25. 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.

29. 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).