Тақырыбы:Биологиялық мембрананың құрылымы мен функциясын оқытудың әдістері.

Мақсаты:Биологиялық мембрананың табиғатын түсіну. Олардың функциясы мен зерттеу әдістерін оқып үйрену. Берілген тақырып бойынша есеп шығару әдістемесін

меңгеру.

Оқытудың міндеттері:

· Студент медико-биологиялық зерттеулерде мембрана құрылымының физико-химиялық ерекшеліктерін, жұмыс жасау механизмін, физикалық шамалардың формулалары мен өлшем бірліктерін білуі тиіс

· Студент берілген тақырыпқа байланысты есеп шығаруды үйренуі тиіс

Тақырыптың негізгі сұрақтары:

· Биологиялық мембрана туралы жалпы түсінік.

· Мембрананы зерттеудің физико-химиялық әдістері.

· Биологиялық мембрананың құрылымы.

Оқыту әдісі - берілген тақырыпқа берілген хабарламаларды талқылау, есептер шығару және тапсырмалар орындау.

Қысқаша теория:

Ағзаның өмір сүруін оқып үйренудің күрделілігінің бірі тірі ағзаның жоғары құрылымдығы. Тірі ағзаның құрылымдық және функционалдық бірлігі негізгі өмірлік функциялары өтетін жасуша болып табылады. Жасуша қоршаған ортамен заттың, энергияның және ақпараттың алмасуы жүретін ашық жүйені құрайды. Барлық жасушалар плазмалы (жасушалық) мембранамен қоршалған цитоплазмадан тұрады.

Кез-келген мембрана құрылымының негізін липидтердің екі моноқабатынан тұратын екі липидтік қабат құрайды. Екі қабаттың да гидрофобты “құйрықтары” ішке қарап жатады. Бұл кезде молекуланың гидрофобты бөлігінің сумен жанасуы азырақ болады. Келесі гипотеза шындыққа жанасады: мембрана сұйықтық-мозаикалық түрде болады, яғни фосфолипидті негіз–ақуыздар жүзіп жүретін екі өлшемді еріткіштер түрінде болады

(сурет 1).

1-cурет 2-сурет Даниэль – Давсон бойынша жасушалық мембрананың құрылысының схемасы.

Авторлар мембрананың әртүрлі құрылысының моделдерін ұсынды. Сараптамаларға сүйене отырып Даниэль мен Давсон 1935 ж. мембрана құрылымын (сур. 2) ұсынды. Бұл моделде бір-біріне перпендикуляр орналасқан фосфолипидтер молекуласының екі қабаты бар.

Липидтер молекулаларының гидрофилды жағы сыртқа, гидрофобты –мембрананың ортасына қарай бағытталған. Гидрофобты жағы – бұл полярлы топтар құрамында жоқ, су молекулаларымен қосыла алмайтын бөлігі. Әдетте молекуланың гидрофобты жағы органикалық қышқылдардың қаныққан көмірсуларының тізбегі түрінде болады.

Мембрана өз құрылымына қарай жазық конденсаторға ұқсайды, онда астарлары ретінде ақуыздардың беті алынса, ал диэлектриктің ролін липидті қабат орындайды. Жазық конденсатордың формуласын пайдалана отырып, мембрананың гидрофобты және гидрофилді бөліктеріндегі диэлектрик өтімділігін мембрана қалыңдығының шамасының өзгеру шегін біле отырып, бағалауға болады. , мұндағы ε – диэлектрлік өтімділігі, ε₀- электрлік тұрақты, s- аудан, d-пластиналар қалыңдығы.

Қазіргі кезде пайдаланатын 1971 жылы Николсон мен Сингер ұсынған құрылысы екі қабатты липидтерден тұратын биологиялық мембрананың сұйық – мозаикалы моделі болып табылады.

