Мембраналар биофизикасы

1. МЕМБРАНАЛАР БИОФИЗИКАСЫ

2. Жоспар:

• Биологиялық мембраналар құрылымы, қасиеті
• Биологиялық мембраналардың негізгі қызметтері
• Биологиялық мембраналардың құрылымы
• Мембраналар динамикасы
• Мембраналардағы липидтердің физикалық күйі жəне фазалық ауысуы
• Модельдік липидтік мембраналар
• Биологиялық мембраналар арқылы заттардың тасымалдануы
• Липидтік саңылаулар: мембраналардың тұрақтылығы жəне өткізгіштігі

3. Биологиялық мембраналар құрылымы, қасиеті

• Мембраналар биофизикасы – биологияда маңызы зор, жасушалар
биофизикасының негізгі тарауы. Көптеген тіршілік үдерісі,
өзгеруі биологиялық мембраналарда жүреді. Мембраналық
үдерісті қалыпты күйден ауытқулары көптеген патологиялық
жағдайға əкелді.

4. Биологиялық мембраналардың негізгі қызметтері

• Барлық өсімдіктер мен жануарлар құрылысының негізі – тірі
жасуша. Жасуша дербес тіршілік етуге, көбеюге жəне дамуға
қабілеті бар қарапайым тірі жүйе.

5. Жасушаның жəне жасушалық органеллалардың тіршілік етуінің негізгі шарттары:

1- жағынан, қоршаған ортаға қатысты автономиялығы, яғни клетканың
заттары қоршаған ортадағы заттармен араласып кетпеуінде
2- жағынан, қоршаған ортамен байланысында, яғни клетка жəне
қоршаған орта арасында зат жəне энергия үздіксіз алмасып отыруы тиіс.
• Осыған байланысты тірі жасушаны ашық жүйе деп атайды. Барлық
құрылым деңгейіндегі ағзалардың тіршілік əрекетінің міндетті шарты
– қоршаған ортадан жекеленуімен қатар, тығыз байланысты болуы.
Сондықтан жасушаның тіршілік етуінің жəне жалпы тіршіліктің
маңызды шарты – биологиялық мембраналардың қалыпты əрекеті мен
қызмет етуі.

6. Биологиялық мембраналар негізгі үш қызмет атқарады:

• кедергілік қоршаған ортамен таңдаулы зат алмасуды қамтамасыз етеді,
яғни белгілі бір заттар мембрана арқылы тасымалданып, кейбір заттар
тасымалданбайды жəне геном мен жасушаның тіршілік жағдайына
байланысты бұл үрдіс реттеліп отырады.
• матрицалық – мембраналық ақуыздардың өзара орналасып,
бағытталуын жəне қолайлы əрекеттесуін қамтамасыз етеді (мысалы,
мембраналық ақуыздардың өзара əрекеттесуін);
• механикалық – жасуша мен жасушаішілік құрылымдардың
тұрақтылығын жəне автономиялық (өз бетінше) тіршілік етуін
қамтамасыз етеді.
• Энергетикалық – митохондриялардың ішкі мембраналарындағы АТФ
синтезі жəне хлоропластар мембраналарында жүретін фотосинтез;
биопотенциалдарды жинақтап өткізу; рецепторлық (механикалық,
акустикалық, иіс сезу, көру, химиялық, терморецепциялық
мембраналық үдерістер) жəне басқа көптеген қызметтер.

7. Биологиялық мембраналардың құрылымы

• Биологиялық мембраналардың алғашқы моделі 1902 жылы
ұсынылды. Мембраналар арқылы липидтерде жақсы еритін
заттардың оңай өтуіне сүйене отырып, биологиялық мембраналар
фосфолипидтердің жұқа қабатынан тұратыны жайлы ұйғарым
жасалды.
• Полярлы жəне полярлы емес орталардың аралық беткейінде,
мысалы су жəне ауа аралық беткейінде, фосфолипид
молекулалары мономолекулярлы қабат түзеді. Олардың полярлы
(суда еритін) «басы» полярлы ортаға, ал полярлы емес
«құйрықшалары» полярлы емес орта жағына бағытталған.

8.

• Эритроциттер мембраналарынан бөліп
алынған липидтер қабатының ауданы
эритроциттердің қосынды ауданынан екі
есе жоғары екенін 1925 жылы Гортер мен
Грендел көрсетті. Тəжірибе нəтижелеріне
сүйене отырып, ғалымдар мембранада
липидтер молекулалары қос қабат түрінде
орналасатыны туралы ой-пікірін жеткізді.
Осы ғылыми жорамал биологиялық
мембраналардың электрлік
көрсеткіштерін зерттеу нəтижелерінде
расталды (Коул жəне Кертис, 1935).

9.

Липидтердің молекулалы
қабаттары (а); конденцатор
сияқты
мембрана (б), (С – электрлі
сыйымдылық, ε – диэлектрлік
өткізгіштік)
• Биологиялық мембрананы электрлік
конденсатор ретінде қарастыруға болады,
мұнда қабаттар қызметін липидтер
молекулалары орналасқан цитоплазма
жəне жасушадан тыс ерітінділерінің
электролиттері атқарады. Липидтер –
молекулаларының полярлы емес
бөлігінен түзілген диэлектрлік
өткізгіштігі (ε=2) екіге тең
диэлектриктер.

10.

• Биологиялық мембраналардың құрылысы жайлы көзқарастардың
дамуына биология саласында физикалық зерттеу əдістерінің
қолданылуы маңызды орын алады. Əсіресе, рентген-құрылымдық
талдау əдісі мембраналық молекулалар атомдарының өзара
орналасуы жəне мембраналардың құрылымы жайлы көп мəлімет
береді. Рентгенқұрылымдық талдау атомдар орналасуының
реттілігін айқындауға жəне ретті құрылымдардың параметрлерін
анықтауға мүмкіндік береді. Мембранада рентген сəулелерінің
дифракциясын зерттеу липид молекулаларының ретті орналасуын
растап, липид молекуласының полярлы «басы» мен көмірсутектік
тізбектің ұшындағы метил тобының арақашықтығын анықтауға
мүмкіндік береді.

