П е р е н о с и о н о в ч е р е з м е м б р а н у.

Как известно, между внутренней и наружной поверхностями мембраны существует разность потенциалов dφ, которая обуславливает наличие в мембране толщиной dх электрического поля с напряжённостью

, (9)

где dφ / dх – градиент потенциала на мембране. На отдельный ион зарядом n∙e в мембране будет действовать сила , где е – элементарный заряд, n – валентность иона. Тогда, сила, действующая на 1 моль ионов:

, (10)

где N_А – число Авагадро, а F = е∙N_А – число Фарадея.

Скорость установившегося направленного движения частиц под воздействием силы :

, (11)

где u_m – подвижность одного моля ионов – коэффициент пропорциональности между скоростью и силой ( ): = u_m∙ .

Теперь поток ионов через поперечное сечение S:

, (12)

где c – молярная концентрация ионов.

Плотность потока ионов обусловленная градиентом потенциала J_эл = Ф_эл / S = υ∙c:

. (13)

В общем случае перенос ионов через мембрану определяется двумя факторами: градиентом концентрации частиц и градиентом потенциала

электрического поля мембраны – уравнением Нернста-Планка:

(14)

С энергетической точки зрения явления переноса будут описываться через изменение электрохимического потенциала. В общем случае плотность потока частиц через мембрану определяется уравнением Теорелла:

, (15)

где с – концентрация носителя, u – его подвижность, dμ / dх – градиент электрохимического потенциала – dμ.

. (16)

4. МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ПРОНИЦАЕМОСТИ

В настоящее время для исследования и оценки про­ницаемости мембран применяют следующие основные ме­тоды: осмотические, индикаторные, химические, радиоактивных изотопов, измерения электропроводности.

Осмотические методы основаны на наблюдении за кинетикой изменения объема клеток при помещении их в гипертонические растворы разной концентрации. Когда клетки помещают в гипертонический раствор исследуе­мого вещества, то вследствие выхода из них воды объем их уменьшается. По мере поступления исследуе­мого вещества в клетку разность осмотического давле­ния между клеткой и средой уменьшается, и клетка вос­станавливает свой первоначальный объем. Наблюдая за скоростью восстановления объема клеток, можно судить о скорости проникновения в них вещества. С целью объ­ективной регистрации этих процессов применяют цент­рифугирование взвеси клеток и визуальное определение их суммарного объема с помощью гематокрита, измерение прозрачности, а также определение изменений показателя преломле­ния клеток и суспензионной жидкости.

Недостатком данного метода: он применим только для работы с отдельными и довольно крупными клетками (водорослями, эритроцитами). Этот метод неприменим так же при исследовании проницаемости для сахаров и аминокислот, так как при больших концентрациях этих веществ мембрана для них непроницаема, а при малых концентрациях трудно уло­вить изменения объема клеток.

Индикаторные методы основаны на изменении окрас­ки клеточного содержимого при поступлении в клетку определенных веществ. В клетку вначале вводят индика­тор, а затем помещают ее в раствор исследуемого ве­щества. При поступлении в клетку этих веществ наблю­дается окрашивание. Если исследуемое вещество само является красителем, то необходимость в предваритель­ном введении индикатора отпадает. К недостаткам дан­ного метода следует отнести то, что небольшие концент­рации красителей трудно обнаружить, а большие токсичны. Данный метод дает в основном лишь качественный ответ: проникает вещество в клетку или не проникает.

Химические методы основаны на обычном качествен­ном и количественном определении содержания веществ в клетках или в среде. Клетки помещают в раствор исследуемого вещества и через некоторое время определяют концентрацию этого вещества в клетках или в растворе. Метод дает особенно хорошие результаты при работе с крупными клетками.

Методы радиоактивных изотопов основаны на приме­нении изотопов, обладающих радиоактивностью. При этом исследуемое вещество метят, т. е. включают в состав молекулы иссле­дуемого вещества радиоактивный (меченый) атом, взамен такого же, но не радиоактивного Если исследуемое вещество находится в виде атомов или ионов, то просто подмешивают в вещество их радиоактивные изото­пы. Теперь поступление этого вещества в клетку можно зафиксировать с помощью счетчика радиоактивных частиц. Поскольку радиоактивность клетки пропорциональна количеству поступившего в нее вещества, этот метод дает количе­ственные результаты. При измерении потока вещества из клеток в среду предварительно вводят ме­ченные атомы в клетки. Это производится или путем микроинъекции, или путем выращивания культуры клеток в среде, содержащей данное радиоак­тивное вещество. В последующем измеряют выходящие из клеток потоки данного вещества.

Изотопный метод является наиболее совершенным и точным методом исследования клеточной проницаемости. Пользуясь им, можно вводить в клетку исследуемое вещество в низких концентрациях, не нарушающих жиз­недеятельность клеток. Применение изотопов позволило изучить проницаемость не только для молекул чужерод­ных или ядовитых веществ, но и для тех соединений, которые входят в состав клеток и тканевых жидкостей самого организма. С помощью изотопного метода удаётся изучать одновременно потоки вещества из среды в клетку и из клетки в среду. Особая ценность метода заключает­ся в том, что он удобен для изучения кинетики входа и выхода веществ и позволяет исследовать эти процессы в естественных условиях, когда клетка находится в ста­ционарном состоянии.

Метод измерения электропроводности применяется при исследовании проницаемости клеток для ионов. Электропроводность клеток определяется активностью ионов в клетках и проницаемостью клеточных мембран. При определенных условиях, например при измерении на низких частотах переменного тока, электропроводность является мерой проницаемости мембран.