background image

 

 

 Passive 

transport 

across the 

lipid bilayer

background image

 

 

Membrane permeability to nonelectrolytes

Steps (any can be rate limiting)

1)

 enter the membrane (potential barrier)

2)

 diffusion through the bilayer core

3)

 exit the membrane (potential barrier)

kT

E

a

e

P

P

0

E

a

 correlates to the number of 

H-bonds a permeant molecule 
can form.

background image

 

 

N is Avogadro's number and 

f is the frictional coefficient

Nf

RT

d

d

dx

dx

dC

D

dx

J

J

0

0

'

Diffusion of non-

electrolytes

mo

mi

C

C

D

J

Steady-state 

flow

J = constant

Molecules in the 

aqueous phase are 

in equilibrium with 

molecules in the 

membrane phase.

dx

dC

D

background image

 

 

The  chemical  potential  in  the  water  phase  (µ

w

)  =  the 

chemical potential in the membrane (µ

m

):

m

o

m

m

w

o

w

w

C

RT

C

RT

ln

ln

The  concentration  at  the 
surface  of  the  membrane 
(C

m

)





RT

C

C

o

m

o

w

w

m

exp

o

i

o

m

o

w

C

C

RT

d

D

J





exp

The 

permeability 

coefficient





RT

d

D

P

o

m

o

w

exp





RT

C

C

K

o

m

o

w

eq

m

p

exp

The  membrane:water  partition 
coefficient (K

p

)

C

m

  –  concentration  just  inside 

the  hydrophobic  core  of  the 
bilayer, 
C

aq

  –  concentration  in  the 

aqueous solution.

 

d

DK

P

P

background image

 

 

d

z

D

z

K

dz

P

0

)

(

)

(

1

For a non-

uniform 

membrane

K(z) – the depth-dependent 
partition cofficient from water 
into the membrane
D(z) – the depth-dependent 
diffusion coefficient in the 
membrane.
„d” – the membrane thickness.

Permeability 

dependence on 

temperature

background image

 

 

o

i

p

C

C

K

d

D

J

P in membranes is 

strongly 

correlated with K

p

 

for nonpolar 

solvent

background image

 

 

Molecule diffusion 

across the aqueous 

layers adjacent to 

either surface of 

the membrane.

 

Unstirred Layers

1 µm to 500 µm 

thickness

.

 For water soluble compounds – diffusion across the 

unstirred layers will have relatively less effect.

  It  is  most  prominent  for  relatively  nonpolar 

compounds  –  the  diffusion  across  the  membrane 
itself will be relatively fast.

background image

 

 

  P  –  a  membrane 

permeability coefficient

  D  –  an  aqueous 

diffusion constant.

  d

i

  and  d

o

  –  the 

thicknesses of unstirred 
layers.

  C

i

  and  C

o

  –  the  bulk  concentrations  of  the 

compound,

  C

mi

 and C

mo

 –  the concentrations at the surface of 

the membrane.

 The flow through the membrane is

mo

mi

m

C

C

P

J

 The flow through the unstirred layers

mi

i

i

i

C

C

d

D

J

o

mo

o

o

C

C

d

D

J

background image

 

 

Therefore

mo

mi

C

C

P

J

mi

i

i

C

C

D

Jd

o

mo

o

C

C

D

Jd

After summing:

o

i

o

i

C

C

D

d

D

d

P

J

1

The  effect  of  unstirred  layers  is  to  decrease  the 
permeability  so  the  apparent  permeability 
coefficient (P

app

) is smaller than P:

D

d

D

d

P

P

o

i

app

1

1

At steady-state

J

J

J

J

o

i

m

background image

 

 

It is entropic in nature

Osmosis

background image

 

 

The osmotic pressure 

difference can only arise if 

there is a physical object, 

the 

semipermeable membrane

present to apply force to the 

solute particles.

Semipermeable 

membrane is a 

thin, passive 

partition 

through which 

solvent, but not 

solute, can pass 

and the fluid is 

incompressible. 

background image

 

 

Osmotically active = solutes which 

Osmotically active = solutes which 

can’t

can’t

 

 

diffuse through the 

diffuse through the 

semipermeable membrane.

semipermeable membrane.

