3.5.3. Перенесення заряджених частинок через мембрани

Електропровідність клітин мембран дуже низька і становить 10^–3 Ом∙см^–2. Для порівняння: провідність шару водного розчину КCl з концентрацією 0,01 М такої самої товщини – 10⁴ Ом∙см^–2. Різниця дося-гає 10⁷ разів.

Провідність мембрани визначають за концентрацією і рухливістю наявних в ній заряджених частинок. Низька діелектрична проникність гідрофобного ліпідного бішару ε ≈ 2…3 дуже несприятлива для проник-нення. Енергія частинки в ліпідній фазі складається з електростатичної енергії та енергії гідрофобної взаємодії:

WW W

;

e

h

W



q



1



1



,

0





e

a







ë³ï

âîä 

де q₀ – заряд іона; ε_ліп, ε_вод – діелектрична проникність ліпіду (мембрани) та води відповідно.

Значення енергії у цьому разі велике (~110 еВ). Саме це створює бар’єр, що перешкоджає проходженню іонів через гідрофобну частину мембрани в негідратованій формі.

Гідрофобні взаємодії дещо підвищують коефіцієнт розподілу на ко-ристь ліпідної фази. Крім того, існують чотири чинники, що знижують енергію іона в мембрані:

– кінцева товщина мембрани;

– утворення іонних пар усередині мембрани;

147

– наявність у мембрані пор (каналів) з високою діелектричною ста-лою, крізь які проходять частинки;

– збільшення ефективного радіуса іона внаслідок утворення ком-плексу: іона з нейтральною молекулою, переносника з високою поляри-зовністю (переносник сольватує іон і тим самим сприяє його розчинен-ню у фазі мембрани).

Таким чином, величина енергетичного бар’єра в мембрані зменшу-

ється, і відповідно проникність мембрани для іона зростає у міру збіль-шення радіуса іона і з наближенням значень ε_ліп і ε_вод. Ці фізичні прин-ципи і є основою перенесення іонів іонофорами. Іонофори можуть утворювати з іонами комплекси великих розмірів (переносники) або формувати пори в мембрані, заповнені водою (канали).

Розрахунок кожного з цих ефектів має такі результати:

1. Оскільки мембрана має кінцеву товщину, на межі між мембраною і водною фазою виникають сили утворення (рис. 3.20, а). Електростатична енергія в центрі мембрани знижується за рахунок сил утворення на величину

W 

e

2

2

âî ä

ln

.







ë³ï

l

ë³ï

âî ä

0

Якщо ε_ліп = 81 і ε_вод = 2, ця величина становить 1,4 еВ, тобто енергія знижується на декілька відсотків.

2. Утворення іонних пар з двох розміщених поблизу сфер унаслідок іонної взаємодії також не дає помітного виграшу. Електростатична енергія двох частинок (рис. 3.20, б), які розділені відстанню d, становить:

W 

e

2



e

2



e

2

.

2

a

2

a



ë³ï

ë³ï

ë³ï

d





Звідси видно, що максимальне зниження енергії буде не більш, ніж двократним.

3. Пори з високою поляризованістю можуть значно знизити енергію заряду в мембрані (рис. 3.20, в). Якщо радіус пори b << 10 нм, енергія частинки на осі пори

148



e

2



e

2





ë³ï



W

P





.

ï

2

a



b



ï

ë³ï



ï



Другий доданок у формулі означає сили утворення в стінках пори. Він обернено пропорційний до радіуса пори b. Значення функції Р(х) не перевищує значення 0,25.

Якщо е = 2, тоді

We

e	2			1			1180
		P
2b				40			b
					

кДж/моль, де b – радіус пори, Å.

ε_m

2a

e

εw _εm

а

2a

2a₊

-e e εc

			εp
+e
				2b
		2a

б в г

Рис. 3.20. Енергія іона в мембрані:

• – вплив сил утворення; б – утворення іонних пар;

• – гідрофільна пора в мембрані; г – комплексоутворення

3. Існують молекули (іонофори), які переносять іони через мембра-ну – індукований іонний транспорт (рис. 3.20, г). Наявність іонофорів сприяє багатократному підвищенню провідності мембран. Для цього пот-рібна невелика кількість іонофорів. До іонофорів належать жиророзчинні кислоти – 2,4-динітрофенол, дикумарол тощо, поліпептиди – валіноміцин, група актинів (моноактин), граміцидини А, В і С, аламецитин.

Нехай нейтральна молекула з високою поляризованістю може утво-рювати сферичний комплекс з іоном. Якщо зовнішній радіус комплексу дорівнює b, то його енергія в середовищі має вигляд

149



e

2



e

2



1



1 

W

.





ï

2 ë³ï b

2ê  a

b 

Якщо b = 5…10 Å, то W_п = 69,3…34,4 кДж/моль. Отже, комплексо-утворення, а також утворення пор можуть значно зменшити бар’єр для проходження іона через мембрану.

Дослідження показали, що іонофори – валіноміцин і монактін – яв-ляють собою рухомі переносники, тоді як граміцидин А утворює в мем-брані полярну пору.

Таким чином, індукований транспорт, що зумовлюється іонофора-ми, може здійснюватися згідно з механізмом рухомих переносників за допомогою спеціальних пор (рис. 3.21). Цей механізм називають також естафетним, оскільки пора може бути утворена послідовно розміщени-ми молекулами, між якими переноситься іон.

Т		Т
А	А
Т	А	А Т	А
		Т
А
	а
Т		Т
А	А	в
	А		А
Т	Т	ТТТ
А	б	г

Рис. 3.21. Основні типи механізмів перенесення:

• – рухомі переносники з «малою каруселю» (переносник Т, поміщений в мембрані,

• комплексоутворення відбувається на межі розділу мембрана–розчин); б – рухомі переносники з «великою каруселю» (переносник Т є в мембрані та розчині, комплексо-утворення відбувається в розчині); в – колективний транспорт (іон А переноситься декількома частинками переносника Т); г – естафетне перенесення

Можливий різновид механізму рухомих переносників – колективний транспорт, коли іон переноситься не однією молекулою, а відразу декількома.

Таким чином, у перенесенні іонів беруть участь певні білкові моле-кули-переносники. При цьому перенесення залежить або від переміщення

150

таких молекул усередині ліпідного шару, або білкові молекули-переносники пронизують мембрану і іони рухаються усередині комплек-су, утвореного білковою молекулою і ліпідними молекулами. У природі реалізуються обидві такі можливості.