Б.Б. Дамаскин, О.А. Петрий, Г.А. Цирлина - Электрохимия, страница 56

Митчел выдвинул хемиос@мотическую (электрохимическую) гипотезу энергетического со@пряжения окисления и фосфорилирования, которая в дальней@шем получила подтверждение и развитие во многом благодаряработам отечественных ученых (Е. А. Либерман, В. П. Скулачев).Принцип хемиосмотического сопряжения иллюстрируетрис. 6.14. Субстрат AH2 — донор протонов — окисляется на ак@тивном центре фермента, встроенного на внешней стороне мем@браны митохондрий.

При этом 2Н+ и продукт превращения А вы@брасываются в окружающую среду, а два электрона переносятсяна внутреннюю сторону мембраны потак называемой дыхательной цепи,АH2BH2ориентированной поперек мембраны.–2eЛокализованный на внутренней сторо@АB не переносчик электронов передает2H+2H+ электроны акцептору водорода В (на@пример, кислороду), который присое@+диняет 2Н из внутримитохондриаль@ного матрикса. Таким образом, окисле@АДФ + Ф АТФние одной молекулы AH2 приводит к+Рис. 6.14. Принцип хемиосмо@ возникновению 2Н во внешнем про@+тического сопряжения по Мит@ странстве и исчезновению 2Н из внут@челу (пояснения в тексте)реннего пространства митохондрий.292Возникший градиент ионов водорода генерирует трансмембран@ный потенциал, который оказывается достаточным по величинедля осуществления реакции фосфорилирования.

Последняя со@стоит во взаимодействии АДФ с фосфатом (Ф) и приводит к обра@зованию АТФ с поглощением 2Н+ из внешнего пространства ивыделением 2Н+ в матрикс.Величина трансмембранного потенциала сравнительно неве@лика (~0,2В), но поскольку толщина мембраны порядка 10 нм,напряженность электрического поля в ней достигает более2•105 В/см.

Возникающая на митохондриальной мембране входе процесса окисления разность потенциалов служит источни@ком осуществления не только химической работы (синтез АТФ,обратный перенос электронов по дыхательной цепи), но и осмоти@ческой работы (транспорт ионов против градиента концентра@ции), а также выработки теплоты, т. е. является конвертируемойформой энергии в живых клетках.Изучение мембранных явлений на3живых организмах — чрезвычайно а2сложная экспериментальная задача.В 1962 г. Х. Тиен и сотр. разработалиметодику приготовления бимолеку@лярных фосфолипидных мембран, что1предоставило возможность модельно@го исследования ионного транспортачерез мембраны.

Для приготовленияискусственной мембраны каплю экс@4бтракта липидов в углеводородном рас@творителе наносят на отверстие в теф@лоновом стаканчике (рис. 6.15). Ис@кусственные мембраны имеют болеепростое строение, чем естественные(ср. рис. 6.13 и 6.15, б), но приближа@ются к последним по таким парамет@5рам, как толщина, электрическая ем@ Рис. 6.15. Схема установки длякость, межфазное натяжение, прони@ исследования электрохимиче@цаемость для воды и некоторых орга@ ских свойств липидных бислоевнических веществ.

Однако электриче@ (а) и структура липидного би@слоя (б):ское сопротивление искусственных 1 — отверстие, на котором формиру@мембран на 4–5 порядков выше. Про@ ется липидная мембрана; 2 —тефло@водимость мембран можно увеличить, новый стакан; 3 — электроды; 4 —полярные группы фосфолипидныхдобавляя ионофоры (жирораствори@ молекул; 5 — углеводородное бислой@ное ядромые кислоты, 2,4@динитрофенол, ди@293кумарол, пентахлорфенол, валиномицин) или каналообразующиемолекулы, полиеновые антибиотики, грамицидин А и др. Мембра@на, модифицированная валиномицином, имеет сопротивление по@22+рядка 10 Ом/см , а ее проницаемость по К в ~400 раз выше, чем+по Na .

На модифицированных моделях был количественно изу@чен механизм селективной проницаемости мембран.Согласно механизму подвижных переносчиков, ионофор T–,вызывающий селективную проводимость мембраны, образует наее поверхности комплекс с ионом С+: С+ + Т– д [СТ]. Этот ней@тральный комплекс диффундирует к противоположной сторонемембраны и диссоциирует, так что С+ переходит в водную фазу, аТ– под действием электрического поля возвращается обратно:T–T–C+C+CTCTВозможен перенос иона как единственным переносчиком, таки коллективом переносчиков (схема коллективного транспорта).Другая модель — модель эстафетного переносчика — предполага@ет, что переносчики неподвижны и образуют цепи, расположен@ные поперек мембраны, а катионы пересекают мембрану вдольэтих цепей, перескакивая от одного переносчика Т– к другому.Обе модели приводят к колоколообразной зависимости проводи@мости мембран по постоянному току от концентрации ионов.Однако при малом содержании С+ в растворе и больших концен@трациях Т–в мембране проводимость ее по переменному току вы@сокой частоты мала при реализации эстафетного механизма изначительна в случае механизма подвижных переносчиков.В определенных условиях при добавлении белковых компо@нентов искусственная мембрана позволяет моделировать такжесвойство возбудимости.Предполагается также, что ионофоры, растворяясь в мембра@не, повышают ее диэлектрическую проницаемость и тем самымувеличивают растворимость ионов в мембране, а следовательно,и ее проводимость.Важным направлением биоэлектрохимических исследованийявляется изучение свойств мембран с встроенными ферментнымисистемами.

