Короткодіючі ван-дер-ваальсові сили забезпечують взаємне тяжіння всіх молекул, що знаходяться в контакті один з одним. Наявність цих сил в рідинах стає особливо очевидним у поверхні. В обсязі рідини вони діють у всіх напрямках з однаковою інтенсивністю, тоді як на кордоні розділу повітря-вода молекули відчувають лише незначна вплив газової фази і, отже, тяжіння їх рідиною (водою) майже не має протидії. В результаті розташовані на поверхні молекули втягуються всередину рідкої фази, і поверхня набуває конфігурацію з мінімально можливою площею - саме цим і пояснюється сферична форма крапель рідини і бульбашок газу (рис.6.9, а).
Мал. 6.9. Схема, що ілюструє тяжіння, випробувані молекулами на кордоні розділу повітря - вода (а), і орієнтацію молекул амфіфільних речовини на поверхні розділу масло - вода (б)
Між молекулами розчинника, що знаходиться в поверхневому шарі і всередині основного обсягу розчину, відбувається постійний обмін молекулами розчинника.
Кордон розділу рідина-рідина (т. Е. Поверхню між двома несмешивающимися рідинами) за властивостями подібна кордоні розділу повітря-вода, за тим лише суттєвим винятком, що різниця в силах тяжіння кожної з рідин, що діють на молекули в поверхневому шарі, в цій ситуації значно менше. У багатьох випадках поверхневий натяг на кордоні рідина-рідина майже не відрізняється від різниці величин поверхневого натягу кожної з рідин на її кордоні з повітрям.
Амфіфільних речовини прагнуть сконцентруватися на кордонах розділу змішуються рідин. Молекули цих речовин зазвичай складаються з довгих вуглеводневих ланцюгів, пов'язаних з короткою полярної «головкою». У більшості випадків полярність «головки» обумовлена наявністю атомів азоту або кисню, що не усуспільнені пари електронів яких утворюють водневі зв'язки з молекулами води. З іншого боку, для потрапляння в воду вуглеводнева ланцюг повинна розірвати водневі зв'язки між молекулами води, які енергійно перешкоджає цьому розриву. Тому амфіфільних речовини, використовуючи мінімум енергії, розташовуються на кордоні розділу масло-вода таким чином, що гідрофільна «головка» знаходиться у воді, а ліпофільні вуглеводневі ланцюги розміщуються в маслі, взаємодіючи з подібними собі ланцюгами розчинника (див. Рис. 6.9, б) . Накопичення амфіфільних речовини на межі розділу припиняється відразу ж після того, як на ній утворюється мономолекулярний шар цієї речовини. Однак такий моношар є місцем постійного турбулентного обміну з іншими молекулами амфіфільних речовини, що прагне зайняти місце в прикордонному шарі; останній має знижений поверхневий натяг і легко деформується. На кордоні розділу можуть накопичуватися як розчинні, так і нерозчинні речовини. Впорядковане, орієнтоване розташування молекул в поверхневому шарі і підвищена концентрація речовини в ньому обумовлює, як і в випадку адсорбції, відмінність їх хімічної реакційної здатності в поверхневому шарі від молекул, що знаходяться всередині фаз по обидва боки кордону розділу. Наприклад, в поверхневому шарі молекули транс -ізомеру ненасиченої алифатической кислоти можуть бути настільки зближені, що подвійні зв'язки стають недоступні для перманганат-іона з прилеглого водного шару. Тому в цих умовах окислюватися буде тільки цис -ізомер, тоді як всередині фази обидва ізомери окислюються з однаковою швидкістю.
Розбавлені водні розчини амфіфільних речовин мають звичайні фізичні властивості. Однак при певній високій концентрації (характерною для кожної речовини) настає різка зміна поверхневого натягу, осмотичного тиску і електропровідності, обумовлене появою нової диспергує фази, утвореної агрегатами, званими мицеллами. Зазвичай вони мають майже сферичну форму, т. К. Внаслідок взаємодії з навколишнім їх водою гідрофільні групи речовини розташовуються на поверхні сфери, а ліпофільні вуглеводневі ланцюги - всередині її.
Мінімальна концентрація речовини, при якій можливе утворення міцел, називається критичної міцелярної концентрацією.
Міцели - це агрегати, що складаються з безлічі молекул, вони термодинамічно стабільні і не змінюються до тих пір, поки під дією зовнішніх факторів не зміститься рівновага, в якому перебувала система. Стійкість мицелл характеризується швидкістю дисоціації, т. Е. Середнім часом перебування молекул в міцелі.
Типовими представниками амфіфільних ксенобіотиків є поверхнево-активні речовини (ПАР). За характером дисоціації все ПАР діляться на:
- аніонні, функціональні групи, молекули яких в результаті іонізації в розчині утворюють негативно заряджені іони, що зумовлюють поверхневу активність;
- катіонні ПАР, функціональні групи молекул яких в результаті іонізації в розчині утворюють позитивно заряджені іони, що зумовлюють поверхневу активність;
- неіоногенні, практично не утворюють у водному розчині іонів;
- амфолітні ПАР, що утворюють у водному розчині в залежності від умов (рН, розчинність і ін.) Катіонні або аніонні сполуки.
