Биологиялық мембраналар өтімділігі механизмі

«Астана медицина университеті» АҚ

Медбиофизика курсымен информатика, математика кафедрасы

 

 

 

 

 

СӨЖ

Тақырыбы: Биологиялық мембраналар өтімділігі механизмі.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I. Кіріспе.

II. Негізгі бөлім.

1. Биологиялық мембраналар.

2. Биологиялық мембрананың қызметі.

3. Өтімділік механизмі.

2. Пассивті тасымал (диффузия).

3. Фик теңдеуі.

4. Каналдардағы заттардың иондық тасымалы.

5. Биологиялық мембрананы зерттеу әдістері: оптикалық  микроскопия және электрондық микроскопия.

III. Қорытынды.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Кіріспе.

Ағзаның өмір сүруін оқып үйренудің күрделілігінің бірі тірі ағзаның жоғары құрылымдығы. Тірі ағзаның құрылымдық және функционалдық бірлігі негізгі өмірлік функциялары өтетін жасуша болып табылады. Жасуша қоршаған ортамен заттың, энергияның және ақпараттың  алмасуы жүретін ашық жүйені құрайды. Барлық жасушалар плазмалы (жасушалық) мембранамен қоршалған цитоплазмадан тұрады.

      Кез-келген  мембрана құрылымының негізін  липидтердің екі моноқабатынан  тұратын  екі липидтік қабат  құрайды. Екі қабаттың да гидрофобты  “құйрықтары” ішке қарап жатады. Бұл кезде молекуланың гидрофобты  бөлігінің сумен жанасуы азырақ  болады. Келесі гипотеза шындыққа  жанасады: мембрана сұйықтық-мозаикалық  түрде болады, яғни фосфолипидті  негіз–ақуыздар жүзіп жүретін  екі өлшемді еріткіштер түрінде болады.

Сараптамаларға сүйене отырып Даниэль мен Давсон  1935 ж. мембрана құрылымын ұсынды. Бұл моделде бір-біріне перпендикуляр орналасқан  фосфолипидтер молекуласының екі қабаты бар.

Даниэль – Давсон бойынша жасушалық мембрананың құрылысының схемасы.

Липидтер молекулаларының гидрофилды жағы сыртқа, гидрофобты –мембрананың ортасына қарай бағытталған. Гидрофобты жағы – бұл полярлы топтар құрамында жоқ, су молекулаларымен қосыла алмайтын бөлігі. Әдетте молекуланың  гидрофобты жағы органикалық қышқылдардың қаныққан көмірсуларының тізбегі түрінде болады.

Мембрана өз құрылымына қарай жазық конденсаторға ұқсайды, онда астарлары ретінде ақуыздардың беті алынса, ал диэлектриктің ролін липидті қабат орындайды. Жазық конденсатордың формуласын пайдалана отырып, мембрананың гидрофобты және гидрофилді бөліктеріндегі диэлектрик өтімділігін мембрана қалыңдығының шамасының өзгеру шегін біле отырып, бағалауға болады.

Қазіргі кезде пайдаланатын 1971 жылы  Николсон мен Сингер ұсынған құрылысы екі қабатты липидтерден тұратын биологиялық мембрананың сұйық – мозаикалы моделі болып табылады.

Мембрананың липидтері мен ақуыздары жылулық қозғалыстың әсерінен үлкен қозғалғыштыққа ие.

Липидтер мен ақуыздар (белоктар) орын алмастырып отырады және олардың мембрана жазықтығының бойымен орын алмастыруын латеральды диффузия, ал көлденең орын ауыстыруын флип – флоп деп атайды. Латеральды диффузияға липидтердің жоғарғы бөлігінің қозғалысы, ал «флип-флопқа» төменгі бөлігінің қозғалысы сәйкес келеді, яғни мембрананың екі жағындағы липидтердің орын ауыстыруы сирек процесс болып табылады.

