Проницаемость мембран эритроцитов крысы и кролика для криопротекторов ряда амидов и диолов
В результате проведенных исследований выявлено, что проницаемость мембран эритроцитов крысы и кролика для изученных веществ зависит от химической структуры, геометрических параметров молекул и физико-химических свойств этих соединений, в частности гидрофильно-гидрофобного баланса их молекул. Установ...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Проблемы криобиологии и криомедицины |
|---|---|
| Datum: | 2007 |
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут проблем кріобіології і кріомедицини НАН України
2007
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69104 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Проницаемость мембран эритроцитов крысы и кролика для криопротекторов ряда амидов и диолов / Г.В. Коваленко, И.Ф. Коваленко, Т.П. Линник // Проблемы криобиологии. — 2007. — Т. 17, № 4. — С. 365-373. — Бібліогр.: 12 назв. — рос., англ. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859993269759377408 |
|---|---|
| author | Коваленко, Г.В. Коваленко, И.Ф. Линник, Т.П. |
| author_facet | Коваленко, Г.В. Коваленко, И.Ф. Линник, Т.П. |
| citation_txt | Проницаемость мембран эритроцитов крысы и кролика для криопротекторов ряда амидов и диолов / Г.В. Коваленко, И.Ф. Коваленко, Т.П. Линник // Проблемы криобиологии. — 2007. — Т. 17, № 4. — С. 365-373. — Бібліогр.: 12 назв. — рос., англ. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Проблемы криобиологии и криомедицины |
| description | В результате проведенных исследований выявлено, что проницаемость мембран эритроцитов крысы и кролика для изученных веществ зависит от химической структуры, геометрических параметров молекул и физико-химических свойств этих соединений, в частности гидрофильно-гидрофобного баланса их молекул. Установлено, что проницаемость веществ через мембрану эритроцитов крысы выше, чем через мембрану эритроцитов кролика, что обусловлено видовой специфичностью этих клеток.
У результаті проведених досліджень виявлено, що проникність вивчених речовин крізь мембрани еритроцитів щура та кролика залежить від хімічної структури, геометричних параметрів молекул і фізико-хімічних властивостей цих сполук, зокрема гідрофільно-гідрофобного балансу їх молекул. Встановлено, що проникність речовин крізь мембрану еритроцитів щура вища, ніж крізь мембрану еритроцитів кролика, що обумовлено видовою специфічністю цих клітин.
As a result of the performed experiments the permeability of rat and rabbit erythrocyte membranes for substances was revealed as dependent on a chemical structure, geometric parameters of molecules, physical and chemical properties of these compounds, in particular hydrophilic and hydrophobic balance of their molecules. The permeability of substances through rat erythrocyte membrane was established as higher than the rabbit one, that was stipulated by the species-specificity of these cells.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:33:05Z |
| format | Article |
| fulltext |
365 PROBLEMS
OF CRYOBIOLOGY
Vol. 17, 2007, №4
ПРОБЛЕМЫ
КРИОБИОЛОГИИ
Т. 17, 2007, №4
УДК 57.043:612.111:547.42
Г.В. КОВАЛЕНКО*, И.Ф. КОВАЛЕНКО,Т.П. ЛИННИК
Проницаемость мембран эритроцитов крысы и кролика для
криопротекторов ряда амидов и диолов
UDC 57.043:612.111:547.42
G.V. KOVALENKO*, I.F. KOVALENKO, T.P. LINNIK
Membrane Permeability of Rat’s and Rabbit’s Erythrocytes
for Cryoprotectants of Amide and Diol Series
В результате проведенных исследований выявлено, что проницаемость мембран эритроцитов крысы и кролика для изученных
веществ зависит от химической структуры, геометрических параметров молекул и физико-химических свойств этих соединений,
в частности гидрофильно-гидрофобного баланса их молекул. Установлено, что проницаемость веществ через мембрану
эритроцитов крысы выше, чем через мембрану эритроцитов кролика, что обусловлено видовой специфичностью этих клеток.
Ключевые слова: криопротекторы, проницаемость мембран, геометрические параметры молекул, гомологический ряд,
липидный бислой, белковые каналы.
У результаті проведених досліджень виявлено, що проникність вивчених речовин крізь мембрани еритроцитів щура та
кролика залежить від хімічної структури, геометричних параметрів молекул і фізико-хімічних властивостей цих сполук,
зокрема гідрофільно-гідрофобного балансу їх молекул. Встановлено, що проникність речовин крізь мембрану еритроцитів
щура вища, ніж крізь мембрану еритроцитів кролика, що обумовлено видовою специфічністю цих клітин.
Ключові слова: кріопротектори, проникність мембран, геометричні параметри молекул, гомологічний ряд, ліпідний бішар,
білкові канали.
As a result of the performed experiments the permeability of rat and rabbit erythrocyte membranes for substances was revealed as
dependent on a chemical structure, geometric parameters of molecules, physical and chemical properties of these compounds, in particular
hydrophilic and hydrophobic balance of their molecules. The permeability of substances through rat erythrocyte membrane was estab-
lished as higher than the rabbit one, that was stipulated by the species-specificity of these cells.
Key-words: cryoprotectants, membrane permeability, molecule geometric parameters, homologous series, lipid bilayer, protein channels.
* Автор, которому необходимо направлять корреспонденцию:
ул. Переяславская, 23, г. Харьков, Украина 61015; тел.:+38
(057) 373-38-71, факс: +38 (057) 373-30-84, электронная почта:
cryo@online.kharkov.ua
* To whom correspondence should be addressed: 23, Pereyaslavskaya
str., Kharkov, Ukraine 61015; tel.:+380 57 373 3871, fax: +380 57
373 3084, e-mail:cryo@online.kharkov.ua
Institute for Problems of Cryobiology and Cryomedicine of the Na-
tional Academy of Sciences of Ukraine, Kharkov, Ukraine
Институт проблем криобиологии и криомедицины
НАН Украины, г. Харьков
Определение коэффициентов проницаемости
мембран клеток, в частности эритроцитов, для
молекул криопротекторов как одного из важ-
нейших биофизических параметров необходимо
для научно обоснованного подхода к разработке
эффективных методов криоконсервирования
биологических объектов.
