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.

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