Биологиялық мембранының құрылысы және оның қызметі

Жоспар
Кіріспе

1. Биологиялық физика пәні және оның басқа ғылымдармен байланысы.
2. Биологиялық мембрананың (БМ) қызметі.
3. Мембрананың құрылысы.
4. БМ липидтер мен ақуыздардың түрлері.
5. БМ фазалық ауысу.
6. Жасанды БМ.

Бізді қоршаған материалдық дүниедегі барлық құбылыстар мен өзгерістер өзара тығыз байланыста екендігі белгілі. Соның бірі айғағы ретінде биология ғылымының биологиялық жүйелердегі құбылыстарды танып білуде дәл ғылымдардың заңдылықтары мен ондағы түсініктерді қолдану арқылы ғана одан ары дамитындығына көз жеткізді. Осындай себептерден биология және физика ғылымдарының түйісінде биофизика атты жаңа ғылыми бағыт пайда болды.
Биологиялық физика биологиялық жүйені субмолекулалық, молекулалық, жасушалық, ұлпалық, мүшелік және ағзалық деңгейлердегі дамуын физика- химиялық тұрғыдан зерттейтін ғылым. Биофизика термині алғаш рет 1892 жылы Карл Пирсонның «Ғылым грамматикасы» атты ғылыми еңбегінде «...биологиялық фактілер- морфология, эмбриология және физиология физикалық заңдылықтардың дербес бір көрінісі, сондықтан оның этиологиясы...» деп жазды. Кейін А.Фик және немістің басқа да ғалымдары бұл саланы «Медициналық физика» деп атаған.
1961 жылғы І-Дүниежүзілік биофизиктердің халықаралық конгресінде биофизика өз алдына жеке ғылым ретінде танылды. Осы конгрестің шешіміне сәйкес биофизика – молекулалық биофизика, жасуша биофизикасы, күрделі жүйелер биофизикасы деген бөлімдерден тұрады.
1. Молекулалық биофизика бөлімі- биологиялық макромолекулалар (ақуыздарды, нуклейн қышқылдарын т.б.) мен молекулалық деңгейдегі биологиялық жүйелердің құрлысы мен физикалық қасиеттерін зерттейді. Биофизиканың бұл бөлімінің пайда болуына Л.Полингтың ақуыздың кеңістіктік құрылымын мен Ф.Криктің «өмір спиралы»ДНК анықтауы үлкен себеп болды. Сонымен қатар молекулалық биофизика молекулалық деңгейде энергияның түрленуі мен миграциясын да қарастырады.

Пән: Биология
Жұмыс түрі: Реферат
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 16 бет
Таңдаулыға:

БИОЛОГИЯЛЫҚ МЕМБРАНЫНЫҢ ҚҰРЫЛЫСЫ ЖӘНЕ ОНЫҢ ҚЫЗМЕТІ. ЖАСАНДЫ БИОЛОГИЯЛЫҚ МЕМБРАНА.

Лекция жоспары

1. Биологиялық физика пәні және оның басқа ғылымдармен байланысы.
2. Биологиялық мембрананың (БМ) қызметі.
3. Мембрананың құрылысы.
4. БМ липидтер мен ақуыздардың түрлері.
5. БМ фазалық ауысу.
6. Жасанды БМ.

§ 1.1 Биологиялық физика пәні туралы.

