ионофорез, в основе которого лежит проникновение жидкостей, содержащих лечебные ионы и молекулы, через капиллярную систему кож ного покрова под действием электрического поля. По существу - это явление электроосмоса.
Врезультате относительного перемещения дисперсной фазы
идисперсионной среды в дисперсных системах возникают по тенциал седиментации (оседания) и потенциал течения.
Потенциалом седиментации называется разность по «тенциалов, возникающая при оседании частиц дисперсной
фазы в жидкой дисперсионной среде.
Возникновение потенциала седиментации объясняется тем, что при оседании частиц дисперсной фазы нижние слои дис персной системы приобретают заряд этих частиц, а верхние слои, обогащенные противоионами диффузной части ДЭС, при обретают заряд противоионов (рис. 27.19, а). Возникновение потенциала седиментации можно рассматривать ка к явление, противоположное электрофорезу.
Потенциалом течения называется разность потенциа «лов, возникающая на концах капиллярной системы при
протекании через систему жидкой дисперсионной среды.
Возникновение потенциала течения объясняется тем, что при движении через капиллярную систему ж идкая дисперсионная среда увлекает за собой подвижные противоионы диффузного слоя, вследствие чего на конце капиллярной системы накапли вается заряд, имеющий знак противоионов (рис. 27.19, б). На другом же конце возникает заряд противоположного знака за счет образовавшегося избытка потенциалопределяющих ионов. Возникновение потенциала течения можно рассматривать ка к явление, противоположное электроосмосу.
При сокращениях сердечной мышцы (миокарда) кровь протал кивается через капиллярную систему, что приводит к возникнове-
а |
Дисперсная |
|
Электрод* |
система |
|
имеет знак |
Капиллярная ▲ |
|
заряда |
Электрод |
Электрод |
подвижных |
противоионов |
имеетзнак |
имеет знак |
диффузного |
заряда |
заряда |
слоя/ |
адсорбиро |
подвижных |
Электрод |
ванных |
противоионов |
потенциал |
диффузного |
имеетзнак |
определяющих |
заряда |
ионов/ |
слоя |
адсорбиро |
|
|
ванных |
|
|
потенциал |
|
|
определяющих |
|
|
ионов / |
|
|
Рис. 27.19. Схемы возникновения потенциала седиментации (а) и потенциала течения (б)
нию потенциала течения. Таким образом, потенциал течения вно сит свой вклад в суммарный эффект электрических характери стик работы сердца и кровеносных сосудов, регистрируемых при снятии электрокардиограмм.
Использование методов электроосмоса и потенциала течения дает возможность определить заряд поверхности костной ткани и других пористых или волокнистых биологических структур.
27.7. ТКАНИ ОРГАНИЗМА - ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ
Все биосистемы и ткани нашего организма являются слож ными по составу дисперсными системами. Для них характерна комбинация разнообразных свойств, и они не укладываются в какую-либо определенную классификационную группу дисперс ных систем (разд. 27.1). В качестве примеров биосистем рассмот рим клеточную мембрану и кровь.
27.7.1. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА МЕЖКЛЕТОЧНЫХ МЕМБРАН
Мембраны играют очень важную роль в жизнедеятельности клетки. Они отделяют клеточное содержимое от внешней среды, обеспечивая поддержание различий в составе вне- и внутрикле точной среды, регулируют обмен между клеткой и средой, делят клетки на отсеки и регулируют между ними обмен. Некоторые биохимические реакции протекают на самих мембранах. Клеточ ные мембраны обладают избирательной проницаемостью. Через них диффундируют глюкоза, аминокислоты, жирные кислоты, глицерин и некоторые ионы, причем сами мембраны в опреде ленной мере активно регулируют эти процессы. На внешней по верхности мембраны располагаются рецепторные участки для распознавания веществ, поступающих из окружающей среды.
Клеточные мембраны состоят почти целиком из липидов и белков. Липиды в мембранах представлены в основном фосфоли пидами, а также гликолипидами, сфинголипидами и холестеролом. Эти липиды, являясь поверхностно-активными веществами, образуют в воде ламеллярные структуры, представляющие собой протяженные бислойные пленки толщиной 5 -10 нм. Стабиль ность таких липидных пленок связана с гидрофильно-липофиль- ным равновесием, характерным для фосфолипидов, имеющих довольно объемные полярные “ головки” , обеспечивающие необ ходимые гидрофильные свойства поверхности мембраны, и гид рофобные “ хвосты” , которые, активно взаимодействуя с гидро фобными радикалами второго слоя фосфолипидов, образуют непо лярную фазу в сердцевине мембраны. Гидрофильно-липофильыый баланс мембраны поддерживается за счет механизма обратной связи: при местном незначительном увеличении гидрофильно сти фосфолипида рядом с ним появляется нейтральный липид, типа холестерола, в результате происходит локальное повыше ние гидрофобности сердцевины мембраны. Такой механизм обес
печивает “ самостабилизацию” бислоя. Кроме того, стабилизацию бислоя поддерживают белковые макромолекулы, гидрофобные фрагменты которых, активно взаимодействуя с сердцевиной ли пидного слоя, повышают его устойчивость, а их гидрофильные фрагменты, находящиеся на поверхности мембраны, увеличи вают ее контакт с водной средой.