Hypotonic

solution

Solute

molecule

HYPOTONIC SOLUTION

Hypertoni

c solution

Selectively

permeable
membrane

HYPERTONIC 

SOLUTION

Selectivel

y

permeabl

e

membran

e

NET FLOW OF WATER

Solute molecule with 

cluster of water 

molecules

Water 

molecule

Osmotic pressure:  

Osmotic pressure:  

force required to 

force required to 

prevent

prevent

 osmosis.

 osmosis.

Easy way to 

Easy way to 

measure 

measure 

osmolality:

osmolality:

Each Osm (of any 

Each Osm (of any 

solute) lowers the 

solute) lowers the 

freezing point of 

freezing point of 

water by ~ 2

water by ~ 2

o

o

 C

 C

background image

 

 

Chemical Potential of Water

w

w

w

w

PV

X

RT

ln

0

µ

w

0

 – standard chemical 

potential of water

X

w

 – molar fraction of water

P – pressure

V

w

 – molar volume of water

Solutes Decrease the 
Chemical Potential of 
Water

0

ln

1

w

w

X

X

Semipermeable

membrane

1

)

2

(

1

)

1

(

w

w

X

X

Addition  of  an  impermeable 
solute  to  one  compartment 
drives  the  system  out  of 
equilibrium.

)

2

(

)

1

(

)

2

(

ln

)

1

(

ln

w

w

w

w

X

RT

X

RT

There is a net 

water flow 

from  

compartment 

(2) to 

compartment 

(1).

background image

 

 

Osmotic Equilibrium

)

2

(

)

1

(

w

w

At  the  equilibrium  the 
chemical  potential  of  any 
species is the same at every 
point in the system.

w

w

w

w

V

P

X

RT

V

P

X

RT

w

w

)

2

(

)

2

(

ln

)

2

(

)

1

(

)

1

(

ln

)

1

(

0

0

w

w

w

V

P

V

P

X

RT

)

2

(

)

1

(

)

1

(

ln

)

1

(

ln

w

w

X

RT

PV

1

)

2

(

1

)

1

(

w

w

X

X

1

s

w

X

X

Solute 

molar 

fraction 

in 

physiological  (dilute)  solutions 
is  much  smaller  than  water 
molar fraction.

1



s

X

s

s

w

X

X

X

)

1

ln(

ln

s

w

RTX

PV 

s

w

X

V

RT

Osmotic pressure

background image

 

 

s

w

X

V

RT

w

s

w

tot

s

w

w

w

s

w

s

w

s

s

s

V

C

V

V

n

V

V

n

n

n

n

n

n

n

X

Solute  concentration  (~0.1M)  in 
physiological  (dilute)  solutions  is 
much 

smaller 

than 

water 

concentration (55M).

w

s

n



s

w

s

w

RTC

V

C

V

RT

P

vant’Hoff’s law 

(the osmotic 

pressure)

The  osmolarity  of  a  solution  is  equal  to 
the  molarity  of  the  particles  dissolved  in 
it

.

3.

 10 mmoles/liter of CaCl

2

 = ???

2.

 10 mmoles/liter of NaCl = 20 mosmoles/liter.

1.

 10 mmoles/liter of glucose = 10 mosmoles/liter.

In a simple solutions the effect is additive.

background image

 

 

Osmotic machine

Osmotic Flow

Water  flows  from  the  solution  with  a 
low  osmotic  pressure  to  the  solution 
with a high osmotic pressure

.

0



P

At equilibrium

s

C

RT

P



Reverse osmosis

Reverse Osmosis is 

Reverse Osmosis is 

Used for Water 

Used for Water 

Purification

Purification

background image

 

 

Osmotic pressure creates a depletion force 

between large molecules

The depletion interaction – 
molecular crowding

  Each  of  the  large  objects  is  surrounded  by  a 

depletion zone of thickness equal to the radius a of the 
small  particles  –  the  centers  of  the  small  particles 
cannot enter this zone.