11. Мембрананың құрылысын анықтау

• Биологиялық мембраналардың
құрылыс ерекшеліктерін анықтауда
электрондық-микроскопиялық зерттеу
нəтижелері аса маңызды жетістіктерге
қол жеткізді. Электрондық
микроскопта жарық шоғының орнына
зерттелетін нысанаға электрондар
шоғы бағытталады.
• Электрондық микроскоптың ұлғайту
қабілеті жүздеген мың есе болуына
байланысты биологиялық мембраналар
құрылысындағы жеке бөлшектерді
көруге мүмкіндік туады.

12. Электрондық микроскопияның кемшіліктері:

• Электрондық микроскопияның кемшіліктеріне зерттеу барысында
тірі нысананың деформациясы жатады. Электронды
микроскопиялық зерттеулер алдында жасуша алдын ала өңдеудің
көптеген сатыларынан өтеді: ылғалсыздандыру, бекіту, ультра
жұқа кесінді жасау, электрондарды жақсы шашырататын
заттармен өңдеу (мысалы, алтын, күміс, осмий, марганец, т.б.).
Осы кезде зерттелетін объект біраз өзгерістерге ұшырайды.
Осыған қарамастан электрондық микроскопия көмегімен алынған
жасушаны зерттеу жетістіктері өте маңызды. Электрондық
микроскопия көмегімен алынған биологиялық мембраналардың
бейнелерінде олардың үш қабаттық құрылымы айқын көрінеді.

13. «Мұздату-жару баптау» əдісі

• Бұл əдіс жасушаны сұйық азотта өте төмен температураға дейін
салқындатады. Салқындату өте жоғары жылдамдықпен жүргізіледі
(секундына шамамен 1000 градус). Осы кезде препарат құрамындағы
су қатқыл аморфты қалыпқа ауысады. Осыдан кейін жасушаларды
арнайы пышақпен жарып, вакуумға орналастырады. Мұздалған су
жарық беткейін босатып, енгізеді.
• Бұл үдерістен кейін жарық беткейінің дағы алынып, электрондық
микроскопта суретке түсіріледі. Мұздалған мембраналарды жарған
кезде түрлі бағытта ыдырауы мүмкін, сондықтан олардың ішкі
құрылысын айқын көруге болады. Аталған əдістің көмегімен
мембраналардың липидтік қос қабатына батып орналасқан жəне қос
қабатты кезіп орналасқан ақуыз молекулалары бар екені анықталды.

14. Мембрана құрылымы жөніндегі заманауи көзқарастар.

Плазматикалық
мембрананың сұйықтық
мозайкалы моделі
• Физикалық жəне химиялық зерттеу
əдістері көмегімен алынған нəтижелер
жинағы биологиялық мембраналар
құрылысының жаңа сұйықтық мозайкалы
моделін ұсынуға мүмкіндік берді (Сингер
жəне Николсон, 1972 ж.). Сингер жəне
Никольсонның пікірі бойынша, арасында
ақуыз молекулалары орналасқан
фосфолипидтердің қос қабаты
биологиялық мембраналардың
құрылымдық негізін түзеді, ақуыздар
беткейлі жəне интегралды деп
ажыратылады.

15. Мембрана ерекшеліктері:

• Химиялық талдаудың нəтижесі бойынша түрлі мембраналарда ақуыздар мен
фосфолипидтердің құрамдық мөлшерінің арақатынасы əртүрлі болады:
• миелин мембранасында ақуыз мөлшері липидтер мөлшерінен 2,5 есе төмен
• эритроциттерде, керісінше, ақуыз мөлшері липидтерден 2,5 есе жоғары.
• Ішек таяқшасы мембранасының беткейінің жартысының көбі липидтердің
полярлы бастарынан түзілген.
• Сонымен қатар заманауи модель бойынша барлық мембрана ақуыздары мен
липидтерінің арақатынасы бірдей болуы тиіс.
• Жануарлар жасушасының мембраналарында холестерин мөлшері жоғары,
сонымен қатар мембраналарда гликолипидтер, гликопротеидтер, т.б. заттар
болады.

16. Мембрананың зарядталуы

• Лецитин фосфолипидінің молекуласы фосфор қышқылының
туындысынан (полярлы басы) жəне май қышқылы
қалдықтарынан (ұзын полярлы емес құйрығы) тұрады.
Лецитиннің фосфолипидтік молекуласының басында бір-бірінен
белгілі арақашықтықта орналасқан зарядталған екі топ бар жəне
осы əртүрлі зарядталған топтар электрлік диполь түзеді.
• Мембраналарда əртүрлі фосфолипидтер кездеседі, мысалы
эритроциттер мембранасында олардың 20 шақты түрі бар. Кейбір
фосфолипид бастарында диполь түзіп, бейтараптық қасиет
беретін зарядтардан басқа, бір теріс заряд кездеседі, нəтижесінде
тұтас молекула теріс зарядталған болып шығады.

17.

«Қосқұйрықты» фосфолипид молекуласының
сызба бейнесі (а) жəне осындай молекулалардан қос
қабатты
мембрананың түзілу сызбасы (б)
• Фосфолипид
молекулаларының полярлы
бастары гидрофильді, ал
полярлы емес құйрықшалары
гидрофобты. Фосфолипидтер
мен су қоспасында полярлы
бастары суға батып, ал
полярлы емес құйрықшалары
судан алшақтау орналасқан.
• Фосфолипид
молекулаларының қос
құйрықшасының болуы өте
маңызды, себебі мұндай
молекула кеңістікте цилиндр
тəрізді пішінге ие болады

18. Мембраналар динамикасы. Мембраналардағы фосфолипидтік молекулалардың қозғалғыштығы

• Мембрананың қызмет əрекетінің режимі липидтік қосқабаттың
қоюлығы мен мембранадағы фосфолипидтік молекулалардың
қозғалғыштығына жəне мембраналық липидтердің фазалық
жағдайына тəуелді. Биологиялық мембраналардың липидтік
фазасы физиологиялық жағдайларда (температура, қысым,
қоршаған ортаның химиялық құрамы) сұйық агрегаттық күйде
болады. Бұл мəселе флюоресценттік талдау, электрондық
парамагниттік резонанс (ЭПР) көмегімен дəлелденді.
• Электрондық парамагниттік резонанс – электромагниттік толқын
энергиясы сіңірілуінің кенет жоғарылауы.