Все компоненты мембраны строго ориентированы относи тельно друг друга в соответствии с их гидрофильно-гидрофоб ными свойствами, и между ними наблюдаются только межмолекулярные взаимодействия, причем фосфолипиды находятся в жидком состоянии. Это обеспечивает динамизм структуры и упо рядоченное перемещение молекул липидов и макромолекул бел ков в плоскости биомембраны с целью ее стабилизации и вы полнения тех или иных ф ункций. Подобные особенности струк туры мембран свидетельствуют о том, что они находятся в жидкокристаллическом состоянии.
Согласно современным представлениям биомембраны имеют трехслойную структуру: слой олигосахаридных цепей мембранных гликопротеинов с внешней стороны мембраны, затем липидный бислой с белками и слой выстилающих белков с внутренней сто роны мембраны (рис. 27.20). Благодаря трехслойности мембраны приобретают одно из важнейших свойств - асимметричность. Это играет принципиальную роль ка к для регуляции процессов пере носа ионов и молекул, так и для обеспечения жидкокристалличе ского состояния биомембран. Вследствие жидкокристаллического состояния для биомембран характерна способность, с одной сто роны, сохранять устойчивость, с другой - сливаться друг с дру гом, а также изменять свойства под действием направленных полей.
Благодаря динамичной структуре биомембраны осуществля ют транспорт макромолекул и различных веществ либо в клетку, либо из клетки за счет процессов эндоцитоза или экзоцитоза со ответственно. При этих процессах мембрана адсорбирует перено-
ВНЕШНЕЕ ОКРУЖЕНИЕ КЛЕТКИ
Олигосахаридные цепочки гликопротеинов
Плавающие
белки
Интегральные белки (шикопротеины)
Холестерол
Выстилающие
белки
ВНУТРИКЛЕТОЧНАЯ СРЕДА
Рис. 27.20. Структура межклеточной мембраны
симый компонент, образуя в этом месте вогнутость, которая, за мыкаясь вокруг адсорбированного компонента, затем отделяется вместе с содержимым, превращаясь в вакуоль. Различают два типа эндоцитоза: фагоцитоз - поглощение и перенос в клетку твердых частиц - и пиноцитоз - поглощение и перенос ж идко стей, включая коллоидные растворы. Эндо- и экзоцитозы - а к тивные процессы, требующие затраты энергии.
В клеточных мембранах содержатся тысячи различных бел ков, которые выполняют всевозможные функции. Среди них есть структурные белки, белки-переносчики, транспортирующие че рез мембрану те или иные вещества по градиенту концентрации (пассивный транспорт) и против градиента концентрации (ак тивный транспорт, осуществляемый за счет энергии гидролиза А ТФ ). Считается, что в белковых молекулах или между ними в мембранах возникают гидрофильные каналы или поры. Эти по ры пронизывают мембрану, обеспечивая проход определенных ионов или полярных молекул сквозь гидрофобную сердцевину бислоя. В мембранах содержатся ансамбли белков-ферментов, обеспечивающие перенос электронов и протонов, преобразование энергии и протекание взаимосвязанных реакций, а также спе цифические рецепторы на основе гликопротеинов. И х олигосахаридные цепи, находясь в наружном водном слое, напоминают антенны, распознающие внешние сигналы . С распознаванием связана деятельность различных регуляторных систем мембраны, а такж е иммунный ответ системы, в котором гликопротеины играют роль антигенов.
Таким образом, биомембраны являются многокомпонентными дисперсными системами, находящимися в условиях организма в жидкокристаллическом состоянии, что позволяет им выпол нять разнообразные ф ункции, обеспечивающие жизнедеятель ность ка к отдельной клетки, так и их множеств. Ж идкокри сталлическое состояние свойственно не только клеточным мем бранам, но и мембранам органелл и цитозолю клетки.
27.7.2. КРОВЬ - СЛОЖНАЯ ДИСПЕРСНАЯ СИСТЕМА
Кровь представляет собой сложную лиофилизированную дис персную систему, в которой дисперсионной средой является плаз ма, а дисперсная фаза представлена форменными элементами или клетками крови - эритроцитами, лейкоцитами и тромбоцитами, а также коллоидными частицами малорастворимых веществ.
Клетки крови составляют микрогетерогенную фракцию дис персной фазы: размеры лейкоцитов составляют (10-13) • 10-6 м, эритроцитов - (7,2-7,5) • 10“6 м и тромбоцитов - (2 -5) • 10“6 м.
