Подобно тому, как кровь обладает относительным постоянством состава и свойств, также и нормальное состояние внутренней, непосредственной среды каждой клетки и органа характеризуется таким же относительным постоянством, что является одним из существенных условий нормальной жизнедеятельности. На основе многочисленных экспериментальных исследований академик Л.С. Штерн установила, что регуляция и защита такого постоянства внутренней среды каждого органа и клетки определяется сложными физиологическими механизмами, которые она назвала гистогематическими барьерами. Изучению проблемы гистогематических барьеров Л.С. Штерн посвятила значительный период своей жизни. Столетие со дня ее рождения исполнилось 26 августа 1978 г. Одной из главных функций этих барьеров является регуляция проницаемости для разных физиологически необходимых веществ. Наряду с этим гистогематические барьеры защищают внутреннюю среду клеток и органов от поступления в них веществ, чуждых для их функций.
Очень давно Л.С. привлекало изучение физиологии центральной нервной системы. В исследованиях как бы частного вопроса, механизма действия кураре на мозг, возникло новое направление в изучении физиологии мозга – учение о гематоэнцефалическом барьере. Первая публикация по физиологии гематоэнцефалического барьера в 1921 г. положила начало глубокому изучению этой проблемы. Развитие исследований по физиологии гематоэнцефалического барьера выдвинуло новое направление – физиологию гистогематических барьеров. Их характеристика была впервые доложена в 1929 г. XIII Международному физиологическому конгрессу в Бостоне.
Барьерные функции – особые физиологические механизмы (барьеры), защищающие организм от воздействия окружающей среды, препятствующие проникновению в него бактерий, вирусов и вредных веществ, а также сохранению постоянства состава и свойств крови, лимфы, тканевой жидкости.
Условно различают внешние и внутренние барьеры. К внешним относят кожу, органы дыхания, пищеварения, а также почки. Кожа предохраняет организм от воздействия физических и химических изменений окружающей среды, участвует в терморегуляции, препятствует проникновению в организм бактерий, токсинов, ядов и способствует выведению из него некоторых продуктов обмена веществ, главным образом с потом. В дыхательной системе воздух очищается от пыли и вредных веществ, находящихся в атмосфере, главным образом за счет деятельности эпителия, выстилающего слизистую оболочку полости носа и бронхов. Поступающие в пищеварительную систему пищевые вещества преобразуются в желудке и кишечнике, становясь пригодными для усвоения. Важную барьерную функцию выполняет печень: она обезвреживает чужеродные для организма ядовитые соединения, поступившие с пищей или образовавшиеся в кишечнике. Почки регулируют постоянство состава крови, освобождают ее от конечных продуктов обмена веществ. К внешним барьерам относят также слизистые оболочки полости рта, глаз, половых органов.
Внутренние барьеры, находящиеся между кровью и тканями, называются гистогематическими. Основную барьерную функцию осуществляют стенки кровеносных капилляров. Защитные функции выполняют также соединительная ткань, образования лимфатической системы, некоторые специальные клетки органов и тканей. Существуют специализированные барьерные образования между кровью и ц. н. с. (гематоэнцефалический барьер), между кровью и тканями глаза (гематоофтальмический барьер), между кровью и половыми железами; защиту развивающегося плода обеспечивает плацентарный барьер между организмом матери и плодом. Б.ф. выполняют также оболочки клеток и внутриклеточные барьеры, в задачу которых входит защита важных элементов клетки.
Особенно велика роль барьеров в защите организма от возбудителей различных заболеваний и вырабатываемых ими токсинов. Бактерии, вирусы, ядовитые вещества, циркулируя в крови, могут явиться причиной патологического процесса, что нередко связано со снижением сопротивляемости барьеров.
Функции гистогематических барьеров меняются в зависимости от возраста, нервных и гормональных влияний, состояния ц. н. с. под влиянием бессонницы, голодания, наркоза, при некоторых заболеваниях. Иногда с лечебной целью прибегают к искусственному повышению или снижению сопротивляемости барьеров. При лечении некоторых заболеваний головного мозга лекарственные средства вводят в обход гематоэнцефалического барьера непосредственно в цереброспинальную жидкость.
Пластичность внешних и внутренних барьеров, их приспособляемость к меняющимся условиям среды важны для нормального существования организма, предохранения его от заболеваний, интоксикаций и т.д. Большую роль в развитии учения о Б. ф. сыграли работы советских учёных (Л. С. Штерн, А. А. Богомольца, Б. Н. Могильницкого, А. И. Смирновой-Замковой и др.).
Г исто-гематические барь еры (ГГБ) — гемато-паренхиматозные, тканевые, гистиоцитарные барьеры, механизмы, регулирующие обмен между общей внутренней средой организма — кровью и непосредственно питательной средой органов и тканей — тканевой, или внеклеточной, жидкостью. Анатомическая основа ГГБ — эндотелий капилляров и прекапилляров. ГГБ выполняют также защитную функцию, препятствуя переходу из крови в ткани и из тканей в кровь вредных и чужеродных веществ. В нормальных условиях все вещества внутренней среды, одни быстрее, другие медленнее, выводятся из нее. Наряду с этим вещества из крови поступают избирательно благодаря наличию избирательной селективной проницаемости. Таким образом, ГГБ действует как клапан в направлении кровь — ткань (не все вещества из крови переходят в ткань) и как вентиль в направлении ткань — кровь (все вещества из ткани переходят в кровь). Этим объясняется как неравномерное распределение многих веществ в организме, так и отсутствие эффекта при лечении некоторыми лекарственными препаратами. Приспособляемость ГГБ к условиям внешней и внутренней среды является одним из важнейших условий поддержания постоянства внутренней среды (гомеостаза), устойчивости физиологических функций, предохранения от инфекций, интоксикаций и т.п.