19.

Молекулалардың қозғалғыштығы жоғарылағанда
ЭПР спектрі өзгеруінің сызба бейнесі
Жиіліктің резонанстық мөлшері
В – магниттік өріс индукциясы, Һ – Планк
тұрақты саны, g – гидромагниттік қатынас
немесе парамагниттік бөлшектер
табиғатына тəуелді фактор. Бос электрон үшін
g=2. Бор магнитоны β=0,927·1023Дж/Тл.
Электромагниттік толқын сіңірілу күшінің (Р) магниттік индукция мөлшеріне
(В) тəуелділігін ЭПР спектрі деп атайды. Үлгі атомдары жəне молекулалары
арасындағы өзара əрекеттесу неғұрлым көп болса, соғұрлым ЭПР спектрі кең
болады. Бөлшектер арасындағы əрекеттесу неғұрлым əлсіз болса, соғұрлым
ЭПР спектрі тар болып келеді. ЭПР спектрінің ені арқылы зат молекулаларының
қозғалғыштығы жайлы мағлұмат алынады

20. Ядролық-магниттік резонанс.

gя – Ланде ядролық көбейткіші (əртүрлі
парамагниттік ядролар үшін мəні
əртүрлі), протоп үшін gя=5,58; μя – Бор
магнитоны 1/1836
• Толқынның резонанстық жиілігінде
(Vрез), сыртқы магниттік өріске
орнатылған жəне магниттік
атомдық ядролар жүйесімен
электромагниттік толқын қуаты
сіңірілуінің кенет жоғарылау
құбылысы

21.

• H,C, P сияқты ядролардың магниттік моменті бар, ал He, O
сияқты ядролардың магниттік моменті болмайды.
• Биологиялық объектілерде H-протондардың ядролары көп,
сондықтан оларды зерттеуде ЯМР əдісін қолдануға мүмкіндік бар.
ЯМР-де күшті магниттік өрістер (В=1Тл) қолданылады, ал
ауыспалы электромагниттік өрістің жиіліктері ЭПР-дегіден төмен
(5·107Гц). ЭПР əдісін қолданғанда ерттелетін объект қоюлығы
неғұрлым жоғары жəне молекулалық қозғалғыштығы төмен
болса, соғұрлым ЯМР аясы кең болып келеді.

22.

• Флюоресценттік ЭПР- жəне ЯМР-зерттеулердің мəліметтері
бойынша мембранада фосфолипидтік молекулалардың
қозғалғыштығы салыстырмалы түрде жоғары, ал қоюлығы төмен.
Қалыпты физиологиялық жағдайларда мембрананың липидтік
бөлігі сұйық агрегаттық күйде сақталады.

23.

• Фосфолипид молекулалары диамагнитті болғандықтан
биомембраналардың ЭПР-зерттеулерінде спин-бұрғылар
(спинзонды) жəне спин-таңбалар (жұптаспаған электрондары бар
молекулалар немесе молекулалық топтар) қолданылады.
• Спиндік таңбалар фосфолипидтік молекулалардың əртүрлі жеріне
бекінеді. Спиндік таңбаның екінші күйіне ЭПР-дің тар спектрі
сəйкес келеді, демек фосфолипидтік молекуланың 2-саласының
қозғалғыштығы 1-саласынан жоғары. Сондықтан мембрана
ортасында фосфолипид молекулалары құйрықшаларының өзара
орналасу тəртібінің реттілігі төмен.

24.

Спиндік таңбаның фосфолипидтік молекулаға бекінуінің екі тəсілі
жəне осы жағдайлардағы ЭПР спектрлері айырмашылығының
сызба бейнесі

25.

• Липидтік молекулалардың жоғары қозғалғыштығы латеральді
диффузияны туындатады. Мембрана беткейінде липид жəне
ақуыз молекулаларының бейберекет жылулық ауысып отыруын
латеральді диффузия дейді. Латеральді диффузия кезінде қатар
тұрған липид молекулалары секірмелі сипатта орындарымен
ауысады, нəтижесінде молекула мембрана беткейін бойлап,
жылжып отырады.
• Жасуша мембранасының беткейінде t уақытта молекулалардың
ауысып қозғалуы тəжірибе жүзінде флюоресценттік таңба
əдісімен анықталады. Флюоресценттік таңбалар жасуша
беткейінде қозғалуын зерттеуге болатын молекулаларға
сəулелерді шағылыстыруға мүмкіндік береді. Сəулелерді
шағылыстыратын молекулалардың қозғалу жылдамдығын
анықтауда қолданыла-тын тəсілдердің бірі – фототүссіздеу.

26.

• Жасушаға флюоресценттік таңбамен белгіленген молекулаларды
енгізіп, жасуша беткейінің шағын бөлігін лазер сəулесімен
сəулелендіреді. Лазерлік сəулелену нəтижесінде молекулалар
флюоресценттік қабілетін жояды (сəулелерді шағылыстырмайды). Түссізденген дақ радиусының кішіреюі жылдамдығы
арқылы флюоресценцияның қайта қалпына келу жылдамдығын
анықтай отырып, латеральді диффузия жылдамдығын бағалайды.
• Эритроцит мембранасы беткейінде фосфолипидтік
молекуласының бір секунд ішінде орташа текшелі ауысуы
шамамен 5 мкм екені анықталды, бұл сан жасуша мөлшеріне
сəйкес. Демек, бір секунд ішінде молекула орташа мөлшерлі
жасушаның бүкіл беткейін бойлап шығады. Ақуыз
молекулаларының бір секундтағы орташа текшелі ауысуы 0,2 мкм
екені анықталды.

