Индуцированный ионный тран-т через мембрану.Затраты энерг. по формуле Борна

Закономерности транспорта ионов через мембраны изучены в опытах с искусственными бислойными липидными мембранами (БЛМ).

Формула Борна оценивает затраты энергии для проникновения иона в неполярную фазу БЛМ:

где z – валентность иона, е – электрический заряд, r – радиус, ε_м – диэлектрическая проницаемость мембраны, ε_в - диэлектрическая проницаемость воды.

Рассчитанные по данному уравнению значения свободной энергии для перехода К⁺ из воды в неполярный растворитель с ε_м = 2 составляет большую величину (250-350 кДж/моль). Это создает барьер для прохождения гидратированного иона через гидрофобную часть липидного бислоя.

Энергия перехода иона в мембрану снижается с увеличением радиуса иона. Крупные органические молекулы проникают легче через БЛМ, чем катионы щелочных металлов.

28. Перенос ионов ионоформами. Затраты энергии для переноса комплекса «ион-ионофор». Избирательность ионных переносчиков. Электрические свойства мембраны и движение заряженных комплексов «ион-переносчик».

Величина энергетического барьера в мембране уменьшается, а следовательно, проницаемость мембраны для иона возрастает не только при увеличении его радиуса, но и при приближении значений ε_м к ε_в. На этих физических принципах основан перенос ионов ионофорами.

Ионофоры с ионом образуют комплексы большого размера – переносчики – либо формируют пору в мембране, заполненную водой, - каналы.

Перенос иона через мембрану включает стадии:

- образование комплекса иона с ионофором на одной стороне мембраны,

- перемещение комплекса через мембрану,

- освобождение иона на другой стороне,

- возвращение ионофора.

Возможны две схемы работы ионофора:

- малая «карусель», когда ионофор не выходит из мембраны;

- большая «карусель», когда ионофор проходит мембрану насквозь, а образование и распад комплексов протекает в неперемешиваемых слоях около мембраны.

Формула Борна описывает затраты энергии комплекса иона с радиусом r с переносчиком радиуса b c диэлектрической проницаемостью мембраны ε_м:

где ε_к эффективная диэлектрическая проницаемость внутренней сферы комплекса.

Энергия комплекса ион-переносчик значительно меньше энергии иона. Для заряженного комплекса радиусом 1 нм свободная энергия перехода из воды в мембрану составляет около 15 кДж/моль в отличие от соответствующих энергии дегидратации свободных ионов с радиусом 0,1-0,15 нм.

Ионными переносчиками являются макроциклические антибиотики, синтетические макроциклические комплексоны. Некоторые из них – нейтральные ионофоры – не содержат ионизируемых групп. Комплексоны, образуемые макроциклическими соединениями с катионами щелочных металлов, несут положительный заряд. Перенос иона происходит в виде заряженного комплекса. Катион входит во внутреннюю полость молекулы ионофора, структура стабилизируется за счет взаимодействия иона с 6-8 полярными группировками (эфирные, амидные или сложноэфирные). Ион металла экранирован от взаимодействия с растворителем.

Высокая избирательность валомицитина к образованию комплекса с К⁺ достигается хорошим стерическим соответствием К+ и внутренней полости валомицитина, которую образуют СО-группы. К⁺ полностью дегидратируется, а карбонильные (СО-) диполи заменяют гидратную оболочку (рис.5.2).

Рис. 5.2. Строение некоторых ионофоров: I — молекула валиномицина, II — система металл-кислородных и водородных связей в серебряной соли нигерицина (Рубин, 2004).

Na+ может поместиться полости валомицитина, но вследствие меньшего радиуса не взаимодействует с кислородом карбонильных групп. Энергия связывания его с водой выше энергии связывания с переносчиком.

Валомицитин обладает хорошей селективностью, переносит порядка 104 ионов/с.

Некоторые ионофоры, например нигерицин и гризориксин имеют нециклическое строение, но связывают ионы, образуя комплексную молекулу в свернутой, псевдоциклической конформации (рис. 5.2). Будучи слабыми кислотами нигерицин и его аналоги переносят два типа ионов, а при наличии градиента индуцируют обменный транспорт (обмен Н⁺ на К⁺).

Молекулы ионофора могут образовать комплекс, имеющий водную пору – канал.

Каналообразующие соединения - грамицидин А, аламетицин, амфотерицин, моназомицин и полиеновые антибиотики – обладают сродством к водной и органической фазам, поэтому образуют водную пору и сорбируются на мембране.

Полярные или заряженные группы молекулы закреплены на одной из сторон мембраны. Рассмотрим каналы, образованные грамицидином А.

Пептидная часть молекулы образована 15-ю гидрофобными аминокислотами, у которых чередуются L- и D-конфигурации. На конце молекулы формильная группа, на другом этаноламин. Каждый горизонтальный ряд аминокислот соответствует примерно одному повороту спирали, диагональные линии — пептидным связям, соединяющим отдельные витки спирали (рис. 5.3).

В мембране молекула сворачивается в спиралевидную структуру – полупору, формируя полый цилиндр длиной 3 нм и диаметром 0,5-0,8 нм. Непроводящее состояние молекулы не имеет внутренней полости. Равновесие между формами смещается под действием внешнего электрического поля. Грамицидин в субмолекулярных концентрациях повышает проводимость БЛМ в 106-108 раз.

Электрические свойства биомембран и транспорт ионов. Понятие о двойном электрическом слое. Плотность распределения ионов в зависимости от расстояния. Электрокинетический потенциал мембраны.

Движение заряженных комплексов ион-переносчик зависит от скачков потенциала на границе мембраны с электролитом, называемых граничными потенциалами.

Граничный потенциал φ_b складывается из поверхностного φ_s и дипольного потенциала φ_d:

φ_b = φ_s + φ_d (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Граничный потенциал (φ_b) как сумма поверхностного (φ_s) и дипольного (φ_d) потенциалов; мембрана находится в симметричном ионном окружении при отсутствии внешне приложенной разности потенциалов (Рубин, 2004).

Поверхностный потенциал обусловлен фиксированными зарядами мембраны, образованными диссоциируемыми группами в полярных головках липидов, а также ионизируемыми группами аминокислот, входящих в состав структурных белков. Фиксированные заряды и противоионы образуют двойной электрический слой. Отрицательный заряд возрастает с увеличением рН среды.

Дипольный потенциал образован ориентированными диполями воды и полярных групп липидных молекул. Гидрофобная область БЛМ заряжена положительно, не зависит от рН и ионной силы водного раствора.

Поверхностный и дипольный потенциалы определяют проницаемость липидных бислоев для ионов и заряженных комплексов ион-переносчик.

Дипольный потенциал влияет на высоту потенциального барьера для перехода заряженных частиц в мембрану.

Проводимость мембраны g пропорциональна произведению равновесной концентрации заряженных частиц в мембране у границы с раствором на константу скорости их перемещения v_o через мембрану:

Где γ – коэффициент распределения иона или заряженного комплекса между мембраной и водой, z – заряд иона или заряд комплекса ион-переносчик.

Увеличение отрицательного поверхностного потенциала увеличивает проводимость мембраны, индуцированной положительно заряженными комплексами ион-переносчик.