• Соли, растворенные в воде, диссоциируют на гидратированные ионы
• Гидрофобные свойства липидного бислоя создают барьер при движении гидратированных ионов через мембрану
• Ионные каналы катализируют процесс частичной дегидратации ионов. Это обеспечивает их быстрый и селективный транспорт через мембраны
• Процесс дегидратации ионов является энергозависимым. Напротив, при их гидратации происходит высвобождение энергии
Поскольку липидный бислой мембраны обладает гидрофобными свойствами, заряженные ионы самостоятельно через нее не проходят. Для транспорта через мембрану ионы должны пройти через специальные трансмембранные белки: ионные каналы и переносчики. В этом разделе мы рассмотрим некоторые физические свойства ионов в растворе и их влияние на процесс транспорта.
Ионы в растворе находятся в гидратированном состоянии, т. е. окружены молекулами воды. Ионы, заряженные положительно или отрицательно, притягивают молекулы-диполи воды, частичный отрицательный заряд которых создается атомом кислорода, а частичный положительный — атомами водорода.
Гидратация ионов, например, обусловливает быстрое растворение кристаллов NaCl в воде. Этот процесс выгоден с энергетической точки зрения, поскольку молекулы воды присоединяются к свободным ионам Na+ и Cl-.
Молекулы воды образуют вокруг ионов слой, называемый гидратной оболочкой. За счет этого заряд иона, находящегося в растворе, частично нейтрализуется. Таким образом, бислой мембраны служит эффективным барьером, не пропускающим гидратированные ионы.
Поскольку гидратация ионов является энергетически выгодным процессом, для удаления гидратной оболочки и проникновения иона в гидрофобное окружение липидного бислоя необходимо довольно большое количество энергии. В процессе трансмембранного транспорта ионные каналы помогают преодолеть этот энергетический барьер.
Форма гидратной оболочки зависит от размера и заряда ионов. Диполи воды ориентируются по отношению к катионам и анионам в соответствии с их зарядом и размерами. По сравнению с крупными ионами, более мелкие, имеющие такой же заряд, характеризуются большей степенью его локализованности, что приводит к более высокой плотности заряда на мелких ионах.
Более высокая плотность заряда создает более сильное электрическое поле, которое притягивает больше молекул воды, и, таким образом, толщина гидратной оболочки увеличивается. Поэтому у меньшего по размеру иона гидратная оболочка больше, чем у более крупного иона, обладающего тем же зарядом. Следовательно, при проникновении через поры канала мелкие ионы характеризуются большим эффективным радиусом.
Какую роль играет степень гидратации в процессах ионного транспорта? Ионные каналы создают окружение, которое напоминает заполненные водой поры и, таким образом, по мере транспорта ионов по каналу облегчается их частичная дегидратация.
Продвигаясь по каналу, ион образует слабые электростатические связи с заряженными остатками аминокислот, которые имитируют гидратную оболочку. Тем самым процесс транспорта становится энергетически выгодным и в то же время приобретает селективность. Селективность ионного канала зависит от его способности катализировать энергетически выгодный процесс частичной дегидратации определенных ионов. Это достигается за счет специфических размеров канала и наличия специфических сайтов связывания ионов.