27. Мембраналардағы липидтердің физикалық күйі жəне фазалық ауысуы

• Заттар түрлі температура, қысым жəне құрамындағы химиялық
компоненттерінің концентрациясына байланысты əртүрлі физикалық
күй-жағдайда болуы мүмкін (газ тəрізді, сұйық, қатқыл, плазма
түрінде). Заттың кристалдық қатқыл қалпына түрлі фазалық күйжағдайлары сəйкес болуы мүмкін (кристалдық модификациялар).
Мысалы, көміртегінің түрлі кристалдық модификациялары ретінде
графит пен алмазды қарастыруға болады. Қатқыл заттың ерекшелігіне
оның көлемі, пішіні, механикалық беріктігі, ал сұйық заттың
ерекшелігіне көлемі, пішініне жəне механикалық беріктігіне қатысты
серпім-ділігінің болмауы, аққыштығы жататыны белгілі.
• Қатқыл зат кристалды жəне аморфтық күй-жағдайда болуы мүмкін.
Қатқыл аморфтық дене мен сұйықтықтың айырмашылығы– бөлшектер
қозғалысының сипатында. Сұйықтық молекулалары да, қатқыл дене
молекулалары да тепе-теңдік жағдайында тербелмелі қозғалыстар
жасайды. Біраз уақыттан соң шөгу жағдайындағы уақыт молекулалар
басқа тепе-теңдік жағдайға ауысады.

28.

• Липидтік қосқабатты мембраналар физиологиялық жағдайда
сұйықтық болып келеді, фосфолипидтік молекулалардың шөгу
жағдайында болуы қысқа мерзімде: τ =10-7-10-8с.
• Сонымен қатар молекулалардың мембранада орналасуы
бейберекет емес. Фосфолипидтік молекулалар қос қабатта
орналасады, ал олардың гидрофобты құйрықшалары шамамен
бір-біріне параллель орналасады. Гидрофильді бас бөлімдері де
ретімен орналасқан.

29.

Молекулалардың аморфты (а) жəне сұйық
кристалды жағдайда (б, в, г) орналасуы
• Агрегаттық күй-жағдайы
сұйық, бірақ
молекулаларының өзара
ретімен бағытталып,
орналасуымен сипатталатын
физикалық жағдайды
сұйықтық кристалды жағдай
деп атайды.
• Сұйық кристалдар барлық
заттарда емес «ұзын
молекула-лардан» тұратын
заттарда ғана түзіледі. Сұйық
кристалды құрылымдар
əртүрлі болуы мүмкін: жіпше
тəрізді (нематикалық), сабын
тəрізді (смектикалық) жəне
холетикалық.

30.

Сұйық кристалды күйден гель-жағдайға
ауысуда мембрана құрылымының өзгеруі
• Биологиялық мембраналардың қосқабатты
липидтік фазасы смектикалық сұйық
кристал жағдайда болады. Мұндай
құрылымдар температура, қысым, химиялық
құрам жəне электр өрісінің өзгерістеріне
сезімтал болып келеді. Сондықтан сыртқы
жағдайлардың өзгерістеріне байланысты
мембраналардың құрылымы өзгеріп
отырады жəне басқа фазаға ауысуы мүмкін.
• Рентгенқұрылымдық талдау,
радиоспектроскопия, талдау, инфрақызыл
спектроскопия жəне басқа физикалық
зерттеулер мəліметтері бойынша
температураны төмендеткен кезде фосфолипидтік мембрана сұйық кристалдық
жағдайдан гель-жағдайына ауысады
(қатқыл-кристалдық)

31.

• Гель-күйінде молекулалардың ретімен орналасу тəртібі жоғары.
Гидрофобты көмірсутектік құйрықшалары бір-біріне созылыңқы
түрде жапсарлас орналасады. Ал сұйық кристалда
молекулалардың құйрықшалары айналмалы қозғалыстар
нəтижесінде бір-біріне жапсарластығын жоюы мүмкін.
Сондықтан гель-фазада сұйық кристалмен салыстырғанда
мембрананың қалыңдығы жоғары. Алайда қатқан күйден сұйық
кристалл күйге ауысу жағдайында көлемі біршама ұлғаяды,
себебі мембрананың бір молекулаға сəйкес ауданы көбейеді.
• Қалыпты əрекет етуі үшін мембрана сұйық кристалды күйде
болуы тиіс. Осыған байланысты сыртқы ортаның температурасы
ұзақ мерзімде төмендеген жағдайда тірі жүйелерде мембраналардың химиялық құрамының бейімдеушілік өзгерулері
байқалады.

32.

• Май-қышқылдық құйрықшаларында қанықпаған байланыстар
саны жоғарылағанда фазалық ауысу температурасы төмендейді.
Липидтік мембраналардың химиялық құрамына байланысты гельсұйық кристалл фазалық ауысу температурасы -20°С-дан
(қанықпаған липидтерден тұратын мембраналарда) +60°С дейін
(қаныққан липидтерден тұратын мембраналарда) өзгеруі мүмкін.
Температура төмендегенде мембранада қанықпаған липидтер
санының жоғарылауы микроағзаларда, өсімдіктерде жəне
жануарларда байқалады.

33.

• Гельден сұйық кристалл күйге жəне керісінше фазалық
ауысуларда радиусы 1-3 нм липидтік қосқабатта каналдар түзіліп,
мембрана арқылы иондар жəне төмен молекулалар өткізілуіне
мүмкіндік туындалатыны дəлелденді. Нəтижесінде фазалық
ауысу температурасында мембрананың иондық өткізгіштігі
кенеттен жоғарылайды. Мембраналардың иондық өткізгіштігінің
жоғарылауында жасушалардан су жəне тұздардың шығу
жылдамдығының жоғарылауы клетканы криозақымдалулардан
қорғауы мүмкін. Осы эффектінің термо- жəне хеморецепцияны
түсіндіруге қолданылуы өте маңызды орын алады.

34.

• Мембрана арқылы иондардың өткізілуі биопотенциалдар
қалыптасуының негізін қалауы жəне иондық өткізгіштіктің
өзгеруі жүйке импульсін қамтамасыз ететіні белгілі.
Температураның төмендеуін немесе жоғарылауын көрсететін
жүйке импульсі мембраналық липидтердің фазалық ауысуында
қосқабаттың иондық өткізгіштігі өзгеруінен қалыптасуы мүмкін.
Хеморецепцияның кейбір түрлері де мембраналық липидтердің
фазалық ауысуымен байланысты, себебі қоршаған ортаның
химиялық құрамының өзгеруі фазалық ауысуға соқтырады.
Мысалы, мембрананы қоршаған су ерітіндісінде Са2+ концентрациясының 1-ден 10 ммоль/л-ға дейін жоғарылауы белгілі
температурада сұйық кристалл күйден гель-жағдайға фазалық
ауысуды тудырады.

