Биологические мембраны - А. Н. Огурцов 2012

Электрогенез биомембран
Неравновесная термодинамика биомембран
Электрохимический потенциал

Подходы равновесной термодинамики используются при рассмотрении процессов переноса вещества через биологические мембраны.

В клетке химические превращения и перенос веществ проходят при Т = const и р = const. Поэтому уравнение

принимает вид

При одном обороте реакции количество молекул исходных веществ и продуктов пропорционально соответствующим стехиометрическим коэффициентам v так, что изменение числа молей ∆n_i = v_i. Это справедливо, когда в результате одного оборота реакции число превращённых молекул существенно меньше общего числа молекул реагентов в смеси.

Тогда выражение

запишется как

По правилу знаков v_i < 0 для исходных веществ и v_i > 0 для продуктов реакции.

Рассмотрим процесс переноса вещества через мембрану из фазы А в фазу В, если фазы отличаются химическими потенциалами μ_А и μ_B. В этом случае

Поскольку v_А = -v_B = v, то

состоянии равновесия ∆G = 0, следовательно

или

В более общем случае между двумя фазами, разделёнными мембраной, могут происходить два типа процессов: перенос незаряженных частиц благодаря разности концентраций с_A и с_B (осмотическая работа) и перенос заряженных частиц (электрическая работа). В таком случае изменение свободной энергии будет определяться разностью электрохимических потенциалов

Электрохимический потенциал - это полный потенциал, учитывающий химический потенциал μ системы и электрическую работу по переносу заряженных частиц

При постоянных температуре и составе системы изменение энергии Гиббса в процессе, который переводит систему из состояния А в состояние В равно

Для газа однородного состава химический потенциал

равен изменению энергии Гиббса при добавлении одного моля газа к бесконечно большому количеству этого же газа. Поэтому

где μ⁰ - стандартный химический потенциал при давлении 1 атмосфера.

Аналогично можно записать химический потенциал компонента і смеси газов с учётом связи давления р с концентрацией p = cRT. Пусть μ⁰_i - стандартный химический потенциал компонента z в случае, когда его концентрация равна единице. Тогда химический потенциал компонента і смеси газов

Электрическая работа равна

где z - валентность иона; F = 96500 Кл - число Фарадея (заряд одного моля одновалентных ионов); φ - электрический потенциал на границе раздела фаза - окружающая среда.

Для случая переноса через мембрану из фазы А в фазу В нейтральных веществ и ионов изменение электрохимического потенциала имеет вид

Условием равновесия является ∆G = 0. Тогда в общем случае, когда имеется перенос нейтральных и заряженных частиц, равновесие будет определяться соотношением

или равенством электрохимических потенциалов