Тақырыбы: Мембрана құрылысын және қызметін зерттеуге арналған қазіргі кездегі әдістер. Беттік керілу күштерін зерттеу. Мамандығы

КГМУ 1- 8-22/02

МУ «Организация методической работы

в соответствии с ГОСО 2006 года» от

04.07.2007 г

Қарағанды мемлекеттік медицина университеті

Медициналық биофизика және информатика кафедрасы

Практикалық сабақтарға арналған әдістемелік ұсыныс

Тақырыбы: Мембрана құрылысын және қызметін зерттеуге арналған қазіргі кездегі әдістер. Беттік керілу күштерін зерттеу.

Мамандығы: 5В130200 – «Стоматология»

Пән: OODO12 MB1112 медициналық биофизика

Курс: I

Құрастырушы: Оқытушы Бражанова А.К.

Қарағанды 2010

Кафедра мәжілісінде талқыланған

Хаттама № __ «__» ______2010_

Кафедра меңгерушісі ____________________ Койчубеков Б.К.
Тақырыбы: Мембрана құрылысын және қызметін зерттеуге арналған қазіргі кездегі әдістер. Беттік керілу күштерін зерттеу.

Сабақтың мақсаты:

Қазіргі заманда қолданылатын биологиялық мембраналарының құрылымы мен функцияларын зерттеу әдістері туралы анықтама алу.

Оқыту талаптары:

Нәтижесінде студент білуі керек:

Мембраналар биофизикасында қолданылатын негізгі терминдерді және анықтамаларды.
Мембраналар құрылымы тұралы білімдердің дамуының тарихи аспектілерін: Даниэли және Давсонмен, Робертсонмен, Сингермен және Николсонмен ұсынылған мембраналардың құрылымдарының үлгілерінің мембранологияның дамуындағы ролін.
Мембраналардың құрылымын зерттеген кезде қолданылатын негізгі әдістерін (рентгенқұрылымдық талдау, электронды микроскопия, флуоресценция зондтары, ЯМР, ЭПР).
Мембраналардың үлгілері мен тәжірибелік мәліметтер арасындағы байланыс.
Биомембраналарда ағатын негізгі оқиғалар.

Тақырыптың негізгі сұрақтары:

Мембрана құрылысы туралы зерттеулердің тарихи аспектілері. Липидті биқабаттың құрылымын дәлелдеу үшін алғашқы алынған мәліметтер. Даниэли және Давсонның мембраналар үлгілері. Робертсонның үлгісі.
Мембрананың құрылымын зерттеуге арналған әдістер. Рентген сәулелердің дифракциясы. Рентгенқұрылымдық талдау.
Мембрананың құрылымың зерттеуге арналған әдістер. Электрондық микроскопия. Электроноскопия «қатырып-ою» әдісі.
Мембрананың құрылымы туралы қазіргі уақытта қолданылатын ұғымдар. Сингер-Николстың сұйық кристалл үлгісі.
Мультиламелярлық липосомалар.
Моноламелярлық липосомалар
Протеолипосомалар.
Жалпақ биқабатты липидті мембраналар. Оларды алу схемасы
Трансмембраналық тасымалдану. Биологиялық мембраналар арқылы заттардың тасымалы.
Белсенсіз тасымалдану. Анықтамасы. Фик заңы.
Белсенсіз тасымалдану. Қарапайым диффузия. Анықтамасы. Классификациясы.
Белсенсіз тасымалдану. Жеңілдетілген диффузия. Анықтамасы. Классификациясы.
Жеңілдетілген диффузия. Тасымалдаушы-молекулалардың жұмыс істеу механизмі.
Белсенді тасымалдау. Электрогенді ионды насостар.

Оқыту тәсілдері :

(кіші топтармен жұмыс және жеке тапсырмаларды орындау)

Әдебиет

Негізгі

Антонов В.Ф. и соавт. «Биофизика» М. «Владос» 2000 г., стр.143-163.
Самойлов В.О. Медицинская биофизика, СПб:СпецЛит, 2004. стр.358-380.
Б.Көшенов. Медициналық биофизика. Алматы 2008

Бақылау:

Сабақтың тақырыбы бойынша бақылау сұрақтар

Мембраналар биофизикасының алдында тұрған негізгі мәселелер
Амфифильдік қабілеттігін қалай түсінесіз?
Мембрананың құрамына кіретін липидтік молекулалардың негізгі құрама бөліктері
Жасуша ішіндегі мембраналардың қандай түрлерін білесіз
Биологиялық мембраналар. Түрлері мен функциялары
Жасушаның негізгі мембраналық құрылымдары
Мембраналық липидтердің негізгі класстары
Мембраналық липидтердің негізгі функциялары
Липидтердің латеральдік диффузиясы
Липидтердің флип-флоп көшулері
Мембраналық ақуыздар. Түрлері мен функциялары
Мембраналарды зерттеу әдістері
Мембрананың құрылымын зерттеуге арналған әдістер. Рентген сәулелердің дифракциясы. Рентгенқұрылымдық талдау.
Мембрананың құрылымың зерттеуге арналған әдістер. Электрондық микроскопия. Электроноскопия «қатырып-ою» әдісі.
Трансмембраналық тасымалдану. Биологиялық мембраналар арқылы заттардың тасымалы.
Белсенсіз тасымалдану. Анықтамасы. Фик заңы.
Белсенсіз тасымалдану. Қарапайым диффузия. Анықтамасы. Классификациясы.
Белсенсіз тасымалдану. Жеңілдетілген диффузия. Анықтамасы. Классификациясы.
Жеңілдетілген диффузия. Тасымалдаушы-молекулалардың жұмыс істеу механизмі.
Белсенді тасымалдау. Электрогенді ионды насостар.

