Биологиялық мембраналар деп цитоплазманы және жасушаны 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.

Қазіргі уақыттағы мебрана биофизикасының алдында тұрған негізгі мәселелер.

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 арасындағыбайланыстыанықтау.
3. Мембрананыңқозуыныңфизикалықтабиғатынтану.
4. Мембраналардыңбиоэнергетикасынзерттеу
5. Рецепция процестердіңфизикасынзерттеу

ІІ. Негізгі бөлімі:

«Пассивті және белсенді тасымалдау ұғымдары»

Биологиялық мембрананың липидті биқабатының іші гидрофобты болады, сондықтан ол көптеген полярлы молекулалар үшін өткірлігі төмен бөгет болып табылады. Бұл қасиеттің арқасында клетканың құрамының тұрақтылығы қамтамасыз етіледі. Кейбір клеткалар суда еритін молекулаларды тасымалдау жолдарды құрайды.

Клеткада өтетін бірқатар процесстер (АТФ синтезі, қозу, иондық және су құрамын сақтау) заттың мембрана арқылы тасымалдауымен байланысты.

Нейтралды молекулалар мен иондардың тасымалдауының екі типі болады – белсенді және пассивті.

Белсенді тасымалдау АТФ молекуланың гидролизінің немесе митохондриялардың дем алу (тыныс) тізбегінен электронды көшіру есебінен химиялық энергияның жұмсалуымен жүреді.

Пассивті тасымалдау үшін химиялық энергия жұмсалмайды. Ол диффузия есебіненжүзегеасырылады.

Пассивті тасымалдаудың механизмдерің қарастырайық.

Судың тасымалдауы және әрекет потенциалы тараған кездегі жүйке талшықтарының цитоплазмалық мембранасы арқылы натрий және калий иондарының тасымалдауы пассивті тасымалдаудың белгілі мысалдары болып табылады. Тыныштық жағдайындағы клеткада өткірлікпен байланысты иондар жоғалады, патология жағдайында өткірлі көседі.

«Мембрана арқылы затардың пассивті тасымалдану механизмі»

Клеткалық мембраналар арқылы пассивті тасымалдаудың келесі түрлері бар (сурет 1).

 

Тасымалдаудың бұл түрлерін үш топқа біріктіруге болады:

1. Қарапайым диффузия
2. Саңылаулар арқылы тасымалдау
3. Тасымалдаушылардың көмегімен тасымалдау (қозғалмалытасымалдаушы, эстафеталықтасымалдау)

Тасымалдаумеханизмдерінетәуелдіекі топ болады:

1. Әр молекула басқамолекулалардантәуелсізтасымалданадыжәнеконцентрациялыққанықтануэффектісіболмайды (қарапайым диффузия жәнесаңылауларарқылытасымалдау, сүрет 2, а, б)
2. Тасымалдау молекула тасымалдаушыменбайланысқаннанкейінжүзегеасырыладыжәнеконцентрациялыққанықтануэффектібайқалады (сүрет 2в).

А—бүкілбиологиялықмембраналар; Б—жүйкежәнебұлшықетталшықтарыныңқозғанцитомембраналары; В — модельдімембраналар (ионофорлыантибиотиктардыңқатысуымен). (Ю.А. Владимиров жәнебасқалар, 1983)

Зарядпен байланысты зарядталмаған молекулалардың пассивті тасымалдауы және электролиттердің пассивті тасымалдауы болады.

«Мембраналар үшін диффузия теңдеуі. Фикстің заңы»

Диффузия процесін Фиктің заңы сипаттайды: х өсіне қарай бағытталған заттың ағыны (J) қозғаушы күшке (dc/dx концентрацияның градиентіне) пропорционалды болады.

мұнда D – диффузия коэффициенті см²×с^-1, температура мен ортадағы заттың қозғалғыштығынан тәуелді:

D = RTu. [2]

мұнда      R – газды тұрақты шамасы,

T – абсолютті температура

u – ортадағы заттың қозғалғыштығы.

J – заттың ағыны, мөлшерлігі  моль × см²× с^-1.

Бұл теңдеу Нернст-Планктің жалпы теңдеуінің жеке оқиғасы болып табылады:

мұнда      c – иондардың х жазықтығындағыконцентрациясы

u – қозғалғыштық

– х осібойыншаэлектрохимиялықпотенциалдыңөзгеруі (тасы-

малдайтынбөлшіктерзарядталмаған).