35. Модельдік липидтік мембраналар

Бір қабатты липосома құрылысының
сызба бейнесі
• Липосомаларды немесе фосфолипидтік
көпіршіктерді əдетте құрғақ
фосфолипидтердің суда бөртуі арқылы
немесе суға липидтер ерітіндісін жіберу
арқылы алады. Осы кезде
биомолекулалық липидтік мембрана
өздігінен жинақталады. Гиббс
энергиясының минимумына
мембрананың тұйықталған салалық бір
ламеллярлы пішіні сəйкес келеді. Осы
кезде полярлы емес гидрофобты
құйрықшалардың барлығы мембрана
ішінде орна-ласып, біреуі де судың
полярлы молекуласымен шектеспейді.
Алайда көбіне бірнеше биомолекулалық
қабаттан тұратын сфералық емес көп
ламеллярлы липосомалар түзіледі (көп
қабатты липосомалар).

36. Биологиялық мембраналар арқылы заттардың тасымалдануы

• Барлық деңгейдегі тірі жүйелер ашық жүйелер болып келеді.
Сондықтан биологиялық мембраналар арқылы заттардың
тасымалдануы – тіршіліктің міндетті шарты. Жасушада зат
алмасу, биоэнергетикалық үдерістер, биопотенциалдардың
түзілуі, жүйке импульстарының жинақталуы, т.б. үдерістер
мембрана арқылы заттардың тасымалдануымен байланысты. Осы
үрдістердің бұзылуы түрлі патологияларға əкеліп соқтырады.
Патологиялық құбылыстарды емдеу көп жағдайда дəрілік
заттардың жасушалық мембраналар арқылы өтуіне негізделеді
жəне препараттардың тиімділігі сол зат үшін мембрананың
өткізгіштігіне тəуелді.

37.

Заттың сұйытылған ерітіндісі (С) үшін
мұнда μ0 – стандартты химиялық əлеует.
Заттың ерітіндідегі 1
моль/л концентрациясындағы химиялық
əлеуетке тең.
• Заттың бір моліне келетін Гиббс
энергиясына тең шамасы осы
заттың химиялық əлеуеті деп
аталады. Математикалық
тұрғыдан химиялық əлеует
заттың концентрациялық
мөлшері арқылы температура,
қысым жəне басқа заттардың
сандық мөлшері тұрақты
жағдайда Гиббс энергиясының
жеке туындысы ретінде
анықталады
Электрохимиялық əлеует μ~ – электр өрісіне орналастырылған заттың бір моліне
келетін Гиббс энергиясына (G) тең осы заттың шамасы.

38. Мембраналар арқылы заттардың пассивті тасымалдануы

• Заттың электрохимиялық əлеуеті
жоғары аймақтан əлеуеті төмен
аймаққа тасымалдануы пассивті
тасымалдану деп аталады.
• Пассивті тасымалдану Гиббс
энергиясы азаюымен қатар
жүреді,сондықтан бұл процесс
энергия жұмсалуын талап етпей,
өздігінен жүре береді.

39.

• Пассивті тасымалдану кезіндегі зат ағынының
тығыздығы jm Теорелл теңдеуіне бағынады.
Минус белгісі заттың тасымалдануы
электрохимиялық əлеует (μ) азаюы бағытында
жүретінін көрсетеді.
• Зат ағынының тығыздығы – уақыт бірлігінде
тасымалдану бағытына перпендикулярлы
беткей көлемінің бірлігі арқылы тасымалданған
зат мөлшеріне тең шама
• Теорелл теңдеуіне электрохимиялық əлеует
формуласын қойып, μ°=const жағдайында
сұйытылған ерітінділер үшін арналған НернстПланк теңдеуін аламыз
U – бөлшектер қозғалғыштығы, С – концентрация.

40.

• Сонымен, заттардың пассивті тасымалдануының екі себебі болуы
мүмкін: концентрация градиенті жəне электр əлеуетінің
градиенті.
• Градиенттер алдына қойылған минус белгілері концентрация
градиенті заттың жоғары концентрациясы аймағынан төмен
концентрациясы бағытына тасымалдануын тудыратынын, ал
электр əлеуетінің градиенті əлеуеті жоғары аймақтардан əлеуеті
төменай аймақтарға оң зарядтардың тасымалдануын көрсетеді.
• Жеке жағдайларда аталған екі себептің қосарлануы нəтижесінде
пассивті тасымалдану керісінше жүруі мүмкін, яғни
концентрациясы немесе əлеуеті төмен аймақтан осы шамалар
жоғары аймақтар бағытында.

41.

• Диффузия – молекулалардың бейберекет қозғалуы нəтижесінде
заттың жоғары концентрациясы аймағынан төмен
концентрациясы аймағына өздігінен ауысуы. Липидтік қосқабат
арқылы заттың диффузиясын мембранадағы концентрация градиенті тудырады.
• Фик заңы бойынша зат ағынының тығыздығы
1 C – мембрананың бір беткейі маңындағы зат концентрациясы,
2 C– екінші беткейі маңындағы, l – мембрана қалыңдығы.

42. Пассивті тасымалдану түрлерінің жіктелуі

43.

Мембрана арқылы қарапайым диффузияның негізгі түрлері:
липидтік қосқабат арқылы (а), липидті қосқабаттағы
саңылауларарқылы (б), ақуыздағы саңылау арқылы (в)

44. Мембрананың липидтік қосқабаты арқылы қарапайым диффузияның сызба нұсқасы

• 1 C – мембрананың бір беткейі маңындағы зат концентрациясы,
• 2 C– екінші беткейі маңындағы

45.

• Диффузия коэффициенті неғұрлым жоғары, мембрана неғұрлым
жұқа жəне мембранада зат неғұрлым жақсы еритін болса,
соғұрлым өткізгіштік коэффициенті жоғары болады.
Мембрананың фосфолипидтік фазасында полярлы емес заттар
жақсы ериді. Мысалы, органикалық май қышқылдары, эфирлер.
Бұл заттар мембрананың липидтік фазасынан жақсы өтеді. Ал
полярлы суда еритін заттар: тұздар, негіздер, қанттар,
аминқышқылдар,спирттер липидтік қосқабаттан нашар өткізіледі.

