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).