Значения q = ±1 достигаются только для полностью сопряженных систем. При q < 0 увеличение движущей силы одного процесса приводит к уменьшению потока сопряженного с ним процесса.

Эффективность сопряжения зависит от соотношения

|J₁X 1/J2X2| (Коэффициент трансформации энергии ) и может достигать значений 80-90%(например, для окислительного фосфорилирования).

В начальные моменты «запуска» системы большая скорость сопрягающего процесса J₂снижается до минимальных значений и одновременно с этим растет величина Х₁. В результате устанавливается стационарное состояние, когда результирующий сопряженный поток обращается в нуль J₁ — 0. Если система полностью сопряжена, то и для сопрягающего потока устанавливается стационарное состояние J2 — 0. В этом случае в системе нет видимых изменений и вся энергия сопрягающего потока тратится на поддержание силы Х₁. Например, колесо турбины, погруженное в струю воды. В зависимости от глубины погружения изменяются число лопастей колеса турбины в воде (Х₁), скорости ее движения (J₁) и потока воды (J₂).

В системе дыхательного контроля в митохондриях скорость окисления субстрата (J₂)связана с отношением АДФ/АТФ, т. е. движущей силой Х₁. В состоянии митохондрий, когда концентрация АДФ равна нулю и видимого образования АТФ не происходит (J₁ — 0), вся энергия тратится на поддержание максимального фосфатного потенциала (Х₁^шах). Добавление разобщителей уменьшает величину Х₁, но тогда уже J₁ не равно 0, что приводит к ускорению сопрягающего потока.

Термодинамика активного транспорта. Рассмотрим систему активного транспорта одного иона (натрия), не сопряженного с переносом других веществ.

скорость активного транспорта катиона - I^a+ , скорость метаболизма I_Г, тогда

i^a₊ = l^a₊x₊ + l^a₊rA,

Ir = L ^a₊rX₊+ L^a_rA,

где Х+ - отрицательная разность электрохимических потенциалов катиона (идущего против градиента "своей" движущей силы), A - сродство метаболической реакции, обеспечивающей транспорт.

Электрохимический потенциал иона µ (с чертой) складывается из его химического потенциала µ и электрического потенциала фи на мембране и равен

µ (с чертой) = µ₀ + RTlnC₊ + zFфи ,

Феноменологические коэффициенты l^ar связывают активный транспорт (I₊^а) с метаболизмом (I_r) вследствие сопряжения и взаимного влияния потоков и сил этих процессов. Т. о., для одновалентного иона движущая сила Х+ равна

Х₊дельта µ(с чертой)=RTlnCⁱ₊/C⁰₊+FдельтаI

Помещая с обеих сторон мембраны одинаковые растворы (∆ С =Сⁱ+ = О) и изменяя ∆ фи, можно найти из феноменологические коэффициенты

L ^a₊=∂ i^a₊/∂ Х₊= - дельта i^a₊/∆(Fдельта фи)

L ^a_+r=∂ i_r/∂ Х₊= - дельта i_r/∆(Fдельта фи)

(дельта С=0, А=const)

Коэффициенты определяются из наклона соответствующих прямых

дельта i^a₊= -∆(Fдельта фи)* L ^a₊

(Вторая аналогично)

Описание процессов фосфорилирования в митохондриях и хлоропластах. В этих объектах имеется тесное сопряжение между тремя главными процессами, лежащими в основе биоэнергетики клеточных мембран: электронный транспорт с окислением субстрата (Io,A₀), фосфорилирование АДФ с образованием АТФ (Ip, А_р), транслокация протонов через сопрягающую мембрану (I_H∆µ(счетрой)_н ). Ключевую роль играет трансмембранная циркуляция протонов, которая индуцируется переносом электронов и в свою очередь «запускает» синтез АТФ. Феноменологическое описание системы включает соответственно три уравнения

I_p = LpAp + L_ph ∆µ(счетрой) н + L_p0А_p0,

Ih =LpнAp + Lн ∆µ(счетрой) н + L0HA0,​

I0 = Lp0Аp + L0_H ∆µ(счетрой) н + L0A0,

Механизмы генерации форм активированного кислорода в клетке.