Мембрананың липидтері мен ақуыздары жылулық қозғалыстың әсерінен үлкен қозғалғыштыққа ие. Липидтер мен ақуыздар (белоктар) орын алмастырып отырады және олардың мембрана жазықтығының бойымен орын алмастыруын латеральды диффузия, ал көлденең орын ауыстыруын флип – флоп деп атайды. Латеральды диффузияға липидтердің жоғарғы бөлігінің қозғалысы, ал «флип-флопқа» төменгі бөлігінің қозғалысы сәйкес келеді, яғни мембрананың екі жағындағы липидтердің орын ауыстыруы сирек процесс болып табылады.Латериалды диффузияның нәтижесінде молекуланың секіру жиілігі мынаған тең: (1), мұндағы

D-латеральды диффузияның коэффициенті; A- мембрананың беткі қабатындағы бір молекуланың алатын ауданы.

Бір бағыттағы молекуланың тұрғылықты өмірінің уақыты секіру жиілігіне кері пропорционал: (2)

Сондықтан t уақыт ішіндегі молекуланың орташа квадраттық ығысуы мынаған тең:

= (3)

Мембраналар жоғары меншікті электр кедергісі (жуықтағанда 10⁷Ом*м) мен жоғары сыйымдылыққа (0,5*10^-2Ф/м² мөлшерінде) ие болады. Мембраналық липидтердің диэлектрлік өтімділігі 2-ге тең.

Мембраналар көп санды әртүрлі ақуыздардан тұрады. Олардың саны көп болғаны соншалық мембрананың беттік керілуі «липид-су» ( ) бөлігіне қарағанда «ақуыз-су» ( )бөлігінің шекарасындағы беттік керілудің шамасына жақын. Мембраналық ақуыздарының концентрациясы жасушаның түріне байланысты.

Жасушалық құрылымды оқып үйрену оптикалық микроскопты пайдаланудан басталды. Оның жұмыс істеу принципі жарықтың сыну құбылысына және линзалардың оптикалық жүйесі көмегімен кескінді құрылуына негізделген. Биологиялық ультрақұрылымды тікелей оқып үйрену электронды микроскоптың табылуынан кейін мүмкін болды. Оның рұқсат ету мүмкіндігі жарық микроскопқа қарағанда жоғары болады. Қазіргі кездегі микроскоптардың рұқсат ету шегі 0,5-1нмғ ал үлкейтілуі – жүздеген есе көп. Жарық және электронды микроскоптарда сәуле жолы бірдей. Бірақ та электронды микроскопта жарық шоғын электрондар ағыны ал линзаның ролін электростатикалық немесе электромагниттік өріс атқарады.

Инфрақызыл спектроскопия, спектрогюляриметриямен, ЯМР және т.б. мембрананы зерттеу әдістері арқылы унитарлы модельде ескерілмеген ақуыздық құрылымдарының және ақуыз аралық өзараәсердің әртүрлілігі байқалды. Бұдан ақуыздар мембранада асимметриялы таралатыны анықталды (Бергельсон, 1970).

Мұздатылған (қатырылған) күйдегі кесу (скалывания) әдісі арқылы маңызды нәтижелер алынды (freeze etching). Мембрананы cұйық азот температурасында тез қатырады және вакуумде бөледі де, электронды микроскоппен бақылайды. Осыдан кейін эритроцит мембранасының гидрофобты аймағының ішкі жағынан көлденең кесіледі (қиылады). Бұдан диаметрі 7,5нм-ге дейін жететін глобулалы бөлшектер табылды. Бұл бөлшектер – ақуыздар екені анықталды.

Сонымен қатар жасушаның құрылымын зерттеуде рентген құрылымды сараптамма (рентген сәулелерінің дифракциясы) үлкен роль атқарады. Бұл әдіс дифракция құбылысына негізделген. Сараптамадан рентгенографияда объектінің құрылымын молекулалық және атомдық деңгейдегі мәліметтері алынады. Бұл әдіс молекулалық биология мен ультрақұрылымды оқып ұйрену аймағында пайдаланатын қуатты әдістердің бірі болып табылады. Оның құндылығы ол тек молекулалардың кеңістіктік орналасуын анықтап қана қоймай молекулалар арасындағы арақашықтықты дәл өлшейді және ішкі молекулалық ұйымдастыруды табады. Бұл әдістің электрондық микроскопиямен салыстырғанда маңыздылығы тіркелмеген препараттардың құрылымының сараптаммасын жасауға мүмкіндік береді.

