопровождающую химичесются открытыми. Проблема поэтому заключается в кие превращения:

том, чтобы, во-первых, понять, как связано измене Q = dU + A, ние энтропии с параметрами процессов в открытой системе, а во-вторых, выяснить, можно ли предскагде работа зать общее направление необратимых процессов в А = pdV + Amax открытой системе по изменению ее энтропии. Главная трудность в решении этой проблемы состоит в или том, что мы должны учитывать изменение всех тер Q = dU + pdV + Amax. (1) модинамических величин во времени непосредственно в ходе процессов в открытой системе. ПостуОпытная проверка первого закона проводилась лат И.Р. Пригожина состоит в том, что общее в специальных калориметрах, где измерялась теплоизменение энтропии dS открытой системы может та, выделенная организмом в процессах метаболизпроисходить независимо либо за счет процессов обма, при испарениях, а также вместе с продуктами мена с внешней средой (deS), либо вследствие внутвыделения. Оказалось, что выделенная организмом ренних необратимых процессов (diS):

теплота полностью соответствует энергии, поглощенной вместе с питательными веществами. СпраdS = deS + diS. (4) ведливость первого закона означает, что сам по себе организм не является независимым источником каВо всех реальных случаях diS > 0, и только если внуткой-либо новой энергии.

ренние процессы идут обратимо и равновесно, то Второй закон термодинамики дает критерий наdiS = 0. Для изолированных систем deS = 0, и мы правленности самопроизвольных необратимых проприходим к классической формулировке второго цессов. Всякое изменение состояния системы опизакона:

сывается соответствующим изменением особой dS = diS = 0.

функции состояния – энтропии S, которая определяется суммарной величиной поглощенных систеВ клеточном метаболизме всегда можно выдемой приведенных теплот Q/T:

лить такие две группы процессов. Например, поступление извне глюкозы, выделение наружу про-------.

dS Q (2) T дуктов ее окисления (deS) и окисление глюкозы в процессах дыхания (diS).

Знак неравенства относится к неравновесным процессам. В изолированных системах Q = 0 и, следоВ фотосинтезе приток свободной энергии света вательно, приводит к уменьшению энтропии клетки deS < 0, а процессы дыхания, диссимиляции в клетке увеличиdS 0. (3) вают ее энтропию diS > 0. В зависимости от соотноВ этом и состоит эволюционный критерий нашения скоростей изменения deS и diS общая энтроправленности необратимых изменений в изолиропия dS открытой системы может либо увеличиваться, ванных системах, которые всегда идут с увеличенилибо уменьшаться со временем.



ем энтропии до ее максимальных значений при Если единственной причиной необратимости и окончании процесса и установлении термодинамиувеличения энтропии системы являются ее внутческого равновесия. Увеличение энтропии означает ренние процессы, то они ведут к уменьшению ее падение степени упорядоченности и организовантермодинамического потенциала. В этом случае ности в системе, ее хаотизацию.

diS ------- = --- dG, (5) ------ T, p dt T dt Применение второго закона к биологическим где G – полный термодинамический потенциал системам в его классической формулировке приво(или энергия Гиббса G = U + PV - TS).

дит, как кажется на первый взгляд, к парадоксальному выводу, что процессы жизнедеятельности идут Можно показать, что скорость возникновес нарушением принципов термодинамики. ния положительной энтропии внутри открытой, ‹10, химической системы зависит от химического срод- носят название коэффициентов взаимности Онзаства А и скорости реакции : гера. Вблизи равновесия diS L12 = L21. (10) ------- = --- A > 0. (6) dt T Теперь можно установить количественную связь Химическое сродство А определяется разностью химежду одновременно протекающими в клетке промических потенциалов реагентов реакции, то есть цессами, не зная их молекулярных механизмов.

ее движущей силой.

Рассмотрим процесс активного переноса вещестВыражение (6) имеет простой смысл. Оно покава через биологическую мембрану, который происзывает, что скорость образования в системе положиходит за счет энергии сопрягающего метаболическотельной энтропии в ходе необратимого химического го процесса и поэтому может идти против градиента процесса прямо пропорциональна его движущей концентрации переносимого вещества. Тогда силе A и скорости. Очевидно, что величина diS/dt является, вообще говоря, переменной, поскольку в J1 = L11X1 + L12X2, ходе химической реакции все время изменяются переменные концентрации реагирующих веществ, а J2 = L21X1 + L22X2, L12 = L21, следовательно, и зависящие от них величины А и.

