ПАЙДА БОЛУ МЕХАНИЗМІ. 1 глава

Жасанды мембрана

Биомембрана қабатының құрлысын, оның тосқауылдық, тасымалдағыштық қызметінің бұзылуын, дәрілік заттарды өткізуін, электр өткізгіштігін, трансмембраналық потенциалдардың пайда болуын және т.б. қасиеттерін зертханалық жағдайда зерттеуде табиғи мембрадан ғөрі жасанды мембрананы қолданған ыңғайлы. Осы мақсата жасанды мембраналар қолданылады. Жасанды мембраны алудың бірнеше жолы бер, соларды қарастырайық.

1. Жасанды моноқабатты мембрана. Фосфолипид молекулалары гидрофильді басымен сұйық ортаға, гидрофобты құйрығымен сыртқы ортаға(ауа) қарай орналасатыны белгілі, осы қасиеті нәтижесінде екі ортаны бөліп тұрған, мысалы «сұйық–ауа» шекарасындағы аз мөлшердегі фосфолипид молекулалары ортаның шекарасында бір қатар болып моноқабат құрайды (10 сурет).

10 сурет

Мұндай моноқабатты құрылым, мембрананың механикалық қасиетін, ондағы молекулалардың қозғалғыштығын, фазалары түрлі ортадағы процестерді, дәрілік заттардың мембранаға арқылы өтуін зерттеуде қолданады. Моноқабатты мембрананың кемшілігі де бар, табиғи мембрана екі қабаттан тұрады, бұл кемшілік жасанды мембраналық құрылым - липосом мен жалпақ екі қабатты липидті мембраналарда ескерілген.

2. Жасанды жалпақ биқабатты мембрана. Егер сұйық ортада фосфолипид молекулалары көп мөлшерде болса, онда сұйық ортада молекулалрдың гидрофильді басы сұйық ортаға(сыртқа) қарай, ал гидрофобты көмірсутегі тізбегі сұйық ортадан жасырынып, ішке қарай, екі қатар болып орналасады (11 - сурет).

	11- сурет

Мұндай модель арқылы биомембрананың иондарды өткізуін, биопотенциалдың пайда болу механизмінін зерттейді.

3. Жасанды биқабатты мембрана - липосом. Егер фосфолипидтерді полярлы еріткішке қоссақ, онда екі қабаттан тұратын сфера тәрізді тұйықталған құрылым пайда болады, оны липосом деп атайды. Өйткені фосфолипид молекулалары су ертіндісінде, өз бетерінше гидрофильді басымен сулы ортаға қарай, ал гидрофобты құйрықтарымен ішкі ортаға қарай бір біріне қарама қарсы екі қатар болып орналасады және тұйықталады (12- сурет).

12 - сурет

Мұндай липосомды ультрадыбыспен фосфолипидтері бар эмульсияға әсер ету арқылы да алуға болады, бірақ пайда болған липосомның диаметрі өте аз 20-40 нм болу оларды зерттеулерде қолдануға ыңғайсыз етеді. Қазіргі кезеңде диаметрі 400 нм болатын липосомдарды алуға мүмкіндік туды. Сондай ақ ультрадыбыспен, механикалық әсер етумен және т.б. әсер ету арқылы табиғи мембралардан липосом алуға болады. Липосомның ұлпа арқылы адам ағзасына жеңіл өтетіндігін ескеріп, оны дәрілік заттармен толтырып, дәріні жеткізуде қолдануда. Осындай әдіспен адам ағзасына инсулинді жеткізу қолға алынуда. Егер инсулинді ауыз қуысы арқылы қабылдасақ, онда ас қазан сөлі инсулин молекуласын ыдыратып жібереді, сондықтан оны инъекция арқылы салады, енді жерде инсулинді липомос қабықшасымен қаптап, пероралды түрде (ауыз қуысы арқылы) қабылдауға мүмкіндік туып отыр.