Бізді қоршаған материалдық дүниедегі барлық құбылыстар мен өзгерістер өзара тығыз байланыста екендігі белгілі. Соның бірі айғағы ретінде биология ғылымының биологиялық жүйелердегі құбылыстарды танып білуде дәл ғылымдардың заңдылықтары мен ондағы түсініктерді қолдану арқылы ғана одан ары дамитындығына көз жеткізді. Осындай себептерден биология және физика ғылымдарының түйісінде биофизика атты жаңа ғылыми бағыт пайда болды.
Биологиялық физика биологиялық жүйені субмолекулалық, молекулалық, жасушалық, ұлпалық, мүшелік және ағзалық деңгейлердегі дамуын физика- химиялық тұрғыдан зерттейтін ғылым. Биофизика термині алғаш рет 1892 жылы Карл Пирсонның Ғылым грамматикасы атты ғылыми еңбегінде ...биологиялық фактілер- морфология, эмбриология және физиология физикалық заңдылықтардың дербес бір көрінісі, сондықтан оның этиологиясы... деп жазды. Кейін А.Фик және немістің басқа да ғалымдары бұл саланы Медициналық физика деп атаған.
1961 жылғы І-Дүниежүзілік биофизиктердің халықаралық конгресінде биофизика өз алдына жеке ғылым ретінде танылды. Осы конгрестің шешіміне сәйкес биофизика - молекулалық биофизика, жасуша биофизикасы, күрделі жүйелер биофизикасы деген бөлімдерден тұрады.
1. Молекулалық биофизика бөлімі- биологиялық макромолекулалар (ақуыздарды, нуклейн қышқылдарын т.б.) мен молекулалық деңгейдегі биологиялық жүйелердің құрлысы мен физикалық қасиеттерін зерттейді. Биофизиканың бұл бөлімінің пайда болуына Л.Полингтың ақуыздың кеңістіктік құрылымын мен Ф.Криктің өмір спиралыДНК анықтауы үлкен себеп болды. Сонымен қатар молекулалық биофизика молекулалық деңгейде энергияның түрленуі мен миграциясын да қарастырады.
2. Жасуша биофизикасы- жасауша мен оның органелдерінің құрылымын, ондағы физика-химиялық үрдістерді, биопотенциалдың пайда болу механизмін, жасуша арқылы заттарды тасымалдауды, жасуша термодинамикасын зерттейді. Биофизиканың бұл бөлімінің дамуына Бернштейннің, А.Ходжкинның, Хакслидың және т.б. ғалымдардың қосқан үлестері орасан зор.
3. Күрделі жүйелердің биофизикасы. Биофизиканың бұл бөлімі молекулалық деңгейден бастап жасушаға дейінгі деңгейдегі биологиялық жүйедегі өз ара байланыстарды зерттеумен және оны моделдеумен айналысады.
4. Мүшелердің сезім биофизикасы. Бұл бөлім көру, есту, сезу секілді тірі биологиялық құрылымдағы құбылыстарды зерттеумен, сыртқы тітіркендіргіштердің әсерінен тірі объектінің сезу мүшелерінде, рецепторларда пайда болатын энергияның электр сигналына айналу механизмін қарстырады.
Биофизика бұл аталған бөлімдерімен қатар адам ағзасынатүрлі физиалық факторлардың - шудың, механикалық тербелістің, электр тогы мен электромагниттік өрістің, иондаушы сәулелердің және т.б. әсерлерін де зерттеумен айналысады.
Қазіпгі кезеңде биофизика жеке ғылым ретінде физиология, биология, химия, физика, математика, компьютерлік технология, нанотехнология және т.б. ғылыми бағыттардағы ғылыми жаңалықтарды қолдана отырып және солармен бірге даму үстінде, бұл өз аралық байланыс 1- суреттегі сызбада (схемада) бейнеленген.
МАТЕМАТИКА

Х И М И Я

БИОЛОГИЯ

Ф И З И К А
Физхимия
Биохимия
Биофизика
Радиоэлектроника

МЕДИЦИНА

МЕД.ТЕХНИКА
1.Диагност.тех.
2.Терапевт.тех.
3. Клин-лаб. тех.