Жасушаның химиялық құрылымын зертеу үшін ультрахимиялық әртүрлі әдістері қолданылады. Бұл әдістер арқылы жасушадағы заттар мөлшері және жасуша құрамы алынады Содан кейін арнайы химиялық әдістер алынған заттардың сапалық және сандық сараптамасы жасалады.

Бұл әдістер тобына мембрананың ақуыздар мен липидтерге бөлінуін талқылау

да жатады. Қазіргі кезде зерттеушілер мембрана ақуыздарының конформациясын оқып үйренуге көңіл бөліп отыр. Мұнда люминесценттік сараптама инфрақызыл спектраскопиясы, оптикалық белсенділікті өлшеу және т.б әдістері пайдаланылады.

Биологиялық мебраналар ағзада көптеген функциялар атқарады: олар тепе-теңдік емес жағдайдағы ағзаны ұстап тұруға мүмкіндік беретін, жасушаны жеке бөліктерге бөліп отыратын (компартаменттер) жасушаны (цитоплазматикалық мембраналар немесе плазмалемма деп аталатын) және жасушалық органеллаларды қоршап тұрады; жасуша аралық байланысты түзейді, жасушаның механикалық қорғайды, зат тасымалын, нерв импульсін жүргізеді, АТФ синтезіне қатысады, кеңістікте ферментативті реакцияларды жүзеге асыратын мембрана ақуыздарының орналасуын, рецепторлар және иммундық жүйенің қызметін қамтамасыз етеді.

Есептер:

1. Латериалды диффузия коэффициенті D=45 мм²/c, фосфолипидтің бір молекуласының алатын ауданы А=1,9 нм² – ға тең саркоплазматикалық ретикулуманың тұрғылықты өмірінің уақытын және мембрана липидтерінің бір қабатынан екінші қабатына секіру жиілігін есептеңіз?

2. Қалыңдығы d= 10 нм, меншікті электр сыйымдылығы С= 1,7мФ/м² тең мембрана липидтерінің диэлектрик өтімділігін есептеңіз?

3. Мембрананың сұйықкристалдан қаттыкристалл күйге өткен кезде гидрофобты қабатының сұйықкристалл күйіндегі қалыңдығы 3,9 нм, қаттыкристал күйіндегі қалыңдығы 4,7 нм –ге тең болғанда мембрананың электр сыйымдылығы қалай өзгереді?

4. Латериалды диффузия коэффициенті D=10 ^–12 м²/с – ға тең 2секунд ішінде ақуыз молекуласының орташа квадраттық ығысуын есептеңіз?

5. Мембрана фосфолипидтерінің сұйықкристалл күйден қаттыкристалл күйге фазалық ауысуында биқабат қалыңдығы өзгереді. Осындай фазалық ауысуда мембрананың электр сыйымдылығы және электр өрісінің кернеулігі өзгере алады ма?

Бақылау

Сұрақтар:

· Биологиялық мембрананың түрлері және олардың функциялары.

· Мембрананың химиялық құрамы

· Мембраналық липидтердің түрлері.

· Моноқабатты липидтердің қасиеттері..

· Биқабатты липидтердің құрылымы.

· Латеральды диффузия және трансмембраналы ауысулар.

· Мембраналық ақуыздар.

· Мембраналық ақуыздар және олардың функциялары.

· Липосомалар.

Әдебиеттер:

1. А.Н. Ремизов Медицинская и биологическая физика. М. Дрофа, 2004ж.

2. Ремизов А.Н., Потапенко А.Я. «Курс физики» М. "Высшая школа". 2002 ж.

3. М.Е. Блохина, И.А.Эссаулова, Г.В.Мансурова. «Руководство для лабораторных работ по медицинской и биологической физике» М. Дрофа.2002ж.

4. В.А. Тиманюк, Е.Н. Животова «Биофизика» М. 2003ж.

5. М.В.Волькенштейн «Биофизика» М.2008ж.