Гетерогенные равновесия в живых системах

В организме человека наиболее важные гетерогенные про­цессы с участием неорганических соединений протекают преж­де всего при образовании костной ткани, а также различного вида камней при почечной и желчнокаменной болезнях.

Образование нерастворимых соединений начинается с плаз­мы крови. В плазме кроме компонентов Н2СО3 и НСО3, Н2Р0₄ и НРО4(2-), обеспечивающих кислотно-основное равновесие, со­держатся катионы Са²⁺, анионы молочной кислоты (лактаты), а также белки. Эти компоненты участвуют в образовании ма­лорастворимого гидрофосфата кальция СаНРС>4 и в процессах комплексообразования. Общая концентрация ионов кальция в плазме составляет 2,5 • 10^-3М, из них 40 % связаны в комплекс с белками, 14 % - в комплекс с лактатами и цитратами и 46 % находятся в свободном ионизованном состоянии. Концентрация свободных ионов Са²⁺ в плазме крови составляет 1,1 • 10^-3 М, а ионов НРО|~ (при рН = 7,4) - 2,9 • 10^-4М, т. е. плазма крови является слегка пересыщенным раствором СаНР0₄: с(Са²⁺) х х с(НРО4(2-)) = 1,1 1(10^-3 • 2,9 • 10^-4= 3,2 * 10^-7 > К_s = 2,7 • 10^-7. Сле­довательно, в плазме крови может происходить образование малорастворимого СаНР0₄, но процесс его кристаллизации ог­раничивается образованием ультрамикрокристаллов размером 10^-9-10^-7м, которые стабилизируются кальциевыми и фосфат­ными ионами, а также белками, т. е. осадок находится в колло­идном состоянии (разд. 27.2). Коллоидный СаНР0₄ находится в динамическом равновесии с неорганическими ионами плазмы крови.

Особенности образования костной ткани. В клетках ко­стной ткани остеобластах, интенсивно омываемых кровью, про­исходит минерализация - конечный этап образования костной ткани. Основным минеральным компонентом костной ткани является гидроксифосфат кальция Са₅(Р0₄)₃ОН (K_s = 1,6 * 10^-58), часто называемый гидроксиапатитом. Образование костной со ли можно отразить общим уравнением:

Это уравнение не передает все промежуточные стадии осаждения различных фосфатов кальция, лежащие в основе формирования костной ткани в организме. В то же время оно убедительно пока­зывает, что щелочность среды (в остеобластах рН = 8,3) и повы­шенная концентрация фосфат-ионов, возникающая в остеобластах вследствие гидролиза сложных эфиров фосфорной кислоты и уг­леводов при участии щелочной фосфатазы, способствуют образо­ванию гидроксифосфата кальция. Кристаллизация Са5(РO4)3ОН происходит на органической матрице - белке коллагене, ак­тивные группы которого, взаимодействуя с ионами кальция и фосфатов, способствуют образованию правильно организованных ядер кристаллизации, вокруг которых кристаллизуется костная соль. Таким образом, формирование костной ткани в остео­бластах происходит в результате контролируемого коллагеном процесса кристаллизации гидроксиапатита из ионов кальция и фосфатов и при участии гетерополисахаридов - хондроитин-сульфатов, называемых также кислыми мукополисахаридами (разд. 22.3.2). Хондроитинсульфаты в комплексе с коллагеном связывают катионы кальция и фосфат-анионы, а при отделе­нии от коллагена отдают ему эти ионы.

