Связь процессов ионизации молекул ксенобиотиков с их биологической ак-тивностью.

⇐ ПредыдущаяСтр 23 из 27Следующая ⇒

Ионы и незаряженные молекулы весьма различны по своим физико-химическим свойствам. Так, например, ионы и незаряженные молекулы вступают в разные химические реакции, по-разному проникают через мембраны и по-разному адсорбируются на различных поверхностях.

Поэтому, прежде чем перейти к рассмотрению поступления ксенобиотиков в клетку, процессов их биотрансформации и т. д., необходимо иметь представление о процессах ионизации веществ. Последние в значительной степени определяют биологическую активность чужеродных соединений.

Многие вещества при растворении в воде не повышают ее электропроводности. Это так называемые неэлектролиты (примерами могут служить сахароза, хлороформ), они понижают температуру замерзания воды пропорционально их молярной концентрации.

С другой стороны, кислоты, основания и соли повышают электропроводность воды. Большинство биологически активных веществ представляют собой кислоты, основания и соли, а следовательно, являются электролитами. Все электролиты понижают температуру замерзания воды в значительно большей степени, чем можно было бы ожидать, исходя из их молярной концентрации. Например, в разбавленных растворах соляной кислоты, гидроксида натрия и хлорида натрия данное понижение оказалось в два раза больше ожидаемого. Это послужило основанием для создания Аррениусом теории ионизации электролитов. В водном растворе хлористый водород (соляная кислота) полностью ионизирован на катионы водорода и анионы хлора (Н⁺ и Сl^–), гидроокись натрия – на катионы натрия и анионы гидроксила (Na⁺ и ОН^-), хлорид натрия – на катионы натрия и анионы хлора (Na⁺ и Cl^–). В растворе сульфата натрия понижение температуры замерзания воды оказалось в три раза больше ожидаемого, и это объясняется тем, что вместо одной молекулы Na₂SO₄ в растворе присутствуют три иона, а именно – два катиона натрия и один анион сульфата.

Как правило, соли в разбавленных растворах полностью ионизированы. Исключения не многочисленны: наиболее известные из них – галогениды ртути, кадмия, свинца. Вследствие полной ионизации солей их биологические свойства целиком определяются свойствами составляющих их ионов. Так, физиологическое действие хлорида кальция определяется действием, свойственным ионам кальция и ионам хлора. Вообще физиологическое действие полностью ионизирующейся соли не может быть меньше или больше суммы действия ее ионов.

Однако эта простая концепция оказывается неверной в тех случаях, когда соль образована слабой кислотой или слабым основанием, так как в результате гидролиза происходит высвобождение некоторого количества незаряженных частиц, биологическое действие которых суммируется с эффектами, вызванными ионами. Аналогично не все кислоты и основания в растворе находятся в полностью ионизированном состоянии. Сильные кислоты (например, соляная) и сильные основания (например, гидроксид натрия) полностью ионизированы при значениях рН от 0 до 14, в то время как слабые кислоты и основания в этих пределах рН имеют разную степень ионизации. Даже небольшие отклонения рН в любую сторону от нейтрального значения (рН 7) могут существенно повлиять на степень ионизации многих веществ (алкалоиды, местные анестетики и т. д.).

Реально степень ионизации в растворе определяется только двумя факторами: рН раствора и рК_а кислоты (или основания). Последняя из этих величин (она будет охарактеризована чуть позже) является константой для каждой кислоты или основания. Поэтому при определенной величине рН степень ионизации зависит только от природы кислоты (или основания), при этом не важно, были они нейтрализованы или нет.

Существенной частью теории ионизации Аррениуса явилось применение закона действующих масс для описания состояния ионного равновесия. Так, уксусная кислота (Н₃СООН) – это слабая кислота, ионизирующаяся в воде с образованием некоторого количества ионов водорода (Н⁺) и ацетат ионов (СН₃СОО^-). Соотношение произведения этих ионов [Н⁺] [ СН₃СОО^-] к концентрации неионизированных молекул [СН₃СООН] всегда является постоянной величиной и определяет константу кислотности К_а или просто константу ионизации данной кислоты:

[Н⁺] [СН₃СОО^–]

К_а=

[СН₃СООН]

(2.1)

Величина К_а уксусной кислоты определена экспериментально и равна 1, 7 × 10^–5 (при 25 °С).

