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 = -Дp C/ l S t, где
Y - количество диффундирующего вещества;
Дp - 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.
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
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) |