Юрин - Основы ксенобиологии - 2001 (947302), страница 16
Текст из файла (страница 16)
Когда говорят об адсорбции какого-либо вещества, подразумевают, что оно обратимо концентрируется на поверхности. Адсорбция определяется суммой всех химических связей, образующихся между молекулами или молекулами с поверхностью. Процесс адсорбцни обусловлен теми же типами связей (в особенности ван-дер-ваальсовыми, водородными и ионными), что и химические реакции, происходящие во всем объеме вещества. Ранее предполагали, что существует «химическая» и «физическая» адсорбция, однако теперь ясно, что любая адсорбция может быть только химической, т.
к. все связи, возникающие при адсорбции, — химические. Поверхность обладает двумя особенностями„ которые и определяют количественные различия между реакциями, протекающими на поверхности и в растворе. Во-первых, на поверхности создается 100 % концентрация вещества. Поскольку адсорбируемое вещество обладает ничтожной растворимостью (растворимое не локализовалось бы на поверхности, а распределялось бы по обьему), то при такой его концентрации вероятность химического взаимодействия значительно возрастает. Так, например, на поверхности кристалла хлорида серебра концентрация равна 7 М.
С другой стороны, в насыщенном растворе (1 10 5М) хлористого серебра практически нет. Другая особенность поверхности заключается в том, что она содержит ненасыщенные валентности, которые в твердом веществе затрачиваются на связывание друг с другом составляюших его атомов.
На рис. 4.1. приведен фрагмент кристаллической решетки углерода, поясняющей это явление. Рнс. 4.1. Остаточные валентности атомов углерода на поверхности угля Очевидно, что чем мельче истолчен кусочек угля, тем больше в нем остаточных валентностей и тем более активным адсорбентом он окажется. На молекулу, которая адсорбируется из раствора иа поверхности, действуют силы, стремящиеся возвратить ее в раствор.
Мерой способности вещества возвращаться в среду является его растворимость, которую можно рассматривать как меру способности данного вещества десорбироваться. Адсорбцию на поверхности подразделяют на неспецифическую и специфическую. Неспецифическая адсорбция характерна для веществ амфифильной природы, имеющих концевую гидрофильную группу, связанную с относительно большим гидрофобным остатком.
Такие вещества занимают любую доступную им поверхность независимо от химической природы н физических свойств. В сосуде, содержащем мыльный раствор, мыло накапливается не только на поверхности раздела воздух — вода, но и на поверхности стекло — вода. Более того, мыло адсорбируется на любых предметах, погруженных в мыльный раствор. Это пример типичной неспецифической адсорбции, прн которой нейтральные молекулы адсорбируются сильнее, чем ионы. Это происходит потому„что ион гидратируется сильнее, чем соответствующие неионизированные молекулы, и поэтому последние легче вытесняются из воды. Специфическая адсорбция свойственна гидрофобным веществам, которые стремятся разместиться на поверхности, имеющей химически 7б комплементарный характер. Простейший пример — притяжение аниона к положительно заряженному участку поверхности, а катиона — к отрицательно заряженному.
В таких случаях нон будет адсорбироваться сильнее, чем ненонизированная молекула. Если прн адсорбции не происходит образования ковалентных связей, то это обратимый процесс, и положение его равновесия устанавливается в соответствии с законом действующих масс. В 1918 г. Лэнгмюр вывел из этого закона уравнение, позволяющее получить количественные характеристики адсорбции. При выводе соотношения были сделаны следующие предположения: — энергия адсорбции постоянна и не зависит от степени заполнения поверхности; — адсорбция происходит на локальных центрах, и адсорбированные молекулы между собой не взаимодействуют; — максимальная возможная адсорбция соответствует полному заполнению монослоя.
Число молей вещества Г, адсорбнрованного на поверхности, выражается в виде функции равновесной концентрации вещества С в растворе. С Г=Г (4.!) К +С где К вЂ” константна сорбции-десорбции; à — число молей растворенного вещества, адсорбированного на поверхности адсорбента с образованием полностью заполненного монослоя; С вЂ” концентрация ксенобнотика в растворе.