Способность веществ проникать через мембра-
ны клеток, с одной стороны, зависит от химической
структуры и геометрических параметров молекул,
с другой – от состава и физико-химических свойств
мембран клеток, отличающихся по видовой при-
надлежности и структурно-функциональным
характе-ристикам [9, 12].
Одним из перспективных подходов для выяс-
нения механизма транспорта криопротекторов
внутрь клеток является изучение зависимости
проницаемости мембран для молекул от их физико-
химических свойств в гомологических рядах
соединений с постепенно усложняющейся струк-
турой на различных клетках растительного и
животного происхождения. В связи с этим инте-
ресно было исследовать скорость проницаемости
Determining the permeability coefficient for cell
membranes, erythrocytes in particular, for cryoprotec-
tant molecules as one of the most important biophysical
parameters is necessary for scientifically substantiated
approach in designing efficient methods for biological
object cryopreservation.
The capability of substances to penetrate through
cell membranes depends on one hand on chemical
structure and molecule geometric parameters and on
another hand on the composition, physical and chemical
properties of cell membranes, differing by species-
specificity and structural-functional characteristics [9,
12].
One of the perspective ways in revealing the
mechanism of cryoprotectant transport inside cells is
to study the dependency of membrane permeability
for molecules on their physical and chemical properties
in homologous series of compounds with a gradually
complicating structure in different cells of plant and
animal origins. Due to this fact of interest was to inves-
tigate the rate of cryoprotectant permeability of two
compound series (amides, diols) through erythrocyte
membranes of different animals. Selection of com-
366 PROBLEMS
OF CRYOBIOLOGY
Vol. 17, 2007, №4
ПРОБЛЕМЫ
КРИОБИОЛОГИИ
Т. 17, 2007, №4
крио-протекторов двух рядов соединений (амиды,
диолы) через мембраны эритроцитов разных жи-
вотных. Выбор соединений обусловлен их широким
использованием в криобиологической практике [1].
Цель работы – определить коэффициенты про-
ницаемости плазматических мембран эритроцитов
крысы и кролика при температурах 37 и 25°С для
7 соединений ряда диолов и 4-х веществ ряда ами-
дов.
Материалы и методы
Способ измерения коэффициентов проницаемос-
ти эритроцитов для криопротекторов основан на
физико-математической модели гипотонического
гемолиза эритроцитов человека [2]. В работе полу-
чены соотношения, которые описывают кинетику
гемолиза эритроцитов в гипертоническом водном
растворе вещества, проникающего в клетку.
Количественные результаты модели лежат в осно-
ве алгоритма расчета коэффициента проницае-
мости молекул криопротекторов через мембрану
эритроцитов человека по зависимости интенсив-
ности рассеянного суспензией эритроцитов света
от времени в процессе гипотонического гемолиза
[4]. Физико-математическая модель связывает
время t1/2, за которое из эритроцита выходит 50%
гемоглобина от его начального количества, с
коэффициентом проницаемости клеточной мембра-
ны к растворенному во внеклеточном растворе
криопротектору.
Время 50%-го гемолиза (t1/2) измеряли экспери-
ментально на приборе, изготовленном фирмой
«Криокон» (Харьков, Украина). Интенсивность
рассеянного света с длиной волны ~1 мкм под
углом 9° в направлении падающего пучка измеряли
на приборе, в состав которого входят кюветная
камера с системой первичного преобразования
сигнала, устройство для поддержания температуры
кюветной камеры на заданном на уровне и система
регистрации результатов измерения. Устройство
имеет колимированный источник света (арсенид-
галиевый диод АЛ107Б) с диапазоном спект-
ральной характеристики от 950 до 1100 нм и
фотоприемник (фотодиод ФД-25К с интегральной
чувствительностью 8×10-3 мА/лк).
Во время эксперимента получали данные об
зависимости интенсивности рассеянного света
исследуемой суспензии от времени и время (t1/2),
которое соответствует 50%-му гемолизу эритро-
цитов. Коэффициент проницаемости мембраны
эритроцита для криопротекторов рассчитывали по
экспериментально определенному времени полу-
гемолиза и литературным данным поверхностно-
объемного отношения клеток по формуле [4]:
t1/2= [γ0×K1]
-1, (1)
pounds is stipulated by their wide usage in cryobiological
practice [1].
Research was aimed to determine the permeability
coefficients of plasmatic membranes of rat and rabbit
erythrocytes at 37 and 25°C for 7 and 4 substances of
diol and amide series, correspondingly.
Materials and methods
The way for measuring the erythrocyte permeability
coefficients for cryoprotectants is based on physical
and mathematical model of human erythrocyte
hypotonic hemolysis [2]. The ratios, describing kinetics
of erythrocyte hemolysis in hypertonic aqueous solution
of the substance, penetrating into a cell were obtained
in the research. The model quantitative results are in
the base of calculation algorithm for permeability
coefficient of cryoprotectant molecules through human
erythrocyte membrane depending on the light intensity,
scattered by erythrocyte suspension on time during
hypotonic hemolysis [4]. Physical and mathematical
model binds the time t1/2, when 50 % of hemoglobin
leave erythrocyte of its initial amount, with the
permeability coefficient of cell membrane to the
cryoprotectant, solved in an extracellular solution.
Time of 50% hemolysis (t1/2) was experimentally
measured with the device, designed by the “Criokon”
Company (Kharkov, Ukraine). The intensity of
scattered light with ~1µm wavelength on the 9° angle
towards incident beam was measured with the device,
consisting of cuvette chamber with the system of initial
signal transformation, the device for maintaining
temperature in cuvette chamber at a fixed level and
the measurement result recording system. The device
has a collimated light source (AL107B gallium-arsenide
diode) with the range of spectral characteristics from
950 to 1100 nm and imaging device (PD-25K
photodiode with integral sensitivity of 8×10-3 mA/lx).
The dependency of scattering light intensity in the
studied suspension on time and the time (t1/2),
corresponding to 50% erythrocyte hemolysis were
displayed during experiment. The coefficient of
erythrocyte membrane permeability for cryoprotectants
was calculated by the experimentally determined time
of semi-hemolysis and literature data about surface-
volume cell ratio by the formula [4]:
t1/2 = [γ0×C1]
-1, (1)
where γ0 is a surface-volume ratio of erythrocyte
membrane; C1 is the permeability coefficient of eryth-
rocyte membrane for cryoprotectant molecules.