 The depletion zone reduces the volume available to 

the  small  particles  –  eliminating  it  would  increase 
their entropy and hence lower their free energy.

The depletion interaction is short 

range (<2a)

background image

 

 

It is a measure of 

the probability of the molecule 

crossing the membrane

.

σ – selectivity/reflection coefficient

 

The 

osmotic 

pressure

gRTC

The effective osmotic 

pressure depends on the 

reflection coefficient:

gRTC

ef

non-

selective 

membran

e

semiperme

able 

membrane



P

L

J

P

V

Bulk 
flow

background image

 

 

Important summary points about osmosis

1.

  The  steady-state  volume  of  the  cell  is 

determined  by  the  concentrations  of  impermeant 
ions.

2.

  Permeant  solutes  redistribute  according  to  the 

rules of electrodiffusion, and hence affect only the 
transient volume of the cell.

3.

  The  more  permeant 

the  solute,  the  more 
transient  its  effects  on 
volume.

background image

 

 

Volume 

regulation of 

living animal 

cells

Ti
me

C

h

a

n

g

e

 o

c

e

ll

 

vo

lu

m

e

Δ
V

Swelling 

(water 

uptake)

Volume regulation

Ion transport, 

release of isotonic 

solution

background image

 

 

Osmoconformers

  –  animals,  like  sea  slugs,  that  allow 

the  osmolarity  of  their  internal  environment  to  change 
with that of the external environment.

Response to shrinking

Osmoregulators

  –  animals  that  do  not  allow  the 

osmolarity of their internal environment to change.

background image

 

 

The activation energy (E

a

) required for water 

diffusion in an entirely aqueous environment – 

kcal/mol

.

The activation energy (E

a

) required for water 

diffusion through the lipid bilayer – 

10-20 

kcal/mol.

always passive; bidirectional; 

osmosis-driven

Water Transport Across Cell Membrane

Diffusion through lipid 
bilayers

 

slow, but enough for many 
purposes

Channel-
mediated

  Fast  adjustment  of  water 

concentration is necessary (RBC, 
brain, lung).

  Large  volumes  of  water 

needed 

to 

be 

transported 

(kidneys).

background image

 

 

Aquaporins in the Kidney

It  filters  and  eliminates  toxic  substances 
from the blood.

•  To  maintain  water 
balance,  >  99%  of 
water  is  reabsorbed 
before  it  leaves  the 
kidney as urine.

• 

Adult 

human 

kidneys  filter  >150  l 
of blood each day.

This is achieved by the filtration of blood in 

nephrons, which have important functions in the 

reabsorption of water, active solute transport and 

acid–base balance.

background image

 

 

Aquaporin

Bacterial 

Water 

Channel

Aquaporin-1

Cryo-electron 
microscopy 

maps 

of 

water  channel  proteins 
(viewed 

from 

cytoplasmic side).

Red blood 

cell water 

channel 

AQP1

The lens 

fiber water 

channel 

MIP or 

AQP0

The 

bacterial 

water 

channel 

AqpZ

The AQP1 tetramer

background image

 

 

Membrane permeability to ions

The energy needed to move an ion into 

the membrane lipid phase is nearly 100 

kT.









w

hc

B

r

q

E



1

1

8

0

2

Image forces 

reduce ΔE

B

 by 

10 - 15%

but

cations

times

anions

times

molecules

neutral

P

P

P





 

1000

-

20

10

8

Due to the 

internal 

membrane 

potential ~ 

+240 mV 

(dipole 

potentiaol).

Born energy concept makes no difference between „-” and „+”

background image

 

 

The ion transport 

across membrane 

depends on:

Free energy 

profile

Electric 

potential

Concentration 

profile

background image

 

 

The movement of ions.

