Biophysics · 21.02

膜を介するイオン拡散と透過性（permeability）

Diffusion of ions across the membrane — permeability

🧠 透過性 $P$ は特定イオンが膜を横切りやすい程度を定量する。 $P$ は膜の性質、イオン、チャネル数と開口状態に依存する。

膜透過係数の意味

透過係数Pは膜内の拡散係数diffusion coefficient拡散係数（diffusion coefficient）diffusion coefficient（拡散係数）、膜/水分配lipid-water partition水分配（lipid-water partition）lipid-water partition（水分配）係数、膜厚membrane thickness膜厚（membrane thickness）membrane thickness（膜厚）をまとめた量である。中性溶質なら濃度差concentration difference濃度差（concentration difference）concentration difference（濃度差）だけで表せるが、イオンでは電場electric field電場（electric field）electric field（電場）も駆動力driving force駆動力（driving force）driving force（駆動力）となる。

膜を介するイオン拡散と透過性を表す式

J_i=P_i\,(c_{i,out}-c_{i,in})

$J_i$ はイオン流net ion fluxイオン流（net ion flux）net ion flux（イオン流）束、 $P_i$ は透過係数（m/s）、 $c$ は濃度である。この単純形には電位差potential difference電位差（potential difference）potential difference（電位差）の項がない。

濃度差によるイオン流束

イオン流net ion fluxイオン流（net ion flux）net ion flux（イオン流）束には濃度勾配と電場electric field電場（electric field）electric field（電場）の両方が作用する。

flowchart TD
  A["膜透過係数の意味"] --> B
  B["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='concentration difference'>濃度差</span>による<span class='jp-term jp-term-diagram' title='net ion flux'>イオン流</span>束"] --> C
  C["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='net ion flux'>イオン流</span>束には濃度勾配と<span class='jp-term jp-term-diagram' title='electric field'>電場</span>の両方が作用する"] --> D
  D["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='electric field'>電場</span>を含まない近似の限界"]

電場を含まない近似の限界

膜透過性membrane permeability膜透過性（membrane permeability）membrane permeability（膜透過性） $P$ は拡散係数diffusion coefficient拡散係数（diffusion coefficient）diffusion coefficient（拡散係数）と分配係数partition coefficient分配係数（partition coefficient）partition coefficient（分配係数）に加え、イオン種、チャネル数、開口状態に依存する。ただしイオン流net ion fluxイオン流（net ion flux）net ion flux（イオン流）束には濃度勾配だけでなく電場electric field電場（electric field）electric field（電場）も作用するため、正味の駆動力driving force駆動力（driving force）driving force（駆動力）は電気化学ポテンシャルelectrochemical potential電気化学ポテンシャル（electrochemical potential）electrochemical potential（電気化学ポテンシャル）差として評価する。

各イオンのPの違いがGHK式と膜電位の基礎になる。一定P、独立なイオン移動という近似の範囲を超えると、チャネル開閉gating開閉（gating）gating（開閉）や飽和、イオン間相互作用を別に扱う必要がある。

まとめ

透過性 $P$ は特定イオンが膜を横切りやすい程度を定量する。 $P$ は膜の性質、イオン、チャネル数と開口状態に依存する。
イオン流net ion fluxイオン流（net ion flux）net ion flux（イオン流）束には濃度勾配と電場electric field電場（electric field）electric field（電場）の両方が作用する。
各イオンのPの違いがGHK式と膜電位の基礎になる。