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.