The activation energy of transfer process through
erythrocyte membrane of studied cryoprotectant
molecules was calculated as reported in the paper [3].
The rat blood, prepared with “Glygicir” preservative
was the investigation object. All the animals were
367 PROBLEMS
OF CRYOBIOLOGY
Vol. 17, 2007, №4
ПРОБЛЕМЫ
КРИОБИОЛОГИИ
Т. 17, 2007, №4
где γ0 – поверхностно-объемное отношение
мембраны эритроцита; К1 – коэффициент проницае-
мости мембраны эритроцита для молекул криопро-
тектора.
Энергию активации процесса переноса через
мембрану эритроцита молекул исследуемых
криопротекторов рассчитывали по [3].
Объектом исследования была кровь крысы,
заготовленная на консерванте “Глюгицир”. Все
животные были здоровыми, половозрелыми
самцами (6-7 месяцев), иммунизированными.
Кровь крысы (беспородная белая) получали пунк-
цией хвостовой вены, кровь кролика «Шиншилла» –
надрезом или проколом краевой вены уха [5]. Эрит-
роциты из цельной крови животных выделяли
центрифугированием.
В работе были использованы следующие
криопротекторы: этиленгликоль (ЭГ), 1,2-пропан-
диол (1,2-ПД), 1,3- пропандиол (1,3-ПД), 1,2-бутан-
диол (1,2-БД), 1,3- бутандиол (1,3-БД), 1,4- бутан-
диол (1,4-БД) ( все «х.ч.» или «ч.д.а.», «Реахим»),
2,3-бутандиол (2,3-БД), («х.ч.», «Sigma»), формамид
(ФА), ацетамид (АА), диметилформамид (ДМФА),
диметилацетамид (ДМАЦ) (все амиды «х.ч.» или
«ч.д.а.», «Реахим»). Вещества дополнительно
очищали 2-кратной вакуумной перегонкой после
предварительной адсорбции примесей окисью
алюминия или активированным углем марки “А”
[10].
Проницаемость мембран эритроцитов опреде-
ляли для 1М растворов криопротекторов при
температурах 25 и 37°С.
Коэффициент распределения веществ (Кр) в
системе «вода – н-октанол» определяли при 25°С
по методу [7].
Геометрические параметры молекул рассчи-
тывали на основе моделей Стьюарта-Бриглеба [11]
по компьютерной программе ”Hyper Chem Pro
v. 5.1”
Статистическую обработку выполняли непара-
метрическим методом.
Полученные результаты представлены в виде
среднего значения с указанием стандартного
отклонения.
Эксперименты проведены в соответствии с
“Общими принципами экспериментов на живот-
ных”, одобренными II Национальным конгрессом
по биоэтике (Киев, 2004 г.) и согласованными с
положениями “Европейской Конвенции о защите
позвоночных животных, используемых для
экспериментальных и других научных целей”
(Страсбург, 1985).
Результаты и обсуждение
Определены коэффициенты проницаемости
диолов и амидов через мембраны эритроцитов
immunised healthy mature males (6-7 months’ old).
The rat (breedless white) and Chinchilla rabbit blood
was procured by caudal vein puncture and either limbic
auricular vein incision or pin, correspondingly [5].
Erythrocytes from the whole animal blood were
isolated by centrifugation.
The following cryoprotectants were used in the
research: ethylene glycol (EG), 1,2-propane diol
(1,2-PD), 1,3-propane diol (1,3-PD), 1,2-butane diol
(1,2-BD), 1,3-butane diol (1,3-BD), 1,4-butane diol
(1,4-BD) (all ‘chemically pure’ or ‘pure for analysis’
grades, “Reakhim”), 2,3-butane diol (2,3-BD)
(‘chemically pure’ grade, “Sigma”), formamide (FA),
acetamide (AA), dimethyl formamide (DMFA),
dimethyl acetamide (DMAC) (all amides of ‘chemically
pure’ or ‘pure for analysis’ grades, “Reakhim”).
Substances were additionally purified with a two-fold
vacuum distillation after preliminary admixture ad-
sorption with aluminium oxide or “A” graded activated
carbon [10].
The erythrocyte membranes permeability was
determined for 1M cryoprotectant solutions at 25 and
37°C.
The substance distribution coefficient (Cd) in the
“water – n-octanol” system was determined at 25°C
according to the method reported in the paper [7].
Molecule geometric parameters were calculated
basing on the Stewart-Brigleb models [11] by the
“Hyper Chem Pro v.5.1” Software.
Statistical processing was done using a non-
parametric method.
The results obtained are presented as a mean with
mentioning standard deviation.
The experiments were performed according to the
“General ethical principles of experiments in animals”,
approved by the 2nd National Congress on Bioethics
(Kiev, 2004) and agreed with the statements of the
“European Convention for the Protection of Vertebrate
Animals Used for Experimental and Other Scientific
Purposes” (Strasbourg, 1985).
Results and discussion
The permeability coefficients for diols and amides
through the rat and rabbit erythrocyte membranes at
25 and 37°C have been determined. The activation
energy (EA) for the molecule transfer process of the
studied substances through the rat and rabbit
erythrocyte membranes has been calculated. Both the
obtained results, geometric parameters and the
substance distribution coefficient (Cd) in the “water-
n-octanol” system are shown in the Tables 1 and 2.