Латериалды диффузияның нәтижесінде молекуланың  секіру жиілігі мынаған тең:

        (1)

D-латеральды диффузияның  коэффициенті; A- мембрананың беткі  қабатындағы бір молекуланың  алатын ауданы.

Бір бағыттағы молекуланың тұрғылықты өмірінің уақыты секіру жиілігіне кері пропорционал:    (2)

Сондықтан t уақыт ішіндегі молекуланың орташа квадраттық ығысуы мынаған тең:         =   (3) 

Мембраналар жоғары меншікті электр кедергісі (жуықтағанда 107Ом*м) мен жоғары сыйымдылыққа ( Ф/м2 мөлшерінде) ие болады. Мембраналық липидтердің диэлектрлік өтімділігі 2-ге тең.

Мембраналар саны көп әртүрлі ақуыздардан тұрады. Олардың саны көп болғаны соншалық мембрананың беттік керілуі «липид-су» ( ) бөлігіне қарағанда «ақуыз-су» ( ) бөлігінің шекарасындағы беттік керілудің шамасына жақын. Мембраналық ақуыздарының концентрациясы жасушаның түріне байланысты.

  Липосомалар  фосфолипидтерді полярлы ерітіндіге қосқанда пайда болады. Сонда өздігінен биқабатты тұйықталған құрылымдар түзіліп, ол минималды энергия күйге жауап береді. Липосомаларды табиғи мембраналарға бұзатын факторлар (ультрадыбыс, механикалық әсерлер) әсер еткенде де түзіледі. Липосомалар көмегімен емдік препарат үшін мембрананың өтімділігі анықталады. Сол үшін липосомаларды оқылатын препараттан тұратын ерітіндіден алады. Липосомалар тек ғылыми зерттеулерде ғана емес практикада да пайдалануға болады. Ішке емдік препараттың липосомасын ендіргенде оның жеткізілуі және  ұлпаға немесе мүшеге өтуі жеңілдейді. 

Температура төмендегенде мембрана сұйық кристалл күйден қатты кристалл күйге (гель-жағдайға) өтеді. Осындай ауысуда мембрананың жалпы құрылымы сақталады: липидтер сол қалпында екі қабат түзейді, бірақ жүйедегі тәртіп өзгереді: липидтердің «құйрықтары» бір-біріне параллель  орналасып, тербелістері шектеледі.

Биологиялық  мебраналар ағзада көптеген функциялар атқарады: олар тепе-теңдік емес жағдайдағы   ағзаны ұстап тұруға мүмкіндік беретін,  жасушаны жеке бөліктерге бөліп отыратын (компартаменттер) жасушаны (цитоплазматикалық мембраналар немесе плазмалемма деп аталатын) және  жасушалық органеллаларды қоршап тұрады; жасуша аралық байланысты түзейді, жасушаның  механикалық қорғайды, зат тасымалын,  нерв импульсін жүргізеді, АТФ синтезіне қатысады, кеңістікте ферментативті реакцияларды жүзеге асыратын мембрана ақуыздарының орналасуын,  рецепторлар және иммундық жүйенің қызметін қамтамасыз етеді.

Биологиялық ультрақұрылымды оқып уйрену мүмкіндігі электрондық микраскоп көмегімен анықтау болып табылады. Оның рұқсат ету мүмкіндігі жарық микраскопына қарағанда жоғары. Рұқсат ету шегі қазіргі кездегі микраскопта 0,51-км, ал үлкейтуі жүз мыңдаған есе жоғары болады. Электрондық  микраскопта жарық шоғы ретінде электрондар ағыны, ал линзаның рөлін электростаттық немесе электромагниттік өріс атқарады.

