Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Токсикологическая химия. Часть 1. Фармация . Конспект лекций
.pdf
молекулярной массы вещества величина коэффициента диффузии, как правило, уменьшается;
(ΔC/Δl) – градиент концентраций вещества в различных
участках среды;
S – площадь диффузионной поверхности.
Δt – время регистрации процесса.
Знак «минус» означает, что движение вещества осуществляется в направлении, по которому градиент концентрации отрицателен.
Из уравнения следует, что количество диффундировавшего вещества из одной среды в другую увеличивается при увеличении разности концентраций между средами, площади их
соприкосновения, времени контакта и уменьшается при увеличении диффузионного расстояния (Δl).
При изучении диффузии газов между воздухом и тканями животных целесообразно соотносить скорость процесса с
величиной парциального давления газов. Коэффициент диффузии в данном случае использовать очень сложно из-за трудностей, возникающих при определении концентрации вещества в
тканях. Для того, чтобы преодолеть это препятствие вместо коэффициента диффузии в расчетах используют константу диффузии, численно равную количеству газа, в кубических сантиметрах, которое диффундирует за 1 мин через 1 см2 площади
контакта при градиенте давления 1 атм/см.
Физиологически значимые диффузионные процессы
осуществляются на небольшие расстояния – от нескольких микрон до миллиметра. Дело в том, что время диффузии возрастает
пропорционально квадрату пути, проходимому молекулой (для
диффузии на расстояние 1 мкм потребуется время 10-2 с, для 1
мм – 100 с, для 10 мм – 10000 с, т.е. три часа). Поэтому распределение веществ в организме осуществляется путем конвекции,
преодоление различного рода барьеров – путем диффузии.
Процесс диффузии веществ в биологических средах, таких как плазма крови, ликвор, внутри- и межклеточная жид-
101
кость имеет некоторые особенности. Компонентами биологических жидкостей, влияющими на процесс диффузии ксенобиотиков, являются как низкомолекулярные (K+, Na+, Ca2+, Cl–, HCO
, H2PO
–
, мочевина, аминокислоты и т.д.), так и высокомолеку-
4
–
3
лярные вещества. К числу последних, например, в плазме крови
относятся белки (альбумины, глобулины, фибриноген), липопротеины и т.д. Свободная диффузия ксенобиотиков значительно ограничивается упомянутыми веществами. Особенно сильно
влияет на процессы распределения химическое взаимодействие
токсикантов с компонентами биологических жидкостей (в основном белками – размер образующихся комплексов в 200-700
раз превосходят размеры свободных токсикантов) – связавшиеся вещества практически утрачивают способность проникать
через биологические барьеры не только путем диффузии, но и
фильтрации.
4.2 Проникновение веществ через биологические
барьеры
На пути вещества, диффундирующего в организме, постоянно встречаются барьеры, а именно: эпителиальные, эндотелиальные структуры; клеточные, ядерные, митохондриальные
мембраны и т.д.
Биологические мембраны представляют собой двойной
слой молекул липидов, гидрофильные участки которых обращены в сторону водной фазы, а гидрофобные погружены внутрь
мембраны. В липидный бислой встроены молекулы протеинов,
которые и определяют тип мембраны, её физиологическую и
морфологическую идентичность, свойства и, в том числе, проницаемость для химических веществ. Через биологические
мембраны могут проходить жирорастворимые вещества, молекулы воды и лишь некоторые низкомолекулярные гидрофильные соединения.
102
Для объяснения этого феномена постулируется, что липидные мембраны имеют гидрофильные «поры» диаметром до
0,4 нм. В соответствии с жидкостно-мозаичной моделью Зингера и Николсона, эти «поры» представляют собой проницаемые
точки неупорядоченной структуры мембраны (точки выпадения). С позиций теории упорядоченности белковых молекул в
мембране, поры – это ионные каналы, образуемые белками.
Так, постулировано, что отдельные протеины способны
свободно диффундировать в липидном бислое, другие фиксированы в структуре цитоскелета. Большинство таких протеинов
образуют в плоскости мембраны структуры, порой состоящие
из нескольких субъединиц, обеспечивающие функциональный
контакт клетки с окружающей средой. Примером таких структур являются ионные каналы, регулирующие проницаемость
биомембран для ионов натрия, калия, кальция, хлора. Например,
натриевый канал представляет собой крупный белковый комплекс, встроенный в липидную мембрану, состоящий из 4 гомологичных субъединиц, каждая из которых образован 8 различными белками. Такими же сложными структурами являются
мембранные поры, через которые осуществляется транспорт
других ионов и молекул.
Упрощенно любой биологический барьер, поскольку он
формируется клеточными структурами, можно представить как
липидную поверхность с определенным количеством пор (каналов) разного диаметра. В качестве гидрофильных каналов в
сложных биологических барьерах выступают не только поры
клеточных мембран, но и промежутки между клетками, которые
также называются порами. Сравнение площадей непрерывного
липидного слоя и суммарной поверхности пор показывает, какова относительная проницаемость конкретного биологического
барьера для липофильных и гидрофильных веществ. Хотя такие
представления являются более чем упрощенными, они позволяют объяснять поведение токсикантов внутри организма. В
103
р
таблице 6 представлены характеристики различных биологических барьеров организма млекопитающих.
