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
| Тип барьера | Проницаемость для веществ | Примеры |
| Липидная мембрана | Хорошо растворимые в жирах, неионизированные молекулы | Слизистые полости рта, эпителий почечных канальцев, эпителий кожи, гемато-энцефалический барьер |
| Липидная мембрана с порами малого диаметра (0,3 - 0,8 нм) | Хорошо растворимые в жирах и низкомолекулярные водо-растворимые молекулы (до 200 Д) | Эпителий тонкой и толстой кишки |
| Липидная мембрана с порами средних размеров (0,8 - 4 нм) | Липофильные и в меньшей степени гидрофильные молекулы | Слизистые оболочки глаз, носоглотки, мочевого пузыря |
| Липидная мембрана с порами диаметром более 4 - 6 нм | Липофильные и гидрофильные молекулы с молекулярной массой до 1000 Д | Легкие, стенка капилляров кожи, мышц, желчные капилляры |
| Липидная мембрана с пора большого диаметра | Липофильные и гидрофильные молекулы с большой молекулярной массой (до 4000 Д) | Печеночные капилляры |
| Пористая мембрана | Гидрофильные молекулы с молекулярной массой до 50000 Д | 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 2 приведены примеры механизмов проникновения химических веществ через биологические барьеры.Таблица 2. Механизмы проникновения химических веществ через биологические барьеры
| ПРОХОЖДЕНИЕ ЧЕРЕЗ: | МЕХАНИЗМЫ | ВЕЩЕСТВА |
| Липидные мембраны | Свободная диффузия в соответствии с градиентом концентрации | Жирорастворимые ксенобиотики |
| Ионные каналы ("поры" 0,3 - 0,4 нм) | Затрудненная диффузия в соответствии с градиентом концентрации | Гидрофильные молекулы малых размеров; ионы, селективно проникающие через ионные каналы |
| Транспортные белки; пермеазы; транслоказы | Активный транспорт против градиента концентрации с потреблением АТФ; каталитическая диффузия | Некоторые субстраты, сахара, органические кислоты и основания |
| Инвагинация мембран | Фагоцитоз; пиноцитоз; эндоцитоз рецепторных молекул | Большие молекулы, частицы, капли диаметром до 20 нм |
| Межклеточные поры | Затрудненная диффузия, избирательная фильтрация | Ионы; большие молекулы, нерастворимых в липидах веществ |
| Коннексоны | Контролируемая фильтрация | Ионы; аминокислоты; сахара; нуклеотиды (размеры до 2 нм) |
Еще по теме 2.1. Проникновение веществ через биологические барьеры:
- Патофизиология реактивности и резистентности организма. Биологические барьеры
- Патофизиология реактивности и резистентности организма. Биологические барьеры
- Патофизиология реактивности и резистентности организма. Биологические барьеры (Лекция № V).
- Прохождение частиц через потенциальный барьер. Туннельный эффект.
- Размеры молекулы
- Физико-химические свойства вещества
- СТАДИИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТОКСИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ С БИОЛОГИЧЕСКИМ ОБЪЕКТОМ
- ГЛАВА 4.1. ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ
- 2. Диффузия в физиологической среде
- 2.1. Проникновение веществ через биологические барьеры
- 2.2. Диффузия веществ через липидные мембраны
- 2.3. Диффузия через поры
- 5. Специфический транспорт веществ через биологические барьеры
- 3. Резорбция через слизистые оболочки
- 3.3. Резорбция в кишечнике
- 1.1. Проникновение веществ через стенку капилляра