Биологиялық мембрана — жасушаның және жасуша ішіндегі бөлшектердің (ядро, митохондрии, хлоропластар, пластидтер) бетінде орналасқан молекулалық мөлшердегі (қалыңдығы 5 — 10 нм), ақуызды-липидтік құрылымды жұқа қабықша. Биологиялық мембрана өткізгіштік қасиетіне байланысты жасушада тұздардың, қанттың, амин қышқылдарының, иондардың, т.б. заттардың алмасу өнімдерінің концентрациясын, олардың тасымалын және алмасуын реттейді. Клетканың протоплазмасын қоршап тұрған биологиялық мембрана жасушалық мембрана деп аталады. Клеткалық мембрана қос қабатты ақуызды-липидті молекулалардан тұрады. Биологиялық мембрананың құрылымы мен ерекшелігі туралы нақты ғылыми мәліметтер 20 ғасырдың басында белгілі болды.
Негізгі бөлім
Латынша “membrana” – жарғақ, үлпек деген сөз. Ол қалындығы 6-11 нм жасушаны ішкі ортадан бөліп тұратын майысқақ құрылым. Мембрана кез келген жасуша құрамын қоршаған ортадан бөліп, оның бүтіндігін және жасуша мен қоршаған орта арасындағы байланысын қамтамасыз етеді. Жасушаішілік мембрана клетканы арнайы тұйықталған бөліктерге – компартмент немесе органеллаларға бөледі. Осы құрылым туралы алғашқы болжамды Дж.Даниели мен Х.Давсон жасады. Ол болжам бойынша, мембрана екі жағынан белокпен қапталған («сендвич») қосқабат липидтен тұрады. Кейін 1935 жылы Дж.Робертсон ішкі және сыртқы мембраналардың құрылысы бірдей екендігін көрсетті. Қазіргі кезде биологиялық мембрананың С.Дж.Сингер және Г.Л.Никелсон 1972жылы ұсынған сұйықтау – өрнекті сүлбісі кеңінен тараған.
Кішкентай көк және ақ шариктар липидтердің гидрофильді бастарына сай келеді, ал оған қосылған сызықтар — гидрофобты құйрықтары. Суретте қызыл глобула мен сары спираль түрінде интегральді мембрана ақуыздары көрсетілген. Мембрана ішіндегі сары овальді нүктелер — холестерол молекулалары. Мембрана сыртындағы сары-жасыл түсті моншақты тізбек — гликокаликс құрайтын олигосахарид тізбегі.
Шеткейлік ақуыздар сұйық күйде болғандықтан қалғып жүреді. Олар көбіне энзимдік (ферментативтік) қызмет атқарады. Мембрананың қабылдағыштары мен антитектері бірлестіруші және шеткейлік белоктардан тұрады. Бірлестіруші ақуыздар малынып, мембрананың екі бетіне ұштары шығып тұрады. Олар ірі молекулалар мен иондарды іріктеп өткізетін арналардың қабырғасын жасайды. Бұларда тасымалды энергиямен қамтамасыз ететін АҮФ-аза ферменті болады. Биологиялық мембрана қасиеттері Ағындылық. Мембрана мызғымас құрылым емес, оның құрамына кіретін белоктар мен липидтердің қөбісі ұзына бойы жазықтықта ағып қозғала алады. Бейөлшемдестік. Сыртқы және ішкі қабаттарының құрамы әркелкі келеді. Үйектік. Мембрананың сыртқы беті — оң, ішкісі теріс зарядты болады. Таңдамалы өткізгіштік. Еріген заттардың белгілі ғана бөлшектерін және иондарды іріктеп өткізеді. Мембрана қызметі Жасушаны қоршаған ортадан және өзара оқшаулайды немесе оны бірнеше бөлікке бөледі; Маңызды ферменттері арқылы мембранада өтетін заттардың ағынын қадағалайды; Тіршілікке қажетті биохимиялық әсерленістер жылдамдығын және бағытын айқындайды; Өткізгіштік және арнамалы тасымал тетіктері арқылы жасуша ішіндегі әсерленгіш жерлерінің қасиеттерін реттейді. Сөйтіп эндоцитоз (ішке бөлу) және экзоцитоз (сыртқа бөлу) үрдістеріне жағдай жасайды; Беткейлік орналасқан байланыстырушы жүйелердің көмегімен тіндегі немесе ағзаның құрамындағы жасушалардың іс-әрекетін үйлестіреді; Мембрананың кейбір жерлері көршілес жасушаларды танып, олардың жайылуын (пролиферацияны) шектейді. Беткейлік орналасқан арнамалы қабылдағыштар арқылы гормондар (қоздырғыштар), медиаторлар (дәнекершілер), басқа биологиялық дәртті заттардың және дәрілердің алмасуын қамтамасыз етеді; Мембрана бетінде антигендер мен ұқсас таңбалардан құралған танитын жерлері болады, олар ішкі қадағалаушы жүйелердің таныс жасушаларды бөгде дене ретінде жоюдан қорғайды;
Мембрананың қызметтері бұзылған жағдайда көптеген дерттер пайдаболады. Мұны анықтайтын және емдейтін ғылым саласы мембранология деп аталады.