Жұқа мембраналар арқылы стационарлы диффузия жағдайындаdc/dx=const.Егер де қалындығыhмембрананыңшектерінде концентрациялар тұрақты болса (с₁^’ и c₂^’), және олар шаятын ерітінділерінің концентрацияларымен келесі қатынаста болса:

c₁^’=gc₁                     c₂^’=gc₂

мұндаg – үлестірукоэффициенті

Бұлжағдайда мембрана арқылы ағын төмендегідей есептеледі:

мұнда – берілген зат үшін мембрананың өткірлігі см×с^-1
g – үлестіру коэффициенті, берілген заттың липофильдігін көрсетеді

u– мембранадағы заттың қозғалғыштығы

Мембрананың гидрофобты бөліміне ену үшін немесе тар мембраналық саңылау арқылы өту үшін бейэлектролиттералдыменен дигидратациялау керек, яғни, (–COOH–, –OH–, – NH₂–) полярлы топтарының су дипольдерімен әрекеттерге түспеу үшін энергия жұмсалу керек. Бұнымен байланысты бірқатар бейэлектролиттер үшін мембрананың өткірлік коэффициенті температурадан тәуелді болады. Диффузия арқылы мембрана арқылы түрлі қосылыстар өте алады, бірақ та бұған қарамастан АМҚ мен моносахаридтердің ең кішкентай молекулалары диффузия арқылы өте алмайды.

Жеңілдетілген диффузия

Қарапайым диффузиядан ерекшеліктері:

1. Жоғары спецификалық (тасымалдаушылар бір біріне өте ұқсас заттарды да айыра алады, мысалы, АМҚ мен қанттардыңL- и D- изомерлері).
2. Субстраттың концентрациясы өскенде, тасымалдаудың жылдамдығы шектік шамаға жеткенше дейін өмеді (қанығунүктесі).
3. Тасымалдаушылармен әрекеттесетін, төменгі концентрациялы ингибиторларға сезімділік байқалады.

Жеңілдетілген  диффузия ферменттік процестеріне ұқсас. Заттың тасымалдауының бастапқы жылдамдығы Михаэлис-  Ментеннің теңдеуіне ұқсас теңдеумен сипатталады:

мұндаS₀ – сыртқы ерітіндегі заттың концентрациясы. Бастапқы уақыттағы ішіндегі заттың концентрациясы – S_i =0.  S₀ өскен сайын бүкіл тасымалдаушылар байланады да әрқарай диффузияның жылдамдығы өспейді. Тасымалдаушының көмегімен жүретін тасымалдаудың қозғаушы күші болып тасымалданатын заттың химиялық немесе электрохимиялық потенциалының градиенті саналады.

Тасымалдаушының көмегімен ағатын тасымалдаудың механизімі келесі кинетикалық схемамен сипатталады (сурет 3).

Бұл схемада с₀жәнеc_i мембрананың сыртқы және ішкі жақтарындағы  бос қалыптағы тасымалдаушылар, ал cS₀ және cS_I – субстратпен байланған тасымалдаушылар, S₀ и  S_i – сыртқы және ішкі ерітінділердегі субстраттың концентрациялары, ал k₁– k₈ – жеке стадиялардың жылдамдықтарының константалары.

Субстраттың ағынының жылдамдығы үшін өрнекті стационарлы қалыпты сипаттайтын, теңдеулердің жүйесін шешкенде алуға болады:

Jсубстраттың ағыны төмендегідей табылады

Тасымалдаушының жалпы концентрациясы с_tтұрақты болғандықтан, келесі өрнекті жазуға болады:

Дербес оқиғаны қарастырайық: тасымалдаушының көмегімен заттың пассивті тасымалдауы.

Бүкіл процестің жылдамдығыc S комплексінің мембрана арқылы диффузияның жылдамдығымен сипатталады, сондықтан, (J) заттардың жалпы ағынының тығыздығы үшін өрнек келесі түрде жазылады:

мұндаР = D / h – комплекс үшін мембрананың өткірлік коэффициенті,

D – мембранадағыкомплексінің диффузия коэффициенті,

h –мембрананыңқалындығы.

Жалпы стационарлы қалыпты қарастырайық: бір бағыттағы комплекстің ағына басқа бағыттағы бос тасымалдаушының ағынына тең:

мұнда P₀= – бос тасымалдаушы үшін мембрананың өткірлік коэффициенті, с₀ және с_i – мембрананың екі жағындағы тасымалдаушының концентрациялары.

