Роль Н⁺-АТФазы

- обратимый фермент, обладающий как АТФ-синтетазной, так и АТФазной функциями. Синтез АТФ осуществляется за счет дельта мю H+, а гидролиз АТФ приводит к тому, что протонная АТФаза сопряженно генерирует мембранную разность электрохимического потенциала H + .

АТФазный комплекс включает растворимую АТФазу (фактор F1), где происходит синтез АТФ, и мембранную часть (фактор F₀), где формируется протонный канал. По этому каналу протоны поступают в гидрофобную область к активному центру, а затем оттуда в воду по другую сторону мембраны. Конкретный механизм переноса протонов до конца неясен, но, вероятно, он представляет собой эстафетную передачу протона по донорно-акцепторным группам аминокислот (арг, тир, глу). Фактор F1 является полуфункциональным белком, включает несколько субъединиц и обладает сложной четвертичной структурой.

Кратко строение АТФ для тех, кто забыл

F1 – гидрофильный сферический комплекс = каталитический центр, тут синтез АТФ

F0 – гидрофобный, встроен в мембрану, формирует канал, по которому ионы Н+ пересекают мембрану по градиенту потенциала. Вращение сопровождается конформационными изменениями каталитических центров F1 – комплекса. Альфа и бета не вращаются, вращается гамма-ножка.

Конформационные изменения идут на всех трех бета-субъединицах при повороте гамма-субъединицы на 120 градусов. Активный центр сменяет все три конформации при повороте на 360 градусов. Синтез АТФ в закрытом центре идет спонтанно, без затраты Е. Энергия дельта мю Н+ расходуется на смену конформаций и выхода АТФ из активных центров фермента исключительно.

1-открытое

2-закрытое

3- слабосвязанное

Билет 3

Термодинамическое сопряжение реакций и тепловые эффекты в биологических системах.

Формы активированного кислорода в биологических системах.

Окислительным стрессом называют процесс повреждения клетки в результате окисления. Сильнейшими окислителями являются АФК. Именно их образование ведёт за собой такие процессы как окисление липидов и разрушение ДНК (фотодинамическая реакция). Помимо бактерицидного действия АФК и использование их как вторичных мессенджеров, они представляют прямую опасность для жизнедеятельности клетки.

Перекисное окисление липидов является фактором, способным изменять химический состав и физические параметры, ультраструктурную организацию и функциональные характеристики биологических мембран. Процесс перекисного окисления охватывает главным образом непредельные фосфолипиды биологических мембран. Оно приводит к увеличению их вязкости, появлению поперечных молекулярных сшивок и возрастания упорядоченных липидов, обладающих ограниченной подвижностью в бислое (думаю, это еще один из вариантов перехода в гель в фазовых переходах липидов, химический). Происходит также увеличение отрицательного заряда на поверхности мембраны, обусловленное появлением вторичных продуктов перекисного окисления липидов, содержащих карбонильные и карбоксильные группы. А также увеличивается проницаемость для различных ионов, неэлектролитов и макромолекул. Этот эффект потери мембраной барьерных функций лежит в основе патогенеза многих заболеваний.

Молекула кислорода парамагнитна, её основное состояние триплетное (спины электронов сонаправлены). На первом этапе восстановления кислорода образуется супероксидный анион-радикал О₂* ^-, который протонируется до пергидроксильного радикала НО₂*.Дальнейшее восстановление приводит к образованию перекиси водорода Н₂О_2, это соединение может распадаться на гидроксильные радикалы НО*. При фотохимических и темновых реакциях кислород может переходить на синглетный уровень. Избыточная энергия синглетного кислорода соответствует энергии инфракрасного излучения.

АФК в клетке могут образовываться в ходе аэробного дыхания и фотосинтеза (от убихинона, фотосистемы I, ферредоксина, пластохинона, пластоцианина).Также возможна активация кислорода в системе мембран ЭПР.

Однако, АФК очень опасны для клетки, т.к. вызывают множественные деструктивные процессы.