Сонымен қатар жасушаның құрылымын зерттеуде рентген құрылымды сараптама (рентген сәлелерінің дифракциясы) үлкен роль атқарады. Бұл әдіс дифракция құбылысына негізделген. Сараптамадан рентгенографияда объектінің құрылымын молекулалық және атомдық       деңгейдегі мәліметтері алынады. Жасушаның химиялық құрылымын зертеу үшін ультрахимиялық әртүрлі әдістері қолданылады. Бұл әдістер арқылы жасушадағы заттар мөлшері және жасуша құрамы алынады Содан кейін арнайы химиялық әдістер алынған заттардың сапалық  және сандық сараптамасы жасалады.

Бұл әдістер тобына мембрананың ақуыздар мен липидтерге   бөлінуін талқылау да жатады. Қазіргі кезде зерттеушілер мембрана ақуыздарының конформациясын оқып үйренуге көңіл бөліп отыр. Мұнда люминесценттік сараптама инфрақызыл спектраскопиясы, оптикалық белсенділікті өлшеу және т.б әдістері пайдаланылады.

Биологиялық мембрананың қызметі

- механикалық- мембраналар  жасуша мен оны қоршаған сыртқы  ортаны бөле отыра, жасушаның  салыстырмалы автономдылығын (дербес, жеке), біртұтастылығын қамтамасыз  етеді; - барьерлі (бөгетті) – жасушаның  қоршаған ортамен селективті (таңдамалы), реттелетін пассивті және активті  зат алмасуын қамтамасыз ету; - матрицалы- ақуыз- ферменттердің субстраттармен  салыстырмалы белгілі бір өзара  орналасуын қамтамасыз ету. Сонымен  қатар митохондрияның ішкі мембраналарында  АҮФ түзіледі; мембраналарда биопотенциалдар  өндіріледі, мембрананың қатысуымен  механикалық, акустикалық, иіс сезімдікті, дәм сезушілікті, көргенді қабылдау (рецепциясы) орындалады. Биомембрананың  атқаратын қызметін түсіну үшін, оның құрылысын қарастырайық. Әрбір  биомембрананың негізгі құрылыс  элементі — фосфолипидтер. Фосфолипидтер  құрамындаглицерин болады. Глицериннің  екі гидроксил тобына 12-ден 22-ге  дейін жұп санды көміртек атомдары  бар май қышқылдары байланысады. Глицериннің үшінші гидроксил  тобынафосфор қышқылының қалдығы, ал одан әрі қарай фосфолипидтің  құрылымын анықтайтын арнайы  радикал байланысқан. Мұндай радикалдарға: холин, инозитол, серин жөнеэтаноламин  жатады. Фосфолипидтің жалпы құрылымын  қарастырсак, оның май қышқылдарынан  құралатын майлы (гидрофобты) бөлігі  және фосфор қышқылының қалдығы  мен радикалдан тұратын (гидрофильді) бөлігі болады. Фосфолипидтер суда  бірден мембрана түзеді. Ол кезде  фосфолипидтердің майлы бөліктері  сумен байланысқа түспеуге тырысып, өзіне ұқсас фосфолипид бөліктерімен  жақындасады. Ал гидрофильдік бөліктері  сыртка суға қарай бағытталады. Осындай жолмен бірден екі  қабат фосфолипидтен тұратын, екі  қабатты мембрана түзіледі. Мембрананың  ішкі бөлігі екі қабат май  қышқылынан тұрады, ал сыртқы  қабатын екі қабаттан тұратын  фосфат қалдығы мен фосфолипид  радикалдары құрайды. Фосфолипидті  қос қабатты (биқабатты) мембрананың  негізгі қасиеттерін қарастырайык. Бұл мембрана майысқақтық және  қаттылық қасиет көрсетеді. Ол  арқылы су және гидрофильді  заттар өтпейді, ал гидрофобты  заттар оңай өтеді. Биомембрананың  фосфолипидті мембранадан ерекшелігі  — фосфолипидті мембранада сигналдарды  қабылдау және заттарды тасымалдау  қызметін атқаратын ерекше нәруыздардың  болуына байланысты. Мембрананың  сыртқы бетінде жеке органоидтер  мен ұлпаларды белгілеу қызметін  атқаратын әр түрлі нәруыздар  мен көмірсулар орналасады. Биомембрананың  арқасында жасушаның беткі жағы  аса төзімді және серпімділік  қасиетке ие болып, жеңіл жарақаттан  оңай жазылып, тез қалпына келеді. Заттардың белсенді тасымалдануы, иондар мен молекулалардың жасушаға биомембрана арқылы өтуі энергияның жұмсалуы арқылы жүреді. Оны арнайы тасымалдаушы нәруыздар жүзеге асырады. Сыртқы ортамен салыстырғанда, жасушадағы калий иондарының концентрациясы әрдайым жоғары болады. Ал натрийдің мөлшері жасушадағыға қарағанда жасушааралық сұйықтыкта әр уақытта жоғары болады. Жасуша мембранасының осындай таңдамалы өткізгіштігі жартылай өткізгіштік деп аталады.