Ақуыздық тасымалдаушының молекуласының көлемі тасымалданатын заттың көлемінен едәуір жоғары, сондықтан, мембранадағы тасымалдаушы мен комплекстің диффузия коэффициенттері бір-біріне тең деп санауға болады, бұдан шығатыны Р=Р_c, сонда 7-9 теңдеулерді келесі түрде жазуға болады:

с₀  және с_i   шамалардыc _tарқылы шығарсақ (теңдеу 11), (cS)₀ және (cS)_i   үшін өрнекті аламыз. 9 өзара қатынасты есте сақтап, орнына қойсақ, алатынымыз:

 

S_i = 0 болған кездегі заттытасымалдауының бастапқы жылдамдығы Михаэлис-Ментеннің теңдеуіне ұқсас теңдеумен сипатталады.

(мұнда S₀ = [S] ₀) және заттың бір бағыттағы (сол жақтан оң жаққа қарай) дербес ағыны байқалады.

Егер де [S]₀= 0, онда J = -J_i0оң жақтан сол жаққа ағатын дербес ағыны:

Сонымен, жалпы ағын екі дербес бір бағыттағы ағындарының айырмасына тең.

S₀ концентрациясы өте төмен болса, [13] теңдеуі қарапайым диффузияның формуласына сәйкес келеді (S₀-даң сызықты тәуелдік). К_mконстантасы

Шарты орындалған кездегі,  субстраттың концентрациясына тең және бүкіл процесті сипаттайтын, параметірі болып табылады. Шын жүйеде мембрана арқылы жалпы ағынның құрамына қарапайым диффузия мен шартталған компонент кіреді. Әр дербес ағыны үшін (J_max) ағынның максималды мәні келесі түрде есептеледі:

Және тасымалданатын заттың концентрациясы жоғары болғанда, пайда болады:

Бұл шарт орындалғанда, 1 мембрананың біржағындағы тасымалдаушы тасымалданатын зат пен комплексте болады. Тасымалдаушы жүйелердің спецификалық ингибиторлері тасымалданатын молекулаларға ұқсас болады. Мысалы, флоридзин глюкозаның тасымалдауын мембрана арқылы өтпей ақ бәсекелі ингибитірлейді. D- глюкоза үшін бәсекелі ингибитор D- галактоза саналады. Кейбір тасымалдаушылардың құрамына субстраты байлайтын екі орталық кіреді. Мұндай жағдайда бірзаттың  мембрана арқылы тасымалдауы басқа заттың бар болуынан тәуелді болады. Мысалы, эритроциттердің және ішектің эпителиалды клеткалардағы Nа ⁺ -мен қатар кейбір АМҚ-дың бір бағыттағы тасымалдау (симпорт).

Жеңілдетілген диффузия және қарапайым диффузия жүйелерінің қызмет атқаруының мақсаты – градиенттерді теңдестіру және жүйені тепе-теңдікке келтіру. Бірақ, клеткаға кірген молекулалардың биохимиялық реакцияларда жұмсалуының есебінен заттың градиенттеры ұзақ уақыт бірқалыпта сақталуы мүмкін.

Жеңілдетілген диффузияны талдау үшін К_m және J_max шамаларды талдайды.

Егер де К_m өссе тасымалдаудың бәсекелі ингибитірлеуі болды деп айтуға болады. Мембрананың үстілігінің ауданы, не тасымалдаушының концентрациясы, не комплекстің мембрана арқылы диффузия азайған кезде J_max кемиді.

«Мембрана арқылы иондардың тасымалы»

Электродиффузиялық моделінде мембрана шексіз гомогенді орта болып қарастырылады, оның ішінде әрекеттеспейтін нүктелі бөліктердің диффузиясы ағып жатады. x, өсіне қарай бағытталған пассивті және тәуелсіз қозғалатын түрлі иондардың (j,) қосынды ағыны иондардың концентрациясына, қозғалғыштығына және ионға әсер ететін күшке пропорционалды.

Тасымалдаудың жалпы теңдеуі келесі түрде жазылады:

ағын = концентрация ´ қозғауыш күш0 ´ қозғалғыштық[18]

Сонымен x жазықтығындағы концентрациясы с,-ға тең, ал қозғалғыштығы u-ға тең j, иондардың J ағыны келесі түрде есептеледі:

[19]

мұнда m – электрохимиялық потенциал

бірақ

мұнда  j – электрлік потенциал
z – валенттік
Т – абсолютті температура (К)
R – газдық тұрақтысы (8,31 Дж´моль^-1 К^-1)
F – Фарадейдің саны (9,65´10⁴  Кл/моль)

– химиялық әрекеттесу күштерді жеңу үшін қажетті жұмыс

– электр өрісіндегі зарядтарды тасу үшін керек жұмыс.

m-нің мәнін өрнектегі өз орнына қойып туындыны алғанда, ағын үшін келесі өрнекті аламыз:

[20] – Нернст-Планктың теңдеуі

Электродиффузияны сипаттайтын теңдеу (Нернст-Планктың теңдеуі) ерітіндідегі не гомогенді зарядталмаған мембранадағы иондардың диффузиясын сипаттайды.

