Так, усе наше тіло — це складна мережа золів, гелів та емульсій, де кожна клітина, білок чи крапля крові підпорядковуються законам колоїдної хімії. Неочікувано, правда?
Саме цим і займається колоїдно-хімічна фізіологія — наука, що досліджує, як працюють невидимі системи життя. Вона пояснює, як мікроскопічні частинки утворюють клітини, тканини та органи, як вони взаємодіють між собою і що відбувається, коли ця тонка рівновага порушується. І саме завдяки цим «невидимим колоїдам» ми можемо жити, рухатися, відчувати й мислити.
Колоїди — будівельні блоки тіла
Усе наше тіло побудоване з колоїдів: шкіра, м’язи, волосся, кров, легені, мозок — усі вони мають структуру золів, гелів або емульсій. Білкові колоїди утворюють основу клітин, забезпечуючи їм пружність, форму та хімічну активність. Під час травлення складні речовини — білки, жири, вуглеводи — гідролізуються до мономерів, які потім полімеризуються у «власні» колоїди організму.
У хімічному сенсі колоїд — це дисперсна система, у якій одна фаза (дисперсна) рівномірно розподілена в іншій (дисперсійному середовищі). У тілі людини такою середовищною фазою здебільшого є вода, а частинками — білки, ліпіди, мінерали або навіть віруси.
Клітина — мікросвіт колоїдних систем
Кожна клітина — це складний колоїдно-хімічний комплекс. Її мембрани побудовані з фосфоліпідного бішару, який має властивості рідкого кристалу. Саме тому мембрани можуть пропускати лише певні іони або молекули, підтримуючи осмотичний тиск і рівновагу електролітів.
Внутрішнє середовище клітини — гіалоплазма — це гель, у — втрачати стійкість, що часто спостерігається при патологічних процесах.
Фізико-хімічні властивості колоїдів у тілі
Живі колоїдні системи мають низку властивостей, без яких життя неможливе:
Броунівський рух — хаотичне переміщення частинок, яке запобігає осіданню білків або жирів.
Електрокінетичний потенціал (ζ-потенціал) — заряд поверхні частинок, що визначає стійкість системи.
Адсорбція — здатність колоїдів утримувати молекули води або йони, що забезпечує гідратацію тканин.
Гідрофільність і гідрофобність — ключові властивості для стабільності колоїдів у водному середовищі.
Білки можуть самоорганізовуватися у правильні просторові структури, ліпіди формують міцели, а ДНК зберігає стабільну спіраль.
Кров — головна колоїдна система життя
Кров — це типова гідрофільна колоїдна система, у якій білки (альбумін, глобуліни, фібриноген) зважені у водному середовищі плазми. Формені елементи — еритроцити, лейкоцити, тромбоцити — поводяться як великі колоїдні частинки. Їхні поверхневі заряди запобігають злипанню клітин завдяки електростатичному відштовхуванню.
Порушення цього балансу може викликати коагуляцію — утворення тромбів. Рівновага між силами притягання (Ван-дер-Ваальса) і відштовхування (електростатичного) визначає стабільність крові — так само, як у класичних колоїдних системах.
Колоїди в інших біологічних рідинах
Крім крові, колоїдними системами є й інші життєво важливі рідини організму: лімфа, жовч, слина, спинномозкова рідина, молоко, сеча.
- Молоко — класична емульсія «жир у воді», де дрібні краплі жиру стабілізовані білками казеїну та фосфоліпідами. Ці білкові міцели утримують краплі жиру від злиття, забезпечуючи однорідність молока та його харчову цінність.
- Жовч містить міцели жовчних кислот, холестерину і фосфоліпідів. Якщо концентрація холестерину перевищує стабілізуючу здатність міцел, відбувається коагуляція, що призводить до утворення жовчних каменів.
- Сеча — гідрофільний золь, у якому дрібні міцели уратів і фосфатів можуть осідати при зміні pH або концентрації електролітів. Це є механізмом утворення сечових каменів.
- Лімфа — колоїдна рідина, що переносить білки, жири та імунні клітини від тканин до крові. Низька в’язкість і стабільність колоїдів забезпечують швидкий транспорт речовин.
- Слина — поєднує властивості емульсії й золю, містить ферменти (амілазу, ліпазу), муцини та електроліти, що дозволяє зволожувати ротову порожнину і захищати зуби.
- Спинномозкова рідина — колоїд білків і мінералів, який оточує мозок і спинний мозок, забезпечуючи хімічну рівновагу та транспорт нейротрансмітерів.
Всі ці рідини демонструють спільні властивості колоїдів: стійкість, здатність до коагуляції та пептизації, взаємодію з іонами та водою. Порушення рівноваги у будь-якій системі може призвести до патологій, таких як жовчні камені, сечокам’яна хвороба чи підвищена в’язкість крові.
Коли колоїди «ламаються»
Порушення колоїдної рівноваги — причина багатьох захворювань.
- Кров’яні білки: при зміні pH або підвищенні концентрації кальцію/магнію електростатичний заряд білків нейтралізується, що призводить до коагуляції і тромбозів.
- Ліпіди жовчі та молока: надлишок холестерину викликає коагуляцію міцел і утворення каменів.
- Сечові колоїди: зміни pH або водного балансу спричиняють осадження солей (урати, фосфати) — формування каменів і подагру.
- Гіалоплазма клітин: зміни температури, осмотичного тиску або іонного складу викликають денатурацію білків та загустіння гелю, що зупиняє обмін речовин.
- Лімфа та слина: підвищена концентрація білків або іонів призводить до утворення згустків, зменшуючи транспортну та захисну функцію.
Ці процеси — не лише біологічні, а й фізико-хімічні явища, подібні до лабораторної коагуляції, пептизації та денатурації.
Хімічна стабільність живих систем
Життя можливе лише в умовах тонкого хімічного балансу. Занадто висока температура або зміна концентрації електролітів можуть викликати коагуляцію білків або гелеутворення цитоплазми, що зупиняє обмін речовин. Організм — це термодинамічна система, де колоїди підтримують мінімум вільної енергії при максимумі стабільності.
Колоїдно-хімічна фізіологія розкриває людину як єдину, динамічну колоїдну систему, у якій взаємодіють тисячі золів, гелів і емульсій. Від стану цих мікроскопічних структур залежить наше здоров’я, обмін речовин, емоції й навіть старіння. Майбутнє медицини, можливо, полягає в тому, щоб навчитися керувати колоїдними процесами — не лише лікувати, а й «налаштовувати» організм, як витончений хімічний механізм життя.
Список використаної літератури
- Hunter R. J. Foundations of Colloid Science. — 2nd ed. — Oxford: Oxford University Press, 2001.
- Parsegian V. A. Van der Waals Forces: A Handbook for Biologists, Chemists, Engineers, and Physicists. — Cambridge: Cambridge University Press, 2005.
- Israelachvili J. N. Intermolecular and Surface Forces. — 3rd ed. — Academic Press, 2011.
- Tadros T. F. Colloid Stability: The Role of Surface Forces. — Wiley-VCH, 2011.
- Matveev V. V., Ostrovsky M. A. Colloid Chemistry in Biology and Medicine. — Springer, 2016.
- Dickinson E. Colloids in Food Systems. — Cambridge: Royal Society of Chemistry, 2015.
- Shinoda K., Lindman B. Colloid and Interface Chemistry for Nanotechnology. — Elsevier, 2012.
Вікторія Носач, аспірантка та викладачка кафедри хімії Національного університету «Києво-Могилянська Академія», інженерка Наукового інституту фізичної хімії ім. Л.В. Писаржевського НАН України
Засновник та видавець