Поверхностное натяжение — это физическое явление, возникающее на границе раздела двух сред, когда молекулы вещества на поверхности испытывают несимметричное межмолекулярное взаимодействие. В биологических системах поверхностное натяжение играет ключевую роль в формировании и поддержании структуры клеточных мембран, альвеол легких, капель биологических жидкостей и при взаимодействии клеток с окружающей средой.
Величина поверхностного натяжения в биологических жидкостях, таких как плазма крови, межклеточная жидкость или сурфактант в легких, зависит от химического состава, температуры, наличия белков, липидов и других поверхностно-активных веществ. Так, в легких человека поверхностное натяжение на границе воздух-жидкость в альвеолах регулируется сложным комплексом веществ — сурфактантом, который снижает поверхностное натяжение, предотвращая спадение альвеол при выдохе и способствуя стабильности дыхания.
Капиллярные явления проявляются при взаимодействии жидкостей с твердыми поверхностями, когда жидкость может подниматься или опускаться в тонких трубках. Это особенно важно в физиологии сосудистой и лимфатической систем. В капиллярах кровь продвигается не только благодаря сердечным сокращениям, но и благодаря капиллярным эффектам, особенно в тончайших сосудах, где радиус просвета приближается к диаметру эритроцитов.
У растений капиллярные явления обеспечивают подъем воды и растворенных веществ из корней в надземные части. В организме человека аналогичные механизмы действуют в микрососудах, слезных каналах, бронхиолах и межклеточных пространствах. В патофизиологических условиях нарушение капиллярных сил может приводить к отекам, нарушению тканевого обмена и нарушению распределения жидкости.
ПАВ — это молекулы, обладающие амфифильной природой, то есть содержащие как гидрофильные, так и гидрофобные группы. В живых организмах ПАВ играют важнейшую роль в регуляции поверхностных явлений. Биологическими ПАВ являются фосфолипиды, желчные кислоты, белки плазмы крови, легочные сурфактанты.
Функции биологических ПАВ включают:
Пример: сурфактант легких — сложная смесь липидов и белков, главным компонентом которого является дипальмитойлфосфатидилхолин. Он покрывает внутреннюю поверхность альвеол, снижает поверхностное натяжение до 5–10 мН/м (против 70 мН/м у чистой воды), что предотвращает коллапс альвеол при дыхательных циклах.
Поверхностные явления также определяют особенности взаимодействия клеток с окружающей их внеклеточной средой. Поверхность клетки, покрытая гликокаликсом и мембранными белками, проявляет специфические адгезивные свойства, участвующие в клеточной миграции, прилипании, формировании тканей и ответах на внешние сигналы.
Адгезия клеток к подложке или к другим клеткам — это поверхностное явление, зависящее от комбинации межмолекулярных взаимодействий: гидрофобных, ионных, водородных связей, ван-дер-ваальсовых сил. Такие взаимодействия реализуются через специализированные белки: интегрины, кадгерины, селектины и др. Нарушения в этих взаимодействиях могут приводить к патологическим состояниям — опухолевой инвазии, воспалению, тромбообразованию.
Биомембраны — это динамичные структуры, в которых поверхностные силы играют доминирующую роль в поддержании формы, текучести и функциональной активности. Двухслойная фосфолипидная мембрана формирует стабильную барьерную структуру именно благодаря минимизации свободной энергии поверхности.
Параметры, определяющие физико-химические свойства мембран:
Эти свойства контролируют процессы эндоцитоза, экзоцитоза, фагоцитоза, слияния мембран (например, при оплодотворении или синаптической передаче), рецепторного взаимодействия и трансмембранного транспорта веществ.
В сосудах микроциркуляторного русла (артериолы, капилляры, венулы) поверхностные силы оказывают значительное влияние на гемодинамику. Плазма крови обладает определённым поверхностным натяжением, а эндотелиальные клетки покрыты гликокаликсом, создающим поверхностный барьер. Этот барьер регулирует проницаемость сосудов, участие в обменных процессах, адгезию лейкоцитов и тромбоцитов.
Изменение поверхностных свойств плазмы крови наблюдается при многих заболеваниях — сахарном диабете, воспалении, тромбозах. При этом изменяется способность крови к течению по узким сосудам, повышается склонность к агрегации клеток и образованию микротромбов.
Жидкости, секретируемые железами, также обладают важными поверхностными свойствами. Слёзы содержат ПАВ, обеспечивающие стабильность слёзной плёнки на поверхности глаза. Нарушение её структуры ведёт к синдрому сухого глаза. Слюна содержит белки и муцины, снижающие поверхностное натяжение, что облегчает формирование пищевого комка и начальное пищеварение.
Желудочный сок содержит поверхностно-активные компоненты, которые облегчают эмульгирование жиров и защиту слизистой от самопереваривания. Поверхностные явления также определяют устойчивость защитного слизистого слоя в желудке и двенадцатиперстной кишке.
Измерение поверхностного натяжения и смежных параметров осуществляется с использованием следующих методов:
Применение этих методов позволяет диагностировать патологии, связанные с нарушением состава и физико-химических свойств биологических жидкостей, а также разрабатывать биосовместимые материалы и лекарственные формы с контролируемыми поверхностными характеристиками.