Диффузия в физиологической среде

2. Диффузия в физиологической среде

Диффузия - процесс перемещения массы вещества в пространстве в соответствии с градиентом концентрации, осуществляемый вследствие хаотического движения молекул.

Диффузия веществ в воде описывается уравнением Фика:

Y = -Д_p C/ l S t, где

Y - количество диффундирующего вещества;

Д_p - коэффициент диффузии вещества в воде (для различных веществ можно найти в справочниках). С увеличением молекулярной массы вещества величина коэффициента диффузии, как правило, уменьшается;

C/ l - градиент концентраций вещества в различных участках среды;

S - площадь диффузионной поверхности.

t - время регистрации процесса.

Рекомендуемые материалы

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 ( l).

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 на 1 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 жидкость имеет некоторые особенности. Компонентами биологических жидкостей, влияющими на процесс диффузии ксенобиотиков, являются как низкомолекулярные (K⁺, Na⁺, Ca²⁺, Cl^-, HCO₃^-, H₂PO₄^-, мочевина, аминокислоты и т.д.), так и высокомолекулярные 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.

2.1. 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.

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 - 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. На таблице 1 представлены характеристики различных биологических барьеров организма млекопитающих.

Таблица 1. Характеристики различных биологических барьеров

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 2 приведены примеры механизмов проникновения химических веществ через биологические барьеры.

Таблица 2. Механизмы проникновения химических веществ через биологические барьеры

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

2.4. Межклеточный транспорт химических веществ

Через специальные каналы, так называемые коннексоны, возможен обмен между контактирующими друг с другом клетками 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.

2.5. 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 парциального давления 1 атм, характеризуется коэффициентом поглощения (абсорбции) Бунзена ( ). С повышением температуры понижается. Понижение значения коэффициента Бунзена отмечается также при повышении ионной силы раствора (все биологические жидкости в сравнении с водой).

Поскольку величина коэффициента диффузии для различных газов практически одинакова, их накопление в тканях, определяется парциальным давлением и растворимостью в биологических жидкостях. В таблице 4 представлены значения коэффициентов для некоторых газов. Обращает на себя внимание высокая растворимость аммиака и низкая таких газов, как кислород, азот и т.д. В целом прослеживается следующая закономерность - чем лучше растворяется газ в воде, тем большая его часть, при ингаляции, связывается верхними дыхательными путями, легочной тканью, и тем меньшая проникает во внутренние среды организма. В этой связи аммиак, при ингаляции, будет оказывать преимущественно местное действие на верхние отделы дыхательных путей, сероводород - не только местное раздражающее, но и резорбтивное действие, оксид углерода - только системное действие.

Лекция "5 Вывод уравнения движения самописца" также может быть Вам полезна.

Таблица 4. Коэффициенты поглощения Бунзена для ряда газов в воде (20^оС)

Биологически значимы различия в абсорбционной способности СО₂ и О₂. При физиологических условиях ткани лучше отдают диоксид углерода, чем поглощают кислород. В этой связи обмен веществ в клетках в значительно большей степени лимитирован скоростью проникновения в ткани О₂, чем высвобождением ими СО₂. Различия в способности этих газов растворяться в жидкостях, важны и при формировании токсического отека легких, вызванного ингаляцией некоторых токсикантов, например хлора или фосгена. При накоплении отечной жидкости в альвеолах увеличивается толщина барьера, отделяющего кровь от воздуха. Вследствие существенных различий в способности кислорода и диоксида углерода растворяться в жидкостях, для О₂ отечная жидкость, инфильтрирующая альвеолярно-капиллярный барьер, представляет плохо преодолеваемую преграду, для СО₂ - нет. В результате, на фоне токсического отека легких развивается гипоксия при нормальном содержании (или даже пониженном) СО₂. Поскольку углекислый газ является стимулятором дыхательного центра, его недостаток в крови усугубляет и без того тяжелое состояние отравленного. Методом повышения содержания О₂ в крови является увеличение его парциального давления во вдыхаемом воздухе.