Diffusion

dx

dc

D

J

Electrophoresis

dx

d

uc

J

dx

d

uc

dx

dc

D

J

zF

uRT

Nerst-Einstein relation

JzF

Faraday’s constant

The current across the 
membrane

dx

d

c

RT

DzF

zF

dx

dc

zFD

I





dx

d

c

RT

zF

dx

dc

zFD

I

Nerst-Plank relationship

background image

 

 

the Nernst Equation

Integrating 
across the 
membrane

i

o

o

i

c

c

zF

RT

]

[

]

[

ln

At equilibrium

0

I

dx

d

dx

dc

c

zF

RT

1

(C/cm

2

) · surface area/(V · Faraday constant)  =  

3.7 ·10

-18

 moles

This is only 1 out of ~ 30,000 K

+

 in the cell.

How much K

+

 would flow out to establish a V

m

 of -60 

mV in an idealized cubic cell with edge dimension of 
10µm and a membrane permeable only to K

+

?

background image

 

 

Equivalent cirquit

m

CV

When the voltage across the 

capacitance changes a 

current will flow.

dt

t

dV

C

I

m

C

)

(

 The battery 

– the resting 

potential 

V

rest

.

The resistance – 

dissipative current across 

the membrane.

Capacitance of biological 

membranes ≈ 1 µF/cm

2

.

background image

 

 

The value of V

m

 is independent of 

the concentration or voltage profile 

within the membrane!

Comments

Nerst equation gives the value of 

membrane potential 

nerst

 at which 

the ion is in steady-state 

equilibrium.

At this value of 

nerst

, the 

electrostatic energy per mole 

(zF

m

) is exactly counterbalanced 

by the chemical energy per mole 

(RTln(c

i

/c

o

)).

 

RT

zF

c

c

nerst

o

i

exp

background image

 

 





dx

d

RT

zFC

dx

dC

D

zF

C

RT

dx

d

Nf

C

J

o

ln

Permeation of electrolytes

RT

zF

RT

zF

e

dx

d

RT

zFC

dx

dC

Ce

dx

d

/

/





exp(zF/RT) 

can 

be 

an 

integrating factor

dx

Ce

d

D

Je

RT

zF

RT

zF

zF

C

RT

ln

0

Electrochemical potential

If  J  is  constant  across  the 
membrane:

RT

zF

mo

RT

zF

mi

d

RT

zF

mo

mi

e

C

e

C

D

dx

e

J

/

/

0

/

background image

 

 

C

mi

 and C

mo

 are related to the concentrations C

i

 and 

C

o

 in the bulk aqueous phases by the 

membrane:water partition coefficient (K

p

) and by 

the surface potential.





RT

zF

K

C

C

mi

i

p

i

mi

exp





RT

zF

K

C

C

mo

o

p

o

mo

exp

RT

zF

o

RT

zF

i

p

d

RT

zF

o

i

e

C

e

C

DK

dx

e

J

/

/

0

/

RT

zF

i

d

RT

zF

p

m

e

C

C

dx

e

d

d

DK

J

/

0

0

/

RT

zF

C

C

PQ

J

m

i

exp

0

m

 is the membrane potential

Q

P

At 

constant 

field.

)

0

(

)

(

 Ex

x

If 

(0) = 

0

Ed

d

m

)

(

1

)

/

exp(

/

RT

zF

RT

zF

Q

m

m

background image

 

 

1) 

If  the  flow  J  is  zero 

we  have  the 

Nernst 

equation

 :

 

RT

zF

C

C

m

o

i

exp

)

(

i

o

C

C

P

J

2)

 If 

m

 = 0, Q = 1 we 

have the Fick's Law:

3)

 If there is no 

concentration gradient 
(C

i

/C

o

 = 1):

RT

PCzF

J

m

Since I = -JFz, the 
equation is equivalent 
to Ohm's Law:

m

g

I

The 
conductance.

RT

F

PCz

g

2

RT

zF

i

m

m

m

e

C

C

RT

zF

RT

zF

P

J

/

0

1

)

/

exp(

/





A final expression for the flow

background image

 

 

The  concentration  equalization  can  be 
circumvented when: 

1)

 The transported substances may be bound 

by  a  macromolecule  inside  the  cell,  e.g.,  O

2

 

binding by hemoglobin.







zF

C

C

RT

G

1

2

ln

2)

 There are a membrane 

potential which influences the 
distribution of ions.