Иногда выражение «константа диссоциации» используют вместо константы ионизации. Последнее название точнее, т. к. многие комплексы, например системы ферментов, «диссоциируют» на составляющие, а мицеллы – на мономеры. Устанавливающееся при этом равновесие можно выразить через константы диссоциации, также выведенные из закона действующих масс, но эти константы не являются константами ионизации.

Состояние ионизации слабых оснований также может быть охарактеризовано константами кислотности. Например, аммиак – слабое основание, которое может присоединить ионы водорода с образованием ионов аммония. В таком случае ион NH₄⁺ можно рассматривать как слабую кислоту, ионизованную в воде на ионы водорода (Н⁺) и молекулы аммиака (NH₃). Тогда константа ионизации может быть записана в таком виде:

[Н⁺] [ NH₃]

К_а=

[ NH₄⁺]

(2.2)

Значение константы ионизации в этом случае равно 5, 5× 10^–5(25°С).

Приведенные уравнения показывают, что кислота отщепляет ионы водорода, а основание можно характеризовать количественно одной величиной – сродством к иону водорода. Это позволяет применить константы кислотности для описания процесса ионизации как для кислот, так и для оснований.

Как мы видели, величины констант ионизации слишком малы, поэтому значительно удобнее при рассчетах использовать их отрицательными логарифмами

рК_а= – lgК_а (2.3)

Тогда величина рК_а уксусной кислоты будет равна 4, 76, а аммиака по аналогии 9, 26 (при 25 °С).

Очевидно, что рК_а дают возможность легко сравнивать силу разных кислот (или оснований). Чем сильнее кислота, тем ниже ее рК_а (чем сильнее основание, тем выше ее рК_а). Значения рК_а некоторых кислот и оснований приведены в табл. 2.6.

В настоящее время значения рК_а установлены для многих соединений. Например, величина рК_а около 5 (сравните с рК_а уксусной кислоты) типична для большинства монокарбоновых кислот как алифатических, так и ароматических. Величина рК_а 10 типична для фенолов. Кислоты, рК_а которых выше 7, практически не изменяют цвета нейтральной индикаторной бумаги, а выше 10 – не имеют даже кислотного вкуса.

Для оснований характерны следующие закономерности. Величина рК_а 11 (как, например, у этиламина) типична для алифатических, а значение рК_а 5 – для ароматических, которые слабее алифатических. Величины рК_а представляют собой десятичные логарифмы, следовательно, основность этиламина и анилина различается в миллион раз. Многие алкалоиды и другие биологически активные основания имеют значения рК_а около 8. Основания, рК_а которых ниже 7, практически не изменяют цвета нейтральной индикаторной бумаги.

Введение в молекулу электрондонорных групп (например, СН₃) увеличивает ее основность и уменьшает кислотность, а электронакцепторных (например, NH₂) – ослабляет основность и усиливает кислотность.

Степень ионизации любого вещества можно рассчитать при известных величинах рН раствора и рКа вещества с помощью выражений:

Степень ионизации (%) =

1+10 ^{(рКа–рН)}

– для кислот

Степень ионизации (%) =

1+10 ^{(рН–рКа)}

– для оснований

(2.4) (2.5)

Эти уравнения показывают, что степень ионизации данной кислоты (основания) зависит от рН. Эта зависимость не является линейной, а выражается сигмовидной кривой (рис. 2.1).

рН

Рис. 2.1. Зависимость степени ионизации молекулы

ксенобиотика от рН

Анализ этой кривой показывает, что небольшое изменение рН в определенной области может вызывать сильные изменения ионизации, особенно если значение рН раствора близко к величине рК_а исследуемого вещества.

Значение рН, при котором кислота или основание ионизированы наполовину, эквивалентно их рК_а. Если рН на одну единицу ниже, чем рК_а, то кислота ионизирована на 9 %, а основание – на 91 %.

Связана ли степень ионизации с биологическими эффектами, вызываемыми ксенобиотиками, т. е. с биологической активностью ксенобиотиков?