Тәжірибелік сабаққа дайындалуға арналған әдістемелік құрал.

1. МЕМБРАНАЛАРДЫҢ НЕГІЗГІ ҚАСИЕТТЕРІ МЕН ФУНКЦИЯЛАРЫ

Мембраналадың зерттеуімен биофизикадан бастап молекулярлық биологияға дейін түрлі ғылым салалары айналасады.

Жер жүзінде клеткалық емес өмір сүру формалар жоқ. Вирустер мен бактериофагтар есепке алынбайды, өйткені тірі клетканың қасиеттерінің көпшілігінен олар тек қана генетикалық программасың тұқымына беру қасиетіне ие болады.

Биологиялық физика клеткаларды зерттеу үшін физикалық тәсілдері дәл келетін тәжірибелік және теориялық модельдерді қолданады.

Эукариотикалық және прокариотикалық клеткалардың құрылуында және қызмет атқаруында мембраналардың маңызы аса жоғары. Мембраналар клетка ішіндегі компартменттерді құрайды, олар компартменттердің құрамына кіретін заттарды қоршаған ортадан бөлектейді. Мембраналар компартменттердің сыртқы және ішкі жақтар арасындағы әрекеттесулерді реттейді.

Химиялық метаболизм, синтез, энергияны қорландыру және оны өзгерту, молекулалардың және иондардың алмасуын реттеу мембаналдың аса маңызды физикалық және физикалық-химиялық функцияларына жатады /Сурет 1/.

Сурет 1.Мембраналар функциялары.

Клетканың ішінде түрлі төмен- және жоғарымолекулалық қосылыстар құрылады. Олар түрлі ферментативтік реакциялардың нәтижесінде пайда болады. Ферменттер өздері де клеткада құрылады. Кейбір клеткалық ферменттер трансмембраналық реакцияларды катализдейді /реагенттер мембрананың екі жағында орналасады немесе катализдік акт молекулалардың алмасуымен бірге жүреді/. Басқа ферменттер комплекстерді құрайды. Олар реакциялар тізбегін жүзеге асырады. Ферменттер мембраның жазықтығында орналасқаннан, процестердің нәтижелігі өседі. Кейбір ферменттер мембраналармен байланысқан субстраттармен әрекеттесіп, бембраналардың биосинтезіне қатысады. Мембраналардың қатысуымен прокариотикалық ДНҚ репликациясы, ақуыздардың биосинтезі мен бөлнуі, биоэнергетикалық процестер және гормондық жауап процестері жүреді.

Клеткалық ашық жүйесінде ағып жатқан процестер, бір жағынан энергияны жұмсайды, бірақ та клетка өзі энергияның қорландыруы мен өндіруіне қатысады. Клетка химиялық энергияны жинайды да /АТФ түрінде/, оны химиялық, электрлік, осмотикалық және механикалық жұмыстарға тросформациялайды. Биоэнергетикалық және биосинтездік функциялар зат алмасуымен байланысты.

Зат алмасуын жүргізумен қатар клетканің ішкі құрылымын сақтау тек қана мембраналардың пайда болуымен байланысты. Мембраналардың пайда болуы /компарментация/ биологиялық эволюцияны жеделдетті.

Клетка ішіндегі процестер клетканың органоидтерінің бөлуімен реттеледі. Клетка ішіндегі мембраналар клетканың ішкі құрылымын компарментациялау қызметін атқарады

Биологиялық мембраналар деп цитоплазманы және клетканы құрайтын көптеген элементтерді шектейтін және каналшалардан, қыртыстардан, қуыстардан тұратын біріктірген жүйені құрайтын бірнеше молекулярлық қабатты функционалды құрылымдарды атайды.

Биологиялық мембраналардың қалыңдығы 10 нм. жоғары болмайды, бірақ та оның құрамында негізгі молекулярлық элементтер /липидтер, ақуыздар/ көп болғандықтан олардың салмағы клетканың салмағының жартысынан көбірек болады.

Биологиялық мембраналар – табиғаттағы ең алғашқы және универсалды молекаүстілік құрылымдар. Олардың екі өлшеудегі ұзындығы қалындығынан едәуір жоғары. Бірақ, мембрананың қызмет атқару қабілеті үшін жауап беретін механизмдер оның қалыңдығымен байланысты.