Изотерму Лэнгмюра можно представить в линейной форме: 1 1 К, — = — + (4.2) Г Г Г„С Это уравнение показьгвает, что адсорбент насыщается при высоких значениях С, т. е. прн образовании монослоя. Эго так называемая изотерма адсорбции графически представляет собой гиперболу (рнс. 4.2). При адсорбции различных агентов часто наблюдается такое явление, когда биологический эффект от каждого последующего удвоения становится все менее ощутимым, при этом кривая зависимости эффекта от дозы также представляет собой гиперболу. Для явлений, изучаемых общей химией, нзотерма Лэнгмюра в большинстве случаев согласуется с экспериментальными данными при условии, что адсорбированный слой является мономолекулярным. Известно несколько типов кривых, характеризующих процесс адсорбции, три нз которых представлены на рнс.
4.2. Рис. 4.2. Иэотерма адсорбции Лэигмюра 1. 1.-кривые, нормальные изотермы Лэнгмюра, характеризующие адсорбцию молекул, ориентированных на поверхности горизонтально. Чем больше вещества адсорбировано, тем более затруднена дальнейшая адсорбция. 2. Б-кривые, соответствующие вертикальной ориентации молекул относительно поверхности. На этапе, который характеризуется начальным участком сигмоидной кривой, чем больше вещества уже адсорбировано, тем легче происходит дальнейшая адсорбция Этот эффект получил название кооперативного.
3. Н-кривые, характеризующие случаи с высокой степенью сродства; на этих кривых начальные значения концентраций адсорбированного вещества очень велики; такие кривые часто получаются, если вещество адсорбируется в виде мицелл, а также при адсорбции ионов, имеющих высокую степень сродства и способных обмениваться с ионами, обладающими малой степенью сродства. Выделяют еще С-кривые, соответствующие линейной зависимости между константами распределения в тех случаях, когда вещество проникает в адсорбент легче, чем растворитель. 4.2. Процессы связывания молекул ксенобиотика с мембранными центрами Ряд ксенобиотиков вызывает биологическую реакцию, взаимодействуя с определенными местами связывания на мембране.
Анализ развития мембранотропных эффектов должен опираться на совокупность модельных представлений, отражающих течение двух основных этапов: связывание молекул эффектора с некими центрами сродства (ре- цепторами), инициирующими процесс, и последующее развитие реакции (биологического ответа). При рассмотрении взаимодействия химического агента с биологическими мембранами объектами анализа оказываются процессы доступа эффектора к мембраноактивным центрам, сам акт их взаимодействия и последующее развитие реакции (биологический ответ). Обычно для анализа кинетических зависимостей в токсикологии и фармакологии используются соотношения, соответствующие случаю отсутствия диффузионных ограничений, т.
е. процессы диффузии полагаются быстрыми в сравнении с развитием реакции. В простейшем случае, предполагая, что образование комплекса лнганд (ксенобиотик)/мембраноактивный центр происходит при отсутствии диффузионных ограничений со стехиометрией 1:1 и независимости мест связывания друг от друга (образование комплекса с одним из мембраноактивных центров не влияет на взаимодействие остальных активных центров с молекулами лиганда), реакция связывания лиганда А с местом связывания (рецептором) К запишется в виде: К+А ~~ ИА, (4.3) Р' где 1с, К' — константы скоростей прямой и обратной реакции соответственно. Полагая общую концентрацию мест связывания — рецепторов (занятых и незанятых) в данной системе, равной 9, при концентрации зффектора С, имеем следующее равенство для скорости изменения концентрации Х-комплексов лиганд-рецептор во времени в условиях избытка лиганда (С» Я): ау — = 1 ® — Х)С вЂ” 1'У. (4.4) й В равновесии Ы/й = 0 и ураВН ЯС (4.5) К+С Следовательно, когда процессы диффузии оказываются быстрыми в сравнении с развитием биологической реакции, образование комплексов опишется уравнением У(~) = — 11- е """'1, (4.6) к + с а процесс разрушения комплексов— Х(1) = 70е к', (4.7) С„моль Рис.
4.3. Концентрационная зависимость связывания зффекторв с мембрвновктнвным центром (1) и диссоциация комплекса цри удалении зффекторв (2). Стрелкоя ( ( ) указан момент удаления литанда Отношение констант Зс'/ 1с = К называется константой равновесия комплекса. Она равна концентрации эффектора, вызывающей половинное насыщение мест связывания. В самом деле, если С = К, то, как следует из уравнения (4.5), ЯК Ж= = Я~2. К+К (4.8) Скорость образования комплексов во времени будет тем большей, чем выше концентрация эффектора (4.б).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