46.

• Липидтік жəне ақуыздың саңылаулар арқылы липидтерде
ерімейтін заттардың молекулалары жəне гидратталған иондар
өтеді. Молекула неғұрлым ірі болса, соғұрлым мембранадан
нашар өтеді. Мембранадағы белгілі радиусы бар саңылаулар
жинағы бөлшектер тасымалдануының таңдаулылығын
қамтамасыз етеді. Мысалы, эритроцит мембранасындағы калий
иондары үшін таңдаулы болып келетін поралар 80 нм-қа тең
мембраналық əлеуетте 4 нм/с өткізгіштік коэффициентіне ие.
Потенциалды 40 нм деңгейіне дейін төмендеткен жағдайда бұл
коэффициент төрт есе кемиді. Кальмар аксоны мембранасының
өткізгіштігі қозу əлеуеті деңгейінде калий иондары кристалдық
радиусының қосындысы жəне бір гидраттық қабықшаның
қалыңдығы бойынша бағаланады (0,133 нм+0,272нм).

47. Кальмар аксонының калий каналдарындағы бір валентті иондар үшін өткізгіштіктерінің қатынасы

Иондық арналардың таңдалмалылығы абсолютті емес, Р мəні
төмен басқа иондарды де өткізуі мүмкін. Кестеде көрсетілгендей,
максималды Р мəні калий иондарына тəн. Кристалды радиустары
жоғары иондардың (рубидий, цезий) Р мəні төмен, себебі олардың
мөлшері канал мөлшерінен асып түседі. Мембрана молекулярлы
елек тəрізді деген ұғымдарға сүйенетін болсақ, бұл иондар калий
арналары арқылы еркін өтуі тиіс.

48. Валиномицин молекуласының құрылысы: а – химиялық формуласы; б – жалпы бейнесі (домалақшамен химиялық топтар белгіленген; екі

қатар сызықшамен - сутектік байланыстар)
Сферикалық қабықшалардың диаметріне ион диаметрі дəл сəйкес келген
жағдайда ғана ион саңылау арқылы өтеді. Əдетте саңылау ішінде ион бір
гидраттық қабықшалы күйде. Жоғарыда көрсетілгендей, бұл жағдайда
калийлік саңылаудың радиусы – 0,405 нм. Осы кезде саңылаулардың
мөлшеріне үлкендігі сəйкес келмеген натрий жəне литий иондарының өтуіне
кедергі пайда болады.

49. Жеңілдетілген диффузия

• Биологиялық мембраналарда кездесетін диффузияның тағы бір түрі –
жеңілдетілген диффузия. Диффузияның бұл түрі тасушы
молекулалардың қатысуымен жүреді. Мысалы, калий иондарының
тасушысы – валиномицин молекуласының пішіні ішінен полярлы емес
топтармен қапталған манжетка тəрізді болып келеді. Химиялық
құрылысының ерекшелігіне байланысты валиномицин молекуласының
ішіне түскен калий иондарымен кешен түзеді, сонымен қатар
молекуласының сыртқы қабаты полярлы емес болғандықтан
валиномицин мембрананың липидтік фазасында жақсы ериді.
Мембрана беткейі маңына түскен валиномицин молекулалары
қоршаған ерітіндіден калий иондарын баурап алады. Мембрана
қабаттарына сіңу барысында молекулалар калий иондарын мембрана
арқылы тасымалдап, кейбіреулері иондары мембрананың ішкі
жағындағы ерітіндіге береді

50.

Валиномицин көмегімен калий иондары екі бағытта жүруі мүмкін.
Егер калий концентрациясы мембрананың екі жағында бірдей
болса, калий мембрана арқылы тасымалданбайды. Ал егер
мембрананың бір жағында калий концентрациясы екінші жағынан
жоғары болса, калий ағыны концентрациясы жоғары жағынан
төмен жағына бағытталады.

51. Жеңілдетілген диффузияның қарапайым диффузиядан айырмашылығы:

1) тасушы зат қатысуымен заттардың тасымалдануы жоғары
жылдамдықпен жүреді;
2) жеңілдетілген диффузияға қанығу қасиеті тəн: мембрананың бір
жағында концентрациясы жоғарылаған жағдайда зат ағынының
тығыздығы белгілі шекке дейін ғана жоғарылайды;
3) тасушы көмегімен бірнеше əртүрлі заттар тасымалданатын болса,
олардың арасында бəсекелес байқалады, мысалы глюкоза фруктозадан
жақсы тасымалданады, фруктоза ксилозадан, ксилоза арабинозадан
жақсы тасымалданады;
4) тасушы молекулалармен тұрақты кешен түзу арқылы жеңілдетілген
диффузияны тежейтін заттар бар, мысалы флоридзин мембраналар
арқылы қанттардың тасымалдануын тежейді.

52.

• Мембранадағы поралар арқылы қысым градиенті əрекетінен
ерітінділердің қозғалысы сүзгілеу деп аталады.
• Сүзгілеу құбылысы қантамырлар қабырғалары арқылы судың
тасымалдануында маңызды орын алады.
• Осмос – шала өткізгіш мембраналар арқылы еріген заттардың
концентрациясы төмен аймағынан концентрациясы жоғары
аймақтарға су молекулаларының қозғалысы. Мəніне келгенде,
осмос – судың жоғары концентрация аймағынан қарапайым
диффузиясы. Осмос құбылысы гипотоникалық ерітінділерде
эритроцит гемолизін тудырады.

53. Заттардың белсенді тасымалдануы. Уссинг тəжірибесі

• Белсенді тасымалдау – электрохимиялық əлеует мəні төмен
аймақтардан оның мəні жоғары аймақтарға заттардың
тасымалдануы. Мембранадағы белсенді тасымалдау Гиббс
энергиясы жоғарылауымен қатар жүреді. Бұл үрдіс өздігінен
жүрмейді, аденозинтрифосфор қышқылы (АТФ) гидролизімен
қосарланып, яғни АТФ энергиясының жұмсалуы арқылы ғана
жүреді.
• Осы үдеріс есебінен ағзада концентрациялар градиенті, электр
əлеуеттерінің градиенттері, қысым градиенттері түзіліп, тіршілік
үдерістері қамтамасыз етіледі. Демек, термодинамикалық
тұрғыдан белсенді тасымалдау ағзаның тепе-теңдік емес күйжағдайын қамтамасыз етеді.

