Транспорт ионов через мембрану. Механизмы и движущая сила пассивного транспорта. Уравнение электрохимического потенциала

Некоторые транспортные процессы, протекают не только при участии переносчиков, но и с затратами энергии метаболизма, поддерживающими градиенты. Это позволяет транспортировать вещества против градиентов концентрации или электрохимического потенциала. Такие процессы называют активным транспортом.

Когда для переноса используется энергия АТФ или окислительно-восстановительные реакций, транспорт называется первично-активным.

Если же в качестве источника энергии используется градиент концентрации ионов, то транспорт называется вторично-активным. Энергозависимая стадия этого процесса представляет собой антипорт или симпорт веществ с ионами.

Возможные механизмы прохождения ионов через мембрану:

1. Растворение иона в липидной фазе мембраны, диффузия и последующий выход из мембраны:

2. Движение по ионным каналам, являющимися структурными компонентами мембраны:

3. Транспорт с участием переносчиков (например, АТФсинтаза):

Скорость проникновения ионов через мембрану определяется ее свойствами:

• толщиной,

• диэлектрической проницаемостью,

• наличием фиксированных электрических зарядов на ее поверхности, знак и плотность их расположения,

• размерами и числом пор в мембранах,

• наличием фиксированных зарядов в порах и др.

Пассивный транпорт ионов. Рассмотрим движущие силы пассивного транпорта ионов и ионные равновесия в мебранах.

Электрохимический потенциал. Движущая сила диффузии – разность химических потенциалов вещества в двух областях, между которыми происходит диффузия.

Химический потенциал растворенного вещества μ для условий, при которых вкладов гидростатического давления можно пренебречь, равен:

μ = μ_о + RT ln c,

где μ_о – стандартный химический потенциал, зависящий от природы растворителя, с – концентрация, R – газовая постоянная, равная примерно 8,31 Дж ^. моль^{-1 .} К^-1. Т – абсолютная температура, К.

При больших значениях концентраций с заменяется активностью.

Движение ионов зависит не только от концентрации, но и от электрического потенциала.

Электрохимический потенциал μ иона типа i для условий, при которых активность иона равна его концентрации, а вклад гидростатического давления пренебрежительно мал, равен:

μ = μ_о + RT ln c + zFφ,

где φ – электрический потенциал, z – валентность иона, R – газовая постоянная, T – абсолютная температура, К; F – число Фарадея (около 9,65 ^. 10⁴ Кл/моль).

Электрохимический потенциал – мера работы необходимой для переноса 1 моля (грамм-эквивалент) ионов из раствора с данной концентрацией и данным электрическим потенциалом в бесконечно удаленную точку в вакууме.

Эта работа складывается из затрат на преодоление сил химического взаимодействия μ_о + RT ln c и работы по переносу заряда в электрическом поле zFφ.

Пассивное движение ионов происходит из области с высоким электрохимическим потенциалом в область с более низким электрохимическим потенциалом. Движущей силой переноса ионов является градиент электрохимического потенциала dμ/dx. Согласно электростатической теории Борна, энергия иона радиусом r в среде с диэлектрической проницаемостью ε определяется формулой:

где ε_o – абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, равная примерно 8,85 ^. 10^-12 Ф/м.

24. Энергия иона и причины её понижения при транспорте через биомембраны.

Эксперименты показали, что энергия ионов в биомембранах ниже расчетной, т.е. энергетический барьер для прохождения иона через мембрану понижен. Причины снижения энергии иона:

•Ионы могут образовать ионные пары внутри мембраны.

• Мембрана может содержать поры с высокой диэлектрической постоянной, проход через которые требует более низкой энергии активации, чем переход иона из раствора в липид.

· Ион может быть свернут в нейтральную молекулу «переносчика» с высокой поляризуемостью, которая сольватирует его (увеличивает эффективный радиус), чем способствует растворению его в мембране.

Наличие отрицательных зарядов (полярные головки фосфолипидов) на поверхности мембран усиливает адсорбцию катионов и их концентрацию в мембране. Наличие фиксированных поверхностных зарядов клеточных мембран приводит к образованию двойного электрического слоя, который является важным фактором в протекании биоэлектрических процессов.

Распределение ионов в области заряженной поверхности определяется двумя факторами: электростатическим притяжением, удерживающем противоионы, и тепловым движением этих ионов, стремящимся к выравниванию концентраций.

Плотность распределения ионов около заряженной поверхности убывает с увеличением расстояния. Согласно теории Гуи – Чэмпена электрохимический потенциал убывает с увеличением расстояния от мембраны:

где x – расстояние от границы раздела, ҳ – обратная дебаевская длина, зависит от концентрации иона и диэлектрической проницаемости.

Катионы щелочных металлов и двухвалентные катионы в основном экранируют фиксированные заряды мембраны.

Ионы Н+ связывают – протонируют соответствующие группировки, т.е. влияют на плотность фиксированных зарядов; их называют потенциалопределяющими

Поверхностный потенциал мембраны не измеряется. Измеряют электрокинетический потенциал ζ, называемый дзета-потенциалом.

ζ - потенциал границы скольжения. Граница скольжения – первый слой ионов с гидратными оболочками и первый слой молекул воды, смачивающих твердую фазу.

Этот слой не перемещается относительно заряженной поверхности и увлекается мембранной частицей при движении относительно жидкости. Считается, что ζ ≤ φ (поверхностный потенциал мембраны).

26. Электродиффузная теория транспорта ионов через мембрану. Уравнение Нерста-Планка для потока ионов через мембрану. Уравнение Гольдмана.

При отсутствии электрохимического равновесия возникает пассивное движение ионов по градиенту электрохимического потенциала. При неодинаковой подвижности ионов (Na⁺, K⁺, Cl^-) возникает диффузная разность потенциалов.

Ион преодолевает мембрану с помощью нескольких дискретных перескоков через активационные барьеры.

В электродиффузной модели мембрану рассматривают как непрерывную гомогенную среду, в которой происходит диффузия точечных невзаимодействующих частиц. Поток ионов через гомогенную незаряженную мембрану описывает уравнение Нернста – Планка:

где z – валентность иона, и – подвижность иона, c – концентрация, Т – абсолютная температура, R – газовая постоянная, F – число Фарадея.

Первый член в правой части описывает свободную диффузию, второй выражает миграцию ионов в электрическом поле. Размерность потока – моль ^. см^{-2 .} с^-1.

В результате диффузии ионов на мембране формируется разность потенциалов. Уравнение Гольдмана для мембранного потенциала:

где φ – разность потенциалов на мембране, Р – проницаемости соответствующих ионов (пропорциональны подвижности иона в мембране и коэффициенту распределения и обратно пропорциональна толщине мембраны, см/с), индексы о и i относятся к концентрациям ионов в наружной и внутренней фазах.

Уравнение показывает, что электрический потенциал на мембране определяется различием в стационарных концентрациях ионов по обе стороны мембраны и разными коэффициентами их проницаемости. Наибольшее влияние на мембранный потенциал оказывает тот ион, который обладает самым высоким коэффициентом проницаемости.