Мембрананың құрылымы және функциялары ұғымдарына сүйене отырып, олардың құрылымдық және функционалдық әртүрлілігінің молекулярлық-биологиялық негіздерді анықтау негізгі міндет болып табылады.

Мембраналды зерттегенде, көптеген ағзалардың мембраналарың салыстырмалы зерттеудің арқасында табыстарға жетті. Бактериалды клеткалардың сыртқы мембранасы өте қарапайым, оларды модификациялауға болады. Вирустар жануарлардың клеткаларына олардың цитоплазмалық мембранасы арқылы енгізіледі. Вирустық ақуыздардың пісіп-жетілуін зерттеу арқылы мембраналық ақуыздардың биосинтезі процесің түсінуге болады.

2. КЛЕТКАНЫҢ НЕГІЗГІ МЕМБРАНАЛЫҚ ҚҰРЫЛЫМДАРЫ ЖӘНЕ ОЛАРДЫҢ ҚЫСҚАША СИПАТТАМАСЫ

1. Плазматикалық мембрана. Плазматикалық мембрана клетканы сыртқы ортадан шектейді. Оның құрамына арнаулы компоненттер кіреді, олар клетка аралық контакттарға және әрекеттесулерге қатысады, гормандық жауабы және молекалардың алмасуы үшін жауап береді.

2. Ядролық мембрана. Интерфазалық қалыптағы клетканың ядролық мембрананың түрі – екі элементарлы мембрана, арасына перинуклеарлы кеңістік. Морфологиялық белгісі – саңылаутүрлі құрылымдар /диаметрі – 600А./ Олар октагоналды торды құрайтын, морфологиялық компоненттерден тұрады. Бұл құрылымдар орналасқан жерде ішкі және сыртқы ядролық мембраналар құйлған болып көрінеді. Саңылаулар мРНК-ақуыз комплексіне ядродан цитоплазмаға ал реттеуші ақуыздарға кері қарай өтуге мүмкіндік береді деп саналады.

3. Эндоплазмалық ретикулум (ЭР) – цистерна және түтікше тәрізді құрылымдардың күрделі желісі. Ол жануарлардың клеткасының ішкі көлемінің едәуір бөлігін қамтиді. Негізгі ролі – ақуыздар биосинтездендірілетін орын, олар содан кейін шығарылады және лизосомаларға не плазмалық мембранаға кіреді. Клетка үшін қауіп туғызатын гидролиздік ферменттер ЭР-да процессингке ұшырайды. ЭР-мен рибосомалар қатынаста /бұжырлы ЭР/. Құрамына рибосомалар кірмейтін, ЭР-ның облыстары майда ЭР болып аталады. Мұнда стеролдардың биосинтезі, детоксикация және май қышқылдардың денатурациясы жүзеге асырылады. Бұл процестер b₅ және Р450 цитохромдардың қатысуымен жүретін, электрондардың алмасуының жүйесіне кіреді

4. Гольджи аппараты. Бұл органелла жалпақ қаптардан /цистерналардан/ тұрады. Негізгі функция – эндоплазмалық ретикулумда синтездендірілген, гликопротеиндерді посттрансляциялық модификациялау. Олар содан кейін плазмалық мембранаға кіреді және лизосомаларға жеткізіледі. Бұл органеллалардың құрамына гликозидазалар және гликозилтрансферазалар кіреді, олар ақуыз процессингке ұшырағанда, Гольджи аппаратының басынан /цис-облыс/ оның аяғына барады /транс-облыс/

5. Лизосомалар. Бұл органеллалар макромолекулалардың деградациясы үшін жауапты және оның құрамына протеазалар және липазалар сияқты гидролитикалық ферменттер кіреді. Эндоцитозбен және фагоцитозбен алып қалынған заттар лизосомаларға везикулалар арқылы жеткізіледі. Лизосомаларда клеткалық компоненттер ыдырайды.

6. Пероксисомалар. Бұл органеллалардың құрамына тотықтандыратың ферменттер кіреді, олар АМҚ, ксантин және МҚ сияқты кішкене молекулаларды деградацияға ұшыратады. Пероксисомалардың құрамына асқын тотықтарды ыдырататын каталаза кіреді, сондықтан оларды солай атап кеткен.

7. Митохондриялар. Бұл органеллаларда тотықтандыру фосфорлендіру жүзеге асырылады, оның нәтижесінде сукцинат сияқты субстраттың тотықтануының нәтижесінде АТФ пайда болады. Митохондрияларды екі мембрана құрайды, олардың арасында аралық бар. Митохондриялардың ішкі аймаға матрикс деп аталады. Ішкі мембрана кристалар деп аталатын далдаларды құрайды, олар электрондардың алмасуы мен АТФ синтезіне қатысады.

8. Хлоропласттар. Құрамына фотосинтездік аппарат кіреді. Құрамы - екі мембранадан тұратын, сыртқы қабық және ішкі строма. Строманың ішінде тилакоидтік мембраналар орналасады, олар фотосинтез процесі үшін жауапты.