Так, предприняты попытки встраивания в бислой@ные фосфолипидные мембраны компонентов ферментных систем,присутствующих во внутренней мембране митохондрий [никотин@амидадениндинуклеотида (NAD/NADH), флавинмононуклеотида,294коэнзима Q6, хлорофилла]. На таких мембранах при наличиив водном растворе окислительно@восстановительных систем гене@рируется мембранный потенциал, вызванный протеканием окис@лительно@восстановительных реакций на границе мембрана/элек@тролит.Рассмотренные примеры не исчерпывают всего многообразиясовременных направлений биоэлектрохимии, однако они нагляд@но показывают роль электрохимических явлений в протеканииважнейших биологических процессов.

Фактически биоэлектро@химия является разделом современной биофизики.6.12. Равновесия на границе двух несмешивающихсяжидкостейВ настоящее время большой прогресс достигнут в электрохи@мии границы двух несмешивающихся жидкостей. Такие грани@цы широко распространены и могут в принципе моделировать не@которые свойства как мембран, так и границ электрод/раствор иобеспечивать высокую селективность ионного обмена в отсутст@вие осложнений, связанных с особыми состояниями ионов в объ@еме массивных мембран.Условно границы жидкость/жидкость можно разделить надве группы: границы двух полярных жидкостей и границы по@лярной и неполярной жидкостей. Неполярные среды (например,СCl4, октан, додекан — для них часто используется термин «мас@ло») могут содержать только недиссоциированные молекулы.Комбинируя две полярные жидкости, обычно выбирают в качест@ве одной из фаз водную — с ней не смешиваются такие полярныерастворители, как нитробензол или карбоновые кислоты и спир@ты с длинной алифатической цепью.Если электролит растворим в обеих контактирующих жидко@стях I и II, то при установлении равновесия происходит переходионов через границу (неполяризуемая граница жидкость/жид@кость).

Распределение растворенной соли между фазами зависитот энергии переноса иона через границу ∆G I/II :lna ±Ia ±II=−∆GI/IIRT,(6.12.1)где a ±I и a ±II — средние коэффициенты активности в фазах I и II соответ@ственно.Парциальную энергию переноса можно рассчитать в рамкахнекоторых модельных предположений. Для хорошо исследован@295ной границы вода/нитробензол такие расчеты показывают, чтоэнергии переноса неорганических ионов положительны и нахо@дятся в интервале 10–50 кДж/моль, причем наиболее низкиезначения получаются для наименее склонных к гидратации ио@нов (Сs+, перхлорат@ и тетрафторборат@анионы).

Это означает, чтонеорганическим ионам энергетически выгоднее находиться вводной фазе. Отрицательные энергии переноса получаются длямногих ионов, содержащих органические фрагменты, причемдля ионов тетраэтиламмония они малы по абсолютной величине(около –5 кДж/моль) и значительно выше для ионов тетрабутил@аммония (около –25 кДж/моль). Таким образом, усиление гидро@фобных свойств частицы благоприятствует ее нахождению в нит@робензольной фазе.Коэффициентом распределения ионов сорта i между фазами Iи II называется величина, зависящая от разности химических по@тенциалов ионов в обеих фазах.

В частности, предельный коэф@фицент распределения связан с разностью стандартных химиче@ских потенциалов соотношениемKiI/II = expII,0µ I,0i −µ iRT.(6.12.2)Вклад неравномерного распределения ионов каждого из сор@тов i в гальвани@потенциал на границе I/II может быть выраженчерез предельный коэффициент распределения и активность. На@пример, для 1,1@валентного электролита∆ III ϕ =K I/II RTa I a IIRTln +I/II +ln +II −I ,2F2FK−a+ a−(6.12.3)где индексы «+» и «–» соответствуют катионам и анионам.Величина гальвани@потенциала ∆ III ϕ может быть оценена изэксперимента путем сравнения ЭДС цепей, одна из которых со@держит исследуемую границу, а скачки потенциала на всех ос@тальных границах в каждой из цепей элиминированы.

Получен@ная таким образом приближенная величина используется длярасчета энергии переноса. Последняя не изменяется при измене@нии концентрации соли в одной из фаз, так как при этом переходионов в контактирующую фазу происходит вплоть до установле@ния скачка потенциала, определяемого соотношением (6.12.3).Существует целый ряд солей, малорастворимых в воде, но хо@рошо растворимых в указанных выше неводных средах. Для та@ких систем на границе жидкость/жидкость можно реализоватьклассическую доннанову полупроницаемую границу раздела фаз.Наиболее удобными для этой цели являются тетрафенилбораты296четвертичных аммонийных солей с большими органическими за@местителями или соли тетрафениларсония.