Действительно, оказалось, что в зависимости от степени ионизации ксенобиотики обладают различной биологической активностью и их можно разделить на три большие группы:

1. Ксенобиотики, обладающие большей биологической активностью в ионизированном состоянии.

2. Ксенобиотики, более активные в неионизированном состоянии.

3. Ксенобиотики, проявляющие биологическое действие в виде ионов и неионизированных молекул.

Проиллюстрируем это на примерах действия некоторых ксенобиотиков на живые организмы.

Ксенобиотики, обладающие большей биологической активностью в ионизированном состоянии. В тридцатых годах нашего столетия было обнаружено, что многие органические катионы обладают антибактериальной активностью. Известно, что алифатические амины, существующие при рН 7 главным образом в виде катионов, проявляют бактерицидное действие, в отличие от ароматических аминов, которые существуют при рН 7 в основном в виде неионизированных молекул и этим действием не обладают. Однако тогда не связывали антисептическое действие с наличием органических катионов. Предполагалось, что антибактериальная активность зависит от наличия гидроксильных ионов, способных при взаимодействии аминов с водой сдвигать рН раствора в щелочную область. Таким образом, наличие бактерицидного эффекта объяснялось щелочностью антисептических растворов. Однако не учитывалось обстоятельство, что те же основания, находящиеся в забуферном растворе, также обладают бактерицидными свойствами. Существенный вклад в решение этой проблемы был внесен в 30-х гг. CC в.: было высказано предположение о том, что антибактериальная активность трифенилметановых красителей объясняется взаимодействием катиона красителей с определенными анионными группами на поверхностях бактерий.

Хотя тогда не знали степени ионизации исследуемых красителей (по чисто техническим причинам), но заключение было сделано правильное: соли многих сильных оснований могут обладать антибактериальным действием, так как они способны образовывать достаточное количество катионов при физиологических значениях рН. Было также доказано, что при повышении рН среды антибактериальное действие усиливается за счет повышения степени ионизации (анионной) рецепторов бактерий. Однако это увеличение щелочности не следует доводить до начала подавления ионизации самого антисептика.

Первое строгое доказательство взаимосвязи между ионизацией и биологическим действием было получено в 40-х гг. при работе с аминоакридинами. Хотя уже ранее, в 1913 г., шотландский патолог Броунинг предложил использовать аминоакридины в качестве антибактериальных средств при ранениях. Выяснилось, что один из них (профлавин или 3, 6-диаминоакридин) токсичен по отношению к широкому ряду грамположительных и грамотрицательных бактерий, но безвреден для ткани человека.

Так вот, исследования серии аминоакридинов, проведенные Альбертом с сотрудниками в 1941 г., показали, что существует количественная связь между их антибактериальным действием и степенью ионизации по катионному типу. Позднее эта корреляция была подтверждена и расширена на примере многих других соединений.

Ксенобиотики, более активные в неионизированном состоянии. Неионизированные вещества могут обладать очень сильным физиологическим действием (эфир, хлороформ и др.). В этом можно убедиться на примере ингибирования клеток яиц иглокожих салициловой кислотой (рис. 2.2).

–1

–2

–3

подавление

ионизация

РН

Рис.2.2. Влияние рН на концентрацию салициловой кислоты (рК_а=3, 0), необходимую для подавления деления клеток яиц морского ежа

В 1921 г. Вермст обнаружил, что многие слабые кислоты наиболее полно проявляют физиологическую активность при наименее ионизированных значениях рН.

Исследования проводились в интервале рН от 5 до 8. Степень (количество) ионизированных молекул растет в направлении увеличения рН. Оказалось, что кислота наиболее активна при рН 5. В этом случае количество неионизированной салициловой кислоты (рК_а 3, 0) составляет 0, 99 %, что значительно больше, чем при остальных исследуемых значениях рН.

Самое простое объяснение заключается в том, что нейтральные молекулы, а не анионы салициловой кислоты ингибируют деление клеток. Можно было бы сдвинуть интервал исследуемых рН в более кислую область, т. е. в ту область, где будет присутствовать большее количество неионизированных молекул кислоты. Однако при снижении рН в такую кислую область возникает ряд затруднений: во-первых, организм может проявлять чувствительность к изменению рН среды; во-вторых, снижение рН может привести к изменению ионизации мест связывания и соответственно изменению сродства к агенту.

При изучении действия слабых кислот на биологические объекты доказано, что количество вещества, необходимое для достижения эффекта, остается постоянным независимо от рН среды при условии, что рН по меньшей мере на одну единицу ниже, чем рК_а; в этом случае не происходит ионизации токсического агента. Этот вывод подтверждается данными, приведенными на рис. 2.3.

Рис.2.3. Влияние рН на концентрации фенола (рК_а 9, 9)

(1) и уксусной кислоты (рК_а 4, 8) (2), необходимые для

ингибирования роста плесневых грибов

В других опытах было также доказано, что эффективность слабых оснований возрастает с повышением рН, т. е. пропорционально снижению их ионизации. Аналогичным образом эффективность слабых кислот, как отмечалось, повышается при уменьшении рН, что также связано с уменьшением ионизации.

Но подобные эксперименты не дадут окончательного ответа, если не будет осуществлен контроль, позволяющий выяснить, не влияют ли изменения рН на подопытный организм.

В этой связи рассмотрим опыт по выявлению наркотизирующего действия разных веществ на червя Areniсola. Опыты с неэлектролитами (табл. 2.7), т. е. неионизирующими веществами, показали, что рН среды не влияет на тест-объект.

Эффективность слабых оснований (кокаин и др.) возрастает с повышением рН, т. е. пропорционально подавлению их ионизации. Аналогичным образом эффективность слабых кислот повышается при уменьшении рН, опять же с подавлением ионизации.

Ксенобиотики, проявляющие биологическое действие в виде ионов и неионизированных молекул. Многие вещества, особенно со значениями рК_а в пределах от 6 до 8, проникнув в клетки в виде неионизированных молекул, проявляют свое биологическое действие как ионы. Например, доказано, что поступление бензойной кислоты в клетки дрожжей обратно пропорционально степени ионизации (рис. 2.4).

Ряд азотсодержащих гетероциклов, ионизирующихся с образованием аниона, сильно ингибируют реакцию Хилла при фотосинтезе. Однако было обнаружено, что при слишком высокой степени ионизации активность этих соединений теряется полностью. Это явление объясняется проникновением ингибиторов через мембрану в виде неионизированных молекул, а затем действием их как анионов. Такой механизм характерен для некоторых гербицидов.

Коэффициент распределения

Степень ионизации, %

Рис. 2.4. Поступление бензойной кислоты (рК_а 4, 2) в пекарские дрожжи при разных значениях рН:

1 – кривая зависимости распределения всего вещества (клетка – жидкость);

2 – кривая изменения степени ионизации

Подобные результаты были получены и для оснований. Так, триметиламин (хлоридин), имеющий величину рК_а 7, 2, лучше поглощается клетками из достаточно щелочных растворов, где он находится в виде неионизированных молекул. Однако ингибирование ключевого фермента (дигидрофолатредуктаза), находящегося внутри клетки, осуществляют только катионы.

Степень ионизации (образование анионов) многих противовоспалительных средств коррелирует положительно с их биологическим действием, если ионизации подвергаются не все молекулы, и их липофильности достаточно для достижения места действия – так происходит ингибирование активности простагландинов. Примерами могут служить индометацин (рК_а 4, 5) и салицилаты.

Большинство алкалоидов имеют рК_а около 8, поэтому при рН 7, 3 примерно 16 % этих соединений остаются неионизированными. Они проникают в клетки в виде неионизированных молекул, а биологическое действие осуществляют в виде катионов.

Известно много ксенобиотиков, у которых биологическая активность определяется действием неионизированных молекул и ионизированной части вещества.

При изучении биологической активности слабой кислоты, как мы уже отмечали, обычно оказывается, что для получения стандартной реакции необходимо одинаковое количество ксенобиотика при любых значениях рН, которые на единицу и больше ниже значения рК_а. В этих условиях кислота слабо ионизирована и ее биологическая активность определяется прежде всего ионизированными молекулами. Это иллюстрирует левая часть рис. 2.5.

Рис. 2.5. Влияние рН на концентрацию бензойной кислоты, необходимую для ингибирования роста гриба Mucor. Верхняя кривая относится ко всему препарату в целом (ионы + неионизированные молекулы), нижняя – к неионизированным

молекулам

Однако если значения рН начинают превышать значения рК_а, то для получения постоянной биологической реакции потребуется все возрастающее количество вещества, т. е. для получения постоянного биологического ответа необходимо либо постоянное число молекул, либо постоянно убывающее, так как анион обладает тем же биологическим действием, что и неионизированные молекулы, но менее выраженным (см. рис. 2.5).

Обнаружено, что у большинства веществ, наиболее активных в неионизированном состоянии, ионы, тем не менее, обладают некоторой активностью. Примером может служить фунгицидное действие 2, 4-динитрофенола (рК_а 4, 0) на грибы Trichoderma viride при различных значениях рН.

Таким образом, среди последней группы ксенобиотиков следует различать вещества, проявляющие биологическую активность в виде ионов и неионизированных молекул, и вещества, проходящие через мембрану в неионизированном состоянии и вызывающие биологический эффект внутри клеточного компартмента в виде ионов.

На взаимодействие ксенобиотиков с мембраной оказывает влияние и ионизация мест связывания. Катионные препараты связываются с анионными центрами, которые могут иметь значения рК_а от 2 до 7 (при наличии фосфатных групп), от 2 до 6 (карбоксильных групп) или 10 (в присутствии остатков тирозина, пиримидина, цистеина). Катионные центры должны иметь значения рК_а 4 (аденин), 7 (гистидин), 10 (лизин), 13 (аргинин).

Величину рН наружного центра связывания клетки во многих случаях можно оценить, определяя реакцию на препарат при различных рН, если только известно, что клетка не повреждается при изменениях рН, а степень ионизации в этих пределах рН остается постоянной.

В случае внутриклеточных (внутримембранных) мишеней изучение влияния ионизации на характер взаимодействия ксенобиотика становится более трудным. Так, серьезное значение приобретает регистрация внутриклеточной рН среды. Существует ряд методов измерения рН внутри клетки, в частности ЯМР, ионселективные микроэлектроды и т.д.

Рассмотрение изложенных принципов позволяет понять, насколько важно знать константы ионизации ксенобиотиков при изучении их биологического действия. Необходимо установить, в какой форме эти вещества более эффективны – в виде ионов, неионизированных молекул или биологический эффект является суммарным (неионизированные молекулы + ионы).

45.Поверхностные явления в системах воздух-вода, масло (липид) – вода для амфифильных веществ (на примере поверхностно-активных веществ) Классифи-кация. Мицеллообразование. Виды мицелл.

Короткодействующие ван-дер-ваальсовы силы обеспечивают взаимное притяжение всех молекул, находящихся в контакте друг с другом. Наличие этих сил в жидкостях становится особенно очевидным у поверхности. В объеме жидкости они действуют во всех направлениях с одинаковой интенсивностью, тогда как на границе раздела воздух–вода молекулы испытывают лишь ничтожное воздействие газовой фазы и, следовательно, притяжение их жидкостью (водой) почти не имеет противодействия. В результате расположенные на поверхности молекулы втягиваются внутрь жидкой фазы, и поверхность приобретает конфигурацию с минимально возможной площадью – именно этим и объясняется сферическая форма капель жидкости и пузырьков газа (рис.6.9, а).

воздух

вода

масло

Рис. 6.9. Схема, иллюстрирующая притяжение, испытуемое молекулами на границе раздела воздух – вода (а), и ориентацию молекул амфифильного вещества на поверхности раздела масло – вода (б)

Между молекулами растворителя, находящегося в поверхностном слое и внутри основного объема раствора, происходит постоянный обмен молекулами растворителя.

Граница раздела жидкость–жидкость (т. е. поверхность между двумя несмешивающимися жидкостями) по свойствам подобна границе раздела воздух–вода, за тем лишь существенным исключением, что разница в силах притяжения каждой из жидкостей, действующих на молекулы в поверхностном слое, в этой ситуации значительно меньше. Во многих случаях поверхностное натяжение у границы жидкость–жидкость почти не отличается от разности величин поверхностного натяжения каждой из жидкостей на ее границе с воздухом.

Амфифильные вещества стремятся сконцентрироваться на границах раздела несмешивающихся жидкостей. Молекулы этих веществ обычно состоят из длинных углеводородных цепей, связанных с короткой полярной «головкой». В большинстве случаев полярность «головки» обусловлена наличием атомов азота или кислорода, не обобществленные пары электронов которых образуют водородные связи с молекулами воды. С другой стороны, для попадания в воду углеводородная цепь должна разорвать водородные связи между молекулами воды, которые энергически препятствует этому разрыву. Поэтому амфифильные вещества, используя минимум энергии, располагаются на границе раздела масло–вода таким образом, что гидрофильная «головка» находится в воде, а липофильные углеводородные цепи размещаются в масле, взаимодействуя с подобными себе цепями растворителя (см. рис. 6.9, б). Накопление амфифильного вещества на границе раздела прекращается сразу же после того, как на ней образуется мономолекулярный слой этого вещества. Однако такой монослой является местом постоянного турбулентного обмена с другими молекулами амфифильного вещества, стремящегося занять место в пограничном слое; последний имеет пониженное поверхностное натяжение и легко деформируется. На границе раздела могут накапливаться как растворимые, так и нерастворимые вещества. Упорядоченное, ориентированное расположение молекул в поверхностном слое и повышенная концентрация вещества в нем обусловливает, как и в случае адсорбции, отличие их химической реакционной способности в поверхностном слое от молекул, находящихся внутри фаз по обе стороны границы раздела. Например, в поверхностном слое молекулы транс-изомера ненасыщенной алифатической кислоты могут быть настолько сближены, что двойные связи становятся недоступны для перманганат-иона из прилежащего водного слоя. Поэтому в этих условиях окисляться будет только цис-изомер, тогда как внутри фазы оба изомера окисляются с одинаковой скоростью.

Разбавленные водные растворы амфифильных веществ имеют обычные физические свойства. Однако при определенной высокой концентрации (характерной для каждого вещества) наступает резкое изменение поверхностного натяжения, осмотического давления и электропроводности, обусловленное появлением новой диспергированной фазы, образованной агрегатами, называемыми мицеллами. Обычно они имеют почти сферическую форму, т. к. вследствие взаимодействия с окружающей их водой гидрофильные группы вещества располагаются на поверхности сферы, а липофильные углеводородные цепи – внутри ее.

Минимальная концентрация вещества, при которой возможно образование мицелл, называется критической мицеллярной концентрацией.

Мицеллы – это агрегаты, состоящие из множества молекул, они термодинамически стабильны и не изменяются до тех пор, пока под действием внешних факторов не сместится равновесие, в котором находилась система. Устойчивость мицелл характеризуется скоростью диссоциации, т. е. средним временем пребывания молекул в мицелле.

Типичными представителями амфифильных ксенобиотиков являются поверхностно-активные вещества (ПАВ). По характеру диссоциации все ПАВ делятся на:

– анионные, функциональные группы, молекулы которых в результате ионизации в растворе образуют отрицательно заряженные ионы, обусловливающие поверхностную активность;

– катионные ПАВ, функциональные группы молекул которых в результате ионизации в растворе образуют положительно заряженные ионы, обусловливающие поверхностную активность;

– неионогенные, практически не образующие в водном растворе ионов;

– амфолитные ПАВ, образующие в водном растворе в зависимости от условий (рН, растворимость и др.) катионные или анионные соединения.

При обработке клеток поэтапно увеличивающейся концентрацией детергента ПАВ выявлены четыре различные стадии: связывание детергента с мембраной, лизис, диссоциация мембраны на смесь комплексов липид–детергент, протеин–липид–детергент и высвобождение из комплексов чистых белков.

Эти стадии могут быть описаны следующим образом:

1) При низких концентрациях молекулы детергента связываются с мембранами, вероятно, посредством внедрения во внешнюю фазу липидного бислоя без существенного изменения его структуры.

