Мембрана құрылысын және қызметін зерттеуге арналған қазіргі кездегі әдістер. Беттік керілу күштерін зерттеу

Мембраналардың кеңістіктік-уақыттық қалыптасуы бірқатар факторлармен байланысты. Мембраналарла құрылымына қарай ерекшеленген, бірақта функционалды біріктірілген матрикстер бар: құрамына интегралды және перифериялық ақуыздар кіретін, липидті биқабат /екі өлшемді құрылым/ және үш өлшемді ақуыздық каркас.

Мембраналардың липидті және ақуызды молекулалардың мембраналардың жазықтығында латеральдік жылжу қабілеті өте жоғары.

Биологиялық мембраналардың ақуыздары, липидтері және гликопротеидтері жоғары латеральдық гетерогендікпен және көлденең симметриямен сипатталады. Бұнымен  функционалды блоктардың кеңістіктік дарашылдығы, тасымалдаушы, рецепторлық механохимиялық комплекстердің кооперациясы, сигналдарды рецепциялауғанда анық шектеу және тағы басқа қабілеттер байланысты. Нативті биомембраналардың липидтері сұйықкристаллды немесе гельдік қалыпта болады. Әртүрлі фазалар пайда болады, олар түрлі липидті молекулалардың гетерогенді таратылуымен сипатталады.

Биологиялық мембраналар – термодинамикалық тепе-теңдік жүйелер болып қарастырылады, бірақта мұндай көз қарас объектіге  адекватты емес.

Клеткалық мембраналар –шекаралық құрылымдар. Олардың қатысуымен затпен және энергиямен алмасу қайтымсыз процестер ағады. Оларды термодинамикалық тепе-теңдіктен алыс «белсенді орта» деп санауға болады. Мұндай тепе-теңсіздік жүйелерде автотолқынды процестер пайда болуы мүмкін. Автотолқындар мембраналарда мембранааралық әрекеттесу үшін да маңызды

Жоғары ағзалардың мембраналары бірімен-бірі гормондар мен нейрондардың көмегімен  әрекетке түседі, ал ішкі коммуникацияларды  келістіруші молекулалар /екінші қайтара  мессенджерлер/ қамсыздандырады. Клеткаға арналған сигналдық молекулалар рецепторларға түседі, алынған ақпаратты мембрана өзгертеді да келістіруші молекулалардың көмегімен клеткалық процестерді реттейді /мысалы, секреция, осу немесе метаболизм/. Сигналды молекулаларды танудың молекулярлы механизмдері және ақпаратты өзгерту механизмдері әлі зерттелмеген.

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

4. МЕМБРАНОЛОГИЯНЫ ҚОЛДАНУ  АСПЕКТІЛЕРІ

Мембранар технологиясы соңғы 30 жылда аса дамыған. Оның құрамына кері осмос, газдарды бөлу, заттын бақылау шығарылуы сияқты процестер кіреді. Бұл процестердің барлығы заттың трансмембраналық тасымалдауына негізделеді.

Мембраналық технологиялардың көбісі целлюлоза мен оның туындылардың (нитроцеллюлоза, ацетатцеллюлоза) негізінде алынған. Каппилярлы мембраналар жасанды бүйректі жасағанда, қолданған /Махон, Стюарт, Сарни, 1967 ж./. Оның гемодиализді модулінің құрамына 11000 талшық кірді, белсенді ауданы – 1 ш.м.

Микрофильтрация соғыс кезінде судың бактериалдық улануың анықтау үшін қолданылған, қазіргі уақытта оны зарасыздандырылған ерітінділерді алу үшін қолданады.

Ультрафильтрация құбылысын қоршаған ортаның ластануын және құнды  қосалқы өнімдердің регенерациялауын бақылау үшін қолданады. «Мембраналық өкпелер» АҚШ-да 20% хирургиялық операцияларда қолданады.

Мембраналық электродтар және заттардың  бақыланып жұмсалуы және шығарылуы  – келесі мембраналарды қолдану  технологиясы. Мембраналық технологияларға  жасанды биқабатты мембраналардың қолдануымен жүргізілетін, түрлі препараттарды тестілеу жатады.

5 МЕМБРАНАНЫҢ ЛИПИДТІК  ҚҰРАМЫ.