Қазіргі кезеңде дәрілік препараттарды ағзаның нақты бір бөлігіне, нақты бір жасушаға жеткізу бағытында зерттеу жұмыстары жүргізілуде. Ол былайша жүзеге асырылмақшы. Әр жасушаның мембрана қабатында тек осы қабатқа тән ерекше ақуыздар «антиген» болатыны анықталған. Әр антигенге сәйкес, тек сонымен ғана әрекеттесе алатын «антидене» болады екен. Егер осындай антиденені липосомның биқабатына ендірсек, сонда дәрілік затпен толтырылған липосом бізге қажетті антиген орналасқан жасушаға барып жабысады, сонымен бірге дәрілік зат жасушаға енеді. Бұл әдіс әзірше зерттеу күйінде қалып отыр.

ТАҚЫРЫП БОЙЫНША СТУДЕНТТІҢ ӨЗІ ӨЗІ ТЕКСЕРУІНЕ АРНАЛҒАН ТЕСТ СҰРАҚТАРЫ

1. Биофизика - ...

A.ағзаның өмiр сүруiнiң физика-химиялық негiздерi мен оның әртүрлi сатыдағы дамуын зерттейтiн ғылым. Ол өз зерттеулерінде....

B. қанның құрамын және оның қозғалуын зерттейтiн ғылым. Ол өз зерттеулерінде....

C. адамның қимыл-тiрек қозғалысын зерттейтiн ғылым. Ол өз зерттеулерінде....

D.ағзадағы түрлi патологиялық өзгерiстердi зерттейтiн ғылым. Ол өз зерттеулерінде...

1. математикалық әдiстер кеңiнен қолданылады. Мыcалы....

2. физикалық, физика-химиялық әдiстер кеңiнен қолданылады.

3. варияциялық әдiстер кеңiнен қолданылады.

2. Температура төмендегенде...

А. мембрана сұйық кристалл күйден гель тәрізді күйге ауысады, бұл кезде.....

В. мембрана гель тәрізді күйден сұйық кристалл күйге ауысады, бұл кезде .....

С. мембрана қатты кристалл күйден гель тәрізді күйге ауысады, бұл кезде .....

1. фосфолипиттердің гидрофильді құйрықшаларының өз ара орналасуы өзгеріп, биқабат қалыңдайды.

2. фосфолипиттердің гидрофобты құйрықшаларының өз ара орналасуы өзгеріп, биқабат жұқарады.

3. фосфолипиттердің гидрофильді құйрықшаларының өз ара орналасуы өзгереді, бірақ биқабат өзгеріссіз қалады.

3. Ақуыздар мембрана қабытында әр түрлі орналасқан, бірі мембрана бетіне жабысып тұрса, бірі оны тесіп өтеді, мембрана бетіне жабысып орналасқан ...

А. ақуыздарды перифериялық, ал оны тесіп өткендерін интегралдық ақуыздар беп атайды. Перифериялық ақуыздар......

В. ақуыздарды интегралдық, ал оны тесіп өткендерін перифериялық ақуыздар беп атайды. Перифериялық ақуыздар......

1. мембрана қабытына электростатикалық әсерлесу нәтижесінде пайда болатын күштер арқылы ұсталып тұр, ал интегралдық ақуыздар...

2. мембрана қабытына иондық әсерлесу нәтижесінде пайда болатын күштер арқылы ұсталып тұр, ал интегралдық ақуыздар...

D. мембрана қабатына Ван-Дер –Ваальс күшімен әсерлеседі

N. мембаран қасбатына Кулон күші әсерлеседі.

4. Биомембранадағы липидтер....

1. қабат бойымен қозғалады, оны...

2. қабат бойымен тербеледі, оны ...

А. латериалды диффузия деп атайды, егер липид...

Б. тербелмелі диффузия деп атайды, егер липид..

І. бір қабаттан екінші қабатқа орын ауыстырса оны...

ІІ. тек бірінші қабаттан екінші қабатқа орын ауыстырса оны...

D. флип-флоп орын ауыстыру деп атайды.

N. бірінші реттік флип- флоп орын ауыстыру деп атайды.

5. Молекулалық биофизика ... молекулалық деңгейде зерттеумен айналысады.

