Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Естествознание arrow Биофизика
Посмотреть оригинал

Соотношения Онзагера.

Между движущими силами и скоростями (потоками) должна, очевидно, существовать взаимосвязь, при которой увеличение (уменьшение) движущей силы вызывает соответствующее увеличение (уменьшение) скорости процесса. Это относится не только к химическим реакциям, но и к другим необратимым процессам. Например, процессы переноса тепла и диффузии вещества через мембрану из одной фазы в другую включают движущие силы — градиенты температуры и концентраций, а потоки соответствуют переносу тепла или вещества между двумя фазами. Во всех этих случаях возрастание энтропии имеет вид

где X — движущая сила; J — величина потока.

Если в системе, находящейся вблизи положения равновесия, значения движущих сил и потоков малы, то между ними имеется прямая пропорциональная зависимость:

где L — постоянный линейный коэффициент.

Рассмотрим химическую обратимую реакцию

где суммарная скорость (или поток) равна разности скоростей прямой й| ~кС| и обратной й2 = кС2 реакций:

Очевидно, в равновесии й = й и J = 0, а около равновесия J * 0. Величина химического сродства А вблизи равновесия также очень мала

Здесь же наблюдается и пропорциональность между J и А. Если в открытой системе около положения равновесия протекает одновременно несколько процессов, то между ними существуют термодинамические соотношения, отражающие их взаимное влияние. Для двух процессов (У,, Х) и (У2, Х2) эти соотношения имеют вид

где постоянные коэффициенты /.,,, Ln отражают зависимость потока от своей силы, а коэффициенты Zl2, L2i соответствуют взаимному влиянию силы одного процесса на поток другого процесса. Их называют коэффициентами взаимности Онзагера, а уравнения (6.18) — линейными соотношениями Онзагера. Вблизи положения равновесия

Теперь можно установить количественную связь между одновременно протекающими в клетке процессами, не зная их молекулярных механизмов.

Рассмотрим процесс активного переноса вещества через мембрану, который происходит за счет энергии сопрягающего метаболического процесса и поэтому может идти против градиента концентрации переносимого вещества. Тогда

где процесс (У,, Х{) сопряженного переноса идет против градиента силы Х{ (У|, X, < 0) за счет энергии сопрягающего процесса (У2, Х2 > 0).

Если сопряжение отсутствует, то Ll2 - L2, = 0 и процессы идут независимо друг от друга под действием только «своих» движущих сил

В качестве меры сопряжения вводится величина

Она равна q = 0, когда сопряжение отсутствует (Ln = 0), и q = 1 при полностью сопряженных процессах. В начальные моменты «запуска» системы большая скорость сопрягающего процесса J2 снижается до минимальных значений и одновременно с этим растет величина Х. В результате таких изменений устанавливается стационарное состояние, когда результирующий сопряженный поток обращается В нуль У| = 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 Xv

Можно мысленно представить себе колесо турбины, погруженное в струю воды. В зависимости от глубины погружения изменяются число лопастей колеса турбины в воде (А',), скорости ее движения (У|) и потока воды (J2). Эти примеры справедливы не только для активного переноса, но и для других случаев. Так, в системе дыхательного контроля в митохондриях скорость окисления субстрата (У2) связана с отношением АДФ/АТФ, т. е. движущей силой Xt. В состоянии митохондрий, когда концентрация АДФ равна нулю и видимого образования АТФ не происходит (У, = 0), вся энергия тратится на поддержание максимального фосфатного потенциала (X|"1ах ). Добавление разобщителей уменьшает величину Хь но тогда уже У, ф 0, что приводит к ускорению сопрягающего потока.

Коэффициент трансформации энергии в сопряженных процессах равен УXlJ2X2 и в митохондриях может достигать значений 80 — 90 %.

11рименение уравнений Онзагера позволяет получить характеристики макромолекулярных комплексов — биологических трансформаторов энергии, не прибегая к детальному анализу механизмов их функционирования.

 
Посмотреть оригинал
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы