Миграция веществ в биологических системах

Итак [один и путей перемещения веществ в окружающих средах] миграция веществ в отдельных средах или из среды в среду подчиняется закономерностям процессов межфазного распределения, диффузионных, кинетических и плюс зависит от физико-химических свойств вещества.

Другой пусть распространения веществ в естественных условиях – по цепи питания в биологических системах. Но прежде чем вещество может распределиться таким путем, оно должно проникнуть в биологическую систему из внешней среды – пройти через биологическую (клеточную) мембрану, которая отделяет клетку от внешней среды и проникнуть в клеточное пространство.

Скорость переноса, приводящего к накоплению в организме посторонних веществ определяют структурные характеристики биомембраны

Характеристика клеточной мембраны и механизмы переноса в клетках

Состав биологических мембран может быть весьма различен. В основном в состав мембран входит фосфолипиды и белки. В мембранах клеток животных, кроме того, обязательный компонент – холестерин, присутствующий в свободном состоянии или в виде сложных эфиров жирных кислот

Фосфолипиды (разновидность липидов) – представляют собой сложные эфиры глицерина и жирных кислот с длинными углеводородными –глицериды

Одна из оксогрупп глицерина образует сложную эфирную связь с фосфорной кислотой, которая в свою очередь также может включать еще сложноэфирную связь за счет одной ОН-группы

Остатки жирных кислот фосфолипидов мембран клеток животных является неразветвленными с числом атомов углерода от 14 до 24 (в мембранах разных клеток). Стереоструктура молекулы фосфолипида может быть представлена в следующем виде:

Т.е. в структуре можно выделить полярную часть (голову) и неполярную (хвост) [такая структура определяет плохую растворимость фосфолипидов и в воде и неполярных фазах].

В мембранах фосфолипиды образуют двойной слой, который является основным препятствием в процессе переноса вещества через мембрану.

Полярные концы фосфолипидной молекулы направлены к внешней и внутренней водной среде, углеводородные радикалы жирных кислот создают гидрофобную среду в центре мембраны (в среднем слое).

Фосфолипиды способны образовывать комплексы с холестерином и полярными группами белков.

Холестерин – обязательный компронент мембраны клеток животных относится к классу стероидов (в структуре молекул которых присутствует

Циклопентанпергидрофенантрен – или стеран). Стероиды, содержащие гидроксильную (спиртовую) группу называют стеролы (или стерины)

Холестерин – насыщенный спирт С₂₇Н₄₅ОН

[Содержится во всех тканях тела в свободном состоянии и в идее сложного эфира, особенного его много в нервных тканях мозга – до 1/6 от сухого веса]

Холестерин влияет на расположение фосфолипидов в мембране.

Белки адсорбируются на поверхности мембраны, образуют липопротеиновый слой, легко проницаемый для гидрофобных веществ и малопроницаемый для полярных молекул и для ионов.

Мембрана регулирует перенос веществ внутрь клетки и из нее, механизмов переноса в клетке несколько.

Пассивная диффузия - это проникновение вещества через липидную фазу мембраны в направлении градиента концентрации

По этому механизму в клетку проникает большинство посторонних веществ в том числе те, которые важны с точки зрения охраны окружающей среды.

Поток вещества через мембрану в этом случае определяется как:

, где

S – площадь поверхности, через которую осуществляется транспортировка вещества

- градиент концентрации

- толщин мембраны

- коэффициент диффузии (или точнее проницаемости). Его величина зависит от К_р коэффициента распределения переносимого вещества (в системе вода – неполярная фаза), который характеризует растворимость вещества в липиде. Кроме того К зависит от массы вещества, его стереоструктуры.

Общее правило которое соблюдается при диффузионном переносе – чем гидрофобнее вещество и соответственно, чем больше его коэффициент распределения, тем выше его способность проникать через биологическую мембрану (это касается, например, таких опасных веществ как ПХБ и ПАУ)

Для веществ относящихся к органическим кислотам или основаниям (а это могут быть и загрязняющие вещества и биологически активные лекарственные) величина Кр будет зависеть очевидно от рН среды, с которой контактирует мембрана. Как уже говорилось рН определяет преобладающую форму существования вещества (молекулярную или ионизированную) с данной величиной рКа и следвоательно равновесно распределение вещества и перенос его через мембрану.

Вещество в молекулярной форме имеет бОльший Кр и повышенную способность проникать через мембрану, перенос ионизированной формы будет затруднителен.

Кроме диффузионного механизма перенос вещества в клетке возможен так же по другим механизмам.

Фильтрация. Мембраны имеют поры (каналы), пропускающие воду. Через них диффундируют некоторые водорастворимые вещества (в соответствии с градиентом концентрации). Поры – не просто дырки в мембране, а сильно полярные области, сольватирвоанные водой. Их радиус ~4Ǻ. По механизму фильтрации через мембрану перемещаются гидрофильные вещества с молекулами малых размеров (метанол, мочевина и др.) и низкомолекулярные ионы. Крупные молекулы (например, сахаров) не могу перемещаться через мембрану по этому механизму.

Активный перенос – перенос вещества через мембрану с участием носителя – с помощью специальных ферментов-переносчиков (трансфераз) против градиента концентрации [В этом процессе клетки расходут энергию, таки образом перенос вещества связан с расходом АТФ – источника энергии в клетке].

Активный перенос - специфический процесс. По этому механизму в частности осуществляется перенос ионов Na⁺, K⁺, Cl^-. [C изменением ионной проницаемости мембраны в отношении Na⁺, K⁺ кстати связана активность нервных и мышечных клеток].

Для отдельных клеток обмен с внешней средой может осуществляться по механизму пиноцитоз (1), который является по существу механическим процессом, проявляющемся в захватывании мембраной молекул (при втягивании мембраны) и в конечном итоге – перемещение внутрь клетки. Аналогичный процесс переноса твердых частиц через мембрану называется фагоцитоз (2).

Итак, вопросы касающиеся основных закономерностей миграции веществ в окружающей среде рассмотрены. Теперь переходим к вопросам превращения химических веществ в окружающей среде – но то будем делить применительно к отдельным средам.