The Table 1 demonstrates the diol permeability
through the rat erythrocyte membranes as statistically
and significantly higher than the rabbit ones, excluding
1,3-BD. There is the similar picture for amide series
(Table 2), but a statistically significant difference was
роткеторпоирК
tnatcetorpoyrC
,D ,V К
p
C
d
еонтовиЖ
laminA
К
1
× 01 6 с/м,
C
1
× 01 6 ces/m,
Е
А
,
ьлом/жДк
E
A
,
lom/Jk
52 oC 73 oC
ГЭ
GE 6,2 6,72 040,0
асырК
taR *51,1±18,6 *63,1±59,31 42,64
килорК
tibbaR *71,0±46,2 *72,0±12,5 38,34
2,1 - ДП
2,1 - DP 7,3 7,35 670,0
асырК
taR *90,2±31,11 *29,0±70,71 85,72
килорК
tibbaR *23,1±59,6 *40,1±37,21 20,93
3,1 - ДП
3,1 - DP 1,4 2,57 460,0
асырК
taR *16,0±88,5 *87,1±45,31 84,35
килорК
tibbaR *05,0±72,4 *45,0±24,8 87,34
2,1 - ДБ
2,1 - DB 3,4 5,88 803,0
асырК
taR *77,1±45,31 *54,1±84,81 60,02
килорК
tibbaR *23,1±24,9 *34,1±09,81 98,44
3,1 - ДБ
3,1 - DB 6,3 0,16 281,0
асырК
taR 86,1±45,01 88,1±83,41 30,02
килорК
tibbaR 83,1±43,8 49,1±17,41 95,63
4,1 - ДБ
4,1 - DB 0,4 9,29 731,0
асырК
taR *87,0±98,6 *78,1±93,31 48,24
килорК
tibbaR *25,0±15,5 *07,0±30,9 58,13
3,2 - ДБ
3,2 - DB 9,3 2,96 722,0
асырК
taR *40,1±41,21 *27,2±54,61 95,91
килорК
tibbaR *11,1±35,8 *55,1±78,51 30,04
368 PROBLEMS
OF CRYOBIOLOGY
Vol. 17, 2007, №4
ПРОБЛЕМЫ
КРИОБИОЛОГИИ
Т. 17, 2007, №4
Таблица 1. Влияние коэффициентов распределения Кр и геометрических параметров
диолов на их проницаемость через мембраны эритроцитов
крыс и кроликов
Table 1. Effect of distribution coefficient Cd and geometric parameters of diols on their
permeability through rat and rabbit erythrocyte membranes (n=5)
крысы и кролика при
температурах 25 и 37°С.
Рассчитана энергия ак-
тивации (ЕА) процесса
переноса молекул иссле-
дуемых веществ через
мембраны эритроцитов
крысы и кролика. Полу-
ченные результаты, а
также геометрические
параметры и коэффи-
циент распределения
веществ (Кр) в системе
«вода-н-октанол» при-
ведены в табл. 1 и 2.
Из табл. 1 видно, что
проницаемость диолов
через мембраны эрит-
роцитов крысы досто-
верно выше, чем кро-
лика, исключая 1,3-БД. В
ряду амидов наблюдает-
ся такая же картина
(табл. 2), но достоверная
разница выявлена только
у ДМАЦ. Для осталь-
ных амидов просматри-
вается только тенден-
ция к более высокой
способности проникать
внутрь эритроцитов кры-
сы по сравнению с эрит-
роцитами кролика. Ес-
тественно предполо-
жить, что наблюдаемая
разница между прони-
цаемостью мембран
эритроцитов крысы и
кролика для изучаемых
веществ обусловлена
тем, что состав и физи-
ко-химические свойства
Примечания: D – диаметр молекул; V – объем молекул; Кр – коэффициент распределения в
системе «вода-н-октанол»; К1 – коэффициент проницаемости; ЕА – энергия активации; * –
разница между коэффициентами проницаемости при 25 и 37°С достоверна при р<0,05.
Notes: D is molecule diameter; V is molecule volume; Cd is the distribution coefficient in “water-
n-octanol” system; C1 is permeability coefficient; EA is activation energy; * – difference between
permeability coefficients at 25 and 37°C is statistically significant at p<0.05.
их мембран значительно отличаются. Например,
индексы двойных связей суммарных липидов
мембран эритроцитов крысы и кролика равны 1,7
и 1,2 соответственно [12]. Содержание холестерина
в эритроцитарных мембранах крысы составляет
26,1, кролика – 29,9% [12]. Вероятно, вязкость
липидной фазы мембран эритроцитов крысы ниже,
чем кролика. Это может быть причиной более
высокой скорости проникновения диолов и амидов
внутрь эритроцитов крысы. Хотя высказывается
мнение [12], что этот показатель не оказывает
существенного влияния на проницаемость мем-
бран, если основной вид транспорта веществ –
белковые водные каналы. Данный физико-хими-
revealed only in DMAC. For the rest amides only the
tendency to higher ability of penetration inside the rat
erythrocytes compared to the rabbit ones is traced.
The observed difference between the rat and rabbit
erythrocyte membrane permeability for the studied
substances may be naturally assumed as stipulated by
a huge difference in composition, physical and chemical
properties of their membranes. For example, the indices
of double links of summary lipids of rat and rabbit
erythrocyte membranes are equal to 1.7 and 1.2,
correspondingly [12]. Cholesterol content in rat and
rabbit erythrocyte membranes is 26.1 and 29.9%,
correspondingly [12]. Probably, the lipid phase viscosity
of rat erythrocyte membrane is lower than in a rabbit
D D 3
369 PROBLEMS
OF CRYOBIOLOGY
Vol. 17, 2007, №4
ПРОБЛЕМЫ
КРИОБИОЛОГИИ
Т. 17, 2007, №4
0
5
10
15
20
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35
Рис. 1. Зависимость коэффициента проницаемости мембраны эритроцитов крысы (а) и кролика (б) при разных
температурах для веществ ряда диолов от их коэффициента распределения в системе «вода – н-октанол».
Fig. 1. Dependency of permeability coefficient of rat (a) and rabbit (b) erythrocyte membranes at different temperatures for
substances of diol series on their distribution coefficient in “water – n-octanol” system.
Ко
эф
ф
иц
ие
нт
п
ро
ни
ца
ем
ос
ти
К
1×
10
6 ,
м
/с
Pe
rm
ea
bi
lit
y
co
ef
fic
ie
nt
C
1×
1
06 ,
m
/s
ec
Ко
эф
ф
иц
ие
нт
п
ро
ни
ца
ем
ос
ти
К
1×
10
6 ,
м
/с
Pe
rm
ea
bi
lit
y
co
ef
fic
ie
nt
C
1×
1
06 ,
m
/s
ec
а аКоэффициент распределения Кр
Distribution coefficient Cd
б bКоэффициент распределения Кр
Distribution coefficient Cd
ческий показатель мембран может иметь сущест-
венное значение, если вещества проникают внутрь
клетки альтернативным путем непосредственно
через липидный бислой. Известно [9, 12], что
способность веществ проникать через мембрану
липидным путем зависит от гидрофобности
криопротекторов, т.е. от коэффициента распре-
деления веществ в системе вода – неполярная
фаза.