Биологиялық мембрана арқылы заттардың тасымалы

Жасушадағы барлық жұмыс үрдістері тек АҮФ-ң энергиясын пайдаланумен жүреді.   Биофизикада заттың тасымалы дегеніміз заттың жасушаға не одан қоршаған ортаға орын ауыстыруы. Мембрананың өзі арқылы белгілі бір заттарды өткізу қабілеттілігі мембрананың өткізгіштігі (өтімділігі) деп аталады. Кезкелген мембрананың маңызды қызметі- органикалық және неорганикалық қосылыстарды тасымалдау. белсенді                                     Тасымал селқос Белсенді тасымал (БТ) - жасушаның метаболалық үрдістерінің энергиясын (АҮФ-ң гидролизінің энергиясын) жұмсауы арқылы жүреді, электрохимиялық градиентке қарсы (артуына қарай) иондар мен молекулалар тасымалы. БТ жасушаларға оған қажетті заттардың жасушаларда жиналуы үшін және одан заттардың қайта бөлініп шығуы үшін қажет. Иондарды БТ-у жүйесі (ионды насостар, ионды помпалар) иондардың жасуша мен жасушалар арасындағы ортада әртүрлі мөлшерде үлестірілуін қамтамасыз етеді. K+ жасуша ішінде, ал Na+ жасушааралық ортада көп болады. Концентрациялы градиенттің арқасында K+жасушадан шығады, ал  Na+ керісінше оған өтеді. Электрохимиялық градиент- концентрациялық және электрлік градиенттер жиынтығы. Селқос тасымал (СТ) бөлшектердің жоғары электрохимиялық градиент жағынан кіші жағына қарай орын ауыстыруы нәтижесінде орындалады. Осының нәтижесінде градиенттер кемиді. Жасушаның метаболалық үрдістерінің энергиясы осы тасымалға жұмсалмайды. СТ қандайда бір градиентте жинақталған энергия есебінен орындалады.