Мембраналық липидтердің негізгі  функциясы - биқабаттық матриксті қалыптастыру. Негізгі класс - глицерофосфатидтер.

Глицерола деп аталатын гидроксильді топ, құрамына фосфат кіретін, полярлы топтанумен байланыста. Екі басқа гидроксильді топ гидрофобтық қалдықтармен байланысады. Табиғаттағы фосфолипидтер конфигурациясы D болады.

Фосфоглицеридтердің көбісінде фосфаттық  топ глицеролдың sn-З-қалыпында жатады, ол холинді, этаноламинді, миоинозитольды, серинді немесе глицерольды тобымен байланады.

 

Сурет 1. Глицерофосфатидтің құрамы

 

Майлы қышқылдардың құрамына ылғи көміртек атомдарының жұп саны креді/14-тен 24-ке дейін/. Ең жиі кездесетіндері - С16, С18 и С20. Қанықпағандықтың дәрежесі түрлі болады, бірақ та жиі кездесетіндері - 18:1, 18:2, 18:3 и 20:4.

 

 

Сурет 2. Мембраналардың липидтерінің майлы қышқылдары.

 

Табиғатта кездесетін қышқылдар екілік байланыстардың цис-конфигурациясымен  сипатталады. Мұндай конфигурацияда тізбек омырылуға ұшырайды, биқабаттағы липидті молекулалардың түйюлуі бұзылады. Фосфолипидтердің көбісінің құрамына бір қаныққан және бір қанықпаған тізбек кіреді. Жануарлардың клеткаларында қанықпаған тізбек глицеролдың sn-2-қалпында жатады. Е. coli клеткалары үшін да солай болады. Полиқанықпаған тізбектерде екілік байланыстар өте жиі кернеусіз болады. Кейбір бактериялардың фосфолипидтері бұталанған және құрамына циклдер /циклопропан/ кіретін тізбектерден тұрады.

 

Сурет 3. Фосфатидилхолинның құрамы.

 

Кардиолипиндер немесе дифосфатидилглицеролдар - фосфолипидтердің димерлі түрлері. Митохондриялардың, хлоропластардың және кейбір бактериялардың мембраналарында жиі кездеседі

Плазмалогендер. Бұл фосфоглицеролипидтердің бір көміртектік тізбегі - қарапайым винилдық эфир. Этаноламиндық плазмалогендер миелинде және жүректің саркоплазмалық ретикулумында жиі кездеседі

 

6. МЕМБРАНАДАҒЫ МОЛЕКУЛЯРЛЫҚ КОМПОНЕНТТЕРДІҢ ҚОЗҒАЛҒЫШТЫҒЫ

6.1. Липидтердің қозғалғыштығының түрлері.

6.1.1 Латеральды диффузия

Латеральды диффузия дегеніміз - липидтердің бір моноқабаттың ішіндегі жылжуы. Бұл процесс өте жылдам жүреді. Латеральдық диффузияның коэффициенті - 10^-7-10^-8 см²/с.  t уақыты ішіндегі молекула өтетін, орташаршылы қашықтық келесі формуламен есептеледі:

(2).

Орта мөлшерлі липидтік молекула бір секунданың ішінде үлкен бактериялық клетканың ұзындығына тең қашықтықты (≈2 мкм) өтеді. Латеральды диффузияның жылдамдығы мембраналардың липидтік құрамынан және температурадан тәуелді.

6.1.2. Флип-флоп көшулер

Флип-флоп көшулер дегеніміз трансбиқабаттық жылжу. Молекулалар бір қабаттан басқа қабатқа өте сирек көшеді. Жылдамдығы өте төмен: бір фосфолипидтік молекула жұмада бір рет флип-флоп көшуді жүзеге асырады. Бұл кішкентай жылдамдық липидтің полярлық басына мембрананың көмірсулы облысың өту керектігімен байланысты. Кейбір интегралды /біріктіруші/ ақуыздар флип-флоп көшуді тездетеді.

6.2. Ақуыздардың қозғалғыштығының түрлері

Мембраналық ақуыздар мембрананың бір қабатынан басқа қабатына липидтер сияқты секіре ала алмайды. Бірақ олар өз өсі бойымен айнала алады /айналдыру диффузия/.

