Биологиялық мембраналар. Өтімділігі. Механизмі

«Астана медицина университеті» АҚ

Медициналық биофизика кафедрасы

 

 

СӨЖ

 

 

Тақырыбы: Биологиялық мембраналар. Өтімділігі. Механизмі.

 

 

Орындаған: Мирзакулов А.

                    102 Стоматология

Тексерген: Шакерхан Н. Ш.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Астана - 2014

 

Жоспар:

 

 

1. Өтімділік туралы жалпы түсінік
2. Өтімділіктің механизмі
3. Пассивті тасымал. Диффузия
4. Фик теңдеуі
5. Мембраналар үшін диффузия теңдеуі
6. Өтімділік коэффициенті
7. Мембраналар арқылы иондардың тасымалы
8. Ионды каналдың құрылысы және функциясы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

      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 есебінен жүзеге асырылады.

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 өткірлік өседі.

МЕМБРАНА АРҚЫЛЫ ЗАТТАРДЫҢ ПАССИВТІ ТАСЫМАЛДАУДЫҢ МЕХАНИЗМДЕРІ

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сүрет 1. Пассивті тасымалдаудың түрлерінің жіктелуі (Антонов, 2000)

 

Тасымалдаудың бұл түрлерін үш топқа біріктіруге болады:

1. ҚАРАПАЙЫМ ДИФФУЗИЯ.
2. САҢЫЛАУЛАР АРҚЫЛЫ ТАСЫМАЛДАУ
3. ТАСЫМАЛДАУШЫЛАРДЫҢ КӨМЕГІМЕН ТАСЫМАЛДАУ (қозғалмалы тасымалдаушы, эстафеталық тасымалдау)

 

Тасымалдау механизмдеріне тәуелді екі топ болады:

1. Әр молекула басқа молекулалардан тәуелсіз тасымалданады және концентрациялық қанықтану эффектісі болмайды (қарапайым диффузия және саңылаулар арқылы тасымалдау, сүрет 2, а, б)
2. Тасымалдау молекула тасымалдаушымен байланысқаннан кейін жүзеге асырылады және концентрациялық қанықтану эффекті байқалады (сүрет 2в).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сүрет 2. Мембраналар арқылы иондардың пассивті тасымалдауы.

А—бүкіл биологиялық мембраналар; Б—жүйке және бұлшық ет талшықтарының қозған цитомембраналары; В — модельді мембраналар (ионофорлы антибиотиктардың қатысуымен). (Ю.А. Владимиров және басқалар, 1983)

 

 

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

 

3. БЕЙЭЛЕКТРОЛИТТЕРДІҢ  ТАСЫМАЛДАУЫНЫҢ МЕХАНИЗМДЕРІ

3.1. Диффузия

 

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

[1]

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:

[3]

мұнда  c – иондардың х жазықтығындағы концентрациясы

u – қозғалғыштық

 – х осі бойынша электрохимиялық потенциалдың өзгеруі (тасы-

малдайтын бөлшіктер зарядталмаған).

 

Жұқа мембраналар арқылы стационарлы диффузия жағдайында dc/dx=const. Егер де қалындығы h мембрананың шектерінде концентрациялар тұрақты болса (с1’ и c2’), және олар шаятын ерітінділерінің концентрацияларымен келесі қатынаста болса:

c1’=gc1  c2’=gc2

мұнда g – үлестіру коэффициенті

Бұл жағдайда мембрана арқылы ағын төмендегідей есептеледі:

[4]

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 бейэлектролиттер алдыменен 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.

3.2. Жеңілдетілген диффузия

Қарапайым диффузиядан ерекшеліктері:

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

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

[5]

мұнда S0 – сыртқы ерітіндегі заттың концентрациясы. Бастапқы уақыттағы ішіндегі заттың концентрациясы - Si =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 (сүрет 3).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Бұл схемада с0 және ci мембрананың сыртқы және ішкі жақтарындағы бос қалыптағы тасымалдаушылар, ал cS0 және cSI – субстратпен байланған тасымалдаушылар, S0 и  Si – іыртқы 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:

 

[6]

 

J субстраттың ағыны төмендегідей табылады

 

[7]

 

Тасымалдаушының жалпы концентрациясы сt тұрақты болғандықтан, келесі өрнекті жазуға болады:

[8]

 

Дербес оқиғаны қарастырайық: тасымалдаушының көмегімен заттың пассивті тасымалдауы.

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

[9]

мұнда Р = D / h – комплекс үшін мембрананың өткірлік коэффициенті,

D – мембранадағы комплексінің диффузия коэффициенті,

h – мембрананың қалындығы.

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

[10]

мұнда P0= - бос тасымалдаушы үшін мембрананың өткірлік коэффициенті, с0 және сi – 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=Рc, сонда 7-9 теңдеулерді келесі түрде жазуға болады:

[11]

с0  және сi   шамаларды c t арқылы шығарсақ (теңдеу 11), (cS)0 және (cS)i   үшін өрнекті аламыз. 9 өзара қатынасты есте сақтап, орнына қойсақ, алатынымыз:

 

[12]

Si = 0 болған кездегі затты тасымалдауының бастапқы жылдамдығы Михаэлис-Ментеннің теңдеуіне ұқсас теңдеумен сипатталады.

[13]

 

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

Егер де [S]0= 0, онда J = -Ji0 оң жақтан сол жаққа ағатын дербес ағыны:

 

[14]

 

Сонымен, жалпы ағын екі дербес бірбағыттағы ағындарының айырмасына тең.

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

[15]

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

[16]

және тасымалданатын заттың концентрациясы жоғары болғанда, пайда болады:

[17].

Бұл шарт орындалғанда, мембрананың бір жағындағы тасымалдаушы тасымалданатын затпен 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 субстратты байлайтын екі орталық кіреді. Мұндай жағдайда бір заттың 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 бір қалыпта сақталуы мүмкін.

Жеңілдетілген диффузияны талдау үшін Кm және  Jmax шамаларды талдайды.

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

 

ИОНДАРДЫҢ МЕМБРАНА АРҚЫЛЫ ТАСЫМАЛДАНУЫ

      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. Бұл жағдайда электролиттің екі ерітінділерінің арасында диффузиялық электр потенциалы пайда болады, өйткені катиондардың қозғалғыштығы (и+) және анитондардың қозғалғыштығы (u– ) түрлі болады. Dj = j2 – j1 диффузиялық потенциалы үшін Гендерсонның теңдеуі келесі түрде жазылады:

[21]

Мысалы, NaCl екі ерітіндісі әрекеттескен кезде, хлордың иондарының жылдамдығы жоғарылау болғандықтан (иCl » 1,5 иNa) 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 (C1 и C2) тәуелдігін анықтауға болады.

 

 [22]

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

[23]

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

[24]

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