§ I. Поверхностные явления и их значение в биологии и медицине

Коллоидная химия изучает свойства высокодисперсных гетерогенных систем на основе поверхностных явлений, а также физико-химические свойства высокомолекулярных соединений и их растворов. Коллоидные растворы и растворы ВМС имеют ряд общих свойств, обусловленных близкими размерами их частиц. Дисперсные системы обладают сильно развитой поверхностью, и поэтому в таких системах проявляется все многообразие поверхностных явлений. К поверхностным явлениям относятся процессы, происходящие на границе раздела фаз, в межфазном поверхностном слое и возникающие в результате взаимодействия сопряженных фаз. Поверхностные явления играют важную роль в биологии, прежде всего на клеточном и молекулярном уровнях организации живых систем. Поверхностные явления проявляются сильнее всего в телах с высокоразвитой поверхностью, которая придает им новые важные свойства. В качестве дисперсных систем можно назвать тела растительного и животного мира, почву, кожу, ткани, продукты питания и др.

Наука о поверхностных явлениях и дисперсных системах является теоретической основой получения новых материалов с заданными свойствами: сорбентов, катализаторов, полимеров, пищевых продуктов, лекарственных веществ и др. Поверхностные явления имеют большое значение в биологии и медицине, так как все биопроцессы происходят на поверхности раздела фаз – ферментативные реакции, синтез белка и др. Изучение поверхностных явлений является важным для врача и биолога, так как каждая живая система состоит из большого количества поверхностей раздела: стенок сосудов, поверхности клеток, клеточных ядер и вакуолей, коллоидных частиц и протоплазмы и, наконец, поверхности раздела между организмом и средой. Благодаря поверхностным явлениям, например, холевые кислоты и их соли обусловливают транспорт и усвоение жиров в организме.

Среди поверхностных явлений наибольшее значение имеет адсорбция, открытая русским ученым Т. Ловицем. В биологии и медицине адсорбция – это концентрирование, вследствие поверхностной активности, биологически активных веществ на границах раздела клеток и внутриклеточных поверхностях. Адсорбция обусловливает возможность интенсивного течения процессов ферментативного катализа, обмена веществ, или, например, фармакологическое действие многих лекарств. Большинство реакций в живом организме совершаются при непосредственном участии ферментов-катализаторов. Первые стадии действия любого фермента сводятся к адсорбции субстрата на поверхности ферментного комплекса, и только после этого фермент начинает свое специфическое каталитическое действие. В то же время высокая адсорбируемость некоторых ферментов может привести к мгновенной смерти человека. Например, цианистые соединения, адсорбируясь на активных центрах железосодержащих ферментов, вызывают их блокаду. Смачивание, адгезия, адсорбция изменяют биосовместимость крови с полимерными материалами, применяемыми для протезирования кровеносных сосудов. Адсорбция белков и липидов – важнейшая стадия в функционировании клеточных мембран. Растекание органических жидкостей по поверхности воды – одна из основных причин загрязнения естественных водоемов.

Адсорбция газов и паров сопровождает многие природные процессы. Питание растений углекислым газом из воздуха связано с предварительной и обязательной стадией адсорбции газа на листьях. С поглощением кислорода из воздуха и выделением СO₂ и водяных паров связано дыхание животных и человека, которое протекает благодаря предварительной адсорбции кислорода на поверхности легких. Поверхность легочных альвеол человека составляет около 90 м².

Роль и значение адсорбционных процессов, протекающих в организме, легко понять, например, при рассмотрении адсорбционных возможностей эритроцитов крови человека. Эритроциты являются переносчиками различных веществ, в том числе аминокислот, которые они разносят и передают клеткам и различным тканям организма. Количество эритроцитов в крови взрослого человека составляет примерно 5.000.000 в 1 мм³. В среднем на 1 кг веса у здоровых мужчин приходится 450 млрд эритроцитов или 27 триллионов на весь организм. Зная диаметр эритроцита (7–8 мк), можно подсчитать общую поверхность эритроцитов в крови человека, которая составляет примерно 32000 м². Общая длина капилляров в человеческом теле достигает 100 000 км .Представляете сколько в них заключено поверхности! Все это говорит о больших адсорбционных возможностях организма, так как все адсорбционные процессы это прежде всего процессы на поверхности.

Явления адсорбции и адсорбционной хроматографии стали в последние годы важнейшими методами препаративного разделения и очистки многих лекарственных веществ: антибиотиков, алкалоидов, гормонов, антигистаминных веществ. Адсорбция различных веществ элементами крови и протоплазмой клеток влияет на обмен веществ, поэтому большое значение при лечении острых отравлений имеют адсорбционная терапия и гемосорбция. При адсорбционной терапии больному вводят адсорбент для поглощения вредных веществ. Например, карболен (активированный уголь) используется для связывания ядов, попавших в желудочно-кишечный тракт, и для адсорбции газов, которые накапливаются в кишечнике. Ученые работают над созданием иммуносорбентов, способных удалять из организма антитела, бактериальные токсины и др. антигены. Иммуносорбенты найдут широкое применение при лечении микробных интоксикаций, столбняка, газовой гангрены, аллергии.

Процессы адсорбции играют большую роль в охране окружающей среды, так как промышленными предприятиями в атмосферу выбрасываются десятки миллионов тонн различных газов (оксиды серы и азота, сероуглерод, сероводород и др.), которые улавливаются адсорбционными установками, и в результате создаются необходимые санитарные условия для жизни человека.