Біофізика і біомеханіка - В. С. Антонюк - 2012

Розділ 3. МОЛЕКУЛЯРНА БІОФІЗИКА

3.5.Транспорт речовини через біологічні мембрани

3.5.3. Перенесення заряджених частинок через мембрани

Електропровідність клітин мембран дуже низька і становить 10^-3 Ом·см³. Для порівняння: провідність шару водного розчину КСl з концентрацією 0,01 М такої самої товщини - 10⁴Ом·см^-2 . Різниця досягає 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 проникнення. Енергія частинки в ліпідній фазі складається з електростатичної енергії та енергії гідрофобної взаємодії:

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 користь ліпідної фази. Крім того, існують чотири чинники, що знижують енергію іона в мембрані:

- кінцева товщина мембрани;

- утворення іонних пар усередині мембрани;

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

- збільшення ефективного радіуса іона внаслідок утворення комплексу: іона з нейтральною молекулою, переносника з високою поляризовністю (переносник сольватує іон і тим самим сприяє його розчиненню у фазі мембрани).

Таким чином, величина енергетичного бар’єра в мембрані зменшується, і відповідно проникність мембрани для іона зростає у міру збільшення радіуса іона і з наближенням значень ε_ліп і ε_вод. Ці фізичні принципи 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

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:

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

Рис. 3.20. Енергія іона в мембрані: а - вплив сил утворення; б - утворення іонних пар; в - гідрофільна пора в мембрані; г — комплексоутворення 4. Існують молекули (іонофори), які переносять іони через мембрану - індукований іонний транспорт (рис. 3.20, г). Наявність іонофорів сприяє багатократному підвищенню провідності мембран. Для цього потрібна 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 утворювати сферичний комплекс з іоном. Якщо зовнішній радіус комплексу дорівнює b, то його енергія в середовищі має вигляд

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, тодіде b - радіус пори, А.

Якщо b = 5.. .10 А, то W_n = 69,3.34,4 кДж/моль. Отже, комплексоутворення, а також утворення пор можуть значно зменшити бар’єр для проходження іона через мембрану.

Дослідження показали, що іонофори - валіноміцин і монактін - являють собою рухомі переносники, тоді як граміцидин А утворює в мембрані полярну пору.

Таким чином, індукований транспорт, що зумовлюється іонофорами, 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 розміщеними молекулами, між якими переноситься іон.

Рис. 3.21. Основні типи механізмів перенесення: а - рухомі переносники з «малою каруселю»

(переносник Т, поміщений в мембрані, а комплексоутворення відбувається на межі розділу мембрана-розчин); б - рухомі переносники з «великою каруселю» (переносник Т є в мембрані та розчині, комплексоутворення 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 таких молекул усередині ліпідного шару, або білкові молекули- переносники пронизують мембрану і іони рухаються усередині комплексу, утвореного білковою молекулою і ліпідними молекулами. У природі реалізуються обидві такі можливості.