Роль АФК. Синглетный кислород может выступать в качестве вторичного мессенджера, бактерицидного агента (в фагоцитарных реакциях НАДФН при помощи цитохрома восстанавливает кислород до супероксид радикала, который индуцирует синтез OCl^-, участвующий в уничтожении чужеродных клеток)

Большую роль кислород играет в реакции сверхчувствительности растений.

Помимо этого, АФК является одним из индукторов апоптоза, это является защитой от злокачественного перерождения клеток.

Билет 4.

Обобщенные силы и потоки. Линейные соотношения и соотношения взаимности Онзагера. Термодинамика транспортных процессов.

Большинство процессов в природе не являются равновесными, но любую систему вблизи равновесия можно разбить на физически бесконечно малые подсистемы, в которых локальное равновесие будет устанавливаться достаточно быстро.​

Взаимодействие системы со средой происходит за счет обмена такими экстенсивными свойствами, как объем, заряд, количество вещества, - обобщенными координатами (q).Взаимодействие возможно при наличии скалярного интенсивного свойства обобщенной силы (F). Размерность силы зависит от размерности координаты, произведение обобщенной силы на координату единицу энергии.

Рассмотрим перенос через мембраны теплоты, вещества и заряженных частиц. Обозначим через X значение движущих сил, а через J — значение потока, или суммарной скорости соответствующего потока.

Во всех случаях возрастание энтропии имеет вид

d_iS/dt = (1 /T)XJ > 0

Если открытая система находится вблизи термодинамического равновесия, когда значения движущих сил и потоков малы, то X и J связаны соотношением J = LX, где L — постоянный, или линейный, коэффициент. Например, этому соотношению соответствуют процессы:

1)Диффузия: J – поток незаряженных частиц, Х – обобщенная сила – градиент концентрации dc/dx.

2)Электродиффузия: J – поток ионов, Х – Градиент электрохимического потенциала dµ/dt.

3)Электричекий ток: J – поток электронов, Х - Градиент электрического потенциалаdфи/dх.

4)Течение жидкости: J – объемный поток, Х – Градиент гидростатического давления dP/dx

5)J – поток тепла, Х – градиент температуры (Закон Фурье dQ/dt~gradT)

Для химических процессов вблизи равновесия, когда скорости прямой и обратной реакций почти равны между собой, справедливо выражение V = LA.

где V — суммарная скорость процесса, равная разности скоростей прямой и обратной реакций.

Онзагер сформулировал основы термодинамики, описывающей одновременное протекание различных взаимосвязанных стационарных процессов.

Для двух взаимодействующих процессов (J₁,X₁) и (J₂,X₂)

J₁=L₁₁X₁+ L₁₂X₂

J2=L₂₁X₁+ L₂₂X₂

где коэффициенты L₁₂ и L₂₁ соответствуют возможной взаимосвязи двух потоков и называются коэффициентами взаимности Онзагера.

Допустим, что в системе имеются два потока — поток тепла (J₁) и диффузионный поток массы (J₂) и две обобщенные силы — разность температур X₁ и разность концентраций Х₂. Согласно Онзагеру, в открытой системе каждый поток зависит от всех наличествующих сил, и наоборот, поэтому для них справедливы уравнения Онзагера (выше), указывающих на зависимость входных и выходных потоков как от сопряженных, так и от несопряженных им сил.

Соотношение взаимности Онзагера L₁₂ = L₂₁ показывает, что если поток 1-го необратимого процесса испытывает влияние сродства необратимого 2-го процесса через посредство коэффициента L₁₂ , то и поток 2-го процесса также испытывает влияние сродства Х₁ через посредство того же самого коэффициента L₁₂ и L_21.