3)

  There  are  thermodynamically  favorable 

process  which  are  coupled  to  transport  –  active 
transport.

background image

 

 

Equilibria of weak acids and weak bases

  At  neutral  pH,  weak  acids  and  weak  bases  are 

predominantly in their charged forms (A

-

 and BH

+

).

 The charged species do not permeate across the 

membrane’s hydrophobic barrier.

  The  charged  species  are  in  equilibrium  with 

uncharged  species  that  will  permeate  the 
membrane.

  The  uncharged  species  (B)  will  reach  the 

equilibrium (B

o

 = B

i

).

background image

 

 

Unprotonated species will 
be in equilibrium with the 
protonated form:

i

i

i

o

o

BH

H

B

BH

H

B

K

]

[

]

[

]

[

]

[

]

[

]

[

0

Since [B]

o

 = [B]

i

o

i

o

i

H

H

BH

BH

]

[

]

[

]

[

]

[

For a weak 

base

BH

H

B

For a weak 

acid.

i

o

o

i

H

H

A

A

]

[

]

[

]

[

]

[

A

H

A

background image

 

 

Evidence for protein-mediated 

transport

Permeability Coefficients of Natural and 

Synthetic Membranes to D-Glucose and D-

Mannitol at 25 

o

C

Passive transport of polar molecule 

through a transport protein - no 

energy used.

This includes water, sugars, amino acids, ions.

background image

 

 

  Like  enzymes

  -  bind  and  transport  substrate 

molecules, ONE at a time.

Properties of facilitated 

transport 

  Passive

  –  down  concentration  gradient  - 

energy-independent.

 Specific

 
Dependent 
on 
temperature

  A  rate  of  solute  movement  across  the 

membrane is 

saturable

.

 Can be inhibited

  Fast  – 

the  flow  may  approach  diffusion  limit 

e.g. 10

7

 ions/sec.

background image

 

 

Amino acid residues of the 

transporter interact with 

"dehydrated" solute

Molecule must shed 

their water of hydration 

before they can cross 

the membrane

Forming hydrophilic 

passageway or package 

through membrane

Reduce energy 

barrier

n

i

 is the stoichiometry for transport 

of substrate i.





i

i

i

m

i

out

in

i

out

i

in

i

i

i

i

F

z

C

C

RTin

n

n

n

G

background image

 

 

They are hydrophobic compounds which can 

complex an ion and carry it across a lipid 

bilayer.

Classification of ionophores

 

neutral ionophores

 (e.g. Valinomycin)

 

carboxylic ionophores

 (e.g. 

Nigericin)

 

protonophores

Ionophores

Small agents produced by microorganisms to kill 

other microorganisms

Two basic types: mobile 

carriers & channels

 Pores are not affected by temperature.

  Carriers  depend  on  the  fluidity 
of  the  membrane,  so  transport 
rates  are  highly  sensitive  to 
temperature,  especially  near  the 
phase transition of the membrane 
lipids

background image

 

 

At the 
equilibrium





in

out

m

H

H

F

RT

]

[

]

[

ln

Carbonylcyanide m-chlorophenyl 

hydrazone (CCCP)

Protonophores

2,4-Dinitrophenol 
(DNP)

m

out

in

F

H

H

RT

G





]

[

]

[

ln

Both DNP and CCCP have a dissociable 

proton (weak acids) and are hydrophobic.

background image

 

 

The pH gradient provides a proton 

motive force that is used to convert ADP 

to ATP.

With 

protonophores, 

electron transport 

proceeds (NADH is 

oxidized, O

2

 is 

reduced) but no 

ATP is synthesized. 

The mitochondria 

are 

uncoupled

.

