Основные механизмы резорбции веществ

Биологические мембраны, наряду с цитоскелетом, формируют структуру живой клетки. Клеточная или цитоплазматическая мембрана окружает каждую клетку. Ядро окружено двумя ядерными мембранами: наружной и внутренней.

Все внутриклеточные структуры: митохондрии, эндоплазмати- ческий ретикулум, аппарат Гольджи, лизосомы, пероксисомы, фагосомы, си- наптосомы и т.д. представляют собой замкнутые мембранные везикулы (пузырьки). Каждый тип мембран содержит специфический набор белков - рецепторов и ферментов; но основа любой мембраны - бимолекулярный слой липидов (липидный бислой), который во всякой мембране выполняет две главные функции: барьера для ионов и молекул и структурной основы (матрицы) для функционирования рецепторов и ферментов
Все мембранные системы организма имеют в основном общее строение и аналогичные функциональные свойства. Мембраны представляют собой структуры, образованные белково-фосфолипидными комплексами, обладающие ограниченной проницаемостью для тех или иных соединений.
Согласно современным представлениям, все клеточные и внутриклеточные мембраны устроены сходным образом: основу мембраны составляет двойной молекулярный слой липидов (липидный бислой) на котором и в толще которого находятся белки (рис. 7).
Рис. 7. Общая схема строения
Интегральный
'              биологических              мембран.
Периферической
белок
По весу мембраны состоят наполовину из белков, наполовину - из липидов, но во внутриклеточных мембранах, содержащих переносчики
электронов (внутренние мембраны митохондрий, мембраны микросом). относительное количество липидных и белковых молекул в мембранах варьирует от 20% - белок + 80% - липиды до 75% - белок + 25% - липиды. Углеводы содержатся в форме гликопротеинов, гликолипидов и составляют 0,5-10% вещества мембраны. В состав липидов мембран входят в основном фосфолипиды, сфингомиелины и холестерин. Например, в мембранах эритроцитов свиньи их содержание, составляет, соответственно 36, 30 и 22 % по весу; еще 12% приходится на гликолипиды основные фосфолипиды мембран - это фосфатидилхолин (лецитин), фосфатидилэтаноламин, фосфатидилсерин, фосфатидилинозит и кардиолипин.
Липидные бислои образуются амфифилъными молекулами фосфолипидов и сфингомиелина в водной фазе. Амфифильными эти молекулы называют потому, что они состоят из двух частей, различных по своей растворимости в воде: полярной “головки”, обладающей высоким сродством к воде, т. е. гидрофильной, и “хвоста” образуемого неполярными углеводородными цепями жирных кислот; эта часть молекулы обладает низким сродством к воде, т. е. гидрофобна.
Молекулы фосфолипидов имеют форму сплюснутого с боков цилиндра, а по длине как бы делятся на две неравные части: небольшую "голову", состоящую из полярных групп, и длинный "хвост", образованный углеводородными цепями жирных кислот, входящих в состав фосфолипида.
В мембране "жирные хвосты" упрятаны внутрь, а снаружи в контакте с водным окружением оказываются полярные "головы" этих молекул.
Белки мембран принято делить на интегральные и периферические. Интегральные белки имеют обширные гидрофобные участки на поверхности и нераствориммы в воде. С липидами мембран они связаны гидрофобными взаимодействиями и частично погружены в толщу липидного бислоя, а зачастую и пронизывают бислой, оставляя на поверхности сравнительно небольшие гидрофильные участки. Периферические белки связаны с поверхностью липидного бислоя электростатическими силами.

