Везикулалық тасымалдану

    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:

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

Везикулалаық тасымалдану

 

     Заттардың жасушаішілік-везикулалаық  тасымалдануының әмбебп және тиімді құралы болып тасымалдау (мембрана)  көпіршіктері (липосомалар,мицеллийлар) саналады.

   Везикулалық тасымалдануда тасымалданатын ақуыздар мен липидтер көпіршік қабырғасын  құрастырады,ал оның қуысында басқа органеллаларға арналған не жасуша сыртына шығарылатын «жүк» молекуласы болады.

   Жасушаішілік везикулалық тасымалдау эндоплазмалық ретикуллум (ЭПТ) мембранасынан басталады.Бұл жерде ақуыз молекуласының гликолезденуінің алғашқы кезеңдері өтеді.Содан кейін ақуыз молекулалары тасымалдау көпіршіктеріне іріктелініп Гольджи кешенінің цис-полюсіне өтеді.Гольджи цистерналарында ақуыздардың гликолезденуі әрі қарай жалғасады,ал Гольджидің транс-полюсі мен транс-торларында ақуыздың гликолезденуі толығымен аяқталады.Сонымен қатар олар фосфорланады және сульфаттанады.

   Заттардың  цитоплазмалық мембрана арқылы  сыртқа шығарылуын не жасуша  ішіне өткізілуін трансмембраналық  тасымалдану деп атайды.ОЛ өте  күрделі құбылыс  және әртүрлі  заттар да түрліше әдістер  арқылы өткізіледі.  

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

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.