Наряду с кристаллическим гидроксиапатитом в поверхностных слоях кости образуется некоторое количество аморфного фосфата кальция (Са3(Р0₄)2), более растворимой соли (K_s = 2,0 *10^-29), которая постепенно превращается в гидроксиапатит. Поэтому с воз­растом содержание аморфного фосфата кальция в костной ткани уменьшается. Считают, что аморфный фосфат кальция являет­ся лабильным резервом ионов кальция и фосфатов в организме. Клетки костной ткани вследствие локальных изменений рН среды, концентрации ионов кальция и фосфатов, активности ферментов щелочной фосфатазы и пирофосфатазы, а также комплексообразующих свойств среды, содержащей лактаты, цитраты и белки, могут легко ускорять процессы либо минерализации, протекающей в остеобластах, либо деминерализации, осуществ­ляемой в остеокластах. Растворение костной ткани, прежде всего за счет аморфного Са3(Р0₄)2, происходит в области каймы остеокластов, чему способствует локальное повышение кислот­ности среды и концентрации лактатов, цитратов и белков, кото­рые эффективно связывают ионы кальция в результате комплексообразования. При небольшом повышении содержания протонов кость начинает растворяться, отдавая вначале катионы кальция:

а при большей кислотности среды происходит ее полный распад:

Эти процессы могут легко протекать с зубами. В полости рта в результате жизнедеятельности микробов образуются достаточно сильные кислоты: пировиноградная, молочная, янтарная, - ко­торые разрушают зубы не только вследствие повышения кислотности среды, но и в результате связывания катионов каль­ция в устойчивые комплексные соединения.

Структура костной ткани обеспечивает достаточно легкий обмен ионами между поверхностью скелета и окружающими тканевыми жидкостями, особенно если учесть, что поверхность костного скелета человека достигает 2000 км². Ежедневно из костей скелета уходит и возвращается в него 700-800 мг каль­ция. Полная перестройка костной ткани человека происходит примерно каждые 10 лет. При увеличении концентрации сво­бодных ионов Са²⁺ в плазме крови равновесие сдвигается, это приводит к отложению кальция в костной ткани. При сниже­нии концентрации ионов Са²⁺ в плазме крови наблюдается растворение минеральных компонентов костной ткани. Например, при рахите из-за недостаточности всасывания ионов Са²⁺ из желудочно-кишечного тракта или при беременности, когда фор­мируется скелет плода, концентрация ионов Са²⁺ в плазме кро­ви у больного или у беременной поддерживается не только за счет поступления ионов Са²⁺ с пищей, но и за счет костной ткани. Таким образом, костную ткань можно рассматривать как кальциевый буфер.

Основными регуляторами кальций-фосфорного обмена в ор­ганизме человека являются витамин D и гормоны паратирин и кальцитонин. Витамин D регулирует процессы всасывания ионов кальция и фосфатов из кишечника, а паратирин и кальцитонин - процессы их депонирования в костной ткани и выве­дения через почки. Благодаря взаимодействию регуляторов под­держивается постоянная концентрация этих ионов в сыворотке крови, межклеточной жидкости и тканях.

Костная ткань содержит в небольших количествах катионы практически всех металлов, встречающихся в нашем организ­ме, выполняя функцию минерального депо. В заметных коли­чествах в костную ткань включаются все элементы группы IIA, из которых катионы бериллия и стронция приводят к биоло­гическим изменениям. Даже небольшое количество бериллия в окружающей среде вызывает бериллиоз (бериллиевый рахит), который сопровождается вытеснением ионов Са²⁺ ионами Ве²⁺ из костей и их размягчением вследствие меньшего радиуса ио­на Ве²⁺.

Ионы стронция также способны замещать ионы Са²⁺ в кос­тях, но вследствие большего радиуса иона вызывают ломкость костей (стронциевый рахит). Это эндемическое заболевание ха­рактерно для регионов с повышенным содержанием стронция в почве. Особую опасность представляет радиоактивный изотоп стронций-90, который, оседая в костях, облучает костный мозг и нарушает костномозговое кроветворение.

Из анионов костная ткань содержит также карбонат и фто­рид. Последний входит в состав зубной эмали в виде фторид-фосфата кальция Са5(Р04)3F. Замена гидроксид-аниона на фто­рид-анион значительно повышает твердость и устойчивость зуб­ной эмали к растворению. Другим физико-химическим фактором, защищающим зубы от разрушения, является повышенная кон­центрация ионов кальция в слюне.

