Распределение ионов в организме

Распределение ионов между клеткой и внеклеточным пространством представлено в таблице 11.

Таблица 11.

Распределение ионов между вне- и внутриклеточным пространством в ммолях/л воды

Распределение ионов неравномерное. Для легко проникающих через клеточную мембрану ионов K⁺ и СГ распределение в условиях равновесия устанавливается согласно уравнению Доннана. В значительной степени оно зависит от присутствия непроникающих через клеточную мембрану полиэлектролитов, в частности, белков. Кроме доннановского равновесия на распределение ионов влияет мембранный потенциал клеток. В сердечной мышце мембранный потенциал кардиомиоцитов в состоянии покоя составляет примерно 70 мВ. В этих клетках в покое в фазу диастолы распределение К описывается уравнением Нернста для равновесных состояний:

Е = (RT/F) ln [К⁺]_i / [К⁺]₀ – уравнение Нернста,

где Е - мембранный потенциал, R - газовая постоянная, Т - абсолютная температура, [К⁺]_i - концентрация К⁺ внутри клетки, [К⁺]₀ - концентрация К⁺ вне клетки.

Если решить это уравнение, подставив в него концентрации ионов К⁺ из таблицы 11, то окажется, что К⁺ является основным потенциалообразующим катионом в организме. Градиент К⁺ между клеткой и внеклеточной средой обеспечивается величиной мембранного потенциала. К⁺ как бы «заперт» в клетке клеточным потенциалом. Ион К⁺ имеет заряд "+", снаружи клеточная мембрана то же имеет "+", однородные заряды отталкиваются (рис. 9).

Рис.9. Равновесное состояние для ионов К. Градиент концентрации K⁺ между клеткой и внеклеточной средой уравновешен мембранным потенциалом со знаком «-» внутри и «+» снаружи клеточной мембраны. Заряженный положительно ион K⁺ «заперт» в клетке электрическим зарядом.

Иное состояние для иона Na⁺, концентрация которого выше во внеклеточной среде, чем в клетке. Градиент концентрации и мембранный потенциал будут совместно способствовать входу Na⁺ в клетки. Для поддержания внутри- и внеклеточного градиента ионов Na⁺ используется энергия АТФ, которая обеспечивает работу "Na⁺"-насоса или Na⁺-помпы, представленной на клеточной мембране Na,K-ATФазой. Именно работа Na,K-ATФазы по удалению Na⁺ из клетки и внесение взамен К⁺ (возможно сопряжение с переносом других катионов, в частности, иона Н⁺ или анионов Cl^- и других) обеспечивает внутри- и внеклеточный градиент для ионов Na⁺ (рис.10).

Рис. 10. Градиент концентрации между клеткой и внеклеточной средой достигается за счет активной работы Na,K-ATФазы по удалению Na⁺ из клетки против градиента концентрации.

Несмотря на активную работу Na-насоса, градиент концентрации для Na⁺ возможно удерживать только в том случае, если клеточная мембрана для Na⁺ будет барьером, препятствующим его свободному входу в клетку. Действительно мембрана большинства клеток в организме человека плохо проницаема для иона Na⁺. Это связано в первую очередь с существующей вокруг Na⁺ гидратной оболочкой. На рисунке 11 представлена модель взаимодействия Na⁺ и К⁺ с диполями воды в растворе.

Несмотря на то, что молекулярный радиус Na⁺ меньше, чем К⁺ из-за образования вокруг Na⁺ устойчивой водной оболочки эффективный его радиус в водном растворе существенно больше, чем у К⁺ вокруг которого водная рубашка рыхлая и практически нет устойчивого взаимодействия. Поэтому для гидрофильного иона Na⁺ фосфолипидная клеточная мембрана представляет значительный барьер, для К⁺ который легко сбрасывает водную оболочку клеточная мембрана свободно проницаема.

Рис.11.

А - Схематическое изображение размеров молекулы воды и катионов Na⁺ и К⁺ (А – размерность в ангстремах = 10^–10 м)

Б – Сольватация ионов Na⁺ полярными молекулами воды и катион К⁺, у которого отсутствует гидратная оболочка.

Таким образом, ион К⁺ является основным в организме потенциалообразующим ионом. От его распределения между клетками и внеклеточной средой зависят электрофизиологические свойства – проводимость, возбудимость, автоматия, нервно-мышечная передача. Ион Na⁺ тесно связан с обменом воды в организме, это основной ион, который ответственен за реабсорбцию воды в почках, объем внутриклеточного пространства, его распределение в значительной мере определяет развитие отеков и дегидратацию.