где процесс (J1, X1) сопряженного переноса идет против градиента силы X1 (J1, X1 < 0) за счет энергии сопрягающего процесса (J2, X2 > 0). Если сопряжеМежду движущими силами и скоростями (потоние отсутствует, то L12 = L21 = 0 и процессы идут неками) должна, очевидно, существовать взаимозависимо друг от друга под действием только своих связь, при которой увеличение (уменьшение) двидвижущих сил жущей силы вызывает соответствующее увеличение (уменьшение) скорости процесса. Это относится не J1 = L11X1, J2 = L22X2.

только к химическим реакциям, но и к другим необратимым процессам.

В начальные моменты запуска системы большая Например, процессы переноса тепла и диффузии скорость сопрягающего процесса J2 снижается до вещества через мембрану из одной фазы в другую минимальных значений, одновременно растет вевключают движущие силы – градиенты температу- личина X1. В результате этих изменений устанавлиры и концентраций, а потоки соответствуют перено- вается стационарное состояние, когда результируюсу тепла или вещества между двумя фазами. Во всех щий сопряженный поток обращается в нуль: J1 = 0.

этих случаях возрастание энтропии имеет вид Если система полностью сопряжена, то и для сопрягающего потока устанавливается стационарное diS состояние J2 = 0. В этом случае в системе нет видиT ------- = XJ > 0, (7) dt мых изменений и вся энергия сопрягающего потока тратится на поддержание силы X1. Можно мысленгде Х – движущая сила, J – величина потока.

но представить себе колесо турбины в воде (X1), скоЕсли система находится вблизи равновесия, где рость ее движения (J1) и потока воды (J2). Эти сообвеличины движущих сил и потоков очень малы, то ражения справедливы не только для активного между ними имеется прямая пропорциональная запереноса, но и для других случаев. Так, в митовисимость:

хондриях скорость окисления субстрата, то есть скорость движения (J2), связана с отношением J = LX, (8) АДФ/АТФ, то есть движущей силой X1. В состоягде L – постоянный линейный коэффициент.

нии митохондрий, когда концентрация АДФ равна Если в открытой системе вблизи равновесия нулю и видимого образования АТФ не происходит протекают одновременно несколько процессов, то (J1 = 0), вся энергия тратится на поддержание макмежду ними существуют термодинамические соот- симального уровня (Xmax). Добавление разобщитеношения, отражающие их взаимное влияние. Для лей уменьшает величину X1, но тогда уже J1 0, что двух процессов (J1, X1) и (J2, X2) эти соотношения приводит к ускорению сопрягающего потока.

имеют вид Коэффициент трансформации энергии в соJ1 = L11X1 + L12X2, (9) прягающих процессах равен |J1X1|/J2X2 и в митохондриях может достигать значений 80–90%. ПриJ2 = L21X1 + L22X2, менение уравнений Онзагера позволяет получить где постоянные коэффициенты L11, L22 отражают характеристики макромолекулярных комплексов – зависимость потока от своей силы, а коэффициен- биологических трансформаторов энергии, не приты L12, L21 соответствуют взаимному влиянию силы бегая к детальному анализу механизмов их функциодного процесса на поток другого процесса. Они онирования.

.. Мы рассмотрим систему активного транспорта Мы уже видели, что в стационарном состоянии в одного иона (натрия), не сопряженного с перенооткрытой системе сом других веществ. Для простоты рассуждения буdeS diS dS = ------- + ------- = 0, дем считать, что можно выделить один метаболиче----- ский процесс, приводящий в движение активный dt dt dt транспорт натрия (рис. 1).





причем каждый из членов deS/dt и diS/dt отличен от Обозначим скорость активного транспорта катинуля. Возникает вопрос, можно ли по характеру изона через Ja, скорость метаболизма через Jr, тогда + менений величины diS/dt во времени предсказать установление в открытой системе стационарного Ja = La X+ + La A, (11) + + +r состояния. Ответ на этот вопрос дает теорема Пригожина, согласно которой в стационарном состоянии Jr = La X+ + LaA, +r r положительная функция diS/dt принимает минигде Х+ – отрицательная разность электрохимичесмальное положительное значение. Следовательно, ких потенциалов катиона (идущего против градиенпо мере приближения к стационарному состоянию та “своей” движущей силы), А – сродство метаболискорость образования энтропии внутри открытой ческой реакции, обеспечивающей транспорт. В системы монотонно уменьшается, постепенно прислучае одной метаболической реакции (гидролиз ближаясь к своему минимальному положительному АТФ) скорости потребления и производства всех значению. В этом состоит критерий направленносметаболитов связаны стехиометрически. Поэтому ти необратимых процессов в открытых системах, для оценки скорости метаболизма можно взять, нанаходящихся вблизи равновесия, где справедливы пример, скорость потребления О2 в дыхании. Тогда соотношения Онзагера.