3. МЕМБРАНАЛАР БИОФИЗИКАНЫҢ НЕГІЗГІ МӘСЕЛЕЛЕРІ

Мембраналар тек қана жартылай өткізетін, пассивті қабықтар емес, олар клетканың бүкіл маңызды функцияларына қатысады, олар бүкіл органеллалардың құрамына кіреді. Адам ағзасының мембраналырың жалпы ауданы – бірнеше жүз гектар.

Фотосинтездік және тотықтандыру фосфорлендіру, клеткалардың бөлінуі, зат алмасуы, қозу және жүйке импульсын өткізу, сенсорлық рецепция, эмбриогенез және тағы басқа аса маңызды өмір сүру процесстер мембранардың қатысуымен жүзеге асырылады. Цитоплазмалық мембрананың ішкі жағының және цитоқаңқаның арасындағы байланыс клетканың қозғалуын және функционалды белсенділігін қамтамасыз етеді. Мембраналар олигомерлі ферменттердің және полиферментті комплекстердің топографиясын және ішкі құрамын анықтайды, молекулалардың әрекеттесуі арқылы ферменттердің белсенділік және өзіндік деңгейін реттейді.

Плазмалық және органеллалардың мембраналарында пассивтік өткізудің иондық каналдары (натрийлік, калийлік, кальцийлік, хлорлық, протондық), және олардың электрохимиялық потенциалдарының градиенттеріне қарсы иондарды белсенді түрде тасу жүйелері (натрийлік, протондық, кальцийлік сорғылар) орналасқан, олардың қатысуымен иондық гомеостаз қалпында сақталады. Мембраналдың осы элементтерімен мембраналық потенциалды және жүйке-бұлшық еттер жүйенің спайктік белсенділігін қалыптастыру байланысты. Мембраналарда органикалық заттарды симпорт және антипорт меанизмдері арқылы сұрыптау тасымалдау жүйелері орналасқан /натрий және калий протондарымен бірге/.

Мембраналардың кеңістіктік-уақыттық қалыптасуы бірқатар факторлармен байланысты. Мембраналарла құрылымына қарай ерекшеленген, бірақта функционалды біріктірілген матрикстер бар: құрамына интегралды және перифериялық ақуыздар кіретін, липидті биқабат /екі өлшемді құрылым/ және үш өлшемді ақуыздық каркас.

Мембраналардың липидті және ақуызды молекулалардың мембраналардың жазықтығында латеральдік жылжу қабілеті өте жоғары.

Биологиялық мембраналардың ақуыздары, липидтері және гликопротеидтері жоғары латеральдық гетерогендікпен және көлденең симметриямен сипатталады. Бұнымен функционалды блоктардың кеңістіктік дарашылдығы, тасымалдаушы, рецепторлық механохимиялық комплекстердің кооперациясы, сигналдарды рецепциялауғанда анық шектеу және тағы басқа қабілеттер байланысты. Нативті биомембраналардың липидтері сұйықкристаллды немесе гельдік қалыпта болады. Әртүрлі фазалар пайда болады, олар түрлі липидті молекулалардың гетерогенді таратылуымен сипатталады.

Биологиялық мембраналар – термодинамикалық тепе-теңдік жүйелер болып қарастырылады, бірақта мұндай көз қарас объектіге адекватты емес.

Клеткалық мембраналар –шекаралық құрылымдар. Олардың қатысуымен затпен және энергиямен алмасу қайтымсыз процестер ағады. Оларды термодинамикалық тепе-теңдіктен алыс «белсенді орта» деп санауға болады. Мұндай тепе-теңсіздік жүйелерде автотолқынды процестер пайда болуы мүмкін. Автотолқындар мембраналарда мембранааралық әрекеттесу үшін да маңызды

Жоғары ағзалардың мембраналары бірімен-бірі гормондар мен нейрондардың көмегімен әрекетке түседі, ал ішкі коммуникацияларды келістіруші молекулалар /екінші қайтара мессенджерлер/ қамсыздандырады. Клеткаға арналған сигналдық молекулалар рецепторларға түседі, алынған ақпаратты мембрана өзгертеді да келістіруші молекулалардың көмегімен клеткалық процестерді реттейді /мысалы, секреция, осу немесе метаболизм/. Сигналды молекулаларды танудың молекулярлы механизмдері және ақпаратты өзгерту механизмдері әлі зерттелмеген.

АТФ синтетазалардағы және ион-тасымалдаушы АТФ-азалардағы электрондонорлы және электронакцепторлы процестерді зерттеу мембраналар биофизиканың маңызды мәселесі болып табылады. Физиканың мембранологияға қосқан үлесі: химиялық және тасымалдау процестердің диссипативсіздік қос кернеулігін қамтамасыз ететін молекулярлық машиналар жайлы ұғым.

