Влияние электрического поля на транспорт ионов в каналах. Дискретное описание ионного транспорта.

описание транспорта ионов через биологические мембраны основано на представлении о диффузии не взаимодействующих между собой заряженных ча­стиц в сплошной однородной среде. Электродиффузионные уравнения, полученные в приближении постоянного поля (приближение Гольдмана), Это уравнения, описы­вающие поток одного вида ионов через мембрану, а также мембранный потенциал в условиях нулевого электрического тока: (ФОР 1)

основываются на следующих постулатах: 1) мембрана представляет собой го­могенную фазу; 2) профиль электрического потенциала в мембране линеен (dфи/dx = const); 3) концентрация иона в мембране на границе с раствором пропорциональна концентрации этого иона в среде с коэффициентом пропорциональности у; 4) ионы движутся через мембрану независимо, не взаимодействуя между собой.

Сформирована теория

1. Поступление иона в канал сопровождается замещением воды гидратной обо­
лочки на полярные группы, выстилающие полость канала.

2. Особенности взаимодействия иона с молекулярными группами канала учи­
тываются соответствующими профилями потенциальной энергии иона в канале,
который представляется рядом последовательных потенциальных ям и барьеров.

3. Ион достаточно долго (по сравнению со временем тепловых колебаний) за­
держивается в каждой потенциальной яме. Перескок возможен только в пустую
яму. Второй ион не может попасть в занятую потенциальную яму из-за электроста­
тического взаимодействия с уже находящимся там ионом.

4. Перескоки между ямами совершаются под действием тепловых флуктуации. Вероятность перескока зависит от приложенного электрического поля.

(РИС 1) Энергетический профиль в трехбарьерной модели ка­нала (I) в отсутствие поля (1) и при наложении на мембрану разности электрических потенциалов (2), и профиль электрического потенциала ср на мембра­не (II):

Со, С{ — концентрации электролита в окружающем мембрану растворе, Е — высота основного центрального барьера, z — валентность иона, F — число Фарадея, f и j~—односторон­ние потоки иона через канал

Если скорость переноса ионов через канал лимитируется центральным энергетическим барьером, который расположен посередине толщины мембраны, то ионные потоки определяются уравнениями

(ФОР 2)

где А — константа, Е — высота барьера в отсутствие электрического поля, v — константа скорости перехода через основной барьер в отсутствие электрического поля.

Величину Fфи/RT часто называют безразмерным потенциалом. Вводя ф = = Fy/RT в уравнения (XXI. 1.3), получим выражение для тока, переносимого ионами данного вида (ФОР 3):

В условиях симметричного ионного окружения (с₀ = Ci = с) вольтамперная харак­теристика канала описывается формулой (ФОР 4)

Отношение односторонних потоков равно (ФОР 5)