На рис.1 представлена зависимость коэффи-
циента проницаемости К1 мембран эритроцитов
крысы и кролика при разных температурах для
веществ ряда диолов от коэффициента их распре-
деления в системе «вода – н-октанол» Кр.
Обнаружена высокая корреляция между коэффи-
one. This may be a reason for higher rate of diol and
amide penetration into rat erythrocytes. Although this
index is suggested as not significantly affecting the
membrane permeability, if the main type of substance
transport is the protein aqueous channels [12]. This
physical and chemical membrane index may be
essential if the substances penetrate alternatively inside
a cell, directly through a lipid bilayer. The ability of
substances in penetrating through the membrane by a
lipid way is known as dependent on hydrophobic
property of cryoprotectants [9, 12], i.e. on the
coefficient of substance distribution in the water-non-
polar phase system.
The Fig. 1 shows the dependency of permeability
coefficient C1 of rat and rabbit erythrocyte membranes
37°C
25°C
37°C
25°C
0
5
10
15
20
25
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35
ЭГ
EG
1,3-ПД
1,3-PD
1,4-БД
1,4-BD
1,3-БД
1,3-BD
2,3-БД
3,3-BD
1,2-БД
1,2-BD
1,2-ПД
1,2-PD
ЭГ
EG
1,3-ПД
1,3-PD
1,2-ПД
1,2-PD
1,4-БД
1,4-BD
1,3-БД
1,3-BD
2,3-БД
3,3-BD
1,2-БД
1,2-BD
37°C
25°C
Кролик Rabbit
Крыса Rat
37°C
25°C
37°C
25°C
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 0,1 0,2 0,3 0,4
370 PROBLEMS
OF CRYOBIOLOGY
Vol. 17, 2007, №4
ПРОБЛЕМЫ
КРИОБИОЛОГИИ
Т. 17, 2007, №4
циентом проницаемости веществ в эритроциты
этих животных и их коэффициентом распределения
между водной и неполярной фазой. Коэффициент
корреляции между К1 и Кр при температуре 37°С
для бутандиолов составляет 0,99 и 0,91, а пропан-
диолов – 0,68 и 0,96 для крысы и кролика соот-
ветственно (р<0,05). Не выявлена зависимость
проницаемости этих веществ через эритроцитар-
ные мембраны от диаметра и объема молекул
диолов (см. табл.1). Это может свидетельство-
вать, что преимущественным путем диффузии
некоторых диолов, а именно 1,4-БД, 1,3-БД, 2,3-БД
и 1,2-БД, внутрь эритроцитов является липидный
бислой мембран. Можно предположить, что при
проникновении веществ через липидный бислой
размеры их молекул не имеют важного значения,
в большей степени на проницаемость влияет
способность веществ взаимодействовать с гидро-
фобной фазой мембраны.
Однако следует отметить, что не исключена
возможность для диолов проникать внутрь эритро-
цитов через белковые каналы мембран, так как
значения энергии активации ЕА варьируют от 27
до 53 кДж/моль (см. табл. 1). Известно [12], что
значения энергии активации эритроцитарных
мембран для молекул, диффундирующих внутрь
клетки по водным каналам, находятся в этом
диапазоне.
Более того, можно предполагать, что для ЭГ,
1,2-ПД и, вероятно 1,3-ПД, основным путем транс-
порта внутрь эритроцитов является диффузия
через водные белковые каналы мембран. Эти ве-
щества имеют низкие значения коэффициента
at different temperatures for substances of diol series
on the Cd coefficient of their distribution in “water –
n-octanol” system. A high correlation between the
permeability coefficient of substances into erythrocytes
of these animals and their distribution coefficient
between aqueous and non-polar phase was observed.
The correlation coefficient between C1 and CR at 37°C
for butane diols makes 0.99 and 0.91, but 0.68 and
0.96 for propane diols in rat and rabbit, correspondingly
(p<0.05). No dependency of these substances
permeability through erythrocyte membranes on the
diameter and volume of diol molecules (see Table 1)
was revealed. This may testify to the fact that the
preferable diffusion way for some diols, namely 1,4-BD,
1,3-BD, 2,3-BD and 1,2-BD inside erythrocytes is the
membrane lipid bilayer. It may be assumed that under
substances penetration through a lipid bilayer, the sizes
of their molecules have no importance, but this is the
capability of substances to interact with the membrane
hydrophobic phase, that mostly affects the permeability.
However of note is the fact that the possibility for
diols to penetrate inside erythrocytes through the
membrane protein channels is not excluded, because
the values of activation energy EA vary from 27 to 53
kJ/mol (see Table 1). The values of activation energy
of erythrocyte membranes for molecules, diffusing
inside a cell by aqueous channels are known to be
within this range.
Moreover, we may assume, that for EG, 1,2-PD
and, probably 1,3-PD the main transport way inside
erythrocytes is the diffusion through aqueous protein
membrane channels. These substances have low values
of Cd distribution coefficient (from 0.040 to 0.076), i.e.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 0,1 0,2 0,3 0,4
Ко
эф
ф
иц
ие
нт
п
ро
ни
ца
ем
ос
ти
К
1×
10
6 ,
м
/с
Pe
rm
ea
bi
lit
y
co
ef
fic
ie
nt
C
1×
1
06 ,
m
/s
ec
Ко
эф
ф
иц
ие
нт
п
ро
ни
ца
ем
ос
ти
К
1×
10
6 ,
м
/с
Pe
rm
ea
bi
lit
y
co
ef
fic
ie
nt
C
1×
1
06 ,
m
/s
ec
Рис. 2. Зависимость коэффициента проницаемости мембраны эритроцитов крысы (а) и кролика (б) при разных
температурах для веществ ряда амидов от их коэффициента распределения в системе «вода – н-октанол».