Сонымен, мембраналар биофизиканың мәселелері болып келесі мәселелер табылады:

Мембраналардың молекулярлық құрылымы, функционалдықты анықтайтын, мембраналық құрылымның динамикалық қасиеттері.
Клеткадан клеткаға заттарды тасымалдаудағы мембраналардың ролі. Белсенді және пассивті тасымалдаудың және мембрананың құрылымының функционалдығын қарастыру. Құрылым мен функция арасындағы байланысты анықтау.
Мембрананың қозуының физикалық табиғатын тану.
Мембраналардың биоэнергетикасын зерттеу
Рецепция процестердің физикасын зерттеу

4. МЕМБРАНОЛОГИЯНЫ ҚОЛДАНУ АСПЕКТІЛЕРІ

Мембранар технологиясы соңғы 30 жылда аса дамыған. Оның құрамына кері осмос, газдарды бөлу, заттын бақылау шығарылуы сияқты процестер кіреді. Бұл процестердің барлығы заттың трансмембраналық тасымалдауына негізделеді.

Мембраналық технологиялардың көбісі целлюлоза мен оның туындылардың (нитроцеллюлоза, ацетатцеллюлоза) негізінде алынған. Каппилярлы мембраналар жасанды бүйректі жасағанда, қолданған /Махон, Стюарт, Сарни, 1967 ж./. Оның гемодиализді модулінің құрамына 11000 талшық кірді, белсенді ауданы – 1 ш.м.

Микрофильтрация соғыс кезінде судың бактериалдық улануың анықтау үшін қолданылған, қазіргі уақытта оны зарасыздандырылған ерітінділерді алу үшін қолданады.

Ультрафильтрация құбылысын қоршаған ортаның ластануын және құнды қосалқы өнімдердің регенерациялауын бақылау үшін қолданады. «Мембраналық өкпелер» АҚШ-да 20% хирургиялық операцияларда қолданады.

Мембраналық электродтар және заттардың бақыланып жұмсалуы және шығарылуы – келесі мембраналарды қолдану технологиясы. Мембраналық технологияларға жасанды биқабатты мембраналардың қолдануымен жүргізілетін, түрлі препараттарды тестілеу жатады.

5 МЕМБРАНАНЫҢ ЛИПИДТІК ҚҰРАМЫ

Мембраналық липидтердің негізгі функциясы - биқабаттық матриксті қалыптастыру. Негізгі класс - глицерофосфатидтер.

Глицерола деп аталатын гидроксильді топ, құрамына фосфат кіретін, полярлы топтанумен байланыста. Екі басқа гидроксильді топ гидрофобтық қалдықтармен байланысады. Табиғаттағы фосфолипидтер конфигурациясы D болады.

Фосфоглицеридтердің көбісінде фосфаттық топ глицеролдың sn-З-қалыпында жатады, ол холинді, этаноламинді, миоинозитольды, серинді немесе глицерольды тобымен байланады.

Сурет 1. Глицерофосфатидтің құрамы

Майлы қышқылдардың құрамына ылғи көміртек атомдарының жұп саны креді/14-тен 24-ке дейін/. Ең жиі кездесетіндері - С16, С18 и С20. Қанықпағандықтың дәрежесі түрлі болады, бірақ та жиі кездесетіндері - 18:1, 18:2, 18:3 и 20:4.

Сурет 2. Мембраналардың липидтерінің майлы қышқылдары.

Табиғатта кездесетін қышқылдар екілік байланыстардың цис-конфигурациясымен сипатталады. Мұндай конфигурацияда тізбек омырылуға ұшырайды, биқабаттағы липидті молекулалардың түйюлуі бұзылады. Фосфолипидтердің көбісінің құрамына бір қаныққан және бір қанықпаған тізбек кіреді. Жануарлардың клеткаларында қанықпаған тізбек глицеролдың sn-2-қалпында жатады. Е. coli клеткалары үшін да солай болады. Полиқанықпаған тізбектерде екілік байланыстар өте жиі кернеусіз болады. Кейбір бактериялардың фосфолипидтері бұталанған және құрамына циклдер /циклопропан/ кіретін тізбектерден тұрады.

Сурет 3. Фосфатидилхолинның құрамы.

Кардиолипиндер немесе дифосфатидилглицеролдар - фосфолипидтердің димерлі түрлері. Митохондриялардың, хлоропластардың және кейбір бактериялардың мембраналарында жиі кездеседі

Плазмалогендер. Бұл фосфоглицеролипидтердің бір көміртектік тізбегі - қарапайым винилдық эфир. Этаноламиндық плазмалогендер миелинде және жүректің саркоплазмалық ретикулумында жиі кездеседі

6. МЕМБРАНАДАҒЫ МОЛЕКУЛЯРЛЫҚ КОМПОНЕНТТЕРДІҢ ҚОЗҒАЛҒЫШТЫҒЫ

6.1. Липидтердің қозғалғыштығының түрлері.

6.1.1 Латеральды диффузия

Латеральды диффузия дегеніміз - липидтердің бір моноқабаттың ішіндегі жылжуы. Бұл процесс өте жылдам жүреді. Латеральдық диффузияның коэффициенті - 10^-7-10^-8 см²/с. t уақыты ішіндегі молекула өтетін, орташаршылы қашықтық келесі формуламен есептеледі:

(2).