В клеточных мембранах существуют ультрамнкроскопическне поры, образованные гидрофильным веществом в преимущественно липидных частях мембран. Мембраны и поры имеют определенные заряды.
Поступление в организм, распределение вредных веществ в органах и тканях, метаболизм и выделение из организма в значительной степени определяются их способностью проходить через биологические мембраны и характером взаимодействия с ними.
В настоящее время известны четыре основных механизма транспорта химических веществ через биологические мембраны: диффузия, фильтрация, цитоз и активный транспорт.
Диффузия. Процесс проникновения жирорастворимых веществ через липидные мембраны можно рассматривать с позиций простой диффузии, выделив при этом три этапа: Переход молекулы из водной фазы в гидрофобную фазу биологической мембраны; Диффузия молекул в мембране; Переход из липидной в водную фазу.
Этот процесс осуществляется через клеточные мембраны в направлении градиента концентрации. Скорость простой диффузии вещества, согласно закону Фика, описывается уравнением:
V = k х A(C1 - C2) d ,
где V - скорость диффузии;
k - коэффициент диффузии данного вещества;
A - площадь мембраны;
(С1 - С2) - градиент концентрации по обе стороны мембраны; d - толщина мембраны.
Коэффициент диффузии вещества зависит от молекулярной массы, степени растворимости в липидах, а также от пространственной конфигурации (для различных веществ можно найти в справочниках). С
увеличением молекулярной массы вещества величина коэффициента диффузии, как правило, уменьшается.
Липидорастворимые неэлектролиты (спирты, хлорированные углеводороды, эфиры) легко проникают через клеточные мембраны и накапливаются в средах организма в неионизированном состоянии. Электролиты (соли тяжелых металлов) находятся в ионизированном состоянии при биологических значениях pH и поэтому плохо проникают через мембраны пищеварительного тракта, плаценту. Слабые кислоты (барбитураты, сульфаниламиды и др.), наоборот, в желудке переходят в неионизированную форму и, хорошо растворяясь в липидах, поступают в кровь. Их всасывание происходит в кишечнике. Слабые основания (алкалоиды) полностью переходят в желудке в ионное состояние, и поэтому всасывания не происходит. В кишечнике, в нейтральной или близкой к нейтральной среде, алкалоиды переходят в неиони- зированное состояние, и начинают интенсивно всасываться. Из крови они могут переходить через эпителиальную мембрану желудка.
Простая диффузия характерна для прохождения веществ через многие биологические барьеры и учитывается при оценке распределения токсикантов в организме.
Фильтрация осуществляется через липопротеиновые структуры мембран, которые имеют поры диаметром 3-4 нм. Под фильтрацией понимают процесс просачивания жидкости с растворенными в ней молекулами веществ под действием механической силы (гидростатическое, осмотическое давление) через пористые мембраны, задерживающие крупнодисперсные частицы. Размер фильтруемых частиц определяется размерами пор мембраны. Поскольку диаметр пор биологических мембран мал, в организме путем фильтрации разделяются не только грубодисперсные "частицы" (клетки крови), но и растворенные в биологических жидкостях молекулы (ультрафильтрация).

Скорость фильтрации или объем жидкости, проходящий через пористую мембрану за единицу времени зависит от: различия гидростатического давления по обе стороны мембраны, т.е. градиента давления; вязкости жидкости, которая в свою очередь, зависит от температуры, проницаемости мембраны, которая определяется размерами пор, их числом, структурой, особенностями взаимодействия стенки мембраны с жидкостью, а также площади фильтрующей поверхности. На скорость фильтрации ксенобиотиков в органах, кроме того, влияют такие факторы как: давление крови, количество функционирующих фильтрующих образований, размеры и форма молекул, особенности взаимодействия с порами.
Фильтрация осуществляется главным образом в капиллярном отделе кровеносного русла: капилляры проницаемы для низкомолекулярных веществ. На принципе фильтрации основана работа гломерулярного аппарата почек, в котором происходит образование первичной мочи. Путем фильтрации из организма выделяется подавляющее большинство ксенобиотиков.
Проникновение через водные каналы (поры) 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. Для ионов и крупных молекул поры недоступны вследствие наличия заряда у входа в поры и малого диаметра самих пор. Мембраны такого типа преодолевают крупные молекулы, способные растворяться в липидах.

