Мембраналар биофизиканың негізгі мәселелері

 

 

     

                  Жоспары:

 

I. Кіріспе.

 

II.Негізгі бөлім:

 

 а)Везикулалық тасымалдану;

 б)Мембраналар  биофизиканың негізгі мәселелері;

 

III.Қорытынды.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Мембраналадың зерттеуімен биофизикадан бастап молекулярлық биологияға дейін түрлі ғылым салалары айналасады.

Жер жүзінде клеткалық емес өмір сүру формалар жоқ. Вирустер мен бактериофагтар есепке алынбайды, өйткені тірі клетканың қасиеттерінің көпшілігінен олар тек қана генетикалық программасың тұқымына беру қасиетіне ие болады.

Биологиялық физика клеткаларды зерттеу үшін физикалық тәсілдері дәл келетін тәжірибелік және теориялық модельдерді қолданады.

Эукариотикалық және прокариотикалық клеткалардың құрылуында және қызмет атқаруында мембраналардың маңызы аса жоғары. Мембраналар клетка ішіндегі компартменттерді құрайды, олар компартменттердің құрамына кіретін заттарды қоршаған ортадан бөлектейді. Мембраналар компартменттердің сыртқы және ішкі жақтар арасындағы әрекеттесулерді реттейді.

Химиялық метаболизм, синтез, энергияны қорландыру және оны өзгерту, молекулалардың және иондардың алмасуын реттеу мембаналдың аса маңызды физикалық және физикалық-химиялық функцияларына жатады /Сурет 1/.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сурет 1.Мембраналар функциялары.

 

 

 

Клетканың ішінде түрлі төмен- және жоғарымолекулалық қосылыстар құрылады. Олар түрлі ферментативтік реакциялардың нәтижесінде пайда болады. Ферменттер өздері де клеткада құрылады. Кейбір клеткалық ферменттер трансмембраналық реакцияларды катализдейді /реагенттер мембрананың екі жағында орналасады немесе катализдік акт молекулалардың алмасуымен бірге жүреді/. Басқа ферменттер комплекстерді құрайды. Олар реакциялар тізбегін жүзеге асырады. Ферменттер мембраның жазықтығында орналасқаннан, процестердің нәтижелігі өседі. Кейбір ферменттер мембраналармен байланысқан субстраттармен әрекеттесіп, бембраналардың биосинтезіне қатысады. Мембраналардың қатысуымен прокариотикалық ДНҚ репликациясы, ақуыздардың биосинтезі мен бөлнуі, биоэнергетикалық процестер және гормондық жауап процестері жүреді.

Клеткалық ашық жүйесінде ағып жатқан процестер, бір жағынан энергияны жұмсайды, бірақ та клетка өзі энергияның қорландыруы мен өндіруіне қатысады. Клетка химиялық энергияны жинайды да /АТФ түрінде/, оны химиялық, электрлік, осмотикалық және механикалық жұмыстарға тросформациялайды. Биоэнергетикалық және биосинтездік функциялар зат алмасуымен байланысты.

Зат алмасуын жүргізумен қатар клетканің ішкі құрылымын сақтау тек қана мембраналардың пайда болуымен байланысты. Мембраналардың пайда болуы /компарментация/ биологиялық эволюцияны жеделдетті.

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

Биологиялық мембраналар деп цитоплазманы және клетканы 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.

 

2. КЛЕТКАНЫҢ НЕГІЗГІ  МЕМБРАНАЛЫҚ ҚҰРЫЛЫМДАРЫ ЖӘНЕ ОЛАРДЫҢ ҚЫСҚАША СИПАТТАМАСЫ

1. Плазматикалық мембрана. Плазматикалық мембрана клетканы сыртқы ортадан шектейді. Оның құрамына арнаулы компоненттер кіреді, олар клетка аралық контакттарға және әрекеттесулерге қатысады, гормандық жауабы және молекалардың алмасуы үшін жауап береді.

2. Ядролық мембрана. Интерфазалық қалыптағы клетканың ядролық мембрананың түрі – екі элементарлы мембрана, арасына перинуклеарлы кеңістік. Морфологиялық белгісі – саңылаутүрлі құрылымдар /диаметрі – 600А./ Олар октагоналды торды құрайтын, морфологиялық компоненттерден тұрады. Бұл құрылымдар орналасқан жерде ішкі және сыртқы ядролық мембраналар құйлған болып көрінеді. Саңылаулар мРНК-ақуыз комплексіне ядродан цитоплазмаға ал реттеуші ақуыздарға кері қарай өтуге мүмкіндік береді деп саналады.