Fig. 2. Dependency of permeability coefficient of rat (a) and rabbit (b) erythrocyte membranes at different temperatures for
substances of amide series on their distribution coefficient in “water – n-octanol” system.
Коэффициент распределения Кр
Distribution coefficient Cd
Коэффициент распределения Кр
Distribution coefficient Cd
а а б b
37°C
37°C
25°C
25°C
ФА
FA
AA
AA ДМФА
DMFA
ДМАЦ
DMAC
ФА
FA
AA
AA
ДМФА
DMFA
ДМАЦ
DMAC
Кролик RabbitКрыса Rat
371 PROBLEMS
OF CRYOBIOLOGY
Vol. 17, 2007, №4
ПРОБЛЕМЫ
КРИОБИОЛОГИИ
Т. 17, 2007, №4
Примечания: D – диаметр молекул; V – объем молекул; Кр – коэффициент распределения
в системе «вода – н-октанол»; К1 – коэффициент проницаемости; ЕА – энергия активации;
* – разница между коэффициентами проницаемости при 25 и 37°С достоверна при р<0,05.
Notes: D is molecule diameter; V is molecule volume; Cd is the distribution coefficient in
“water – n-octanol” system; C1 is permeability coefficient; EA is activation energy; * – differ-
ence between permeability coefficients at 25 and 37° C is statistically significant at p<0.05.
Таблица 2. Влияние коэффициентов распределения Кр и геометрических
параметров амидов на их проницаемость через мембраны эритроцитов крыс и
кроликов
Table 2. Effect of distribution coefficient Cd and geometric parameters of amides on
their permeability through rat and rabbit erythrocyte membranes
распределения Кр (от 0,040 до 0,076), т.е. они
гидрофильны и практически не способны к гидро-
фобным взаимодействиям, к тому же имеют
малые размеры молекул (диаметр от 2,6 до 3,7 D,
объем от 27,6 до 53,7 D3, см. табл.1).
На рис. 2 приведена зависимость коэффициента
проницаемости К1 мембран эритроцитов крысы и
кролика для веществ ряда амидов от их коэф-
фициента распределения в системе «вода – н-
октанол» Кр при 37 и 25°С. Видно, что амиды
проникают внутрь клеток быстрее по сравнению
с диолами (см. рис.1, табл. 2). Полученные
результаты позволяют предположить, что пассив-
ная диффузия изученных амидов через мембраны
эритроцитов осуществляется двумя альтерна-
тивными путями: водными белковыми каналами и
непосредственно через липидную фазу. При этом
ФА как наиболее гидрофильная и наименьшая по
размерам молекула должна проникать преиму-
щественно через водные каналы. Коэффициент
проницаемости у АА по сравнению с ФА умень-
шается. Вероятно, это связано с размерами
белковых пор эритроцитов крысы и кролика [12], а
также с увеличением диаметра молекулы АА до
3,2 D по сравнению с ФА (2,0 D). Более высокий
коэффициент проницаемости ДМФА и ДМАЦ по
they are hydrophilic and practically incapable for
hydrophobic interactions, in addition their molecules
are small-sized (diameter from 2.6 to 3.7 D, volume
from 27.6 to 53.7 D3, see Table 1).
The Fig. 2 demonstrates the dependency of
permeability coefficient C1 of rat and rabbit erythrocyte
membranes for the substances of amide series on their
CR distribution coefficient in the “water – n-octanol”
system at 37 and 25°C. The amides are seen as more
rapidly penetrating inside cells than diols (see Fig. 1,
Table 2). The results obtained enable supposing a
passive diffusion of the studied amides through
erythrocyte membranes as realised by two alternative
ways: aqueous protein channels and directly through a
lipid phase. At the same time FA as the most hydro-
philic and less by size molecule should penetrate mostly
through the water channels. The permeability coef-
ficient in AA compared to FA decreases. This is pro-
bably associated to the protein pore sizes of rat and
rabbit erythrocytes [12], as well as with an increase in
AA molecule diameter to 3.2 D compared to FA
(2.0 D). A higher coefficient of DMFA and DMAC
permeability compared to AA is possibly stipulated by
their amphiphilic property, high hydrophilic property and
capability for hydrophobic interaction with membrane
lipid phase: there is an increase in distribution coefficient
сравнению с АА обуслов-
лен, вероятно, их дифиль-
ностью, высокой гидро-
фильностью и способнос-
тью к гидрофобному взаи-
модействию с липидной
фазой мембран: повышает-
ся значение коэффициента
распределения в системе
вода – неполярная фаза
(табл. 2). Это дает основа-
ние предположить, что
ДМФА и ДМАЦ прони-
кают внутрь клеток непос-
редственно через липид-
ный бислой. Учитывая низ-
кие значения энергии акти-
вации (~28 кДж/моль) для
этих веществ не исклю-
чается возможность их
диффузии через водные
белковые каналы.
Более высокая способ-
ность амидов проникать
через мембраны внутрь
клеток может быть обус-
ловлена также низкими
значениями вязкости их
водных растворов по срав-
нению с таковыми у диолов
D D 3
роткеторпоирК
tnatcetorpoyrC
,D ,V К
p
C
d
еонтовиЖ
laminA
К
1
× 01 6 с/м,
C
1
× 01 6 ces/m,
Е
А
,
ьлом/жДк
Е
А
,
lom/Jk
52 oC 73 oC
АФ
AF 0,2 4,01 940,0
асырК
taR *60,2±79,32 *74,4±32,23 90,91
килорК
tibbaR *40,3±16,12 *46,4±01,92 91,91
АА
AA 2,3 5,03 260,0
асырК
taR *32,3±86,51 *17,1±68,12 24,12
килорК
tibbaR *19,0±95,71 *62,3±93,42 70,12
АФМД
AFMD 9,3 0,44 332,0
асырК
taR *96,3±07,12 *44,4±54,33 09,72
килорК
tibbaR *32,2±30,81 *50,4±53,72 78,62
ЦАМД
CAMD 2,4 6,07 192,0
асырК
taR *06,2±80,12 *90,4±28,23 55,82
килорК
tibbaR *59,1±17,61 *36,1±26,52 65,72
372 PROBLEMS
OF CRYOBIOLOGY
Vol. 17, 2007, №4
ПРОБЛЕМЫ
КРИОБИОЛОГИИ
Т. 17, 2007, №4
in the water – non-polar phase system (Table 2). This
provides the reasons for assuming DMFA and DMAC
as penetrating into cells directly through a lipid bilayer.