1- сурет

Әрине, бұл схемада қазіргі замаңғы ғылыми бағыттардың барлығы ескерілді деп айтуға болмас, бірақ биофизиканың негізгі жаратылыстану ғылымдарымен өз ара байланысы көрсетілді.
Медициналық биофизика медицина және фармация ғылымдарымен бірлесе отырып мынадай мәселелерді зерттеумен айналысады:
-Азға күйін диагностикалауда жаңа физикалық әдістерді қарастыру және негіздеу (электрография, хемилюминеенция, ЭПР, ЯМР, спектроскопия т.б.).
- Тірі ағзаға сыртқы ортадағы физикалық факторларының зиянды әсер ету механизімін зерттеу (механикалық діріл, салмақсыздық, радиосәулелер т.б.)
Биофизикалық зерттеулерде физикалық, физика-хиимиялық әдістер кеңінен қолданылады. Оларға:
-рентген сәулесінің дифракциялық кескіні арқылы зат құрылысын анықтауға арналған рентгендік құрылымдық талдау әдісі;
- электрон ағынын пайдаланып зат құрылысын көруді қамтамасыз ететін электрондық микроскопты қолдану;
- зертелінетін заттардың түрлі сәулелерді жұты мен шығаруына негізделген спектроскопия әдісі.
- зертелінетін заттардың радиодиапазондағы электромагниттік толқындарды таңдамалы түрде жұтуына негізделген ЭМР және ЯПР радиоспектроскопиялық әдістер
Қазіргі заманда іргелес ғылымдардың бір- бірін қолдап, сол арқылы одан ары дамуы кең түрде байқалуда, бұл ретте биофизиканы физиканың, химияның және биологияның яғни іргелес үш ғылымның жиынтығы деп қарастырған дұрыс.

§ 1.2 Биологиялық мембрана құрылысы және қызметі.

Биофизиканың міндеттерінің бірі ретінде биологиялық мембрананың құрысысын, ол арқылы зат тасымалдауды, нерв импульсының пайда болу мен оның таралуын, рецепция құбылысын және биомембрандағы энергия өзгеруін зерттеуді атауға болады.
Мембрана биофизикасы - медицина үшін ең маңызды жасуша биофизикасының негізгі бөлімі болып саналады. Адам ағзасындағы көптеген үрдістер биологиялық мембрана арқылы жүреді және іске асады. Мембранадағы үрдістердің бұзылуы-көптеген патологиялық өзгерістердің негізгі себебі болып табылады. Адам ағзасына тигізетін емдік әсерлер биологиялық мембранаға әсер ету арқылы іске асырылады. Тіршіліктің ең кіші бөлігі болып саналатын, өз бетінше өмір сүре алатын жасуша кез келеген жәндік пен өсімдік дүниесінің негігі бөлігі болып табылады.
Биологиялық мембрана мынандай қызметтер атқарады:
oo Механикалық, бұл арқылы жасуша өзін қоршаған ортадан оқшауланады, оның дербес болуына және тиісті қызмет етуіне мүмкіндік береді;
oo Тосқауылдық, бұл арқылы жасуша өзін қоршаған ортамен талғампаздық (селективті) түрде пассивті және активті зат тасымалдауға қол жеткізеді;
oo Матрицалық, бұл арқылы биологиялық мембранада ақуыздар мен ферменттердің болуы қамтамасыз етіледі,
oo Энергетикалық, бұл арқылы биолгиялық мембранада АТФ синтезделуі, биопотенциалдардың пайда болуына мүмкіндік алады.,
oo Рецепторлық, мұндай қызмет арқылы мембрана басқа жасушаларды, сыртқы тітіркендіргіштердің әсерін сезуге, заттарды танып білуге мүмкіндік алады.
Мембрана жасушыларды бір- бірінен бөлумен қатар, оның ішкі бөлігі цитоплазманы өз беттерінше жеке қызмет атқара алатын бөліктерге-компартменттерге бөледі. Қазіргі кезеңде биологиялық жүйлердің қызметін сипаттауда осы компартментализация принципі үлкен қолдау табуда. Жасушаның компартментлизациялануы, ондағы биохимиялық процесстер мен түрлі реакциялардың бір бірінен оқшау жүруіне мүмкіндік береді, бұл реакциялардың бір ортада жүруі мүмкін емес. Осы принципке сәйкес, цитоплазмада - май қышқылдары синтезделсе, олардың тотығуы-митохондрияда жүреді, ал рибосомда- ақуыз синтезделсе, оның бұзылуы-лизосомда орын алады.
Мембрана термині ХІХ ғасырдың орта бөлігінде пайда болды және бұл арқылы жасушаны қоршаған ортадан бөліп тұрған, жартылай өткізгішік қасиеті бар жұқа қабатты атаған. 1851 жылы физиолог Х.Моль өсімдік жасушасы плазмолизін зерттеп, оның қабырғасының мембранаға тән қасиеті бар екендігін анықтаған. 1855 жылы ботаник К.Негели жасушаның толық қанды өмір сүруіне мембрананың жартылай өткізгіштік қасиетінің маңызды екендігін, осы арқылы жасуша ішінде осмостық қысымың қалыпты жағдайда болатындығын мәлімдеді. 1890 жылы неміс зерттеушісі В.Пфеффер алғаш рет жасуша немесе плазмалық мембрана терминін енгізді.
Жасушаның басты құрылымы мембрана екендігін алғаш ботаниктер анықтағандығы белгілі, өйткені ХІХ ғасырда электрондық микроскоптың болмауы себепті тірі организмдегі мембрана қабатын көру әлі мүмкін емес еді. Осы себепті биологиялық мембрана құрылысы мен оның көптеген қасиеттерін анықтау ХХ ғасырдың еншісіне тиді.
Биологиялық мембрананың алғашқы үлгісі 1902 жылы ұсынылған болатын. Зерттеушілер фосфолипидте жақсы еритін заттардың мембрана қабаты арқылы еркін өтетіндігін байқаған, осы құбылыс мембрана фосфолипидтен тұратын жұқа қабат деген жорамал жасауға мүмкіндік берген.
1925 жылы Гортер мен Грендель гемолизденген эритроциттен ацетон арқылы липидті бөліп алған. Алынған ертіндіні судың бетіне құйған, булану нәтижесінде су бетінде пайда болған липид молекулаларының алып жатқан аймағының ауданы, тәжірибе басында алынған эритроциттердің ауданынан екі есе көп болған. Осының негізінде мембранадағы липидтер екі қабат болып орналасқан деген қорытынды жасалды (1- сурет).
1935 жылы бұл ойдың дұрыстығын Коул мен Кертис мембрананың электрлік параметрлерін өлшеу арқылы дәлелді. Олар мембрананың меншікті электрлік сиымдылығының С= 0,510-2 Фм2, ал меншікті электрлік кедергісінің =10 Ом м2 үлкен болатындығын анықтады.
Биологиялық мембрана жазық конденсаторға ұқсас. Конденсатордың екі астары ретінде мембрананың сырты және ішкі(циоплазма) орталарындағы электролиттік сұйықтарды, ал конденсатордың астарларын бөліп тұрған диэлектригі ретінде екі қатар орналасқан фосфолипид қабатын, яғни биомембараны алуға болады( 2- сурет).
Екі қатар орналасқан
липидтер
Конденсатор астары- мембрананы қоршаған сыртқы және ішкі сұйық орталар