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 дальтон, 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 дальтон. В целом диффузия водорастворимых веществ через барьеры также описывается уравнением Фика, однако, в качестве диффузионной поверхности следует учитывать только эффективную интегральную площадь пор.
Цитоз. Процесс транспорта веществ через мембраны путем образования везикул, содержащих эти вещества, называется цитозом. На основе данных гистологических исследований выделяют несколько видов цитоза: эндоцитоз, экзоцитоз, трансцитоз, синцитоз, интрацитоз.
Эндоцитоз - это захват вещества клеткой. Различают следующие формы эндоцитоза: фагоцитоз - захват корпускулярных частиц; пиноцитоз захват капель жидкости и растворенных в ней молекул и рецептор- обусловленный эндоцитоз - связывание макромолекул на специфических рецепторах клеточной мембраны с последующим образованием шероховатых везикул.
Путем фагоцитоза клетка захватывает большие частицы или макро- молекулярные комплексы. При контакте с клеточной мембраной объект начинает погружаться в клетку, пока полностью не захватывается ею. Отшну- ровавшаяся от клеточной мембраны везикула, содержащая частицы, перемещается в цитоплазму. Размеры везикулы и содержащейся в ней частицы могут составлять несколько микрон. Таким способом, например, легочные макрофаги захватывают частицы водонерастворимых чужеродных веществ (металлическая, угольная пыль и т.д.) попавшие в дыхательные пути.
Пиноцитоз - процесс активного поглощения клеткой жидкостей или коллоидных растворов различных веществ. С его помощью в клетку проникают вещества с высокой молекулярной массой. Капли жидкости, с растворенными в ней веществами, окружаются клеточной мембраной; в результате образуются везикулы с диаметром около 0,1 мкм.

Начальным этапом пиноцитоза (рис.8) является обратимая адсорбция (оседание) молекул поглощаемого вещества на поверхности клеточной мембраны (2).



4              5              6
Рис.8. Основные этапы пиноцитоза
Затем следует необратимая фаза адсорбции, в ходе которой просходит инвагинация клеточной мембраны внутрь клетки (3) и захват адсорбируемого вещества. Образующиеся вслед за этим пузырьки (вакуоли) отшнуровываются от клеточной мембраны (4) и свободно располагаются в цитоплазме. На последней стадии стенка пиноцитозного пузырька исчезает (5) и происходит внутриклеточное переваривание поглощенного вещества (6).
Пиноцитоз свойственен клеткам эпителия кишечника, почечных канальцев, кровеносных сосудов и др., несущим функцию поглощения.
Рецептор-обусловленный эндоцитоз - высокоспецифичный транспортный процесс. В качестве рецепторов к веществам выступают ассоциированные с мембранами гликопротеиды со специфичным участком связывания определенного лиганда, например белка. Вследствие специфичности взаимодействия появляется возможность из большого числа протеинов, находящихся в среде выбирать лишь отдельные и обеспечивать их транспорт даже в том случае, если их концентрация низка. Связывание вещества с рецептором побуждает мембрану к образованию везикулы, которая погружается в цитоплазму. После её взаимодействия с мембраной лизосом, везикула разрушает
ся, а содержащийся в ней лиганд, выходит в цитоплазму. Рецептор, связанный с везикулой обратно встраивается в структуру клеточной мембраны, т.е. осуществляется рециркуляция рецептора. В норме путем рецептор-обуслов- ленного эндоцитоза в клетку поступают гормоны (например, инсулин) и другие высокомолекулярные вещества, регулирующие её метаболизм, железо, в связанной с трансферином форме и т.д. Этим же способом в клетку проникают некоторые токсины белковой природы, например тетанотоксин, боту- лотоксин. Как полагают, в основе токсического действия ботулотоксина лежит его способность повреждать процесс взаимодействия синаптических везикул, содержащих ацетилхолин, с аксолемой, что сопровождается нарушением экзоцитоза нейромедиатора. Токсин действует, попав внутрь нервного окончания, путем рецептор-обусловленного эндоцитоза.
Рецепторы эндоцитоза представляют собой сложные протеины, липо- фильная часть молекулы которых связана с липидной мембраной, а гидрофильные части обращены внутрь и наружу клетки. Так, рецепторы трансфе- рина представляют собой гликопротеид с молекулярной массой около 180000 дальтон. Он состоит их двух практически идентичных полипептидных цепей, включающих около 800 аминокислот каждая. Эти цепи связаны дисульфид- ной связью. Рецепторы имеют высокое сродство к лиганду. Константа диссоциации равна 5 нм. На поверхности клеток насчитывается до 50000 мест связывания трансферина.
Эндоцитоз представляет собой динамичный процесс. В течение одного часа клетка может путем рецептор-обусловленного эндоцитоза, фаго- и пи- ноцитоза обновить всю клеточную мембрану. Каким образом, не смотря на постоянное движение частей мембраны между различными органеллами, сохраняется её целостность, остается не известно.
Другие виды цитозов. Экзоцитоз - это выделение веществ из клетки. Различают гранулокринную секрецию - выделение везикул, содержащих клеточное вещество и отпочковывание - выделение части цитоплазмы
содержащихся в ней веществ путем краевого отделения части клетки. Транс- цитоз (цитопемзис) - это транспорт веществ через объем клетки. Синцитозы это простое слияние клеток и слияние клеток с помощью липидных везикул, содержащих какие-либо вещества. Интрацитоз - образование везикул и их слияние внутри клетки.
Активный транспорт это процесс переноса химических веществ через биологическую мембрану против градиента концентрации. Процесс всегда сопряжен с расходованием энергии и протекает in vivo в одном направлении. Различают первичный и вторичный активный транспорт.
Первичный активный транспорт - это процесс, при котором энергия макроэргов (АТФ) непосредственно расходуется на перемещение молекулы или иона через мембрану. В молекулах эукариотов известны, по крайней мере, четыре типа таких процессов, известные, как ионные насосы: Na+, K+ - АТФ-аза; Са2+ - АТФ-аза; Н+, К+ - АТФ-аза; Н+ - АТФ-аза.
Вторичный активный транспорт состоит из двух структурно разделенных транспортных механизмов: первичной активно-транспортной системы, например транспорта Na+, нуждающейся в АТФ, и сопряженного процесса каталитической диффузии другого вещества в противоположном направлении, например транспорт сахаров или аминокислот.
Некоторые ксенобиотики могут изменять активность и свойства моле- кул-переносчиков и, тем самым, влиять на течение естественных физиологических процессов. Т.е. механизм токсического действия веществ может быть связан с нарушением свойств молекул переносчиков (атрактилозид - нарушает транспорт АТФ через мембрану митохондрий).
Механизм активного транспорта заключается в следующем. Вначале, по одну сторону мембраны (рис.9), носитель приобретает сродство к молекуле вещества и вступает в химическую связь с этой молекулой, поглощая в ходе реакции часть метаболической энергии, образующейся при гидролизе АТФ.




