Подвижность ионов в водных растворах (25 ос)

Катион	Подвижность, см^2·с^-1 · В^-1	Анион	Подвижность, см^2·с^-1 · В^-1
К^+	7,62 · 10^-4	SO4^2-	8,27 · 10^-4
Na^+	5,19 · 10^-4	Cl^-	7,91 · 10^-4
Li^+	4,01 · 10^-4	NO3^-	7,40 · 10^-4

В настоящее время общепринятыми являются представления о том, что ионы и различные вещества преодолевают мембрану несколькими способами, основные из которых:

1. Простая диффузия через липидную фазу, если вещество растворимо в липидах (это не касается ионов).

2. Облегченная диффузия гидрофильных веществ с помощью липофильных переносчиков (транспортеров).

3. Простая диффузия ионов через гидрофильные поры (например, через ионные каналы).

4. Перенос веществ с участием активных комплексов (насосов).

5. Транспорт веществ путем пиноцитоза в условиях существенных изменений архитектуры мембран.

Что касается движущих сил мембранного транспорта, то различают два механизма.

Пассивный транспорт – перемещение веществ путем диффузии по градиенту электрохимического потенциала без затраты энергии (простая и, в какой-то мере, облегченная диффузия).

Активный транспорт – перемещение веществ против градиента электрохимического потенциала с затратой метаболической энергии, как правило в форме АТФ или редокс-цепей.

Для того чтобы понять механизмы трансмембранного переноса элементов минерального питания, остановимся на рассмотрении некоторых физико-химических закономерностях, определяющих движение ионов в растворе и мембране. Начнем с процессов пассивного транспорта (в частности вспомним законы диффузии).

Согласно первому закону Фика, поток (Ф) прямо пропорционален коэффициенту диффузии D и градиенту концентрации dC/dх в точке х в данный момент времени.

(5.1)

Знак минус в правой части уравнения означает, что, если градиент положителен, т. е. концентрация при увеличении х возрастает, диффузионный поток направлен в противоположную сторону.

Однако при описании диффузии на большие расстояния в непрерывной системе уравнения (5.1) необходимо определить зависимость концентрации не только от расстояния, но и от времени. Поэтому целесообразно преобразовать первый закон Фика в дифференциальные уравнения в частных производных, которые обычно называют вторым законом Фика. В одномерном случае этот закон аналитически выражается следующим образом:

(5.2)

т. е. скорость изменения концентрации пропорциональна второй производной от концентрации на координате х. Из этого закона мы получаем очень важное соотношение:

(5.3)

Скорость прохождения иона через мембрану в сильной степени зависит от его поведения в самой мембране (липидном бислое). Важными параметрами являются активность и подвижность данного иона в самой мембране. Так как действительный градиент концентрации в мембране неизвестен, то силой, определяющей движение молекул, обычно считают средний градиент:

(5.4)

Если обозначить через S количество вещества, которое входит в клетку, то dS/dt будет характеризовать скорость поступления этого вещества. Поток Ф – это скорость поступления вещества в пересчете на единицу площади, т. е. (1/А) (dS/dt).

На поверхности мембраны в растворе концентрация веществ может отличаться. Учитывая коэффициент распределения К и все другие высказанные соображения, первый закон Фика можно записать следующим образом:

(5.5)

где dS/dt – положительная величина, если вещество поступает в клетку, т. е. если концентрация вещества в среде больше, чем его концентрация в клетке.

В уравнении (5.5) нам неизвестен ни коэффициент распределения, ни коэффициент диффузии, ни действительная величина ∆х, поэтому эти три параметра было целесообразно заменить одним – коэффициент проницаемости:

(5.6)

Коэффициент проницаемости мембраны – это сумма молей вещества, которая прошла через 1 см² мембраны в единицу времени, при условии разности концентраций по обеим сторонам мембраны, составляющей 1 моль/см³.

Коэффициент проницаемости легко определяется из выражения:

(5.7)

Как мы уже отмечали, вещество диффундирует из области высокой концентрации в области низкой концентрации. Движущей силой, такой диффузии служит разность химических потенциалов данного вещества в этих двух областях. Химический потенциал μ_i есть функция концентрации (точнее активности) i-иона:

*

μ _i = μ _i + RТ ln C_i (5.8)

где μ_i – химический потенциал в стандартных условиях. R – газовая постоянная; Т – абсолютная температура; С_i – концентрация i-иона.

Все это соответствует ситуации переноса вещества в растворе или транспорту через мембрану, когда оно незаряжено. Так как все ионы заряжены, скорость диффузии и распределение в равновесном состоянии определяется не только свойствами мембраны и разницей в концентрациях ионов по обеим сторонам мембраны (химический потенциал), но и разностью электрического потенциала на мембране. Поэтому движение ионов через мембрану обусловлено градиентом электрохимического потенциала.

Обычно мембрана на внутренней стороне отрицательно заряжена по отношению к наружной поверхности. Это приводит к преимущественному поступлению катионов по сравнению с анионами. В этом случае физической движущей силой будет электрохимический потенциал , в величину которого вносят свой вклад химический и электрический потенциалы:

(5.9)

где – электрохимический потенциал i-иона в стандартных условиях; Z_i – валентность i-иона; F – число Фарадея; φ – электрический потенциал.

В реальных условиях описания процесса диффузии ионов в клетку нас интересует разность электрохимических потенциалов (Δφ) по обеим сторонам мембраны, т. е. . Используя уравнение (5.9) можно записать:

(5.10)

В случае равновесного состояния, когда электрохимический потенциал i-иона одинаков по обе стороны мембраны, т. е. , получаем:

(5.11)

Разность потенциалов в состоянии равновесия (соотношения) получила название потенциала Нернста.

Чем больше разность потенциалов на мембране, тем сильней обозначена тенденция прохождения катиона по сравнению с анионом. В конечном итоге действие градиента концентрации нейтрализуется градиентом электрического потенциала. Таким образом, мембранный потенциал играет важную роль в прохождении ионов через мембрану.

Важным выводом из приведенных рассуждений является следующий: если даже концентрация i-иона в клетке выше, чем в окружающей среде, это не означает, что на его поступление требуется затрата энергии, процесс может быть и пассивным.

Для многих растительных клеток подавляющая часть пассивного потока ионов складывается главным образом из перемещения трех ионов:K⁺, Na⁺ и Cl^–. При условии электронейтральности: Ф_K + Ф_Na – Ф_Cl = = 0. Подставив в это соотношение соответствующие выражения для разных Ф_i, можно получить уравнение для диффузионного потенциала (φ_м):

(5.12)

где α = Р_Na/P_K, γ = P_Cl/P_K

Уравнение Гольдмана выражает разность электрических потенциалов, возникающих по причине разных тенденций K⁺, Na⁺ и Cl^– диффундировать через мембрану в области более низкого электрохимического потенциала.

Основные допущения, сделанные при выводе уравнения Гольдмана:

– постоянство электрического поля в мембране;

– постоянство коэффициента активности в мембране;

– коэффициент распределения одинаков по обеим сторонам мембраны.

Сравнение величины коэффициентов проницаемости плазмалеммы к ионам K⁺, Na⁺ и Cl^– показывает, что мембрана главным образом проницаема для ионов K⁺:

Рк : Р_Na : Р_Cl = 1,0 : 0,2 : 0,11 (харовые водоросли);

Рк : Р_Na : Р_Cl = 1,00 : 0,68 : 0,34 (колеоптили овса);

Рк : Р_Na : Р_Cl = 1,00 : 0,04 : 0,45 (аксон кальмара).