Taking into account low values of activation energy
(~28 kJ/mol) for these substances, the diffusion
possibility through aqueous protein channels is not
excluded.
A higher ability of amides to penetrate through
membranes inside cells may be stipulated by the low
viscosity values of their aqueous solutions compared
to those in diols [6]. Dynamic viscosity of DMFA and
DMAC at 25°C, for example, is 0.796 and
0.919 mPa⋅sec, correspondingly, meanwhile it is signifi-
cantly higher in diols: 44 in 1,2-PD, 68.9 in 1,4-BD,
93.4 mPa⋅sec in 1,3-BD [6]. Diffusive processes in
the solution depend on this index and stipulate the
substance transport rate out of aqueous solution
towards membrane and on the time during which their
contact occurs.
Temperature dependence of permeability coeffi-
cients of studied substances through erythrocyte mem-
branes for two different animals is beyond discussion,
since it correlates completely to the theoretical ideas
and experimental data [8, 9, 12], i.e. the higher is
temperature, the quicker is the substance transport rate
through the membrane inside a cell.
Conclusions
As a result of the research performed the rate of
substance penetration through the rat erythrocyte
membrane was revealed to be higher than in rabbit,
that was stipulated by a different composition, physical
and chemical properties of their membranes.
The rat and rabbit erythrocyte membrane per-
meability for substances is stipulated by their chemical
structure, molecule geometric parameters, physical and
chemical properties, in particular hydrophilic and
hydrophobic balance.
Among two classes of chemical compounds by
permeability rate into rat and rabbit erythrocytes the
substances are placed as follows: amides>diols.
With basing on the data obtained the studied
chemical compounds may be assumed as penetrating
through plasma membranes of rat and rabbit
erythrocytes by the two alternative ways: aqueous
protein channels and directly through lipid bilayer.
[6]. Динамическая вязкость ДМФА и ДМАЦ,
например при 25°С, равна 0,796 и 0,919 мПа⋅с
соответственно, в то время как у диолов она
значительно выше: у 1,2-ПД – 44, 1,4-БД – 68,9,
1,3-БД – 93,4 мПа⋅с [6]. Диффузионные процессы
в растворе зависят от этого показателя и обус-
ловливают скорость транспорта вещества из вод-
ного раствора к мембране, и времени, через кото-
рое наступает с ней контакт.
Температурная зависимость коэффициентов
проницаемости изученных веществ через мембра-
ны эритроцитов для двух разных животных не
требует обсуждения, поскольку она полностью
согласуется с теоретическими представлениями
и экспериментальными данными [8, 9, 12], т.е. чем
выше температура, тем быстрее скорость транс-
порта веществ через мембрану внутрь клетки.
Выводы
В результате проведенных исследований выяв-
лено, что скорость проникновения веществ через
мембрану эритроцитов крысы выше, чем кролика,
что обусловлено различием состава и физико-
химических свойств их мембран.
Проницаемость мембран эритроцитов крысы и
кролика для веществ обусловливается их химичес-
кой структурой, геометрическими параметрами
молекул и физико-химическими свойствами, в
частности гидрофильно-гидрофобным балансом.
Среди двух классов химических соединений по
скорости проницаемости в эритроциты крысы и
кролика вещества располагаются таким образом:
амиды>диолы.
На основании полученных данных можно
предположить, что исследованные химические
соединения проникают через плазматические
мембраны эритроцитов крысы и кролика двумя
альтернативными путями: водными белковыми
каналами и непосредственно через липидный
бислой.
References
Actual problems of cryobiology / Ed. by N.S. Pushkar and
A.M. Belous.– Kiev: Naukova Dumka.– 1981.– 606 p.
Gordienko E.A., Panina Yu.E. Physical and mathematical
model of hypotonic hemolysis phenomenon in human
erythrocytes. II. Hemolysis stage // Vestnik of Kharkov
University. Biophysical Bulletin.– 1998.– N2.– P.54-58.
Литература
Актуальные проблемы криобиологии / Под ред. Н.С. Пуш-
каря и А.М. Белоуса.– Киев: Наук.думка.– 1981.– 606 с.
Гордиенко Е.А., Панина Ю.Е. Физико-математическая
модель явления гипотонического гемолиза эритроцитов
человека. II. Этап гемолиза// Вестн. ХГУ. Биофиз.
вестник.– 1998.– №2.– С. 54-58.
Гордиенко Е.А., Пушкарь Н.С. Физические основы
низкотемпературного консервирования клеточных
суспензий.– Киев: Наук. думка, 1994.– 143 с.
Гордиенко О.И., Панина Ю.Е., Коваленко И.Ф. Опре-
деление коэффициента проницаемости мембран
эритроцитов для криопротекторов // Вестн. ХГУ. Биофиз.
вестник.– 1998.– №2.– С. 59-62.
Западнюк И.П., Западнюк В.И., Захария Е.А. Лабора-
торные животные.– Киев: Вища школа.– 1974.– 303 с.
1.
2.
3.
4.
5.
1.
2.
373 PROBLEMS
OF CRYOBIOLOGY
Vol. 17, 2007, №4
ПРОБЛЕМЫ
КРИОБИОЛОГИИ
Т. 17, 2007, №4
Gordienko E.A., Pushkar N.S. Physical grounds of low tempe-
rature preservation of cell suspensions.– Kiev: Naukova
dumka, 1994.– 143 p.
Gordienko O.I., Panina Yu.E., Kovalenko I.F. Determination
of permeability coefficient of erythrocyte membranes for
cryoprotectants // Vestnik of Kharkov University. Biophysical
Bulletin.– 1998.– N2.– P. 59-62.
Zapadnyuk I.P., Zapadnyuk V.I., Zakhariya E.A. Laboratory
animals.– Kiev: Vyscha shkola.– 1974.– 303 p.
Karapetyan Yu.A., Eichis V.N. Physical and chemical
properties of electrolyte non-aqueous solutions.– Moscow:
Khimiya, 1989.– 252 p.