54. Уссинг тəжірибесі

• Биологиялық мембранадағы белсенді тасымалдау үдерістерін бақа терісі
арқылы натрий иондарының тасымалдану мысалында Уссинг (1949 ж.)
алғаш рет тəжірибе жүзінде көрсетіп, дəлелдеді. Қалыпты Рингер
ерітіндісіне толған Уссингтің тəжірибелік камерасын бақаның жабынды
қабаты екі бөлімге бөледі. Осы камерада натрий иондары ағындарының бақа
терісі арқылы тасымалдануы бақыланады.
• Рингер ерітіндісін бөліп тұратын бақа терісінде потенциалдар айырмасы
пайда болады, (φішкі-φсырт)-терінің ішкі жағы сыртқы жағына қатысты оң
əлеуетке ие. Уссинг қойылымында потенциалдар айырмасын 0 шамасында
ұстап, иондар концентрациясын терінің сыртқы жəне ішкі жағында бірдей
дəрежеде реттеп отыратын жабдықтар бар.
• Мембрана арқылы қосынды ағын нөлге тең болар еді. Алайда амперметр
көмегімен осы тəжірибе жағдайында бақаның жабынды қабаты арқылы
электр тоғы ағып отыратыны анықталды. Демек, зарядталған бөлшектердің
бір бағытта тасымалдануы (сыртқы ортадан ішкі ортаға) орын алатыны
анықталды.

55. Электрогендік иондық сорғыштар

• Биологиялық
мембраналарда АТФ
гидролизінің бос энергиясы
есебінен жұмыс жасайтын
иондық сорғыштар болады.
Бұл интегралды
ақуыздардың арнайы
жүйелері. Қазіргі кезде
мембрана арқылы иондарды
белсенді тасымалдайтын
электрогенді иондық
сорғыштардың үш түрі
белгілі

56.

• Тасушы АТФазалар тасымалдау үдерісінің химиялық
реациялармен қосарлануы нəтижесінде иондарды тасымалдайды.
• К+Na+-АТФазалар қызмет етуінде АТФ-тің əрбір молекуласының
гидролизінде босап шығатын энергиясы көмегімен жасушаның
ішіне калийдің екі ионы тасымалданады. Бір мезгілде жасушадан
сыртқа натрийдің үш ионы шығарылады. Сонымен,
жасушааралық ортамен салыстырғанда жасушаның ішінде калий
иондарының жоғары жəне натрий иондарының төмен
концентрациясы пайда болады.

57.

• АТФ гидролизі энергиясының есебінен Са2+-АТФазада кальцийдің
екі ионы, ал Н+-помпада екі протон тасымалданады.
• К+Na+-АТФазалар жағдайында (шартты түрде оны Е деп
белгілейік) иондар тасымалдануының жеті сатысы белгілі. Е1 жəне
Е2 белгілері ферменттің активті орталығының мембрананың ішкі
беткейінде орналасу тəсілін көрсетеді, АДФ аденозиндифосфат, Рбейорганикалық фосфат, жұлдызша (*)-активті комплекс

58. Фермент қызметінің негізгі сатыларын келтірілген сызба нұсқадан көреміз:

1) мембрананың ішкі беткейінде ферменттің АТФ-пен комплекс түзуі (бұл
реакцияны магний иондары активтендіреді);
2) кешен натрийдің үш ионын байланыстырады;
3) фермент фосфорланып аденозиндифосфат түзеді;
4) мембрана ішінде ферменттің аударылуы (флип-флоп);
5) мембрананың сыртқы беткейінде натрийдің калийге иондық алмасу
реакциясы;
6) калий иондарын жасуша ішіне тасымалдап, ферментативті комплекстің кері
қайта аударылуы;
7) калий иондарын жəне бейорганикалық фосфат босап шығып,ферменттің
бастапқы күйге айналуы.
• Сонымен, толық айналымда жасушадан натрийдің үш ионы шығарылады,
цитоплазма калийдің екі ионымен құнарланады, АТФ-тің бір молекуласы
гидролизденеді.

59. Иондардың екінші реттік белсенді тасымалдануы

Иондық сорғыштардан басқа, заттардың жинақталуы тотығутотықсыздандыру ферменттер қызметімен немесе фотосинтезбен
қосарланып жүретін жүйелер де белгілі. Тасымалданудың бұл түрі
екінші реттік белсенді тасымалдану деп аталады. Осындай
тасымалданудың механизмін фосфорлана тотығу хемиоосматикалық
теориясында Питер Митчел (1966 ж.) қарастырды. Тірі жасушалардың
плазматикалық жəне субжасушалық мембраналарында бір мезгілде
бірінші реттік жəне екінші реттік белсенді тасымалдау жүруі мүмкін.
Мұның мысалы ретінде митохондриялардың ішкі мембранасын
қарастыруға болады. АТФ-аза ферментінің тежелуінде митохондрия
екінші реттік белсенді тасымалдау арқылы заттарды жинақтауға
қабілетті. Жинақтаудың бұл тəсілі, əсіресе сорғыштары болмайтын
метаболиттер үшін (қанттар, аминқышқылдар) маңызды.

60.

• Қуат көзі қызметін мембраналық əлеует немесе иондардың бірінің
концентрация градиенті атқарады. Арнайы тасушы мен ион кешенінің
бір бағытта тасымалдануы унипорт деп аталады. Осы кезде, егер
тасушы молекуласы электрбейтарап болса, мембрана арқылы заряд
кешен түрінде тасымалданады, ал егер тасымалдаушы зарядталған
болса, онда заряд бос тасушы көмегімен тасымалданады. Нəтижесінде
мембраналық əлеуеттің төмендеуі арқылы иондар жинақталады.
Осындай эффект валиномицин қатысуымен митохондрияларда калий
иондарының жинақталуында байқалады. Бір валентті тасушы
молекуланың қатысуымен жүретін иондардың қарсы тасымалдануы
антипорт деп аталады. Тасымалдау екі сатылы: алдымен бір ион
мембрананы солдан оңға кезіп өтеді, соңынан екінші ион қарсы
бағытта өтеді. Мембраналық потенциал бұл кезде өзгермейді.
Тасымалданатын иондар біреуінің концентрация айырмасы осы
үдерістің қозғаушы күші болуы мүмкін. Жасушалық мембрана арқылы
нигерицин антибиотигі молекуласының қатысуымен калий жəне сутегі
иондарының тасымалдануы антипорттың мысалы болуы мүмкін.