Орта мөлшерлі липидтік молекула бір секунданың ішінде үлкен бактериялық клетканың ұзындығына тең қашықтықты (≈2 мкм) өтеді. Латеральды диффузияның жылдамдығы мембраналардың липидтік құрамынан және температурадан тәуелді.

6.1.2. Флип-флоп көшулер

Флип-флоп көшулер дегеніміз трансбиқабаттық жылжу. Молекулалар бір қабаттан басқа қабатқа өте сирек көшеді. Жылдамдығы өте төмен: бір фосфолипидтік молекула жұмада бір рет флип-флоп көшуді жүзеге асырады. Бұл кішкентай жылдамдық липидтің полярлық басына мембрананың көмірсулы облысың өту керектігімен байланысты. Кейбір интегралды /біріктіруші/ ақуыздар флип-флоп көшуді тездетеді.

6.2. Ақуыздардың қозғалғыштығының түрлері

Мембраналық ақуыздар мембрананың бір қабатынан басқа қабатына липидтер сияқты секіре ала алмайды. Бірақ олар өз өсі бойымен айнала алады /айналдыру диффузия/.

Ақуыздардың көбісі латеральды диффузия арқылы да жылжи алады. Оның жылдамдығын флуоресцнцияның қалыптасуы әдісі арқылы өлшеуге болады. Родопсин молекуласы үшін диффузия коэффициенті Д 5•10^-9см²с^-1 тең болды. Бұл фосфолипидтердің диффузия коэффициентісінен екі есе төмен, бірақ та басқа ақуыздармен салыстырғанда ең жоғары шама болып саналады.

Табиғатта кездесетін ақуыздардың латеральды және айналу диффузиялардың константалары 10^-10-10^-12 см²/с интервалында жатады.

Мембраналардағы липидті және ақуызды молекулалардың латеральды және айналдыру диффузия коэффициенттері келесі жайды дәлелдейді: физиологиялық қалыпта мембраналық жүйелер екіөлшемді сұйықтықтың қасиеттерімен сипатталады.

Бұл орталардың тұтқырлығы (η) Стокс-Эйнштейннің теңдеуімен есептеледі.

(3.14).

мұнда r- жылжитын молекуланың радиусы.

Табиғаттық мембраналар өз қызметін керекті деңгейде атқару үшін, олардың көмірсулы аймағы сұйық қалыпта болу керек, ал тұтқырлығы зәйтун /оливковое/ майдың тұтқырлығына тең болу керек.
7. МЕМБРАНАЛЫҚ АҚУЫЗДАР. МЕМБРАНАЛЫҚ АҚУЫЗДАРДЫҢ ТҮРЛЕРІ МЕН ФУНКЦИЯЛАРЫ.

Липидтердің мембраналардағы негізгі ролі - биқабатты құрылымды тұрақтандыру, ал ақуыздар биомембраналардың белсенді компоненттері болып табылады.

Мембраналардың ақуыздық құрамы әртүрлілік, олардың молекулярлық массасы 10000-наң 240000-ға дейін жетеді.

Мембраналардың ақуыздары интегралды және перифериялық ақуыздарға бөлінеді. Интегралды ақуыздардың құрамына кең көлемді гидрофобтық аймақтар кіреді, және олар суда ерімейді.

Құрамына сәйкес ақуыздар b-қабаттар мен a-спиральдарға бөлінеді.

Мембранаға бекітілуіне қарай төрт түрлі болады. (Сурет 1).

Функциясына сәйкес ферменттік, тасымалдаушы, реттеуші және тіректі-құрылысшы ақуыздар болады.
8. МЕМБРАНА ҚҰРЫЛЫМЫН ЗЕРТТЕУ ӘДІСТЕРІ ЖӘНЕ ОЛАРДЫҢ ДАМУЫ.

Рентген сәулелердің дифракциясы

Бұл әдіс арқылы жоғарыреттелген кристаллдық үлгілерді зерттегенде, құрылым жайлы көп мәліметтерді алуға болады, егер де препарат реттелмеген болса бұл әдістің мүмкіндіктері шектелген.

Жүйке талшықтардың миелиндік қабықтары және фоторецепторлық клеткалар өте жоғары реттелген құрылымдар болып табылады, сондықтан оларды арнайы өңдеусіз ақ рентгенқұрылымдық әдісімен зерттеуге болады. Дифракциялық бейне бізге үш қабатты көрсетеді: екі шеткі қабаттардың электронды тығыздығы өте жоғары, ал орта қабаттың тығыздығы төмен. Миелиндік мембраналар үшін төмен электронды тығыздық сұйық көмірсулардың тығыздығына сәйкес келеді. Фосфолипидті молекулалардың фосфатты топтары жоғары электронды тығыздықпен сиаптталатын қабаттарды құрайды. Ал ақуыздардың молекулаларының көбісі липидтік қабаттың сыртында жататын шығар.

