Являясь открытой термодинамической системой, клетка постоянно осуществляет обмен веществом с окружающей средой. Такой обмен возможен благодаря способности клеток пропускать различные вещества через свою оболочку. Эта способность клеток называется проницаемостью.
136
Проблема клеточной проницаемости включает в себя исследование кинетики поступления (транспорта) веществ в клетку и из клетки и механизма распределения веществ между клеткой и средой в стационарных условиях. Изучение проницаемости клеток имеет огромное теоретическое и практическое значение. Вся жизнедеятельность клеток связана с проницаемостью: метаболические процессы, распределение вещества между клеткой и тканевой жидкостью, генерирование биопотенциалов.
Изучение проницаемости имеет большое значение для медицины, особенно для фармакологии и токсикологии. Для эффективного использования фармакологических средств необходимо знать их проникающую способность в различные клетки в норме и при патологии.
МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ПРОНИЦАЕМОСТИ
В настоящее время для исследования и оценки проницаемости клеток применяют следующие основные методы: остмотические, индикаторные, химические, радиоактивных изотопов, измерения электропроводности.
Осмотические методы основаны на наблюдении за кинетикой изменения объема клеток при помещении их в гипертонические растворы разной концентрации. Когда клетки помещают в гипертонический раствор исследуемого вещества, то вследствие выхода из них воды объем их уменьшается. По мере поступления исследуемого вещества в клетку разность осмотического давления между клеткой и средой уменьшается и клетка восстанавливает свой первоначальный объем. Наблюдая за скоростью восстановления объема клеток, можно судить о скорости проникновения в них вещества. С целью объективной регистрации этих процессов применяют центрифугирование взвеси клеток и визуальное определение их суммарного объема с помощью гематокрита, определение изменений светопропускания методом фотометрии, а также определение изменений показателя преломления клеток и суспензионной жидкости.
Недостатком данного метода является то, что он применим только для работы с отдельными и довольно крупными клетками (водорослями, эритроцитами). Кроме того, этот метод неприменим при исследовании проницаемости для Сахаров и аминокислот, так как при
137
больших концентрациях этих веществ клетка для них непроницаема, а при малых концентрациях трудно уловить изменения объема клеток.
Индикаторные методы основаны на изменении окраски клеточного содержимого при поступлении в клетку
определенных веществ. В клетку вначале вводят индикатор, а затем помещают ее в раствор исследуемого вещества. При поступлении в клетку этих веществ наблюдается окрашивание. Если исследуемое вещество само является красителем, то необходимость в предварительном введении индикатора отпадает. К недостаткам данного метода следует отнести то, что небольшие концентрации красителей трудно обнаружить, а большие концентрации токсичны, а также то, что этот метод дает в основном лишь качественный ответ проникает вещество в клетку или не проникает.
Химические методы основаны на обычном качественном и количественном определении содержания веществ в клетках или в среде, Клетки помещают в раствор исследуемого вещества и через определенные промежутки времени определяют концентрацию этого вещества в клетках или в растворе. Метод дает особенно хорошие результаты при работе с крупными клетками.
Методы радиоактивных изотопов основаны на применении изотопов, обладающих радиоактивностью. При этом исследуемое вещество метят с помощью какого-либо изотопа, т. е. включают в состав молекулы исследуемого вещества радиоактивный (меченый) атом. Если исследуемое вещество находится в виде атомов или ионов, то просто заменяют их радиоактивными изотопами. После поступления этого вещества в клетку она становится радиоактивной, что можно зарегистрировать с помощью счетчика радиоактивных частиц. Поскольку радиоактивность клетки пропорциональна количеству поступившего в нее вещества, этот метод дает количественные, результаты. При измерении потока вещества из клеток в среду предварительно вводят вещество, меченное по какому-либо атому, в клетки. Это производят или путем микроинъекции, или путем выращивания культуры клеток в среде, содержащей данное радиоактивное вещество. В последующем измеряют выходящие из клеток потоки данного вещества.
Изотопный метод является наиболее совершенным и точным методом исследования клеточной проницаемо-
138
сти. Пользуясь им, можно вводить в клетку исследуемое вещество в низких концентрациях, не нарушающих жизнедеятельность клеток. Применение изотопов позволило изучить проницаемость не только для молекул чужеродных или ядовитых веществ, но и для тех соединений, которые входят в состав клеток и тканевых жидкостей самого организма. С помощью изотопного метода удается отдифференцировать потоки вещества из среды в клетку и из клетки в среду. Особая ценность метода заключается в том, что он удобен для изучения кинетики входа и выхода веществ и позволяет исследовать эти процессы в естественных условиях, когда клетка находится в стационарном состоянии.
Метод измерения электропроводности применяется при исследовании проницаемости клеток для ионов. Электропроводность клеток определяется активностью ионов в клетках и проницаемостью клеточных мембран (см. главу 9). При определенных условиях, например при измерении на низких частотах переменного тока, электропроводность является мерой проницаемости мембран.