Теңдеудің оң жағындағы бірінші мүшесі бос диффузияны (жалпы ағынның диффузиялық компонентасы) сипаттайды, ал екінші мүшесі электр өрістегі иондардың миграциясын сипаттайды.

Бұл теңдеуді келесі екі жеңілдететін шарттарды орындаған кезде шешуге болады.

Біріншіден, электрлік бейтарап шарты орындалса (тек қана фазалардың емес, мембрана өзі де). Бұл шарт х өсінің түрлі жазықтығында катиондар мен аниондардың концентрациясы тең болса (С _– = С₊) орындалады. Бұлжағдайдаэлектролиттіңекіерітінділерініңарасындадиффузиялықэлектр потенциалы пайдаболады, өйткенікатиондардыңқозғалғыштығы (и₊) жәнеанитондардыңқозғалғыштығы (u_– )түрліболады. Dj = j₂ – j₁ диффузиялық потенциалы үшінГендерсонныңтеңдеуікелесітүрдежазылады:

Мысалы, NaCl екі ерітіндісі әрекеттескен кезде, хлордың иондарының жылдамдығы жоғарылау болғандықтан (и_Cl» 1,5 и_Na) концентрациясы төменірек ерітінді концентрациясы жоғарылау ерітіндіге кері потенциалға ие болады. Егер де C₁/C₂ ~ 10 болса NaCl үшін ~ 12 мВ-қа дейін жету мүмкін.

Бірақ, Гендерсонның теңдеуі клеткалардың жұқа мембраналарының потенциалын сипаттау үшін жарамайды, өйткені электрлік бейтарап шарты орындалмайды. Бұл жағдайда потенциалдың мембрананың қалындығындағы сызықты түрде өзгеру шарты орындалу керек (dj/dx= const). Сонда, Нернст-Планктың теңдеуін шешуге болады да ионның қосынды пассивті ағынның (J) мембранадағы потенциалдардың айрмасынан (Dj) және мембрана фазасындағы мен шеттеріндегі ионның концентрациясынан (C₁и C₂) тәуелдігін анықтауға болады.

 

Қосынды ағынды (J) екі қарама қарсы бағытталған ағындар ( и ) құрайды:

– концентрациясы С₀ тең, мембрана арқылы сыртқы жуатын ерітіндіден бір бағыттағы түра ағатын, ағын

–концентрациясы С_i-ге тең, ішкі оерітіндіден сыртқы ерітіндіге кері қарай бағытталған бір бағыттағы ағын

Мембрананың шеттеріндегі және өз фазасындағы иондардың концентрациялары (C₁ и C₂) сыртқы және жуатын ерітінділердің концентрацияларына (C₀ и C_i) пропорционалды:

 

ІІІ. Қорытынды:

Жасушадағы мембрананың ең бірінші функциясы – барьерлік (тосқауыл құру). Зат алмасуын жүргізумен қатар клетканің ішкі құрылымын сақтау тек қана мембраналардың пайда болуымен байланысты. Мембраналардың пайда болуы /компарментация/ биологиялық эволюцияны жеделдетті.

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

Иондар мен суға еріген полярлы молекулалар өтпейтін тосқауылдар липидті биқабаттан тұрса,  иондарды мембрана арқылы тасымалдауымен айналасатын насостар биқабатқа еңгізілген ақуыздардан тұрады. Мембраналардың тосқауыл қасиеттері мен иондарды жасуша мен жасушааралық кеңістіктің арасындағы тепе-тең емес үйлестірілуі жасушаныңң ішіндегі реттеу процестері мен жасушалар арасында сигналдарды электр импульс түрінде өткізу қабілеттігінің негізінде жатады.

Мембрананың екінші функциясы – матрицалық. Оның бетінде белгілі ретпен ақуыздар орналасады. Олар электрондарды тасу ансамльдерін, энергияны жинақтау комплекстерін, жарықты рецепциялау, гормондармен және медиаторлармен реттеу комплекстерін құрайды.

Механикалық функция – бірқалыпты механикалық жүктемеден немесе осмостық тепе-теңдіктің бұзылуы кезінде жасушаның формасын сақтау.

Сонымен, биологиялық мембраналар деп цитоплазманы және жасушаны құрайтын көптеген элементтерді шектейтін және каналшалардан, қыртыстардан, қуыстардан тұратын біріктірген жүйені құрайтын бірнеше молекулярлық қабатты функционалды құрылымдарды атайды