Рис. 9. Структура и механизм функционирования системы активного транспорта ионов K+ и Na+
Образовавшийся комплекс «носитель - молекула» преодолевает толщу мембраны, после чего носитель утрачивает сродство к молекуле переносимого вещества и комплекс распадается. Носитель в свободном виде или в комплексе с другими соединениями проходит мембрану обратно, завершая цикл активного транспорта. Считают, что такой механизм транспорта ионов К+ и Na+ в клетках млекопитающих, всасывания и выведения веществ почечными канальцами, накоплении ионов йода в щитовидной железе и т.д. 

Еще по теме Основные механизмы резорбции веществ:

1. Резорбция в кишечнике. 
2. Резорбция (всасывание) токсикантов
3. Резорбция из тканей
4. Резорбция в желудке. 
5. Резорбция в ротовой полости. 
6. Факторы, влияющие на скорость резорбции через кожу. 
7. Резорбция через кожу
8. Резорбция газов. 
9. Резорбция через легкие
10. Резорбция через желудочно-кишечный тракт
11. Резорбция аэрозолей. 
12. Резорбция через слизистую глаз
13. Механизмы изоляции
14. ИЗУЧЕНИЕ МЕХАНИЗМА ДЕЙСТВИЯ ГАЛОИДФЕНОКСИКИСЛОТ
15. Механизм эволюции
16. 8.7. ГИПОТЕЗЫ, ОБЪЯСНЯЮЩИЕ МЕХАНИЗМЫ СТАРЕНИЯ
17. Эволюция эволюционных механизмов
18. 4. 4. Биологические механизмы регуляции численности