Таблица 6. Характеристики различных биологических барьеров
Тип барьера
Липидная мембрана
Липидная мембрана с порами
малого диаметра
(0,3-0,8 нм)
Липидная мембрана с порами
средних размеров
(0,8-4 нм)
Липидная мембрана с порами
диаметром более
4-6 нм
Липидная мембрана с порами
большого диаметра
Пористая мембрана
Проницаемость для
веществ
Хорошо растворимые в жирах,
неионизированные молекулы
Хорошо растворимые в жирах
и низкомолекулярные водорастворимые молекулы (до
200 Д)
Липофильные и в меньшей
степени гидрофильные молекулы
Липофильные и гидрофильные молекулы с молекулярной
массой до 1000 Д
Липофильные и гидрофильные молекулы с большой молекулярной массой (до 4000
Д)
Гидрофильные молекулы с
молекуля
50000 Д
ной массой до
Примеры
Слизистые полости рта, эпителий почечных канальцев,
эпителий кожи, гематоэнцефалический барьер
Эпителий тонкой и толстой
кишки
Слизистые оболочки глаз,
носоглотки, мочевого пузыря
Легкие, стенка капилляров
кожи, мышц, желчные капилляры
Печеночные капилляры
Гломерулярный аппарат почек
Транспорт веществ через биологические барьеры порой
чрезвычайно сложный процесс. Так, прохождение кальция через
клеточные мембраны кардиомиоцитов осуществляется с помощью, по крайней мере, 7 механизмов. В таблице 7 приведены
примеры механизмов проникновения химических веществ через
биологические барьеры.
104
Таблица 7. Механизмы проникновения химических веществ через
биологические барьеры
Прохождение че-
рез:
Липидные мембраны
Ионные каналы
(«поры»)
0,3-0,4 нм
Транспортные
белки; пермеазы;
транслоказы
Инвагинация мембран
Межклеточные
поры
Коннексоны (каналы между клетками)
Свободная диффузия в соответствии с градиентом
концентрации
Затрудненная диффузия в
соответствии с градиентом
концентрации
Активный транспорт против градиента концентрации с потреблением АТФ;
каталитическая диффузия
Фагоцитоз; пиноцитоз; эндоцитоз рецепторных молекул
Затрудненная диффузия,
избирательная фильтрация
Контролируемая фильтрация
Механизмы Вещества
Жирорастворимые ксенобиотики
Гидрофильные молекулы
малых размеров; ионы, селективно проникающие через ионные каналы
Некоторые субстраты, сахара, органические кислоты и
основания
Большие молекулы, частицы,
капли диаметром до 20 нм
Ионы; большие молекулы,
нерастворимых в липидах
веществ
Ионы; аминокислоты; сахара; нуклеотиды (размеры до 2 нм)
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
105
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 фа-
зу 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 = constβ, где
Р – коэффициент проницаемости барьера (мембраны) для
вещества;
β – коэффициент распределения вещества в системе липиды/вода.
Так как коэффициент проницаемости пропорционален
коэффициенту распределения (абсорбции),
вения различных веществ через мембраны существенно различ-
скорость проникно-
106
на: 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 β 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.
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 (рис. 2).
Рис. 2. Зависимость проницаемости биологических барьеров от
размеров молекул водороастворимых веществ
107
Можно представить, что с увеличением размеров молекул их взаимодействие со стенками белковых каналов все в
большей степени препятствует 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 ионы практически неспособны 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
108
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(НА)/(А–) = рКа – рН (для слабых кислот),
Log(В+)/(ВОН) = рКb – рН (для слабых оснований)
Здесь НА – неионмзмрованная форма кислоты, А– – ее
ионизированная форма; В+ – ионизированная форма основания,
ВОН – его неионизированная форма.
Кислая среда способствует превращению слабых кислот
в неионизированную форму (RCOOH ↔ RCOO- + Н+), и наоборот, щелочная – в ионизированную. Для слабых оснований
справедлива обратная зависимость: уменьшение рН (увеличение
концентрации водородных ионов в среде) способствует превращению веществ в ионизированную форму (RNH2 + H+ ↔
+
RNH
).
3
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 неодинаковы (табл. 8).
Таблица 8. Значения рН различных жидкостей организма человека
Орган или жидкость
Кровь
Слюна
Желудочный сок
Панкреатический сок
Двенадцатиперстная кишка
Тонкая кишка
Молоко
Моча
Пот
Ликвор
значение рН
7,36
5,4 - 6,7
1,3 - 1,8
7,0 - 7,8
6,2 - 7,3
6,4 - 6,7
4,8 - 7,4
4,0 - 8,0
8,3
7,5
109
Мышечная ткань 6,7 - 6,8
Связки 7,2
Почки 6,6 - 6,9
Протоплазма клеток 6,4 - 7,0
4.3. Межклеточный транспорт химических веществ
Через специальные каналы, так называемые коннексоны,
между контактирующими друг с другом клетками возможен
обмен веществами с молекулярной массой до 1000 дальтон (ионами, аминокислотами, сахарами, нуклеотидами). Коннексоны
представляют собой белковые образования, состоящие из 6
субъединиц в каждой из контактирующих мембран. Диаметр
поры коннексона в зависимости от концентрации Ca2+ в окружающей среде изменяется в интервале от 0 до 2 нм. Через коннексоны возможно проникновение в клетку и токсических веществ. В настоящее время коннексоны обнаружены во всех тканях организма млекопитающих и человека за исключением мышечной и нервной.
Диффузия растворенных газов
Благодаря малым размерам молекул, газы в биологических средах диффундируют с относительно высокой скоростью.
Они хорошо проникают из окружающей среды в кровь, а затем
из крови в ткани. Это справедливо не только для веществ, участвующих в процессе дыхания (кислород, диоксид углерода), но
и для подавляющего большинства газообразных токсикантов.
Количество газа, растворенного в жидкости, определяется:
1. Величиной его парциального давления в газовой смеси
над жидкостью;
2. Свойствами жидкости;
3. Температурой.
Количество газа (объем), растворяющегося в единице
объема жидкости при стандартных условиях и значении его
110
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]