3. Эндоплазмалық ретикулум (ЭР) – цистерна және түтікше тәрізді құрылымдардың күрделі желісі. Ол жануарлардың клеткасының ішкі көлемінің едәуір бөлігін қамтиді. Негізгі ролі – ақуыздар биосинтездендірілетін орын, олар содан кейін шығарылады және лизосомаларға не плазмалық мембранаға кіреді. Клетка үшін қауіп туғызатын гидролиздік ферменттер ЭР-да процессингке ұшырайды. ЭР-мен рибосомалар қатынаста /бұжырлы ЭР/. Құрамына рибосомалар кірмейтін, ЭР-ның облыстары майда ЭР болып аталады. Мұнда стеролдардың биосинтезі, детоксикация және май қышқылдардың денатурациясы жүзеге асырылады. Бұл процестер b5 және Р450 цитохромдардың қатысуымен жүретін, электрондардың алмасуының жүйесіне кіреді

4. Гольджи аппараты. Бұл органелла жалпақ қаптардан /цистерналардан/ тұрады. Негізгі функция – эндоплазмалық ретикулумда синтездендірілген, гликопротеиндерді посттрансляциялық модификациялау. Олар содан кейін плазмалық мембранаға кіреді және лизосомаларға жеткізіледі. Бұл органеллалардың құрамына гликозидазалар және гликозилтрансферазалар кіреді, олар ақуыз процессингке ұшырағанда, Гольджи аппаратының басынан /цис-облыс/ оның аяғына барады /транс-облыс/

5. Лизосомалар. Бұл органеллалар макромолекулалардың деградациясы үшін жауапты және оның құрамына протеазалар және липазалар сияқты гидролитикалық ферменттер кіреді. Эндоцитозбен және фагоцитозбен алып қалынған заттар лизосомаларға везикулалар арқылы жеткізіледі. Лизосомаларда клеткалық компоненттер ыдырайды.

6. Пероксисомалар. Бұл органеллалардың құрамына тотықтандыратың ферменттер кіреді, олар АМҚ, ксантин және МҚ сияқты кішкене молекулаларды деградацияға ұшыратады. Пероксисомалардың құрамына асқын тотықтарды ыдырататын каталаза кіреді, сондықтан оларды солай атап кеткен.

7. Митохондриялар. Бұл органеллаларда тотықтандыру фосфорлендіру жүзеге асырылады, оның нәтижесінде сукцинат сияқты субстраттың тотықтануының нәтижесінде АТФ пайда болады. Митохондрияларды екі мембрана құрайды, олардың арасында аралық бар. Митохондриялардың ішкі аймаға матрикс деп аталады. Ішкі мембрана кристалар деп аталатын далдаларды құрайды, олар электрондардың алмасуы мен АТФ синтезіне қатысады.

8. Хлоропласттар. Құрамына фотосинтездік аппарат кіреді. Құрамы - екі мембранадан тұратын, сыртқы қабық және ішкі строма. Строманың ішінде тилакоидтік мембраналар орналасады, олар фотосинтез процесі үшін жауапты.

 

3. МЕМБРАНАЛАР БИОФИЗИКАНЫҢ  НЕГІЗГІ МӘСЕЛЕЛЕРІ

Мембраналар тек қана жартылай өткізетін, пассивті қабықтар емес, олар клетканың бүкіл маңызды функцияларына қатысады, олар бүкіл органеллалардың құрамына кіреді. Адам ағзасының мембраналырың жалпы ауданы – бірнеше жүз гектар.

Фотосинтездік және тотықтандыру фосфорлендіру, клеткалардың бөлінуі, зат алмасуы, қозу және жүйке импульсын өткізу, сенсорлық рецепция, эмбриогенез және тағы басқа аса маңызды өмір сүру процесстер мембранардың қатысуымен жүзеге асырылады. Цитоплазмалық мембрананың ішкі жағының және цитоқаңқаның арасындағы байланыс клетканың қозғалуын және функционалды белсенділігін қамтамасыз етеді. Мембраналар олигомерлі ферменттердің және полиферментті комплекстердің топографиясын және ішкі құрамын анықтайды, молекулалардың әрекеттесуі арқылы ферменттердің белсенділік және өзіндік деңгейін реттейді.

Плазмалық және органеллалардың мембраналарында пассивтік өткізудің иондық каналдары (натрийлік, калийлік, кальцийлік, хлорлық, протондық), және олардың электрохимиялық потенциалдарының градиенттеріне қарсы иондарды белсенді түрде тасу жүйелері (натрийлік, протондық, кальцийлік сорғылар) орналасқан, олардың қатысуымен иондық гомеостаз қалпында сақталады. Мембраналдың осы элементтерімен мембраналық потенциалды және жүйке-бұлшық еттер жүйенің спайктік белсенділігін қалыптастыру байланысты. Мембраналарда органикалық заттарды симпорт және антипорт механизмдері арқылы сұрыптау тасымалдау жүйелері орналасқан /натрий және калий протондарымен бірге/.

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.