Электрондық микроскопия

Зерттелетін препараттар осмиймен боялады да микроскоп арқылы зерттледі. Робертсон «унитарлы» деп атап кеткен, құрамына электрондық тығыздығы жоғары, арасындағы қашықтығы 80А екі қабат кіретін, үшқабатты құрылымды жиі көруге болады. Ақуыздың мембранаға енуін қатырып ою әдісімен зерттейді /Сурет 5/.

Сурет 5. Мембраналарды қатыррып ою әдісі арқылы зерттеу. А. Қатырылған клетканың жарықшасының жазықтғы түрлі мембраналардың орта бөлігінен өтеді. Б. Жарықшаның екі бөлігі айырылады. В. Қабат үстіндегі детальдерін анықтау үшін үлгіні вакуумда возгонкадан өткізеді. Г. Үлгіні платинамен, одан кейін көміртекпен бүркеді, солай үлгінің үстінен репликаны аламыз. Д. Репликаны препараттан бөліп алады да электронды микроскоппен зерттейді

9. СИНГЕР-НИКОЛСТЫҢ СҰЙЫҚ-КРИСТАЛЛДЫҚ ҮЛГІСІ

Даниели-Давсонс және Робертсонның үлгісі бойынша липид-плазмалық мембрана биқабатты құрылымды құрайды /бутербродқа ұқсас, екі кесек нанға май жағылған және олар біріне бірі жапсырылған/. Ақуыз қабаты және липид қабаты біртекті.

1970 жылдан бастап динамикалық қасиеттері иен олардың мембраналық функцияларымен байланысы зерттеле басталған.

Мембраналық липидтер ортада орналасқан бимолекулалық қабатты құрайды. Кейбір ақуыздар мембрананың үстінде орналасады, басқалары мембрананы кесіп өтеді /Сурет 6/. Арнайы мембраналарда ерекше ақуыздар жиналған, облыстар болады /мысалы, саркоплазмалық тізбектің мембранасында Са²⁺, АТФазаның жиналуы/.

Сурет 6. Плазмалық мембрананың құрамы

Қазіргі уақытта ақуыздар жеке глобулалар түрінде мембрананың үстінде жүзіп жүреді деп саналады, Олар жоғары немесе төменгі мөлшерде мембранаға матырылады /Сингердің сұйық-мозаикалық үлгісі, 1966/. Бұл үлгі бірқатар факторларды түсіндіруге мұмкіндік береді. Мысалы, мембраналардың көптеген физиологиялық функцияларының оның ағымдылығынан тәуелдігін анықтайды.

Ақуыздық-кристаллдық үлгі тек қана келесі постулатпен ерекшеленеді: мембранада ақуыз-ақуыз байланыстардың нәтижесінде қатты ақуызды құрылым пайда болады /Сурет 7/.

Сурет 7. Плазмалық мембрананың сұйық-мозаикалық үлгісі.

10. МЕМБРАНАЛАРДЫ ЗЕРТТЕУ ҮШІН АРНАЛҒАН МОДЕЛЬДІК ЖҮЙЕЛЕР.

Мембраналарды құрайтын липидтердің көбісі, олардың үстіне су қосқанда, ерімей бір қабатқа қатар тұрады. Олардың полярлық топтары суда, ал гидрофобты топтары ауада орналасады, мономолекулярлы қабатты құрып, жайылады.

Жасанды биқабатты мембраналар.

Липосомаларды немесе фосфолипидті везикулаларды липидтерді суға шашырату арқылы алады /Сурет 9/. Табиғатта жиі кездесетін липосомалар - мультиламеллярлық липосомалар.

Сурет 10. Бірқабатты липосомалардың құрылу схемасы (Антонов В.Ф. 2000)

Мультиламелярлық липосомалар.

Әрекеттесулердің мінезіне сәйкес не мульти-, не моноламелярлы липосомалар пайда болады /сурет 11/.

Сурет 11. Фосфолипидтік везикулалардың құрылуы (Рубин А.Б.,1999)

Қарапайым механикалық әрекеттесулердің нәтижесінде көпқабатты бөліктер пайда болады /диаметрі бірнеше микрометр/. Көпқабатты липосоманың жеке бимолекулалық қабаттары су ортасымен ерекшеленеді. Липидті қабаттардың қалындығы 6,5 - 7,5 нм, ал ара қашықтық - 1,5 - 2 нм. Көпқабатты липосоманың диаметрі 60 нм мен 400 нм арасында.

Бұл бөліктерде липидті биқабаттар ішкі фазаны сыртқы ерітіндіден бөледі. Бұнымен байланысты мультиламелярлы липосомаларды липидті биқабаттың барьерлық функциясын зерттеу үшін қолданады.

Мультиламелярлы липосомалар осмостық белсенді, сыртқы ортаның осмостық қасиеттері өзгергенде олардың көлемі өзгереді.

Моноламеллярлық липосомалар.