В основе функций всех ГГБ находится их проницаемость.
Проницаемость биологических мембран — важнейшее свойство биологических мембран (БМ), заключающееся в их способности пропускать в клетку и из неё различные метаболиты (аминокислоты, сахара, ионы и т.п.). П. б. м. имеет большое значение для осморегуляции и поддержания постоянства состава клетки, её физико-химический гомеостаз; играет важную роль в генерации и проведении нервного импульса, в энергообеспечении клетки, сенсорных механизмах и др. процессах жизнедеятельности. П. б. м. обусловлена особенностями строения БМ, являющихся осмотическим барьером между клеткой и средой, и служит характерным примером единства и взаимосвязи между структурой и функцией на молекулярном уровне.
БМ проницаемы лишь для небольшого числа низкомолекулярных жирорастворимых веществ (глицерин, спирты, мочевина и др.). Такая проницаемость (простая диффузия) играет сравнительно малую роль в процессах переноса веществ через мембраны. Более важные процессы переноса (транслокации) веществ через БМ происходят с участием специфических систем транспорта. Предполагают, что эти системы содержат мембранные переносчики (белки или липопротеиды) и, возможно, ряд др. компонентов, осуществляющих связанные с транспортом функции (например, рецепторные). Переносчик (или их система) связывает переносимое вещество (субстрат) и может перемещаться в мембране. Если переносчики неподвижно фиксированы в БМ, то считают, что в БМ существуют специфические для переносимого вещества поры или каналы. Если переносчик связывается с субстратом путём невалентных взаимодействий (ионными, гидрофобными и др. силами), то такой процесс называется вторичной транслокацией; различают 3 её типа: облегчённая диффузия (унипорт), котранспорт (симпорт) и противотранспорт (антипорт). Механизм облегчённой диффузии не зависит от переноса др. веществ в клетку или из клетки. Этим способом переносится, например, глюкоза в эритроциты. Котранспорт — совместный транспорт двух (или более) веществ в одном направлении. Так, транспорт глюкозы и аминокислот через слизистые оболочки тонкого кишечника сопряжён с транспортом ионов Na +. Механизм противотранспорта подразумевает сопряжение переноса вещества в одном направлении с потоком др. вещества в противоположном направлении. Этим способом осуществляется противоположно направленный перенос ионов Na + и К + в нервных клетках (см. Мембранная теория возбуждения).Процессы сопряжённого транспорта (симпорт и антипорт) имеют большое значение в тех случаях, когда переносимое вещество движется против градиента концентрации (из области меньшей в область большей концентрации). Такой активный транспорт, в отличие от пассивного транспорта (по концентрационному градиенту), требует затрат энергии. Энергообеспечение активного транспорта достигается за счёт сопряжения вторичной транслокации с ферментативными реакциями разрыва или образования химических связей. При этом энергия химического превращения расходуется на поддержание осмотического потенциала или асимметрии по обе стороны мембраны.
Транспорт веществ через БМ, связанный с разрывом или образованием валентных связей, называется первичной транслокацией. Типичный пример такого процесса — работа «натриевого насоса», сопряжённая с химической реакцией гидролиза богатого энергией аденозинтрифосфата (АТФ), катализируемого ферментом аденозинтрифосфатазой. Гидролиз АТФ сопровождается переносом ионов Na + из клетки и поступлением в клетку ионов К +; предполагают, что переносчиком ионов К + является свободный фермент, а ионов Na + — фосфорилированный фермент, образующийся в ходе гидролиза АТФ. До сих пор не удалось выделить переносчиков из БМ клеток животных. У бактерий четко доказано (главным образом генетическими методами) существование переносчиков — т. н. пермеаз, некоторые из них (например, М-белок — переносчик лактозы у кишечной палочки) выделены в чистом виде. Имеются данные, показывающие, что активный транспорт сахаров и аминокислот у бактерий сопряжён с окислением D-молочной комитеты. У некоторых бактерий обнаружено большое число «связывающих белков», которые, возможно, являются рецепторными компонентами соответствующих транспортных систем.
П. б. м. регулируется гормонами и др., биологически активными веществами. Так, некоторые стероидные гормоны, инсулин и др. увеличивают проницаемость мембран эритроцитов, мышечных и жировых клеток. П. б. м. возбудимых клеток (например, нервных) зависит от особых веществ -медиаторов (ацетилхолин и др.). На П. б. м. для ионов сильно влияют антибиотики (валиномицин, грамицидин, нонактин), а также некоторые синтетические полиэфиры. В исследованиях П. б. м. — одной из важнейших проблем молекулярной биологии — большое значение имеют модельные мембраны: липидные монослои, искусственные двухслойные мембраны, многослойные замкнутые мембраны (липосомы) и т.п. Для изучения П. б. м. широко применяются электро-химические, физические и химические методы.