Биологиялық мембрана арқылы тасымал Жасушаның бүкіл тіршілік әрекеті мембрана өткізгіштігіне байланысты. 1902 жылы неміс ғалымы Э.Овертон мембрана өткізгіштігін зерттей отыра, мембранаға липидтерде еритін заттар бәрінен де жақсы өтетінін байқаған. Өткізгіштік – жасушаның әртүрлі заттарды өз қабықшасы арқылы екі жағына бірдей өткізу қабілеті. Тасымал – қоректік және қуаттық заттардың жасушаға келуін, қалдық өнімдер мен биологиялық дәртті нәрселердің одан шығарылуын, иондардың алмасуын қамтамасыз етеді. Жасуша мембранасы таңдамалы өткізгіштік қабілетіне ие. Олар арқылы ақырындап глюкоза, аминоқышқылдар, май қышқылдары, глицерол және иондар өтеді. Негізгі сыртқа тасымалдың 4 түрі бар: диффузия, осмос, белсенді тасымал, экзо- және эндоцитоз. Алғашқы екеуі пассивті характерлі, энергия өажет етпейді; соңғы екеуі – белсенді үрдістер, энергия шығыны болады. Пассивті транспорт кезінде тасымал арнайы канал – интегральды ақуыздар арқылы жүзеге асады. Олар мембрананы жарып, жол шығарады. K, Na мен Cl элементтері үшін де арнайы канал бар. Градиентке байланысты бұл молекула концентрациялары жасуша ішіне және одан қарай қозғалыс жасайды. Қозған кезде натрий ион каналдары ашылып, ішіне натрий иондары кіреді. Осы жағдайда потенциалдар да ауысады. Біраздан соң мембраналық потенциал қалпына келеді. Ал калиий каналдары ылғи да ашық, оған калиий иондары асықпай түседі.
Иондық каналдар селективтілік немесе таңдаушылық қабілетіне ие. Мембрананың өткізгіштігі мембраналық бет бірлігіне келетін ашық каналдардың санына тәуелді.
Токтың канал арқылы ағуы токтың басқа каналдар арқылы ағуынан тәуелді емес. Мысалы, калийлік каналдар ашық не жабық болуы мүмкін, ал басқа каналдар арқылы (мысалы, натрийлік) ағатын ток өзгермейді. Бір типті каналдардың қалыптары басқа типтің каналдарының қалыптарына мембраналық потенциалдың өзгертуі арқылы әсерін тигізеді Иондық каналдар – мембрананы тігіп өтетін ақуыздан тұратын комплекс. Оның ортасында иондар өтетін қуыс болады. Егер де біз натрийлік каналдың блокаторы тетродотоксиннің радиобелсенді белгіленген молекулаларын қолдансақ, мембрананың бетінің 1 мкм2 ауданына келетін каналдар санын анықтай аламыз. Кальмардың аксонының 1 мкм2 ауданына 500 натрийлік канал сәйкес келеді.