Т.е. вблизи равновесия, как показал Онзагер, вклад от Х₂ в несопряженный этой силе поток J₁ равен вкладу от силы X₁ соответственно в поток J₂. Равенство L₁₂ = L₂₁ означает, что равное действие вызывает равную ответную реакцию. Например, тормозящее действие, которое оказывает движущийся растворитель на растворенное вещество, равно сопротивлению, которое растворенное вещество оказывает на растворитель. Попарное равенство перекрестных коэффициентов значительно упрощает решение систем уравнений.

Сопряжение потоков означает, что потоки сами по себе невозможные, сопровождающиеся повышением свободной энергии, могут оказаться возможными за счет других сил.​

Скорость продуцирования энтропии β=Т*d_iS/dt=J₁X₁₊ J₂X₂=( L₁₁X₁+ L₁₂X₂)Х1+( L₂₁X₁+L₂₂X₂) X₂=L₁₁X₁²+2L₁₂X₁X₂+L₂₂X₂²>0.

Когда в системе одновременно протекает к процессов β=сумма по к (J_KX_K) >0, гдеJ_K=сумма по j L_KJX_J при L_KJ=L_JK.

Пусть через мембрану проходят поток воды J₁ и поток J₂ какого-либо растворенного в ней вещества. Движущей силой потока воды будет, разность давления Х₁= дельта р между фазами, а поток растворенного вещества относительно растворителя J₂ будет приводиться в действие в результате разности осмотических давлений Х₂ = дельта π_s, по обе стороны мембраны.

Каждый из потоков воды и растворенного вещества сопряжен с силами дельтаР и π_s. Тогда

J₁=L_11∆р+ L₁₂∆ π_s

J₂=L_21∆р+ L₂₂∆ π_s

Т.е. поток воды зависит и от потока другого вещества. Коэффициент избирательности мембраны ϭ= -L₂₁/L_11, который показывает степень проницаемости мембраны для определяемого вещества. Если ϭ--> 0, то перенос вещества через грубую мембрану совершается независимо от движения воды. При ϭ = 1 потоки вещества и водывзаимосвязаны в случае полупроницаемой мембраны.

Пассивный транспорт. Скорость продуцирования энтропии для потока воды J_H2O, одиночного электролита J_s и электрического тока I имеет вид

β= J_H2O ∆µ_H2O + J_s ∆µ_{s +} I∆фи

Перенос заряженных частиц осуществляется пассивно под действием разности электрических потенциалов и концентраций вещества по обе стороны мембраны. Состояние вещества в фазе определяется электрохимическим потенциалом µ (с чертой),который складывается из химического потенциала вещества и электрического потенциалафазы: µ (с чертой)=µ+nFфи. При равновесии I и II фаз имеет место равенство

µ_I = µ_II,(все с чертой) или µ_0I + RTln[c]_I + nFфи_I = µ_0II + RTln[c]_II + nFфи_II .

При µ_0I = µ_0II можно получить выражение для равновесного значения электрических потенциалов на мембране: дельта фи=фи_I-фи_II=(RT/nF)(ln[c]_II/[c]_I)

Активный транспорт. Если перенос через мембрану носит активный характер, то он совершается за счет энергии метаболических процессов и в этом случае может идти против градиента электрохимического потенциала. Рассмотрим два сопряженных между собой процесса (J₁,X₁) и (J₂,Х₂):

J₁=L₁₁X₁+ L₁₂X₂

J₂=L₂₁X₁+ L₂₂X₂

L₁₂ = L_21, где первый процесс — сопряженный — идет против градиента движущей силы(J₁X₁ < 0) за счет энергии второго сопрягающего процесса (J₂Х₂ > 0).

Количественной мерой сопряженности этих процессов является величина

q = L₁₂/корень из L₁₁L₂₂, которая меняется в пределах

-l≤q≤l (L₁₁ > О, L₂₂ > 0, L²₁₂ ≤ L₁₁L₂₂).

При q = 0 L₁₂ = L₂₁ = 0 и два процесса полностью не зависят друг от друга, а их потоки пропорциональны значениям «собственных» сил:

J₁=L₁₁X_{1 ,}

J₂=L₂₂X₂