Особенности процесса камнеобразования. В организме человека ионы Са²⁺ могут образовывать разные малораствори­мые соединения, которые называют камнями. Камнеобразование - сложный физико-химический процесс, в основе которого лежит не только образование малорастворимых соединений, но и нарушение коллоидного равновесия в тканях организма (разд. 27.2). Нарушение коллоидного равновесия вызывается уменьшением толщины защитного слоя из ионов стабилизатора и белковой защиты вокруг ультрамикрокристаллов соединения, что приводит к их слипанию с образованием более крупных кристаллов. Таким образом, формирование камней происходит из коллоидных частиц в результате процесса коагуляции.

Почечнокаменная болезнь связана с образованием в мочевых органах камней различного состава. При повышении концентра­ции мочевой кислоты образуются ее малорастворимые соли -ураты кальция. Их образованию способствует кислая среда мочи (рН < 5). В щелочной моче (рН > 7) могут образовываться мало­растворимые фосфаты кальция. Малорастворимые оксалаты каль­ция могут встречаться как в кислой, так и в щелочной моче. Размеры камней варьируют от очень мелких (песок) до величи­ны крупного яйца.

Основным принципом лечения почечнокаменной болезни является растворение камней за счет извлечения из них ионов кальция комплексообразователями: этилендиаминтетрауксусной кислотой и ее солью трилоном Б, а также лимонной кислотой и ее солями. В народной медицине для связывания катионов кальция и уменьшения отложения солей используют лимоны. Больным с уратными камнями назначают молочно-растительную диету, поскольку она ощелачивает мочу, что препятствует росту уратных камней. С целью их растворения назначают цитраты калия или натрия. При фосфатных камнях рекомендуют кислые минеральные воды и трилон Б для их растворения. При на­личии камней из оксалата кальция используют щелочные ми­неральные воды и трилон Б. В начальной стадии почечнока­менной болезни полезны отвары и настои лекарственных рас­тений, которые содержат вещества, играющие защитную роль, так как препятствуют слипанию ультрамикрокристаллов буду­щих камней.

Желчнокаменная болезнь связана с образованием холесте­риновых камней, билирубината кальция, а также карбоната кальция. Отложение карбоната кальция может происходить на стенках кровеносных сосудов, вызывая кальциноз.

Будущему врачу необходимо понимание закономерностей об­разования и растворения малорастворимых солей для профилак­тики и лечения различных заболеваний, вызываемых наруше­ниями минерального обмена в организме человека.

Процессы выделения и расслоения в медико-биологической практике. Важную роль в медико-биологической практике иг­рают гетерогенные процессы с выделением биосубстратов, преж­де всего белков, из биологических жидкостей. Водные раство­ры белков достаточно устойчивы; их стабильность обусловлена двумя основными факторами: наличием вокруг белковой моле­кулы устойчивой гидратной оболочки, состоящей из структури­рованного (плотного) и деструктурированного (рыхлого) водных слоев, а также наличием у белка заряженных групп (—С00^-, —NH3(+)). Для выделения из раствора необходимо прежде всего уменьшить гидрофильность белка путем разрушения его гидратной оболочки или изменения содержания и характера его заряженных групп. Процессы выделения белков весьма разно­образны, однако их можно разделить на две группы.

1. Обратимые процессы выделения, при которых выделяе­мые (осаждаемые) белки не подвергаются глубоким измене­ниям и поэтому могут быть опять растворены в воде. Моле­кулы белка при этом не подвергаются заметной денатурации (разд. 21.4) и сохраняют свои первоначальные нативные свой­ства (ферментативную активность, антигенные свойства). К об­ратимым процессам выделения (осаждения) белка относятся: высаливание с помощью насыщенных растворов хорошо рас­творимых солей (Na₂S0₄, (NH₄)2S0₄, MgS0₄, NaCl) и способ за­мены растворителя (добавление к водному раствору белка боль­ших количеств спирта или ацетона). В этих случаях молекулы добавляемых агентов гидратируются и тем самым способству­ют разрушению гидратной оболочки вокруг белка. При этом сами агенты не вступают с белком в химическое взаимодейст­вие и не влияют на содержание и характер его заряженных групп. Постепенное добавление агента позволяет фракциони­ровать белки по их молекулярной массе, так как чем больше молекулярная масса белка, тем легче он выделяется из рас­твора (разд. 7.3).

