Ионный транспорт в каналах. Понятие об энергетическом профиле канала. Уравнение силы тока, переносимого ионами

Перенос ионов осуществляется через ионные каналы, представляющие собой липопротеиновые комплексы. В каналах не возможна свободная диффузия, происходит только однорядное движение ионов. Поступление иона в канал сопровождается замещением гидратной оболочки на полярные группы, выстилающие полость канала.

Взаимодействие иона с молекулярными группами учитываются профилями потенциальной энергии иона в канале, который представляется рядом потенциальных ям и барьеров.

Ион достаточно долго (по сравнению с тепловыми колебаниями) задерживается в каждой потенциальной яме. Перескок возможен только в пустую яму. Перескоки между ямами совершаются под действием тепловых флуктуаций. Вероятность перескока зависит от электрического поля (рис. 5.5).

Рис. 5.5. Энергетический профиль в трехбарьерной модели канала (I) в отсутствие поля и при наложении на мембрану разности электрических потенциалов, и профиль электрического потенциала φ на мембране (II): с_о, с_i — концентрации электролита в окружающем мембрану растворе, Е — высота основного центрального барьера, z —валентность иона, F — число Фарадея, j — односторонние потоки иона через канал (Рубин, 2004).

Пример.

В мембране 3 кинетических барьера. Боковые – входные участки канала, где происходит первичный процесс дегидратации, центральный барьер – селективный центр (рис. 5.6).

Если скорость переноса через канал лимитируется центральным энергетическим барьером, то сила тока, переносимая ионами данного вида определяются уравнением:

I = zF(J₁ – J₂) = zFv(c_i exp (zψ/2) – c_o exp (- z ψ /2)).

Где I – сила тока, J₁ и J₂ – потоки ионов в двух направлениях, z – заряд транспортируемого иона, F – число Фарадея, v – константа скорости перехода через основной барьер в отсутствии электрического поля, c_i и c_о – концентрации ионов по обе стороны от мембраны, безразмерный потенциал ψ = Fφ/RT (φ – потенциал мембраны).

Если ток через канал определяется скоростью переноса ионов через основной энергетический барьер, то с ростом напряжения на мембране проводимость возрастает. Константы скорости перехода через боковые барьеры слабо зависят от электрического поля.

Рис. 5.6. Кинетическая схема переходов между отдельными состояниями для трехбарьерного канала:

I — профили энергии и потенциала φ; II — модель переходов: с — концентрация электролита в водных растворах, k₁, k_-1, k₂, k_-2 константы преодоления боковых барьеров, /',/"—потенциал-зависимые константы скорости перехода ионов через центральный барьер, 0 — пустые участки связывания, 1 — заполненные участки связывания (Рубин, 2004).