Uncouplers dissipate 

the proton gradient.

background image

 

 

Valinomycin

 – neutral 

ionophore

 Relatively slow rate of K

+

 transfer, 10

3

 K

+

/sec per 

molecule

  Binds  K

+

  in 

central cavity by 
C=O 
coordination, 
shields charge.

background image

 

 

The 

valinomycin

 surronds the 

potassium ion with a 

hydrophobic surface which 

allows the ion to cross the 

membrane.

  It  depends  on  the 

membrane potential.

 It creates a membrane 

potential 

by 

transporting 
capacitative charge.

 

It 

crosses 

the 

membrane  either  with 
or without a bound ion.

K

+

background image

 

 

The selectivity of valinomycin for K

+

K

 +

 binds tightly, but affinities for Na

 +

 and Li

 +

 are 

about a 10 000 -fold lower.

Factor 1

: Ionic radius (K

> Na

> Li

+

The smaller Na

+

 ion cannot simultaneously interact 

with all 6 oxygen atoms within valinomycin (Na

0.95 Å, K

= 1.32 Å).

Factor 2

: desolvation energy: water molecules 

surrounding the ion must be stripped off before it 
binds to the carrier:

Li

+

(aq Li

+

 + nH

2

O ΔG = 410 kJ/mol

Na

+

(aq) Na

+

 + nH

2

O

ΔG = 300 kJ/mol

K

+

(aq K

+

 + nH

2

O

ΔG = 230 kJ/mol

It "costs more" energetically to desolvate Na

+

 

and Li

+

 than K

+

background image

 

 

  It  is  a  K

+

/H

+

 

exchanger.

  Nigericin  does  not  carry  a  net  charge  across  the 

membrane

m

out

in

m

out

in

F

K

K

RT

F

H

H

RT

G









]

[

]

[

ln

]

[

]

[

ln

G = 0

Nigericin will reach 

equilibrium when the 

[H

+

] and [K

+

] gradients 

are proportional.

out

in

out

in

K

K

H

H

]

[

]

[

]

[

]

[

  It  has  linear  structure 

with  a  carboxyl  group  on 
one  end  and  hydroxyls  on 
the other.

The carboxylic ionophores -Nigericin

  It  cyclize  by  head-to-tail 

hydrogen  bonding  and  will 
cross  the  membrane  with 
the  carboxyl  group  either 
protonated or complexed to 
an ion.

background image

 

 

Alamethicin – A 

Weakly Selective 

Channel

Multi-conductance level channels,

Rapid switching between conductance 
levels,

Weakly cation selective (ca. 4:1 
cations:anions)

background image

 

 

  Unusual  wide  helix  in  membrane  -  6.3 

residues  per  turn  with  a  central  hole  -  4  Å 
diameter (a 

6:3

 helix, NOT an -helix)

  In  a  in  lipid  bilayer  is  an  end-to-end 

helical dimer

Gramicid

in

 15 aa hydrophobic peptide

HCO-Val-Gly-Ala-D-Leu-Ala-D-Val-Val-D-

Val-Trp-D-Leu-Trp-D-Leu-Trp-D-Leu-Trp-

NHCH

2

CH

2

OH

 The pore is  28 Å long and 4 

Å  in  diameter  when  a  dimer 
forms.

  The  pore  is  lined  by 

backbone  amide  groups  and 
permits  the  transmembrane 
flux 

of 

small 

monovalent 

cations (Na

+

, K

+

, H

+

).

background image

 

 

Gramicidin pore

 Channels constantly assemble 

and dissociate (lifetime ~1 sec)

  At  high  [gramicidin]  overall 

transport 

rate 

depends 

on 

[gramicidin]

2

.

  The  rate  of  K

+

 

transfer  is  10

7

 

K

+

/sec 

per 

channel.

background image

 

 

Single-channel 

current trace 

obtained with the 

gA in a (DPhPC)/n-

decane bilayer.

cu

rr

en

t

time

ion flow

through one
channel

Characterization of 

gramicidin  channel.

Current transition 

amplitude histogram.

Normalize

d survivor 

plot

The average 

lifetime 

(1410 ms).

N(t) is the 

number of 

channels with 

lifetime longer 

than time t.


Document Outline