4.8.1. Селективность к электролитам

 

Чаще всего в качестве примера селективности приводят способность невозбужденной мембраны «отличать» ион К⁺ от другого основного моновалентного катиона, Na⁺ . Нервная клетка в состоянии покоя примерно в 30 раз более проницаема для К⁺, чем для Na⁺. С первого взгляда может показаться, что эти ионы различаются по размеру их гидратной оболочки, т.е. К⁺ свободно проникает через каналы, которые оказываются слишком узкими для Na⁺. Однако гипотеза «просеивания» не в состоянии адекватно объяснить большинство других вариантов мембранной селективности. Например, во время возбуждения мембраны нервной или мышечной клетки проницаемость мембраны для Na⁺ возрастает примерно в 300 раз – до величины, приблизительно в 10 раз большей, чем проницаемость для К⁺ в покое. Если бы при возбуждении в мембране произошло срабатывание каналов, через которые ион Na⁺ мог проходить только в соответствии со своим размером, то, согласно гипотезе «просеивания», должно было бы наблюдаться одновременное повышение проницаемости для К⁺ благодаря этим же каналам. Поскольку такого увеличения не происходит, ясно, что в основе селективности мембраны лежат другие принципы, а не размер ионов.

Рис. 4–26 иллюстрирует другой механизм ионной проницаемости. На нем представлен гипотетический мембранный канал с фиксированными зарядами, сообщающими стенкам суммарный положительный заряд. Такой канал должен пропускать анионы подходящего размера и препятствовать прохождению катионов из–за электростатического отталкивания.

Джеред М. Дайамонд и Эрнст М. Райт, просмотрев данные по селективности различных мембран, установили, что почти все мембраны в экспериментальных условиях обнаруживают какую–то одну последовательность селективностей для катионов щелочных и щелочноземельных металлов(Са²⁺, Rb⁺, K⁺, Na⁺ и Li⁺) из возможных 11. Для одних мембран селективность повышается с уменьшением диаметра иона, тогда как для других – с увеличением. Поскольку последовательностей, определяемых размером иона, только две, а наблюдается 11, то, по–видимому, селективность мембраны не определяется непосредственно размером иона, гидратированного или нет; в первую очередь на нее влияют другие, не столь очевидные параметры.

Термодинамические аспекты взаимодействий ионов с электростатическими участками ферментов и мембран рассмотрены в гл. 2. Вероятность связывания иона полярным участком мембраны определяется разностью между силой электростатического взаимодействия этого иона с водой и с этим специфическим, несущим электрический заряд участком мембраны. Чем она больше, тем успешнее конкурирует ион с другим ионом за этот участок. Данная теория не объясняет механизма проницаемости, но она позволяет высказать соображения о том, почему некоторые ионы способны проходить через канал или связываться с его внутренней поверхностью либо образовывать комплекс с молекулой переносчика с большей вероятностью, чем другие.

 

4.8.2. Селективность к неэлектролитам

 

Как видно из рис. 4–23, для неэлектролитов характерна линейная зависимость между проникающей способностью и коэффициентом распределения. Именно характер этой зависимости позволил сделать вывод, что указанные незаряженные вещества просто растворяются в липидном бислое мембраны и диффундируют через него. Согласно уравнению (4–4), это означает, что проникающая способность указанных на рисунке неэлектролитов лимитируется в первую очередь коэффициентом распределения К. Для тех немногих неэлектролитов, чьи параметры не укладываются в линейную зависимость, представленную на рис. 4–23, характерна большая проникающая способность, чем это следует из их коэффициентов распределения. Одно из объяснений состоит в том, что эти вещества перемещаются через мембрану с помощью переносчика и, таким образом, обнаруживают большую проникающую способность, чем та, что следует из допущения о простой диффузии через липидный бислой. Другой причиной указанных отклонений может быть прохождение малых молекул (этанола, метанола, мочевины) через заполненные водой каналы в липидном бислое. Для всех этих веществ характерны малый размер молекул и растворимость в воде, хотя они и имеют разное отношение растворимостей вода/липид (т. е. разные коэффициенты распределения).