Екі қатар орналасқан
липидтер- диэлектрик

1- сурет 2- сурет
Жазық конденсатордың электрлік сиымдылығы мына өрнекпен анықталынады: С= 0Sd, мұнан конденсатордың меншікті сиымдылығы (бірлік ауданға сәйкес келетін сиымдылық мәні) мынаған тең болады: СМС = 0d, мұндағы - липидттің диэлектрлік өтімділігі, ол =2 тең, 0 = 8,8510-12 Фм, d- конденсатор астарының ара қашықтығы. Мембрананың конденсаторға ұқсастығынан d- шаманы мембрана қабатының қалыңдығына тең деп санауға болады. Олай болса меншікті сиымдылық өрнегінен: d = 0СМС. Сонда d = 8,8510-12 Фм20,510-2 Фм2 = 3510-10 м = 3,5 нм., анықталған бұл шама бір қатар липид қабатының қалыңдығы.
1935 жылы Дж.Даниэлли мен Г.Давсон биологиялық мембрананың бутерброд тәрізді мембрананың жобасын ұсынды. Ол үш қабаттан, яғни ортасында екі қатар(биқатар) болып липидтер орналасқан, бұл қабаттың екі жағына ақуыздар жабысып орналасқан (3-сурет). Кейін бұл жобаны одан ары дамытқан көптеген ұсыныстар болды 1964 ж. Дж.Робертсон (2 сурет); 1966 ж. Дж.Ленард және С.Сингер т.б.
Екі қатар орналасқан
липидтер
Ақуыздар
Ақуыздар
Екі қатар орналасқан
липидтер
Ақуыздар
Ақуыздар
Мембрана
қабаты