Тірі ағзаларға тән градиенттер: 1) концентрациялық 2) осмостық 3) электрлік 4) сұйықтың гидростатикалық қысымының градиенті Жүйенің қандайда бір параметрінің градиенті дегеніміз - осы параметрдің кезкелген екі нүктедегі мәндерінің айырмасын нүктелер арақашықтығына бөлгенге тең:  ; Градиент векторлық шама, оның бағыты параметрдің үлкен мәнінен кіші мәніне қарай бағытталады.       Пассивті тасымалдың негізгі теңдеуі Теорелл теңдеуі:  , мұндағы j – бірлік аудан арқылы бірлік уақытта өтетін заттың 1 моль санына тең болатын бөлшектер ағынының тығыздығы, u – бөлшектердің қозғалғыштығы, С – концентрация; - электрохимиялық потенциалдың градиенті, яғни оның  х арақашықтыққа байланысты өзгеру жылдамдығын көрсететін шама.  Теорелл теңдеуіне араластырылған ерітіндінің электрохимиялық потенциалына арналған өрнекті қойсақ:    ; Электрохимиялық потенциал БМ-ң бос энергиясына ферментті реакцияның қосатын үлесін сандық сипаттайды. Осыны Теорелл теңдеуіне қойып, жақшаны ашсақ    Нернст-Планк теңдеуі алынады:     ;            Мұндағы - берілген ерітінді үшін тұрақты шама; - универсал газ тұрақтысы; Т – абсолют температура; С – концентрация; Z – электролиттегі ион заряды; Кл/моль (Фарадей саны); - электрлік потенциал.          СТ-ң түрлері:  1) Диффузия (Қарапайым диффузия. Жеңілдетілген диффузия)                           2) Осмос                           3) Сүзу 1) Диффузия- молекулалардың жылулық хаосты қозғалысы нәтижесінде заттардың концентрациясы жоғары бөліктен концентрациясы төмен бөлігіне өздігінен өту үрдісі. Қарапайым диффузия кезінде диффузияланатын заттың молекулалары басқа молекулалармен комплекс құрмай қозғалады. Жеңілдетілген диффузия тасымалдағыш- молекулалардың қатысуымен жүреді.   Диффузияның математикалық өрнектелуін Фик тапқан: , мұндағы D – диффузия коэффициенті,  D= uRT.   Мембрана арқылы ағынның тығыздығы мынаған тең:    Осы теңдеу заттардың мембрана арқылы СТ-ы (диффузия)  үшін Фик заңы деп аталады.                        Р -  мембрананың өтімділік коэффициенті:   ; 2) Жасуша мембранасының жартылай өткізгіштік қасиеті бар, яғни ол бір заттарды жақсы, мысалы суды, ал басқа заттарды нашар өткізеді. Осыған байланысты су жасуша мембраналары арқылы осмостың нәтижесінде өтеді. Осмос- жартылай өткізгішті мембрана арқылы су молекулаларының еріген заттың аз концентрациясы жағынан концентрациясы үлкен жағына қарай қозғалысы. Судың жасушаға өтуі тоқтайды, жасуша мен оны қоршаған орта арасындағы осмостық қысымдар айырмасы 0-ге тең болғанда. Осмостық қысым- еріткіштің қозғалысын тудыратын күш. 3) Сүзу- гидростатикалық қысымның әсерінен қандайда бір аралықтың саңылаулары арқылы сұйықтықтың қозғалысы. СТ-ң 2-ші және 3-ші түрлері қан мен тін арасында судың алмасу үрдісінде мәні зор. Каналдардағы заттардың иондық тасымалы. Жасуша мембранасы арқылы заттардың тасымалы сумен толған саңылаулар, яғни мембрана каналдары (МК) арқылы жүреді.  Қазіргі заманғы қағидаға сәйкес, МК жасуша мембранасын жарып орналасқан интегралды ақуыздар (ақуыз комплексі) болып табылады. Хилл 1977-1984 ж. иондық каналдың жұмыс жасауының үлгісін ұсынды. Үлгіге сәйкес каналдың басты екі құраушысы бар: 1) таңдамалы сүзгі (белгілі бір заттарды ғана өткізеді), каналды құрайтын ақуыз комплексі осы кезде саңылаудың өлшемін өзгерте алмайды және мембрананың өтімділігін реттей алмайды. 2)  қақпалы механизм («каналдың қақпалары» мембрананың өтімділігін реттейді). Каналдың саңылауының өлшемі канал арқылы өтетін заттың өлшеміндей болады. Сол себепті канал арқылы заттың қозғалысы бір қатарлы. Каналдың қақпалары ақуыз комплексінің бір бөлігі болып табылады. Олар ширақталып, қайтадан жазылуға қабілетті. Соның салдарынан олар ақуыз комплексінің ішінде саңылау құрып, қайтадан жабылады. Канал екі жағдайда ғана болуы мүмкін: жабық не толық ашық. Каналдар арқылы мембранадан негізінен иондар өтеді.

