用于离子通道的泊松-能斯特-普朗克-费米理论

发展 Poisson-Nernst-Planck-Fermi（PNPF）理论用于研究生物离子通道中的离子传输。我们的目标是通过类 Fermi 分布处理粒子的有限大小而不计算粒子间力，因为这些力的计算既昂贵又棘手。我们包含了具有非均匀尺寸和间隙空隙的离子与水分子的空间位阻效应、不同价态拥挤离子的关联效应，以及非均匀水电解质中水分子的屏蔽效应。包含水的有限体积和粒子间空隙是此处理论的重要新部分。所有粒子种类的类 Fermi 分布源自经典粒子的体积排斥。经典 Gibbs 熵被扩展为一种新熵形式——称为 Gibbs-Fermi 熵——其描述了所有有限大小粒子和空隙在微观状态不具有等概率的热力学系统中的混合构型。PNPF 模型描述了离子、水分子以及空隙在电场和蛋白质电荷下的动态流动。PNPF 结果与在 $10^8$ 倍 Ca++ 浓度范围内记录的实验电流良好吻合。结果说明了反常摩尔分数效应，即 L 型钙通道的标志。此外，关于水密度、介电常数、空隙体积和空间位阻能量的数值结果提供了有用细节，以研究从结合、通透、阻塞、灵活性到通道电荷/空间竞争的各种物理机制。