- •В ходе поступления, распределения, выведения вещества осуществляются процессы его перемешивания (конвекция), растворения в биосредах, диффузии, осмоса, фильтрации через биологические барьеры.
- •Свойства организма, влияющие на токсикокинетику ксенобиотиков.
- •1. Растворение и конвекция
- •2. Диффузия в физиологической среде
- •2.1. Проникновение веществ через биологические барьеры
- •2.2. Диффузия веществ через липидные мембраны
- •2.3. Диффузия через поры
- •2.4. Межклеточный транспорт химических веществ
- •3. Осмос
- •4. Фильтрация
- •5. Специфический транспорт веществ через биологические барьеры
- •5.1. Активный транспорт
2.2. Диффузия веществ через липидные мембраны
Исследования с использованием искусственных липидных мембран, сформированных из фосфатидилхолина (лецитина) свидетельствуют, что такие мембраны непроницаемы для заряженных ионов даже небольшого диаметра, например Na+, Cl-, но проницаемы для незаряженных жирорастворимых молекул (хлороформ, дихлорэтан, бутанол и т.д.). Причиной полного отсутствия проницаемости для ионов является высокое значение энергии, необходимой для переноса заряженной молекулы из водной среды в неполярную гидрофобную среду мембраны.
Многочисленные исследования проницаемости биологических барьеров для химических веществ (модель - эритроциты, эпителиальные слои и т.д.) показывают, что они ведут себя как липидные мембраны. Такие свойства обеспечивают разделение биологических сред, отграничение организма от окружающей среды. Высокая изолирующая способность липидных мембран имеет большое значение для нормального функционирования клеток и тканей. Так, для переноса ионов через возбудимые мембраны нейронов, миоцитов клетки должны располагать специфическими каналами, состояние которых регулируется с помощью электрических или химических механизмов.
Процесс проникновения жирорастворимых веществ через липидные мембраны можно рассматривать с позиций простой диффузии, выделив при этом три этапа:
1. Переход молекулы из водной фазы в гидрофобную фазу биологической мембраны;
2. Диффузия молекул в мембране;
3. Переход из липидной в водную фазу.
Поскольку диффузии в мембране описывается уравнением Фика, а переход молекулы из одной среды в другую определяется соотношением растворимости вещества в этих средах, проницаемость барьера должна зависеть от величины коэффициента диффузии, а также коэффициента распределения вещества в системе липиды/вода. Коэффициенты диффузии различных химических веществ варьируют в достаточно узких границах. Напротив, коэффициенты распределения в системе масло/вода различаются существенным образом. Это означает, что при сравнении проницаемости веществ значением коэффициента диффузии (Д) можно пренебречь, и тогда:
P = const b, где
Р - коэффициент проницаемости барьера (мембраны) для вещества;
b - коэффициент распределения вещества в системе липиды/вода.
Так как коэффициент проницаемости пропорционален коэффициенту распределения (абсорбции), скорость проникновения различных веществ через мембраны существенно различна: вещество тем легче проникает через клеточную мембрану, чем выше его растворимость в липидах. Однако неверно полагать, что между проницаемостью и растворимостью в липидах существует простая линейная связь. При достаточно высоких значения коэффициента b вещество накапливается в липидных мембранах и утрачивает способность покидать их. Таким образом прослеживается следующая зависимость: с увеличением растворимости в липидах первоначально проницаемость барьера для веществ растет, но достигнув определенного уровня, вновь понижается.
2.3. Диффузия через поры
Проникновение через биологические барьеры веществ, растворимых преимущественно в воде, осуществляется путем диффузии через водные каналы (поры), а потому определяется размерами молекулы и практически не зависит от коэффициента распределения в системе масло/вода. Молекулы малого размера свободно проходят через поры. Если диаметр молекулы больше диаметра пор, она не проникает через мембрану. Кривая зависимости «проницаемость - размеры молекул» носит S-образный характер (рисунок 3).
Рисунок 3. Зависимость проницаемости биологических барьеров от размеров молекул водороастворимых веществ
Можно представить, что с увеличением размеров молекул их взаимодействие со стенками белковых каналов все в большей степени препятствовует свободной диффузии. Так, радиус пор мембран эпителия желудочно-кишечного тракта составляет 0,3 - 0,8 нм. Химические вещества, поступающие в организм per os, и имеющие молекулярную массу менее 400 Д, могут проходить через эпителий кишечника, но лишь при условии, что молекулы имеют цилиндрическую форму. Для молекул шарообразной формы, граница проницаемости через эпителий желудочно-кишечного тракта - 150 - 200 Д.
В целом диффузия водорастворимых веществ через барьеры также описывается уравнением Фика, однако в качестве диффузионной поверхности следует учитывать только эффективную интегральную площадь пор.
Проницаемость биологических барьеров для электролитов еще более затруднена. Поры биологических мембран плохо проницаемы (а порой и непроницаемы вовсе) для заряженных молекул, причем величина заряда имеет большее значение, чем их размеры. Отчасти это обусловлено взаимодействием (притяжением или отталкиванием) ионов с зарядами белковой стенки каналов, отчасти их гидратацией в водной среде. Степень гидратации тем выше, чем выше заряд. Размеры гидратированного иона значительны, что затрудняет его диффузию. В этой связи проницаемость мембран для двухвалентных ионов всегда ниже, чем для одновалентных, а трехвалентные практически на способны преодолевать биологические барьеры.
Слабые органические кислоты и основания способны к реакции диссоциации, т.е. образованию ионов, в водной среде. Причем недиссоциированные и, следовательно, незаряженные молекулы таких веществ проникают через липидные мембраны и поры в соответствии с величиной коэффициента распределения в системе масло/вода, диссоциировавшие же молекулы через липидный бислой и поры не диффундируют. Для проницаемости подобных веществ большое значение имеет величина их рКа, определяющая, какая часть растворенного вещества будет находиться в ионизированной и неионизированной форме при данных значениях рН среды. рКа представляет собой отрицательный логарифм константы диссоциации слабых кислот и оснований, и численно равна рН, при котором 50% вещества находится в ионизированной форме. Степень диссоциации вещества может быть рассчитана по формулам:
Log(неиониз.форма)/(ионизир.форма) = рКа - рН (для слабых кислот)
Log(ионизир.форма)/(неиониз.форма) = рКа - рН (для слабых оснований)
Для слабых кислот (RCOOH « RCOO- + Н+) кислая среда способствует превращению вещества в неионизированную форму, и наоборот, щелочная (рН больше рКа) в ионизированную. Для слабых оснований (RNH2 + H+ « RNH3+) справедлива обратная зависимость: уменьшение рН (увеличение концентрации водородных ионов в среде) способствует превращению веществ в ионизированную форму.
Различия в значениях рН по обе стороны биологической мембраны существенно влияют на процессы резорбции, являются причиной неравномерного распределения веществ в организме. Значения рН плазмы крови и различных тканей не одинаковы (таблица 3).
Таблица 3. Значения рН различных жидкостей организма человека
Орган или жидкость |
значение рН |
Кровь Слюна Желудочный сок Панкреатический сок Двенадцатиперстная кишка Тонкая кишка Молоко Моча Пот Ликвор Мышечная ткань Связки Почки Протоплазма клеток |
7,36 5,4 - 6,7 1,3 - 1,8 8,3 7,0 - 7,8 6,2 - 7,3 6,4 - 6,7 4,8 - 7,4 4,0 - 8,0 7,5 6,7 - 6,8 7,2 6,6 - 6,9 6,4 - 7,0 |