2) При повышении концентрации мономеров до определенной величины количество молекул детергента становится достаточным для дестабилизации мембраны. ПАВ, встраиваясь в мембрану, могут образовывать поры, размеры и физико-химические свойства которых зависят от типа и концентрации детергента в растворе. В этих случаях ПАВ действуют подобно клину, который разрушает естественную ориентацию липидных бислоев в мембране (рис. 6.10). В зависимости от вида ПАВ эти поры деформируются в виде связанных каналов или в виде выемок на поверхности мембраны. В ряде случаев при значительных концентрациях детергента образующиеся в мембране поры имеют очень крупные размеры, через них могут проходить сахара и макромолекулы.

Рис. 6.10. Взаимодействие ПАВ с клеточной мембраной; концентрация возрастает в последовательности а, б, в: 1– молекулы образующих мембрану липопротеидов; 2– молекулы ПАВ; светлые части молекул – полярные, темные – неполярные.

3) При еще больших концентрациях вся мембрана перемешивается с молекулами детергента, что приводит к фазовому переходу – мембрана распадается на смесь мицелл, содержащих комплексы детергент–липид или детергент–липид–протеин.

4) При последующем увеличении концентрации ПАВ отношение липид–белок уменьшается до тех пор, пока не происходит полное разделение фракций белков и липидов.

Детергенты связываются с мембраной в очень низких концентрациях. При наблюдении процесса связывания ПАВ с мембраной в широком диапазоне концентраций наблюдаются две стадии. При низких концентрациях кривая, характеризующая процесс связывания, имеет насыщение, обусловленное предельным числом мест связывания; и вторая стадия – связывание без насыщения при высоких концентрациях.

Что происходит при действии амфильных ксенобиотиков с транспортно-барьерными свойствами мембраны, в частности с селективностью, при действии амфифильных соединений?

Известно, что мембрана обладает выраженной селективностью по отношению к различным веществам; их коэффициенты проницаемости могут различаться на порядки. Это результат того, что молекулярные и надмолекулярные структуры мембраны упорядочены весьма особенным образом. Естественно, всякие нарушения этой упорядоченности, наступающие при внедрении в мембрану уже сравнительно незначительных количеств детергента, немедленно сказываются на показателях селективности. Пока ПАВ относительно малы, большая часть связывающихся с мембраной молекул «разрыхляет» удаленные друг от друга участки мембраны и каждая из них действует как бы независимо. Поэтому, наступающее снижение селективности примерно пропорционально числу связанных молекул и является суммой отдельных вкладов каждой из них. Но по мере роста концентрации ПАВ молекулы располагаются все плотнее, так что присутствие одной из них усиливает разрушающий эффект другой. Наконец, образуя большие скопления, приводящие в конечном счете к появлению пор, молекулы ПАВ, связанные с мембраной, еще более резко снижают ее селективность. В самом деле, какая селективность у решета с большими дырами!

Зависимость показателей селективности, т. е. отношений коэффициентов проницаемости какой-либо пары веществ, ионов от количества связанного мембраной вещества может в рассмотренном случае иметь вид, представленный на рис. 6.11, где каждой стадии нарушения мембранных структур соответствует различный наклон кривой; подчеркнем, что этот пример не более чем наглядная схема, лишенная многих подробностей. В действительности, появление пор в мембране вызовет столь серьезные нарушения деятельности цитоплазмы, что клетка погибнет, мембрана разрушится (уже за счет «внутренних» факторов), и мы никогда не сможем наблюдать снижение селективности до нуля. Тем не менее, приведенный пример иллюстрирует принципы молекулярных механизмов, лежащих в основе действия ПАВ. Этот пример раскрывает несколько отличный от ранее упомянутого механизм проявления принципа Эрлиха (вещество не действует, пока не будет связано).

Концентрация ПАВ

Рис. 6.11. Изменение селективности клеточной мембраны с ростом концентрации ПАВ в среде

В данном случае «связывающая способность» клетки очень велика и ограничение количества связываемого агента, вызываемого недостатком незанятой поверхности мембраны, наступит, по-видимому, при внедрении в мембрану очень большого числа ПАВ, намного превосходящего смертельную для клетки дозу. Действие других соединений опосредовано через их реакцию с какими-то центрами связывания, количество которых сильно ограничено, причем клетка сохраняет жизнеспособность (пусть временную) даже в том случае, когда наступило полное их насыщение.

⇐ Предыдущая 18 19 20 21 222324 25 26 27 Следующая ⇒