1 сурет 2 сурет

Қазіргі уақытта 1972 жылы Никольсон мен Сингер ұсынған, 1981 жылы Сингер одан ары жетілдірген биомембрананың сұйық-мозайкалы моделі қолданылуда. Бұл моделге сәйкес биологиялық мембрананың негізі - липидтер, олар бір біріне перпендикуля түрде, екі қатар болып орналасқан, ал ақуыздардың кейбірі липид қабатына жабысып, кейбірі оған батып немесе оны толығымен тесіп орналасқан (4 сурет).
Жалпы липидтер үш түрде: фософолипид, гликолипид және стероид түрінде кездеседі. Бұлардың ішінде фосфолипидтердің үлесі басым, яғни көптеген денелердің мембрана қабаты фосфолипид молекуласынан құралған деп санауға болады.

1
2
3
4
5
6
4
7
4
8
6
4
9

4 сурет. 1- фосфолипид биқабаты, 2- фосфолипид молекуласының гидрофильді полярлы басы, 3- фосфолипид молекуласының гидрофобты құйрығы, 4- интегралды ақуыздар, 5- гликолипид, 6- перифериялық ақуыздар, 7- иондық канал, 8- пор(саңлау), 9- ақуызға жабысқан микротүткіше.

Биологиялық мембранадағы фосфолипид молекулалары екі бөліктен: полярлы бастан және полярсыз құйрықтан тұрады. Полярлы бастың алып жатқан ауданы 0,6 нм2 тең, ал құйрыққа сәйкес келетін аудан 0,2-0,3 нм2. Фосфолипид молекуласының барлық ұзындығының 1 бөлігі полярлы басқа, қалған 2 бөлігі оның құйрығына сәйкес келеді (5а - сурет).

Құйрық (көмірсутегінен тұратын екі тармақ)
Бас (фосфат, холин) тобы
Мойын (глицерин, ортофосфор қышқылы)
Полярсыз
құйрық
Полярлы бас
а б
5 сурет