Коллоидная (ультрамикрогетерогенная) фракция дисперсной фазы в крови представлена мицеллами липопротеинов, белков, а также мицеллами нерастворимых в воде уратов (кальциевых солей мочевой кислоты), лиофилизированных адсорбированны ми макромолекулами растворенных белков.
Основная физиологическая роль эритроцитов заключается в том, что они переносят кислород из легких в ткани живого организма, а углекислый газ - из тканей в легкие. В этом а к тивную роль играет гемоглобин, содержащийся в эритроцитах (разд. 10.4). Кроме того, гемоглобин (ННЬ) и оксигемоглобин (ННЫЭ2), ка к слабые кислоты, образуют буферные системы со своими анионами (ННЬ, НЬ“ и ННЬОг, HbOjj) и тем самым ре гулируют кислотно-основное равновесие в крови (разд. 8.4).
Лейкоциты поглощают (захватывают) чужеродные микроор ганизмы, попадающие в кровь, и тем самым лишают их актив ности. Это свойство лейкоцитов обусловлено способностью лей коцитарных мембран адсорбировать микроорганизмы, а затем транспортировать их внутрь клетки (фагоцитоз).
Тромбоциты при травмах кровеносных еосудов выделяют ферменты, которые способствуют полимеризации фибриногена, растворенного в плазме. При этом кровь из свободнодисперсной системы превращается в связнодисперсную за счет образования сетчатых структур из нитей фибриногена, в ячейках которых фиксируются клетки крови. Это приводит к образованию сгуст ков крови, закрывающих повреждения ткани.
В последнее время установлено, что и цельная кровь, и ее форменные элементы, и плазма крови проявляют свойства лио тропных жидкокристаллических систем. Это обусловлено нали чием в крови воды, а также белков, липидов и их анизометричных мицелл, движущ ихся согласованно. Поэтому свойства крови изменяются под действием направленных полей, вклю чая биополе.
Итак, кровь является важнейшей биологической жидкостью
ипредставляет собой сложную дисперсную систему, находя щуюся в жидкокристаллическом состоянии. Разнообразные фи- зико-химические свойства крови - буферное действие, осмоти ческое давление, устойчивость, адсорбционная способность час тиц дисперсной фазы, способность превращения жидкой крови
всвязнодисперсную систему и другие свойства - обеспечивают нормальную жизнедеятельность организма и защитное действие при различных патологиях.
ЛИТЕРАТУРА
Волькенштейн М . Б. Биофизика. М .: Наука, 1981. 575 с.
Ершов Ю. А ., Плетнёва Т. Б. Механизм токсического действия неор ганических соединений. М .: Медицина, 1989. 272 с.
Ершов Ю. А ., Попков Б. А , Берлянд А С., Книжник А 3., Михайли-
ченко Н . if. Общая химия. Биофизическая химия. Химия биоген ных элементов. М .: Высшая школа, 1992. 560 с.
Ленский А. С. Введение в бионеорганическую и биофизическую хи мию. М .: Высшая школа, 1989. 256 с.
Марри Р., Греннер Д., Мейес П., Родуэлл Б. Биохимия человека: В 2 т. М .: Мир, 1993. 799 с.
Пузаков С. А. Химия. М .: Медицина, 1995. 624 с.
СуворовА Б., НикольскийА Б. Общая химия. СПб.: Химия, 1995. 624 с. Фримантл М . Химия в действии: В 2 т. М .: Мир, 1991. Т. 1. 528 с.;
Т. 2. 620 с.
Хаваш Е. Ионо- и молекулярно-селективные электроды в биологиче ских системах. М .: Мир, 1988. 221 с.
Тюкавкина Н. А , Бауков Ю. И. Биоорганическая химия. М .: Медици на, 1991. 527 с.
УЧЕБНИК ДЛЯ ВУЗОВ
CJIECAPEB Валерий Иванович
ХИМИЯ
основы химии живого
Редакторы А М. Комендантов, И. А Червякова, Л. М. Танезер
Переплет художника Е. Б. Захаровой Технический редактор 3. Е. Маркова Корректор Л. А. Яшина Компьютерная верстка Т. М . Лебедевой
ЛП № 000055 от 25 декабря 1998 г.
Подписано в печать 24.12.99. Формат бумаги 60 х 881/ 1в. Бумага офсетная. Печать офсетная. Уел. печ. л. 47,04. Уч.-изд. л. 54,01. Тираж 4500 экз. Зак. М® W 3 . С. 13.
ХИМИЗДАТ 191023, Санкт-Петербург, Апраксин пер., 4
Тел. коммерческой группы для оптовых покупателей
(812) 319-99-46 Факс (812) 310-52-44
Отпечатано в АООТ «Типография"Правда"». 191119, Санкт-Петербург, Социалистическая ул., 14