Микроэлектродтық техниканы қолдана отырып ұзындығы 1 см және қалыңдығы 1 мм (ауданы – 3 • 107 мкм2) тең кальмардың аксонында потенциалды бекіту арқылы мембрананың қосынды жауабын, яғни 500 • 3 • 107 ~ 1010 иондық каналдардың өткізгіштігін бағалауға болады. Қосынды токтардың өлшеуі және сол токтар арқылы өткізгіштерді талдау уақыт аралығында созылыңқы өзгеретін қисық сызықтарды береді (слайд 4) .
Жеке каналдың жауабы – дискреттік және канал не ашық не жабық калыпта болуы мүмкін. Қалыптар арасындағы көшулер статистикалық заңдылықтарға бағынады Канал ашық болған уақытты каналдың ашық қалпының уақыты деп атайды, ал каналдың ашылуының ықтималдығы жоғары уақытты каналдың өмір сүру уақыты деп атайды.
Деполяризация натрийлік каналдардың ашылуының ықтималдығының өсуіне әкеледі, ал натрийлік каналдардың ашылуы оның жабылуының ықтималдығының жоғарылауына әкеледі.
Таңдаушылық, яғни селективтік қабілетімен қатар иондық каналдар мембраналық потенциал өзгерген кезде өздерінің өтімділігін өзгерте алады. Мембрананың деполяризациясынан кейін сәйкес келетін токтар өзгере бастайды, олардың кинетикалары әр түрлі болады (слайд 6).
Иондық каналдың потенциалдан тәуелдігінің негізінде келесі құбылыс жатады. Оңдай каналдың молекуласы зарядтарға ие және ол зарядтар мембраналық потенциалдың әсерінен өзгереді. Сонымен, каналдың құрамына электр өрісінің өзгеруінің сенсоры кіретіндігі туралы айтуға болады .
Иондық каналдар басқа әсерлерге де сезімтал болуы мүмкін – механикалық деформацияларға, химиялық заттарға және т.б. Мембраналардағы иондық каналдарды зерттеу – қазіргі замандағы биофизиканың негізгі мәселелерінің бірі. Кез келген иондық селективтік канал келесі бөліктерден тұрады. Биқабатға батырылған ақуыздық бөлігі канал денесі деп аталады. Селективтік фильтрді оттектің теріс зарядталған атомдары құрайды. Олар тек қана белгілі диаметрге ие иондарды өткізіп тұрады. Каналдың кірісінде қақпалық бөлігі орналасады. Иондық каналдың қақпалары мембраналық потенциалымен реттеледі. Олар не ашық не жабық қалыпта болады. Натрийлік каналдардың тұрақты қалпы – жабық қалпы. Электр өрісінің әсерінен ашық қалпының ықтималдығы жоғарылайды да қақпалар ашылады, гидратацияланған иондардың ағыны селективті фильтр арқылы өтуге мүмкіндік алады. Егер де ионның диаметрі сәйкес келсе, ол гидраттық қабықтан құтылады және каналдың теріс жағына өтіп кетеді. Егер де ион өте үлкен болса (мысалы, тетраэтиламмоний), ол фильтр арқылы өте алмайды. Егер де, керісінше, ион тіпті кішкене болса, ол өзінің гидраттық қабығынан құтыла алмайды. Иондық каналдардың блокаторлары оң зарядтарына ие болады, олар селективті фильтрден өте алмайды да макромолекула каналды бітейді.
Биологиялық мембрана — аса күрделі құрылымды зат. Оның құрамында ферменттік белоктар, ерекше рецепторлар, электрондарды тасымалдаушы, энергияны өңдеуші құрылымдар сонымен қатар гликопротеиндер мен гликолипидтер болады. Мембраналық белоктардың көпшілігі мембрананы тесіп өтіп орналасса, ал кейбірі оған жартылай ғана еніп немесе жанасып жатады. Мембраналық белоктар түрлі қызмет (мысалы, гликопротеиндер антиген рөлін) атқарады. Кейбір химиялық реакциялар (мысалы, хлоропластарда жүретін фотосинтездің жарық реакциялары немесе митохондриидағы тотыға фосфорлану процесі) биологиялық мембрананың өзінде жүреді. Сондай-ақ, биологиялық мембрана жасушаны қоршап, сыртқы ортадан оқшаулауы арқылы жасушаның морфологиялық тұтастығын сақтайды.