Ультрадыбыстың әсерінен моноламеллярлық везикулалар /20-40 нм./ пайда болады. Моноламеллярлық липосомаларды көптеген мидико-биологиялық зерттеулерде қолданады. Бірақ, олардың кішкентай көлемі мен осмостық пассивтілігімен байланысты зерттеулерге кедергі жасайды. Қазіргі заманда диаметрі 100 нм. астам үлкен моноламелярлы липосомаларды жасау әдістемелер дамыған.

Протеолипосомалар.

Көптеген мембраналық ақуыздарды жасанды везикулалық мембраналардың құрамына енгізуге болады. Ондай комбинативті жүйелер протеолипосомалар деп аталады. Ақуыздарды енгізу тиімділігі мембраналардың липидті құрамынан, рН, тұздық құрамынан, температурадан және т.б. тәуелді. Егер де детергенттер қосылса, ақуыз молекулалардың ену тиімділігі өседі.

Медицинада липосомаларды дәрілерді ағзалар мен тіндерге жеткізу үшін фосфолипидті микрокапсула ретінде қолданады /мысалы, инсулин/.

Жалпақ биқабатты липидті мембраналар және олардың қалыптасу схемасы.

Жұқа гидрофобты материалдардың кішкене тесіктерінде липидтер биқабатты құрылымдарды /қара пленкаларды/ құрайды. Бұл құбылыс алғашқы рет О. Мюллермен зерттелген. Ол екі су фазаны шектейтін, ауданы0,5-5,0 мм² тефлондық қалқаның кішкене тесіктерінде мидің фосфолипидтерінен БЛМ алған.

БЛМ қалыптасу процесі сұйық көмірсуларда ерітілген липидті тефлондық стақанға жағудан басталады /сурет 12/.

Сурет 12. Бимолекулалық липидті мембраналарды дайындау. (1) шыны стақанға (2) электролит ерітіндіні орнатады және (4) тесігі бар тефлонды ыдысты ішіне малтырады.

Тесікте БЛМ қалыптастырады /Сурет 13/. Капиллярмен тесікке фосфолипидтің кішкене тамшысын орнатады. Фосфолипидтің молекулалары келесі түрде орналасады: Полярлық бастар су ортасына қарайды, ал гидрофобты құйрықтар тамшының ішіне тығылады. Біртіндеп тамшыдан ерітуші кетеді да тамшы липидті пленкаға айналады.

Сурет 13. БЛМ тефлон ыдыстың қабырғасында пайда болуы. А - (4) капиллярдың көмегімен (3) ыдыстың қабырғасындағы тесікке (5) гептандағы фосфолипид ерітіндісінің тамшысын енгіземіз

Пленканың мінезін анықтайтын бас күштері - (σ) фазааралық /үстінгі/ тұтқырлық және ван-дер ваальс күштері.

Алғашқы уақытта липидті пленканың қалындығы 100 нм-ден жоғары болады /Сурет 14/.

Сурет 14. БЛП құрылу кезеңдері (I-қалың мембрана, II - дөңес линзатүрлі мембрана, III - БЛМ):

Пленканың жіңішкеруін және БЛМ құрылуын шағылысу сәулесі арқылы байқауға болады. Алғашқы кезенде, пленка қалын болғанда, ол кәдімгі макродене сияқты көрінеді. Пленканың қалындығы түскен жарықтын толқын ұзындығына жақындағанда, сәулелердің интерференциясы /Ньютон сақиналары/ пайда болады. Мембрананың үстінде түсті оюлар пайда болады. Биқабатты липидті құрылымдар боялған түсте қара болып көрінеді, сондықтан, олар қара пленка деп аталып кетті. Ондай пленкалардың төмен шағылу қабілеті келесі фактпен байланысты. Пленканың алдынғы және артынғы жазықтықтарынан шағылған сәулелер қарсы фазада тұрады да, бір-бірін сөндіреді.

Қарайғаннан кейін, 15-20 минут арасында үстінгі тұтқырлық төмендейді де, БЛМ-ның электрік сыйымдылығы кейбір стационарлы мәндерге жеткенше өседі /сурет 15/.

Сурет 15. Жалпақ биқабатты липидті мембрананың құрылуы

БЛП-дың электрлік сипаттамалары және басқа физикалық-химиялық қасиеттері биологиялық мембраналардың қасиеттеріне ұқсас. Бірақ олардың метаболизмдік белсенділігі өте томен.

Жалпақ липидті мембраналар, липосомалармен қатар мембраналардың электрлік қасиеттерін, өткізгіштігін және басқа қасиеттерін зерттеу үшін қолданады. Модельді мембраналардың көмегімен баръерлік, селетивтік /су үшін жоғары, ал иондар үшін төмен деңгейдегі өткізгіштік/ қасиеттерін зерттеуге болады. Модельдік мембранаға тасымалдаушы-молекулаларды енгізіп, биологиялық тасымалдауды модельдеуге болады.

Мембрананың құрылымының және функцияларының зерттеуі, табыстар мен жетістіктер ең алдымен модельді эксперименттерден алынған мәліметтерде негізделеді.