ФАК образуются при неполном восстановлении О2. Их образование - норма, они образуются в хлоропластах, митохондриях и пероксисомах. Самые значимые ФАК - супероксидрадикал О2*-, перекись водорода Н2О2 и гидроксилрадикал ОН*. Кроме того есть синглетный кислород 1О2, возникающий при взаимодействии О2 с хлорофиллом.

1О2 ← O2 ---> O2-*--->H2O2--->OH*

О2-*:

• при захвате е в результате взаимодействия О2 с восстановленными компонентами ЭТЦ

• Доноры: Fe-S-кластерф, редокс-центры, содержащие семихинонрадикал

• Если клетка способна фотосинтезировать, то хлоропласты-главный источник О2-*, если нет, то митохондрии

• в ЭТЦ пероксисом образование связано с синтезом или деградацией некоторых соединений, донором может быть, например, цитохром b5

• в результате катаболизма ксантина(пуриновое основание, есть во всех клетках)

• мало живет: 10^-6 с

• быстро нейтрализуется супероксиддисмутазой (СОД) с образованием перекиси и кислорода:

О2-*+О2-*=Н2О2+О2

• деградация липидов и белков, повреждение ДНК и дезорганизация цитоскелета

• нарушение гидрофобности липидного слоя, что приводит к разрушению мембран и старению клеток

• разрушение фотосинтетического аппарата

Н2О2:

• образуется в результате нейтрализации О2-*

• особенно интенсивно образуется в пероксисомах

• в зеленых тканях образуется в фотодыхательном цикле при участии гликолатоксидазы и при окислении АК, пуриновых оснований и других реакциях, катализируемых флавиновыми оксидазами

• может диффундировать на значительные расстояния

• стабильнее супероксидрадикала

• деградация липидов и белков, повреждение ДНК и дезорганизация цитоскелета

• нарушение гидрофобности липидного слоя, что приводит к разрушению мембран и старению клеток

• разрушение фотосинтетического аппарата

ОН*:

• образуется в реакции Фентона при участии железа:

О2-*+Fe(3+)=Fe(2+)+O2,

H2O2+Fe(2+)=Fe(3+)+OH-+OH*

Суммарно: O2-*+H2O2=OH-+OH*+O2.

• образуется при патологии

• окисляет практически все

• время жизни: 10^-9 с

• не может диффундировать на значительные расстояния

Объединение всех ФАК в одну группу обусловлено тем, что в соответствии с приведенной ниже схемой появление одной из форм приводит к образованию всех остальных.

Взаимодействие синглетного кислорода с многими ненасыщенными соединениями приводит к образованию перекисных соединений класса диокситанов, распад которых может завершиться электронным возбуждением одного из карбонильных продуктов реакции:

Билет 5

Стационарное состояние и условие минимума скорости прироста энтропии. ТеоремаПригожина.

При неизменных внешних условиях в частично равновесной открытой системе в стационарном состоянии, близком к термодинамическому равновесию, значение скорости прироста энтропии за счет внутренних необратимых процессов достигает отличного от нуля постоянного минимального положительного значения.

Принцип минимума прироста энтропии, или теорема Пригожина, представляет собой количественный критерий для определения общего направления самопроизвольных изменений в открытой системе, критерий ее эволюции.

Условие устойчивости стационарного состояния имеет вид Т *d_iS(или β) > 0.

Знак положительного неравенства показывает, что любое отклонение от устойчивого стационарного состояния вызовет увеличение скорости продуцирования энтропии.

Теорема Пригожина.

В стационарном состоянии в открытой системе

dS/ dt =d_eS/ dt + d_LS /dt=0

Пусть в открытой системе вблизи равновесия одновременно протекают два процесса, для которых справедливы соотношения Онзагера. Если один из процессов (X1) находится в стационарном режиме, то для него J₁ = 0.