2. Практически необратимые процессы выделения белка, когда белки при выделении претерпевают глубокие изменения структуры, денатурируют, теряют свои нативные свойства и не могут быть вновь растворены в воде. В основе необратимых про­цессов выделения белка лежит не только его дегидратация, но и взаимодействие с добавляемыми реагентами; такие процессы на­зывают реагентной обработкой.

Необратимое осаждение белка из растворов происходит при добавлении солей тяжелых металлов. Ионы ряда тяжелых ме­таллов: меди, серебра, ртути, цинка, свинца, - взаимодействуя с полярными группами белков, нарушают систему различных видов внутри- и межмолекулярных взаимодействий белковой молекулы и образуют нерастворимые комплексы. Особенно эф­фективно осаждают белки соли серебра и ртути. Токсическое действие ионов тяжелых металлов основано преимущественно на их комплексообразовании с белками, которое сопровождает­ся денатурацией последних.

Концентрированные минеральные кислоты (азотная, соляная, серная) и растворы сильных органических кислот (трихлоруксусная, сульфосалициловая) вызывают осаждение белка не толь­ко за счет дегидратации белковых молекул, но и за счет протонирования их групп, проявляющих основные свойства (—С00-, —NH2), которые при этом изменяют свой заряд:

Это приводит к изменению внутри- и межмолекулярных взаи­модействий белковой молекулы и ее денатурации. В избытке серной и соляной кислот, а также при длительном их воздейст­вии выпавший осадок денатурированного белка может раство­риться, вероятно, из-за частичного гидролиза. В избытке азот­ной кислоты и органических кислот подобного растворения не наблюдается. Сильные кислоты, особенно трихлоруксусная кислота (CCI3COOH), которая не осаждает продукты распада белка и аминокислоты, часто используются для полного удаления бел­ка из биологических жидкостей.

Для необратимого осаждения белка применяют также вод­ные растворы фенола и формальдегида (формалин). Эти реаген­ты активно вступают в химическое взаимодействие с молеку­лами белка, изменяют их состав, структуру и уменьшают рас­творимость. От действия фенола осадок выпадает быстрее, а при добавлении формалина он образуется медленно. Дезинфи­цирующее действие фенола и формалина основано на денатура­ции белков микроорганизмов.

Процессы высаливания, замены растворителя и реагентной обработки лежат в основе выделения не только белков, но и других биосубстратов: нуклеиновых кислот, полисахаридов и их комплексов с белками и липидами.

Необратимое осаждение белков из раствора происходит при нагревании выше 50 °С вследствие разрушения гидратной обо­лочки и изменений во внутри- и межмолекулярных взаимодейст­виях, приводящих к потере гидрофильности белков и к их дена­турации. Важную роль в осаждении белков играют концентрация водородных ионов (рН) и присутствие солей. Наиболее полное и быстрое осаждение происходит из раствора с рН, соответствую­щим изоэлектрической точке белка (разд. 21.4). В сильнокис­лых и щелочных растворах белок не выпадает в осадок даже при кипячении, так как он приобретает соответственно сильно положительный или сильно отрицательный заряд, что препят­ствует ассоциации его одноименно заряженных частиц и спо­собствует гидролизу белка в этих условиях.