Ақуыздардың көбісі латеральды диффузия арқылы да жылжи алады. Оның жылдамдығын флуоресцнцияның қалыптасуы әдісі арқылы өлшеуге болады. Родопсин молекуласы үшін диффузия коэффициенті Д 5•10^-9см²с^-1 тең болды. Бұл фосфолипидтердің диффузия коэффициентісінен екі есе төмен, бірақ та басқа ақуыздармен салыстырғанда ең жоғары шама болып саналады.

Табиғатта кездесетін ақуыздардың латеральды және айналу диффузиялардың константалары 10^-10-10^-12 см²/с интервалында жатады.

Мембраналардағы липидті және ақуызды  молекулалардың латеральды және айналдыру  диффузия коэффициенттері келесі жайды  дәлелдейді: физиологиялық қалыпта  мембраналық жүйелер екіөлшемді сұйықтықтың қасиеттерімен сипатталады.

Бұл орталардың тұтқырлығы (η) Стокс-Эйнштейннің теңдеуімен есептеледі.

(3.14).

мұнда r- жылжитын молекуланың радиусы.

Табиғаттық мембраналар өз қызметін керекті деңгейде атқару үшін, олардың көмірсулы аймағы сұйық қалыпта болу керек, ал  тұтқырлығы зәйтун /оливковое/ майдың тұтқырлығына тең болу керек.

7. МЕМБРАНАЛЫҚ АҚУЫЗДАР. МЕМБРАНАЛЫҚ АҚУЫЗДАРДЫҢ ТҮРЛЕРІ МЕН ФУНКЦИЯЛАРЫ.

Липидтердің мембраналардағы негізгі  ролі - биқабатты құрылымды тұрақтандыру, ал  ақуыздар биомембраналардың  белсенді компоненттері болып табылады.

Мембраналардың ақуыздық құрамы әртүрлілік, олардың молекулярлық массасы 10000-наң 240000-ға дейін жетеді.

Мембраналардың ақуыздары интегралды және перифериялық ақуыздарға бөлінеді. Интегралды ақуыздардың құрамына кең көлемді гидрофобтық аймақтар кіреді, және олар суда ерімейді.

Құрамына сәйкес ақуыздар b-қабаттар мен a-спиральдарға бөлінеді.

Мембранаға бекітілуіне қарай  төрт түрлі болады. (Сурет 1).

 

 

Функциясына сәйкес ферменттік, тасымалдаушы, реттеуші және тіректі-құрылысшы ақуыздар болады.

 

8. 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

9. СИНГЕР-НИКОЛСТЫҢ СҰЙЫҚ-КРИСТАЛЛДЫҚ  ҮЛГІСІ

Даниели-Давсонс және Робертсонның үлгісі бойынша липид-плазмалық  мембрана биқабатты құрылымды құрайды /бутербродқа ұқсас, екі кесек нанға май жағылған және олар біріне бірі жапсырылған/. Ақуыз қабаты және липид қабаты біртекті.

1970 жылдан бастап динамикалық  қасиеттері иен олардың мембраналық  функцияларымен байланысы зерттеле басталған.

Мембраналық липидтер ортада орналасқан бимолекулалық қабатты құрайды. Кейбір ақуыздар мембрананың үстінде орналасады, басқалары мембрананы кесіп өтеді /Сурет 6/. Арнайы мембраналарда ерекше ақуыздар жиналған, облыстар болады /мысалы, саркоплазмалық тізбектің мембранасында Са²⁺, АТФазаның жиналуы/.

Сурет 6. Плазмалық мембрананың құрамы

 

Қазіргі уақытта ақуыздар жеке глобулалар түрінде мембрананың үстінде  жүзіп жүреді деп саналады, Олар жоғары немесе төменгі мөлшерде мембранаға матырылады /Сингердің сұйық-мозаикалық үлгісі, 1966/. Бұл үлгі бірқатар факторларды түсіндіруге мұмкіндік береді. Мысалы, мембраналардың көптеген физиологиялық функцияларының оның ағымдылығынан тәуелдігін анықтайды.

Ақуыздық-кристаллдық үлгі тек  қана келесі постулатпен ерекшеленеді: мембранада ақуыз-ақуыз байланыстардың нәтижесінде қатты ақуызды құрылым пайда болады /Сурет 7/.

 

Сурет 7. Плазмалық мембрананың сұйық-мозаикалық үлгісі.

 

10. 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.