Найдем величину T*d_iS/dt=J₁X₁₊ J₂X₂=L₁₁X₁²+2L₁₂X₁X₂+L₂₂X₂²

При приближении к стационарному состоянию определенным образом изменялись движущая сила Х₁ и поток J₁, так что J (с чертой) = 0. Посмотрим зависимость Т*d_iS/dt от изменения Х₁ .

Возьмем частную производную от Т*d_iS/dt по dX1 при X2, T=const. Она равна 2(L₁₁X₁+L₁₂X₂)=2J₁

Но в стационарном состоянии J₁ = J (с чертой) = 0. Обращение в нуль частной производной от Т *d_iS/dt по dX1 в стационарной точке J₁ = J (с чертой) = 0 означает, что в стационарном состоянии положительная функция d_iS/dt имеет экстремум и принимает соответственно минимальное положительное значение. Следовательно, по мере приближения к стационарному состоянию скорость образования энтропии внутри открытой системы монотонно уменьшается (Т *d_iS/dt <0), постепенно приближаясь к своему минимальному положительному постоянному значению. Если система находится в стационарном состоянии, где величина Т*d_iS/dt минимальна, то любые отклонения от стационарной точки вследствие возмущений вызовут ее увеличение. Но тогда в силу теоремы Пригожина величины сил и потоков в системе должны изменяться таким образом, что скорость образования энтропии Т*d_iS/dt опять начнет уменьшаться, а система вернется к стационарной точке. Это и означает устойчивость данного стационарного состояния. Из монотонного характера изменения Т*d_iS/dt следует, что вблизи равновесия стационарное состояние не может представлять собой автоколебательный режим. В этом случае переменные концентрации в системе, а следовательно, величины J и X изменяются периодически, что несовместимо с однонаправленным монотонным изменением Т*d_iS/dt и ее постоянством в стационарной точке.

При неизменных внешних условиях в частично равновесной открытой системе в стационарном состоянии, близком к термодинамическому равновесию, значение скорости прироста энтропии за счет внутренних необратимых процессов достигает отличного от нуля постоянного минимального положительного значения.

Принцип минимума прироста энтропии, или теорема Пригожина, представляет собой количественный критерий для определения общего направления самопроизвольных изменений в открытой системе, критерий ее эволюции.

Условие устойчивости стационарного состояния имеет вид Т *d_iS(или β) > 0.

Знак положительного неравенства показывает, что любое отклонение от устойчивого стационарного состояния вызовет увеличение скорости продуцирования энтропии.

Свободные радикалы в процессах перекисного окисления липидов.

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, в основном полиненасыщенный фосфатидилэтаноламин. Перекисное окисление приводит к увеличению вязкости мембран за счет уменьшения количества жидких гидрофобных липидов в бислойных участках, появлению поперечных межмолекулярных сшивок и к возрастанию количества упорядоченных липидов, обладающих ограниченной подвижностью в бислое.

Происходит также увеличение отрицательного заряда на поверхности мембран, обусловленное появлением вторичных продуктов перекисного окисления липидов, содержащих карбонильные и карбоксильные группы.

В результате перекисного окисления липидов происходят измененния свойств таких мембранных белков, как транспортные (Са-АТФаза, Na-K-АТФаза); цитохромы Р450, b5, с; глюкозо-6-фосфотаза, моноаминоксидаза, фосфолипаза. В основе модифицирующего действия лежит обеднение микроокружения белков полиеновыми фосфолипидами, образование межмолекулярных сшивок за счет взаимодействия с вторичными продуктами перекисного окисления, окисление SH-групп, снижение термоустойчивости белков.

Свободно-радикальные реакции играют большое значение в перекисном окислении липидов биомембран, что является естественным при нормальном функционировании биомембран. Процесс окисления начинается с образованием свободнорадикальных продуктов за счёт разрыва в молекуле угледоводорода С-С или С-Н связей. Сначала алкильный радикал реагирует с кислородом с образованием перекисного радикала, затем после его взаимодействия с субстратом появляется перекись: R'+ O₂ ->ROO’+RH ->ROOH+R’

Реакции, в которых углеводородный радикал R регенерируется из молекулы субстрата RH, называются цепными.