Kale B. Extraction and counter-flow distribution // Laboratory
technique of organic chemistry.– Moscow: Mir, 1966.– P. 379-
441.
Kotyk A., Janacek K. Membrane transport.– Moscow: Mir,
1980.– 344 p.
Piruzyan L.A. Effect of physiologically active compounds on
biological membranes.– Moscow: Nauka, 1974.– 387 p.
Protiva M. Purification of solvents: Laboratory technique of
organic chemistry.– Moscow: Mir, 1966.– P. 591-615.
Fizer L., Fizer M. Organic chemistry.- Moscow: Khimiya,
1970.– Vol.1.– 688 p.
Chernitsky E.A., Vorobey A.V. Structure and functions of
erythrocyte membranes.– Minsk: Nauka i tekhnika, 1981.–
216 p.
Accepted in 26.11.2007
Карапетян Ю.А., Эйчис В.Н. Физико-химические свойст-
ва электролитных неводных растворов.– М.: Химия,
1989.– 252 с.
Кейл Б. Экстракция и противоточное распределение.
Лабораторная техника органической химии.– М.: Мир,
1966.– С. 379-441.
Котык А., Яначек К. Мембранный транспорт.– М.: Мир,
1980.– 344 с.
Пирузян Л.А. Действие физиологических активных
соединений на биологические мембраны.– М.: Наука,
1974.– 387 с.
Протива М. Очистка растворителей: Лабораторная
техника органической химии.– М.: Мир, 1966.– С. 591-
615.
Физер Л., Физер М. Органическая химия. М.: Химия,
1970.– Т.1.– 688 с.
Черницкий Е.А., Воробей А.В. Структура и функции
эритроцитарных мембран.– Минск: Наука и техника,
1981.– 216 с.
Поступила 26.11.2007
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-69104 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0233-7673 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:33:05Z |
| publishDate | 2007 |
| publisher | Інститут проблем кріобіології і кріомедицини НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Коваленко, Г.В. Коваленко, И.Ф. Линник, Т.П. 2014-10-04T19:08:45Z 2014-10-04T19:08:45Z 2007 Проницаемость мембран эритроцитов крысы и кролика для криопротекторов ряда амидов и диолов / Г.В. Коваленко, И.Ф. Коваленко, Т.П. Линник // Проблемы криобиологии. — 2007. — Т. 17, № 4. — С. 365-373. — Бібліогр.: 12 назв. — рос., англ. 0233-7673 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69104 57.043:612.111:547.42 В результате проведенных исследований выявлено, что проницаемость мембран эритроцитов крысы и кролика для изученных веществ зависит от химической структуры, геометрических параметров молекул и физико-химических свойств этих соединений, в частности гидрофильно-гидрофобного баланса их молекул. Установлено, что проницаемость веществ через мембрану эритроцитов крысы выше, чем через мембрану эритроцитов кролика, что обусловлено видовой специфичностью этих клеток. У результаті проведених досліджень виявлено, що проникність вивчених речовин крізь мембрани еритроцитів щура та кролика залежить від хімічної структури, геометричних параметрів молекул і фізико-хімічних властивостей цих сполук, зокрема гідрофільно-гідрофобного балансу їх молекул. Встановлено, що проникність речовин крізь мембрану еритроцитів щура вища, ніж крізь мембрану еритроцитів кролика, що обумовлено видовою специфічністю цих клітин. As a result of the performed experiments the permeability of rat and rabbit erythrocyte membranes for substances was revealed as dependent on a chemical structure, geometric parameters of molecules, physical and chemical properties of these compounds, in particular hydrophilic and hydrophobic balance of their molecules. The permeability of substances through rat erythrocyte membrane was established as higher than the rabbit one, that was stipulated by the species-specificity of these cells. ru Інститут проблем кріобіології і кріомедицини НАН України Проблемы криобиологии и криомедицины Теоретическая и экспериментальная криобиология Проницаемость мембран эритроцитов крысы и кролика для криопротекторов ряда амидов и диолов Membrane Permeability of Rat’s and Rabbit’s Erythrocytes for Cryoprotectants of Amide and Diol Series Article published earlier |
| spellingShingle | Проницаемость мембран эритроцитов крысы и кролика для криопротекторов ряда амидов и диолов Коваленко, Г.В. Коваленко, И.Ф. Линник, Т.П. Теоретическая и экспериментальная криобиология |
| title | Проницаемость мембран эритроцитов крысы и кролика для криопротекторов ряда амидов и диолов |
| title_alt | Membrane Permeability of Rat’s and Rabbit’s Erythrocytes for Cryoprotectants of Amide and Diol Series |
| title_full | Проницаемость мембран эритроцитов крысы и кролика для криопротекторов ряда амидов и диолов |
| title_fullStr | Проницаемость мембран эритроцитов крысы и кролика для криопротекторов ряда амидов и диолов |
| title_full_unstemmed | Проницаемость мембран эритроцитов крысы и кролика для криопротекторов ряда амидов и диолов |
| title_short | Проницаемость мембран эритроцитов крысы и кролика для криопротекторов ряда амидов и диолов |
| title_sort | проницаемость мембран эритроцитов крысы и кролика для криопротекторов ряда амидов и диолов |
| topic | Теоретическая и экспериментальная криобиология |
| topic_facet | Теоретическая и экспериментальная криобиология |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69104 |
| work_keys_str_mv | AT kovalenkogv pronicaemostʹmembranéritrocitovkrysyikrolikadlâkrioprotektorovrâdaamidovidiolov AT kovalenkoif pronicaemostʹmembranéritrocitovkrysyikrolikadlâkrioprotektorovrâdaamidovidiolov AT linniktp pronicaemostʹmembranéritrocitovkrysyikrolikadlâkrioprotektorovrâdaamidovidiolov AT kovalenkogv membranepermeabilityofratsandrabbitserythrocytesforcryoprotectantsofamideanddiolseries AT kovalenkoif membranepermeabilityofratsandrabbitserythrocytesforcryoprotectantsofamideanddiolseries AT linniktp membranepermeabilityofratsandrabbitserythrocytesforcryoprotectantsofamideanddiolseries |