Достаточно концентрированные водные растворы белков и полисахаридов при добавлении к ним посторонних раствори­мых веществ склонны к расслаиванию с образованием двух несмешивающихся жидкостей. Одна из этих жидкостей - на­сыщенный раствор воды в биополимере, а другая - насыщен­ный раствор биополимера в воде. Подобный процесс называется коацервацией (разд. 27.3.4). Коацервация происходит из-за гидра­тации молекул добавленного вещества, которая приводит к час­тичному разрушению гидратных оболочек вокруг растворенных макромолекул и уменьшению их гидрофильности. Это способст­вует взаимодействию макромолекул с возникновением ассоциатов, имеющих общую гидратную оболочку, и с отслоением обра­зовавшегося насыщенного раствора воды в биополимере в виде новой несмешивающейся жидкости, называемой коацерватом. Коацерваты рассматриваются как зародыши простейших форм жизни, так как коацервация является одной из стадий упоря­дочения вещества.

Внутриклеточные жидкости не содержат свободной воды и являются термодинамически неравновесными водными система­ми, поэтому их следует отнести к пересыщенным растворам, псевдоравновесное состояние которых поддерживается благодаря динамичности живой клетки. При попадании в клетку посто­ронних соединений происходит гидратация их молекул в основ­ном за счет "деструктурированной" воды гидратных оболочек внутриклеточных биосубстратов. В результате уменьшается со­отношение "деструктурированная"/"структурированная" вода, что приводит к разрушению существующих гидратных оболочек вокруг клеточных компонентов и может способствовать расслое­нию системы и появлению новой границы раздела фаз. Расслоение, т. е. отделение каких-либо клеточных компонентов от внутриклеточной жидкости, сразу приводит к прекращению процессов, протекавших с участием этих компонентов, а следо­вательно, к резкому изменению биологических функций клетки.

Иллюстрацией применения описанного явления может слу­жить анестезирующий эффект химически достаточно инертных веществ, таких как диэтиловый эфир (С₂Н₅)20, хлороформ CHCI3, закись азота N2O, фторотан СFзСВгСlH, ксенон. Согласно ги­потезе Л. Полинга (1961), развитой новосибирской школой ака­демика А. В. Николаева и профессора И. И. Яковлева, молеку­лы этих веществ, попадая в клетки головного мозга, гидратируются за счет "неструктурированной" воды и создают вокруг себя гидратную оболочку из "структурированной" воды. Это, по-видимому, приводит к разрушению гидратной оболочки мем-брановыстилающих белков, уменьшая их гидрофильность. В результате они отслаиваются, а появившаяся новая граница раз­дела нарушает ионную проводимость межклеточной мембраны. Это вызывает потерю чувствительности клеток мозга к нерв­ным импульсам от болевых точек, т. е. к анестезии. При пре­кращении подачи этих веществ они диффундируют из клетки, и состояние внутриклеточной водной системы восстанавливает­ся, в ней исчезает расслоение, а следовательно, и эффект анестезии. Таким образом, согласно приведенной гипотезе неспе­цифического действия, анестетики - вещества, в присутствии которых происходит обратимое расслоение водной среды в био­системах, которое исчезает при их удалении.

Гипотеза фазовых переходов в биосистемах, вызванных пе­рестройками в структуре гидратных оболочек биосубстратов и связанных с процессами растворения и расслоения, может по­мочь более детально разобраться в механизме действия антител, наркотиков и ядов. Действие этих веществ обычно объясняется хорошо разработанными теориями: "ключа и замка", конку­рентного ингибирования и другими. Но эти теории обращают внимание только на специфическое взаимодействие между ак­тивным фрагментом (замок) биосубстрата с активным центром (ключ) действующего вещества, а остальная часть его молекулы рассматривается только как фрагмент, обеспечивающий подвод ее к месту действия. В то же время эта часть молекулы обяза­тельно влияет на состояние гидратных оболочек близко распо­ложенных компонентов клетки, что может привести к их рас­слоению и тем самым резко увеличить эффект воздействия этих веществ на организм. Таким образом, знание и понимание зако­номерностей протекания гетерогенных процессов в биологиче­ских системах расширяет физико-химическую основу для объ­яснения физиологических процессов, протекающих в живых ор­ганизмах в присутствии посторонних веществ.