61. Липидтік саңылаулар: мембраналардың тұрақтылығы жəне өткізгіштігі

• Фосфолипидтердің биомолекулалық қабаты кез келген
жасушалық мембрананың арқауын құрайды. Оның тұтастығы
жасушаның кедергілік жəне механикалық қасиеттерін анықтайды.
Тіршілік əрекетінде қос қабаттың тұтастығы тесіп өткен
гидрофильді саңылаулар сияқты құрылымдық ақаулар түзіп,
бұзылуы мүмкін. Липидтік поралар өткізгіштік қабілетімен қатар,
сыртқы күштердің стрестік əсеріне қатысы бар екені анықталды.

62. Липидтік саңылаулар жəне мембраналардың тұрақтылығы

• Жасушалық мембрананың липидтік қос молекулалы қабатында поралар
қосқабат беткейінің жылулық өзгергіштігі, электрлік тесілу, қабатты мұздату,
беткейлі белсенді заттар əсері, осмостық қысым, липидтердің асқын тотығу
нəтижесінде пайда болады.
• Биологиялық мембраналар тұрақтылығы бұзылуының жақсы зерттелген
мысалы – эритроциттер гемолизі. Бұл құбылыстың бастапқы сатысында
осмостық қысым күштері əсерінен гипотоникалық ортада жасушалар ісінеді.
Жасушаның ісінуінен мембрана созылады, нəтижесінде мембраналық керілу
жоғарылайды. Керілудің белгілі шекті деңгейінде гидрофильдік поралар
пайда болады. Саңылаулар мөлшері гемоглобин молекулалары жəне төмен
молекулалы заттардың шығуына жеткілікті. Заттардың шығарылуы
осмостық қысым айырмасының төмендеуіне соқтырып, мембрана керілуі
төмендейді жəне саңылаулар жабылады.
• Саңылаудың мөлшері сындық мөлшерден төмен болса, ол жабылады, ал
керісінше жағдайда саңылаудың шексіз өсуі мембрана ыдырауына
соқтырады.

63. Мембраналардың электрлік тесіп өтуі

• Биологиялық мембраналар иондардың диффузиясы жəне электрогенді
иондық сорғыштар əрекетінен пайда болған жоғары кернеулі электр өрісінің
əсерінде болады. Цитоплазма жəне жасушадан тыс орта аралығындағы
потенциалдар айырмасы 0,1 В деңгейіне жеткендіктен жəне мембрана
қалыңдығы 10 нм-ден аспайтын болған соң, өрістің кернеуі – 107В/м.
Техникада қолданылатын көптеген сұйық оқшаулағыштармен
салыстырғанда мембрана едəуір мүлтіксіз электрлік оқшаулағыш болып
келеді. Кейбір жағдайларда тірі жасушадағы мембраналық потенциал
жоғары болып, 0,2 В-қа дейін көтеріледі (тұщы су балдырлары, бактериялар,
қуаттанған митохондриялар). Қозушы жүйке жəне бұлшықет
жасушаларында потенциал амплитудасының өсуін тудыратын
мембраналардың қысқа мерзімді реполяризациясы байқалады.
• Сыртқы электрлік өрісі əсерінен мембраналық əлеуеттің жоғарылауы
электрлік тесіп өтуді тудыратын шекті мəнінен асып кетуі мүмкін. Осы кезде
кезбелі липидтік саңылаулар тəрізді құрылымдық кеңістіктер пайда болады.
Жасушалық мембраналардың электрлік тесіп өту əдісі электропорация деп
аталады жəне осы əдіс биотехнология саласында кеңінен қолданылады.

64. Фазалық ауысуда саңылаулар қалыптасуының моделі

• Саңылаулар мөлшерін тəуелсіз бағалау В. Ф. Антонов əріптестерімен
ұсынған поралар қалыптасуының моделін зерттеу арқылы алынуы
мүмкін. Рентген құрылымдық талдау мəліметтері бойынша, сұйық
кристалды күйден гель күйіне фазалық ауысуда қосқабат
қалыңдығының жəне липидтің бір молекуласына келетін ауданның
өзгеруі байқалады. Фазалық ауысудың кооперативтілігіне сүйене
отырып, гельфазаға ауысқан жəне сұйық кристалл күйінде қалған
домендердегі молекулалар түрлі жағдайда деп болжауға болады. Тепетеңдік күйіне қатысты гель-фаза домендегі молекулалар созылыңқы, ал
сұйық кристалл күйдегілер жиырылған күйде болады. Осы кезде
қосқабат құрылымының бұзылуына соқтыратын серпінді кернеу пайда
болады.

65. Қорытынды

Липидтік қосқабаттың жəне ақуыз арқауынан айырылған жасушалық
мембрананың тұрақтылығы липидтік саңылаулармен анықталады. Осы
саңылаулар липидтік қосқабаттың кемістігі бар орындарда түзіледі.
Липидтік саңылаулар қосқабат беткейіндегі жылу өзгерісі нəтижесінде,
мембраналық липидтердің фазалық ауысуында байқалатын
мембраналық стресте, электрлік пробой кезінде жəне осмостық лизисте
түзіледі. Осы жағдайларда мембрананың жағдайы липидтік саңылау
сындық мөлшерден асуы немесе аспауына тəуелді. Мөлшері асып кеткен
жағдайда мембрана жыртылады, ал аспайтын жағдайда құрылымы
сақталады. Липидтік саңы-лаулардың төменгі радиустары таңдамалы
ақуыз канал-дарымен салыстырмалы болып, қалыпты жағдайда
жасушалық мембраналардың иондық өткізгіштігін реттейді.
Жиырылудың соңғы сатыларында липидтік саңылаулар су иондары мен
молекулаларын ғана өткізетін су саңылауларына айналуы мүмкін.