Қоздырғыш клеткалардың биофизикасы

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 электрон акцепторлы 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:

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

 

Мембранологиының  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.

 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.

 

 

Сүрет 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.

 

 

Сүрет 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.

 

Сүрет 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

 

Мембранадаңы  липидтік молекулалардың қозалғыштығы

1. Липидтердің  қозғалғыштығының түрлері.

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.

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.

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.

 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. (сүрет 1).

 

 

Функциясына сәйкес ферменттік, тасымалдаушы, реттеуші және тіректі-құрылысшы ақуыздар болады.

 

ЭЛЕКТРОҚОЗУ ҰҒЫМЫ. ТЫНЫМ ПОТЕНЦИАЛЫ.

 

Қозатын ұлпаларға жүйке, бұлшық және безді ұлпалар жатады. Олар қозушының  әсеріне қозудың пайда болуымен жауап береді.

Қозу - әрекет потенциалының генерациясы, оның таралуы  және сол потенциалға ұлпаның  спеуцификалық жауабы - медиатордың  не секреттің квантының шығуы.

    Ұлпалар мен клеткаларда келесі электір потенциалдардың айырмалары болуы мүмкін:

1) тотықтану-қалпына келу потенциалдары  - бір молекулалардан басқа молекулаларға  электрондардың тасуының әсерінен;

2) мембраналық - иондардың концентрация  градиентінің әсерінен және иондардың  мембрана арқылы тасымалдануының  әсерінен.

 

Ағзадағы  тіркелетін биопотенциал көбінесе мембраналық  болады (сурет 1).

Сурет 1. Трансмембраналық потенциалдың генерацисының үш тәсілін бейнелейтін, схема. In vivo иондардың биомембраналар арқылы тасымалдауы тасымалдаушы-ақуыздардың көмегімен асырылады.

Егер де мембрана тек қана жалғыз бір ион үшін өткір болса, трансмембраналық потенциал пайда болады, оның шамасын Нернстің теңдеуінен алуға болады (сурет 1а).Иондардың стационарлы ағыны, шамасы Гольдман-Ходжкин-Кацтың теңдеуінен анықталатын, трансмембраналық потенциалдың пайда болуына әкеледі. Мембрана арқылы иондар энергиядан тәуелді иондық насостың көмегімен тасымалдана алады, бірақ бұнымен қатар электір бейтарапты сақтау үшін мембрана арқылы басқа иондар да тасымалдану керек. Егер де қарсылас иондардың диффузиясы жылдам ақса, иондық насостың жұмысының нәтижесінде зарядтардың бөлінуі және трансмембраналық потенциалдың пайда болуы байқалмайды.

Мембраналық потенциал дегеніміз мембрананың сыртқы және ішкі (цитоплазмалық) үстіліктерінің арасындағы потенциалдардың айырмасы:

Мембраналық потенциалдары тыным  және әрекет потенциалдарына бөлінеді.

Жүйке және бұлшық ет жасушаларының («талшықтарының) мембраналық потенциалдарының  өзгеруін  бәсең(электротоникалық )  және  белсенді деп екіге бөледі.

Мембрана арқылы электр тогы өткенде  локалды (жергілікті) ток пайда болады.

Потенциалдың электротоникалық өзгерістері  мембрананың бәсең (сызықты) және бүкіл  талшықтың кабельдік қасиеттерімен  анықталады

        Мембраналық  потенциалды өлшеу үшін жасуша  ішілік электродтарды қолданады.  Оң бағытталған тұрақты ток  қосылған кезде жасушаға кіретін  оң зарядтар мембраналық сыйымдылықты  зарядсыздайды да мембрана деполяризацияланады.  Алып кетуші электродпен алғашқы  жылдам токтың әсерінен пайда  болатын жылдам деполяризацияны  өлшейді. Біраздан кейін деполяризация  ақырындайды, өйткені мембраналық  потенциал тыныштық деңгейінен  ауытқан кезде иондардың ағындарының  тепе-теідігі бұзылады. Деполяризация  болғанда, жасушадан шығатын К⁺ иондарының саны көбейеді. Бұл иондардың мембрана арқылы электр тогымен кіргізілген зарядтардың бір бөлігін жояды да деполяризация баяулайды. Токтың әсерінен пайда болатын потенциалдың ауытқуы электротоникалық потенциал немесе электротон деп аталады.