Биофизика - Владимиров Ю.А.
Скачать (прямая ссылка):
заряда важно для стабильности мембранных структур (которые при
нейтрализации зарядов начинают слипаться друг с другом), а также для
связывания органических и неорганических ионов. Если поверхностная
концентрация одновалентных заряженных групп равна о кмоль/м2, то на
границе мембрана - вода создается межфазный скачок потенциала того же
знака, что и заряд на мембране. Величина этого межфазного потенциала <ps
связана с о уравнением Гуи - Чепмена, которое в системе СИ имеет вид'
N2. RTec , , , .
°2 = "~2*Я' ' ^ + (5'3)
где R- газовая постоянная, F - число Фарадея, NA - число Авогадро, с -
молярная концентрация одновалентного электролита в среде (скажем КС1 или
NaCl), е - абсолютная диэлектрическая проницаемость, равная произведению
относительной диэлектрической проницаемости (для воды она равна
приблизительно 80) на электрическую постоянную е0; - потенциал в
безразмерной форме,
пропорциональный потенциалу <ps в вольтах (см. уравнение 1.8). При
анализе уравнения 5.3 становится ясно, что чем больше о, тем выше
Величина межфазного потенциала (называемого иногда поверхностным
потенциалом) имеет большое значение для связывания ионов мембраной.
Изменение свободной энергии при связывании 1 моля иона равно (см.
уравнение 1.4)
108
Afx = ( м-м - rf) + RT In ~~~ +zF<?
(5.4)
где см и cB - концентрация иона в мембранной и водной фазах. В
равновесии, когда Ар = О, а см/св = К, получаем:
--RT In Л' = Д(х" -(- zF<(s откуда К = е Л|'" е (5.5)
Первый сомножитель в этом произведении представляет собой коэффициент
распределения у иона между мембранной и водной фазами в отсутствие
мембранного потенциала. Действительно, при <ps = 0 второй сомножитель
равен единице и К -у. Компактная запись уравнения 5.5 выглядит так: К =
ye *s .
Между коэффициентом распределения и константой связывания иона Кс
существует прямая пропорциональность, а именно Кс = К\М\, где 1/И] -
число молей свободных центров связывания в единице объема мембранного
материала (см. уравнения связывания 3.5 -3.7). Отсюда сразу становится
ясной зависимость константы связывания от межфазного потенциала:
Кс №) = Кс (0) ё~Ь, (5.6)
где Кс(0) - константа связывания в отсутствие межфазного потенциала.
Экспериментальное изучение поверхностного потенциала мембран и его
изменения в патологии или при действии лекарственных препаратов, например
местных анестетиков, может проводиться рядом методов, включая метод
флюоресцентных зондов.
Флюоресцентный зонд (рис. 42) представляет собой флюоресцирующую
молекулу, которая находится в липидном слое мембраны или же адсорбируется
на ее поверхности. Параметры флюоресценции зонда (см. с. 36) зависят от
свойств непосредственного окружения молекул зонда в мембранах: вязкости,
полярности среды, близости заряженных групп, наличия различных молекул -
акцепторов энергии электронного возбуждения, а также от диффузии молекул
- тушителей флюоресценции, в частности воды.
Важной характеристикой мембраны может служить распределение зонда между
мембраной и окружающей водной средой. Это распределение зависит от
потенциала поверхности мембраны cps, гели сам зонд заряжен, и от
109
Мембрана
Рис. 42. Структура некоторых флюоресцентных зондов, применяемых при
изучении биологических мембран.
ДМХ - диметнламинохалкон; МБА - 3-метокснбензатрон;
АНС - 1-анилнно-иафталии-суль-фонат.
Рис. 43. Изменение электрического потенциала вблизи мембраны и в самой
мембране.
х - координата, начало которой выбрано у левой границы мембраны с водной
средой; х' - координата с началом у правой границы мембраны; ф81, ф82-
межфазиые скачки потенциала; Дф - изменение потенциала
внутри мембраны; фм - мембранный потенциал (разность потенциалов между
водными фазами по обе стороны мембраны).
/n сн в сн~й
-СН3
МБА
Пиреи
сродства зонда к мембране (Ар0 в уравнении 5.5). Например, применяя
отрицательно заряженный зонд АНС (1-ани-лино-8-нафталинсульфонат), можно
изучать изменение поверхностного потенциала мембран <ps, так как
флюоресцирует только связанная с мембраной форма этого красителя и общая
интенсивность флюоресценции системы увеличивается с увеличением <ps.
110
Поверхностный потенциал мембран влияет также и на связывание ионов,
например кальция. При этом измерение связывания кальция мембранами можно
проводить с помощью другого флюоресцентного зонда - антибиотика
тетрациклина, поскольку комплекс кальция с тетрациклином в липидном
окружении обладает более яркой флюоресценцией, чем со свободным
тетрациклином в водной фазе.
Не следует думать, что межфазный скачок потенциала <ps происходит
непосредственно на границе раздела вода/ мембрана: <р$-это разность
потенциалов между фазами, но не между пограничными слоями. Изменение
потенциала от границы раздела в глубину водной и мембранной фаз
происходит плавно (рис. 43). По мере удаления от границы раздела (т. е. с
ростом х1 на рис. 43) потенциал уменьшается приблизительно по экспоненте:
где ф0 -потенциал на границе (х1 = 0), а 6 -так называемый радиус