При обробці клітин поетапно збільшується концентрацією детергента ПАР виявлено чотири різні стадії: зв'язування детергента з мембраною, лізис, дисоціація мембрани на суміш комплексів ліпід-детергент, протеїн-ліпід-детергент і вивільнення з комплексів чистих білків.
Ці стадії можуть бути описані в такий спосіб:
1) При низьких концентраціях молекули детергенту зв'язуються з мембранами, ймовірно, за допомогою впровадження в зовнішнє фазу ліпідного бішару без істотної зміни його структури.
2) При підвищенні концентрації мономерів до певної величини кількість молекул детергенту стає достатнім для дестабілізації мембрани. ПАР, вбудовуючись в мембрану, можуть утворювати пори, розміри і фізико-хімічні властивості яких залежать від типу і концентрації детергенту в розчині. У цих випадках ПАР діють подібно клину, який руйнує природну орієнтацію ліпідних бішару в мембрані (рис. 6.10). Залежно від виду ПАР ці пори деформуються у вигляді зв'язаних каналів або в вигляді виїмок на поверхні мембрани. У ряді випадків при значних концентраціях детергента утворюються в мембрані пори мають дуже великі розміри, через них можуть проходити цукру і макромолекули.
Мал. 6.10. Взаємодія ПАР з клітинної мембраною; концентрація зростає в послідовності а, б, в: 1 - молекули утворюють мембрану ліпопротеїдів; 2 - молекули ПАР; світлі частини молекул - полярні, темні - неполярні.
3) При ще більших концентраціях вся мембрана перемішується з молекулами детергента, що призводить до фазового переходу - мембрана розпадається на суміш мицелл, що містять комплекси детергент-ліпід або детергент-ліпід-протеїн.
4) При подальшому збільшенні концентрації ПАР відношення ліпід-білок зменшується до тих пір, поки не відбувається повне розділення фракцій білків і ліпідів.
Детергенти зв'язуються з мембраною в дуже низьких концентраціях. При спостереженні процесу зв'язування ПАР з мембраною в широкому діапазоні концентрацій спостерігаються дві стадії. При низьких концентраціях крива, яка характеризує процес зв'язування, має насичення, обумовлене граничним числом місць зв'язування; і друга стадія - зв'язування без насичення при високих концентраціях.
Що відбувається при дії амфільних ксенобіотиків з транспортно-бар'єрними властивостями мембрани, зокрема з селективністю, при дії амфіфільних сполук?
Відомо, що мембрана має виражену селективність по відношенню до різних речовин; їх коефіцієнти проникності можуть відрізнятися на порядки. Це результат того, що молекулярні і надмолекулярних структури мембрани впорядковані вельми особливим чином. Природно, всякі порушення цієї впорядкованості, що настають при впровадженні в мембрану вже порівняно незначних кількостей детергенту, негайно позначаються на показниках селективності. Поки ПАР відносно малі, велика частина зв'язуються з мембраною молекул «розпушує» віддалені один від одного ділянки мембрани і кожна з них діє як би незалежно. Тому, наступає зниження селективності приблизно пропорційно числу пов'язаних молекул і є сумою окремих вкладів кожної з них. Але в міру зростання концентрації ПАР молекули розташовуються все щільніше, так що присутність однієї з них підсилює руйнівної шкоди іншій. Нарешті, утворюючи великі скупчення, що призводять в остаточному підсумку до появи пір, молекули ПАР, пов'язані з мембраною, ще більш різко знижують її селективність. Справді, яка селективність у решета з великими дірками!
Залежність показників селективності, т. Е. Відносин коефіцієнтів проникності будь-якої пари речовин, іонів від кількості пов'язаного мембраною речовини може в розглянутому випадку мати вигляд, представлений на рис. 6.11, де кожній стадії порушення мембранних структур відповідає різний нахил кривої; підкреслимо, що цей приклад не більше ніж наочна схема, позбавлена багатьох подробиць. Насправді, поява пір в мембрані викличе настільки серйозні порушення діяльності цитоплазми, що клітина загине, мембрана зруйнується (вже за рахунок «внутрішніх» чинників), і ми ніколи не зможемо спостерігати зниження селективності до нуля. Проте, наведений приклад ілюструє принципи молекулярних механізмів, що лежать в основі дії ПАР. Цей приклад розкриває дещо відмінний від раніше згаданого механізм прояву принципу Ерліха (речовина не діє, поки не буде пов'язано).
Мал. 6.11. Зміна селективності клітинної мембрани з ростом концентрації ПАР в середовищі
В даному випадку «зв'язує здатність» клітини дуже велика і обмеження кількості зв'язується агента, що викликається недоліком незайнятої поверхні мембрани, настане, мабуть, при впровадженні в мембрану дуже великого числа ПАР, набагато перевершує смертельну для клітини дозу. Дія інших з'єднань опосередковано через їх реакцію з якимись центрами зв'язування, кількість яких сильно обмежена, причому клітина зберігає життєздатність (нехай тимчасову) навіть в тому випадку, коли настало повне їх насичення.