Биологиялық мембрананы зерттеу әдістері: оптикалық  микроскопия және электрондық микроскопия

1. Оптикалық микроскопия. Жасушаның құрылымын зерттеу оптикалық микроскопты қолданылумен басталды. Кәдімгі жарық микроскопиясымен қатар қараңғы өрісті, интерференциялы, фазалы- контрасты, поляризациялық, ультракүлгін, электрондық микроскопия және т.б. кең түрде қолданылады.       Жарық микроскопымен жұмыс істеу принципі жарықтың сыну құбылысына және линзалардың оптикалық жүйесінің көмегімен кескіннің қалыптасуына негізделген.     Мембрананың құрылысын кәдімгі оптикалық микроскоппен көру мүмкін емес. Оны түсіну үшін микроскоптың ажырату шегін Z еске түсірейік. Ажырату шегі дегеніміз кескіндерін жеке көре алатындай екі нүктенің ең кіші арақашықтығы. Шынында Z тым кіші болса, соғұрлым құрал сапалы болады да, ол өте ұсақ құрылымдарды көруге мүмкіндік береді. Оптикалық микроскоптың ажырату шегін өрескел бағалау үшін мына қатынасты пайдаланамыз;

Формуладағы орнына көрінетін жарықтың толқын ұзындығының ең кіші мәнін () қойып, ажырату шегін аламыз:  Z =200 нм.    Бұл шама мембрананың қалыңдығынан 20 есе артық, сондықтан оптикалық микроскоппен мембрананы бақылау мүмкін емес.

Сонымен қатар микропроекция мен микрофотографияның да қолданылуы мүмкін. Микроскопиялық кескінді алу адамның қатысуымен орындалады және көзде нақты (дәл) кескін алынады. Әдетте кәдімгі микроскоп өздігінен нақты кескін бере алмайды. Бірақ объектіні суретке түсіру (микрофотография) үшін және экранда оның микроскопиялық кескінін проекциялау (микропроекция) үшін нақты кескін алыну керек. Ол үшін объектив (Об) беретін кескінді окулярдың (Ок) фокус аралығынан алысырақ орналастыру керек.

Қараңғы өрісті әдіс

Бекітілген және боялған препараттарды өтетін жарықта бақылау оптикалық микроскопияның кең тараған әдістерінің бірі болып табылады. Осы әдіс жарық өріс әдісі деп аталады (сурет 2 а). Соңғы уақытта практикаға бекітілмеген және боялмаған объектілерді микроскопиялау әдісі кең түрде енуде. Осындай объектілерді өтетін жарықта бақылау объектінің құрылымдарының элементтерінің және объект мен қоршаған орта арасында контрастылықтың болмауынан қажетті нәтиже бермейді. Осындай жағдайларда  қараңғы өрісте бақылау әдісі қолданылады (Сурет 2 б). Қараңғы өрісті микроскопия оптикалық қасиеттері бойынша қоршаған ортадан айырмашылығы бар, жарықты жұтпайтын, жарық өрісті әдісімен көрінбейтін мөлдір объектілерді микроскопиялық зерттеу әдісі болып табылады. Осындай объектілерге биообъектілер жатады. Осы әдістің принципінің мәні мынада: объект қырынан жарық шоғырымен жарықтандырылады. Осы кезде микроскоп объективіне көру аймағындағы объектілерден шағылған сәулелер ғана түседі. Сондықтан бақылаушы оларды қараңғы фонда жарқыраған түрде көреді.  Қараңғы өріс әдісі жарық фондағы микроскопиямен салыстырғанда аса ұсақ микрообъектілерді көруге мүмкіндік береді. Осы әдіспен объектінің ұсақ бөліктерінің нақты пішінін анықтау мүмкін емес, өйткені оның қараңғы өрісті кескіні объектінің шеттері жарқырап көрінеді.