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 , где

Р - коэффициент проницаемости барьера (мембраны) для вещества;

- 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 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 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 водо-растворимых 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 рК_а, определяющая, какая часть растворенного вещества будет находиться в ионизированной и неионизированной форме при данных значениях рН среды. рК_а 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) = рК_а - рН (для слабых кислот)

Log(ионизир.форма)/(неиониз.форма) = рК_а - рН (для слабых оснований)

Кислая среда способствует превращению слабых кислот (RCOOH RCOO^- + Н⁺) в неионизированную форму, и наоборот, щелочная (рН больше рК_а) - 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