Кей фосфолипид молекуласының полярлы басы азотты топтардан (этаноламин,фосфат,холин) құралған болса, кей бірі азотсыз негіздерден (серин,инозин,треонин) құралған және зарядталған болып келеді, соның нәтижесінде ол гидрофильді қасиетке ие, осы себепті олар су молекулаларын жақсы тартады. Полярлы бас мойын арқылы құйрықпен жалғасқан. Мойын деп көп атомды спирттер: глицерин немесе сфингозиннен құралған құрылымды атаймыз. Құрамындағы спирт түріне сәйкес фосфолипидтерді: глицерофосфатты және сфингофосфатты деген түрлерге бөледі.
Глицерофосфатты немесе сфингофосфатты мойынға полярсыз құйрық жалғанған, ол екі тармақ түрінде, көміртегінің 14 - 24 атомынан тұратын, май қышқылы молекулаларынан құралған тізбек түрінде болады.
Тізбектегі көміртегі атомына бір немесе екі сутегі атомы жабысып орналасқан, құрамы мен құрылымы парафинге ұқсас, су жұқпайды, яғни гидрофобты болып келеді (5б- сурет). Екі тармақты фосфолипид құйрықшасының бірі қаныққан, екіншісі қанықпаған май қышқылынан құралады.
Фосфолипдтің физика-химиялық қасиетінің ең маңыздысы ретінде, оның басының гидрофильді, құйрықшасының гидрофобты болып келуін атаған жөн. Осындай қасиетке сәйкес және кей шарттарды сақтаған жағдайда, сулы ортада фосфолипид молекулалары өз беттерінше сфера түрінде жиналады. Нәтижесінде, фосфолипид молекулалары бір біріне паралелль екі қатар(биқатар) болып орналасады және әр қатардағы (моноқатар) молекула полярлы басымен сыртқы ортаға қарай, қышқылды құйрықшалары ішкі ортаға қарай бағытталып орналасады.
Осылайша, динамикалық жағынан тұрақты болатын фосфолипидті биқабат құрылады және ол биологиялық мембрананың негізгі қаңқасы болып саналады. Мысалы, массасы 1 мг липид молекуласынан ауданы 1 м2 болатын биқабатты жасауға болады. Жасуша мембранасының 1 мкм2 ауданында 4106 липид молекуласы бар, бұл әр моноқабатта 2106 молекула бар деген сөз.
Әр түрлі фосфолипид молекулаларының сулы ортада екі қатар болып жинақталу қабілеті әр түрлі, әсіресе ол лецитинде жоғары, егер ортада лецитин бар болса, ол фосфолипидтердің жиналғыштық қабілетін күшейтеді. Ғалымдар, фосфолипид молекуласының осындай қабілеті арқасында жер бетінде тіршілік пайда болған деп санайды.
Жүрізілген ғылыми зерттеулер мембрана қабатындағы липид молекулаларының тығыз орналасауы фосфолипид құрамына қандай май қышқылы енетіндігіне байланысты екендігін көрсетті. Егер көміртегі тізбесіндегі атомдар арасындағы қос байланыс көп болса, мембранадағы молекулалар арасы алшақ болады, бұл өз кезегінде мембрананың беріктілігін (қаттылығын) кемітеді және мембрана қабатының заттарды өткізгіштігін жоғарылатады.
Мембранадағы фосфолипид молекулаларының тығыз орналасуына холестериннің әсері бар екендігі анықталды. Холестерин фосфолипид биқабатына еніп, оның тығыздығын артырады. Биологиялық мембранада холестерин молекуласының көбейуі фосфолипид молекуласының алатын ауданын кемуіне алып келеді, өйткені фосфолипидтер құйрықшаларындағы көмірсутегі тізбегінің биқабатқа қатысты орналасу көлбеулігі өзгереді. Холестерин көбейген сайын фосфолипид құйрықшалары мембрана қабатына тіктеу орналады, нәтижесінде мембрана тығыздығы одан ары артып, заттарды өткізуін кемітеді. Эритроцит плазмолемасындағы 1 моль фосфолипидке 0,37 моль холестерин келсе, мембрана ішіндегі митохондриасында бұл шама 0,03 мольге тең. Жасушадағы холстериннің щамасы ағзадағы зат алмасуға тікелей байланысты, ол өз кезегінде тамақтану түріне тәуелді. Сондықтан, холестерині көп тамақты үнемі пайдалану жасушаның қаттылығын арттырып, оның заттарды өткізу қабілетін төмендетеді.
Биологиялық мембрананы құрайтын гликолипид молекуласы қатар жатқан жасушалардың бір біріне жабысып қалмауын қамтамасыз етеді. Бұл липидтер қатар жатқан жасуша беттерінде теріс электр зарядтарын туғызады, нәтижесінде пайда болған электростатикалық өріс әсерінен олар бір бірінен алшақтайды. Егер мембранадағы гликолипидтер белгілі бір шамадан асып кетсе, онда жасушалар бір біріннен тіптен алшақтап кетеді, нәтижесінде олардың өз ара ақпарат алмасуы бұзылады.
Зерттеулер биологиялық мембраналардың липидтік құрамы түрлі болатындығын анықтады(1 кесте).
1 кесте.
Биологиялық мембрананың липид құрамы,%

Мембрана липидтері
Жануар жасушасының мембранасы
Е.coli бактериясының мембранасы

миелинді қабықша
эритроцит
тің плазмо
леммасы
ішкі митохон
дриа мембрансы

Холестерин
25
25
5
0
Фосфатидилэтанол
амин
14
20
28
100
Фосфатидилсерин
7
11
0
0
Фосфатидилхолин
11
23
48
0
Фосфатидилин
озитил
0
2
8
0
Сфингомиелин
6
18
0
0
Цереброзид
21
0
0
... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.