сродство А может быть выражено как отрицательИз монотонного характера изменения TdiS/dt ное изменение полного термодинамического последует, что вблизи равновесия стационарное сотенциала метаболической реакции (гидролиз АТФ) стояние не может представлять собой автоколебана моль потребления О2.

тельный режим. Действительно, в этом случае переПомещая с обеих сторон мембраны одинаковые менные концентрации в системе (а следовательно, растворы ( C = C0 – C0 = 0) и изменяя трансмемб+ + величины J и X) изменяются периодически, что неранную разность потенциалов можно найти aиз совместимо с однонаправленным монотонным из(11) феноменологические коэффициенты La, L+r, + менением TdiS/dt и ее постоянством в стационаркоторые определяются из наклона соответствуюной точке. Экспериментальные измерения скорости щих прямых Ja = –La (F ) и Ja = –La (F ).

+ + r +r образования энтропии внутри системы можно проОчевидно, в экспериментальных условиях для водить в калориметрах, изучая тепловые потоки, нахождения коэффициентов важно сохранить пасопровождающие образование энтропии при неораметры системы и уметь направленно варьировать братимых изменениях в системе. В опытах на биоNa при постоянстве А. Опыты проводили на коже логических объектах было показано, например, что лягушки, где варьировали значения XNa путем измескорость теплопродукции и интенсивность дыханения. При этом сохранялся состав смывающей ния в процессе развития зародышей непрерывно жидкости и концентрация натрия поддерживалась уменьшаются начиная с первых стадий развития неизменной.

организма и достигают постоянных значений в стаВ прямых экспериментах была подтверждена ционарной фазе роста. Следует, однако, иметь в вилинейная зависимость скорости активного трансду, что уровень термогенеза может меняться в ходе порта Ja от на коже лягушки, где изменяли развития организма не только вследствие изменения Na величин движущих сил и потоков. Теплопродукция организма зависит и от состояния мембранных Naструктур и степени сопряжения процессов окислиOut тельного фосфорилирования. Наконец, принципиальным является то, что биологические системы, вообще говоря, находятся вдали от равновесия, где Aхим пропорциональность между J и X (9) или соотношения взаимности (10) нарушаются. Это особенно важно для биохимических процессов, где наиIn более характерны переходы с изменениями G = = 1–2 ккал/мол, а линейные соотношения ОнзаNai гера справедливы при G 0,2 ккал/моль. В таких условиях в стационарных состояниях, далеких от равновесия, теорема Пригожина несправедлива Рис. 1. Активный транспорт натрия. – транс(автоколебательный режим). мембранная разность потенциалов, ‹10, симметрично в области 0 ± 80 мВ. Величину Jr потоками, что должно позволить найти опытным можно определять по поглощению О2 с применени- путем коэффициенты L.

ем кислородных электродов. Оказалось, что при На основе такого подхода обсуждаются различсимметричных возмущениях потенциала соотноные гипотезы энергетического сопряжения. В частшение между Jr и было линейным в интервале ности, хемиосмотическая гипотеза предполагает 0 ± 70 мВ. Была изучена также зависимость Ja непосредственную связь с образованием АТФ тольNa и J2 от наружной концентрации натрия в условиях ко транслокации протонов, но не переноса электропостоянства его внутренней концентрации при понов. В этом предельном случае коэффициент LPстоянной нулевой разности электрических потендолжен быть равен нулю. Работы в этом направлециалов ( = 0). В этих условиях также наблюдалась нии продолжаются. Надо, конечно, ясно понимать, линейная зависимость скорости активного трансчто термодинамический анализ может помочь оцепорта JNa и поглощения кислорода Jr от разности хи- нить энергетическую эффективность и степень сомических потенциалов µ на мембране (рис. 2).

пряжения процессов, но ничего не говорит об их Na Однако если ХNa изменять путем варьирования внут- молекулярных механизмах.

ренней концентрации натрия, то линейность уже не соблюдается. Это обусловлено уже изменениями в микроструктуре и составе самой мембраны.

Pages:     || 2 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.