A. |биологиялық жүйелердi

B. |жылулық құбылыстарды

C. |қанның тамыр жүйесiмен ағуын

D. |адамның қимыл-тiрек қозғалысын

E. |биологиялық кибернетика сұрақтарын

6. Жасуша биофизикасы ... зерттеумен айналысады.

A. |тiршiлiктiң ең кiшкентай бөлiгi жасушаны

B. |жылулық құбылыстарды

C. |қанның тамыр жүйесiмен ағуын

D. |адамның қимыл-тiрек қозғалысын

E. |биологиялық кибернетика сұрақтарын

7. Биомембраналардың тосқауылдық қызметi деп ... айтады.

A. |кейбiр заттардың мембрана арқылы өтуiн, ал кейбiр заттардың өте алмауын

B. |мембранадағы жылулық құбылыстардың өзгеруiн

C. |қанның тамыр жүйесiмен ағуын

D. |биопотенциалдардың пайда болуын

E. |заттардың мембрана арқылы жаппай өтуiн

8. Биомембраналардың реттелiнетiн қызметi деп ... айтады.

A. |жасушаның кей заттарды өткiзуiнiң оның функцияналдық күйiне байланыстылығын

B. |мембранадағы жылулық құбылыстардың өзгеруiн

C. |қанның тамыр жүйесiмен ағуын

D. |биопотенциалдардың пайда болуын

E. |заттардың мембрана арқылы жаппай өтуiн

9. Биомембраналардың энергетикалық қызметiнiң арқасында ... қамтамасыз етiледi.

A. |мембрана митохондриясындағы АТФ- молекулаларының синтезi, хлоропластағы фотосинтезi

B. |мембранадағы жылулық құбылыстардың өзгеруi

C. |қанның тамыр жүйесiмен ағуы

D. |биопотенциалдардың пайда болуы

E. |заттардың мембрана арқылы жаппай тасымалдануы

10. Мембрана биофизикасы медицина үшiн ең маңызды ... бөлiмiнiң негiзгi тарауы болып есептелiнедi.

A. |жасуша биофизикасы

B. |термодинамика

C. |қан айналу жүйесi

D. |қан реалогиясы

E. |биологиялық кибернетика

11. Биофизикалық зерттеулерде ... әдiстер кеңiнен қолданылады.

A. |физикалық, физика-химиялық

B. |математикалық

C. |варияциялық

D. |ықтималдық

2 дәріс. БИОМЕМБРАНА АРҚЫЛЫ ЗАТ ТАСЫМАЛДАУ

Лекция жоспары

1. Биологиялық мембранның өткізгіштігі туралы түсінік. Жасуша өткізгіштігі.

2. Пассивті тасымалдау және оның түрлері: диффузия, жеңілдетілген диффузия, осмос және фильтрация.

3. Ионоформдар.

4. Активті тасымалдау және оның механизмі.

5. Ион каналдары арқылы зат тасымалдау ерекшелігі.

Лекция мақсаты:биологиялық мембрананың заттарды өткізуін және оның түрлерін, пассивті және активті тасымалдауды, биомембранадағы иондық каналдардың заттарды өткізу ерекшеліктерін талдау.

Жасуша ашық термодинамикалық жүйе болғандықтан өзін қоршаған ортамен үнемі зат, энергия және ақпарат алмасады. Мұндай алмасу жасуша мембранасының түрлі заттарды өткізу қабілеті арқасында іске асады. Жасушаның мұндай қабілетін - өткізгіштік деп атайды. Жасушадағы метоболизм, биопотенциалдың пайда болуы, нерв импульстарнының таралуы және т.б. көптеген құбылыстар мембранадағы зат тасымалдау арқасында жүреді және пайда болады. Сондықтан, биологиялық мембрана арқыл зат тасымалдау- жасаушаның өмір сүруінің негізгі шарты. Зат тасымалдаудың бұзылуы түрлі патологиялық құбылыстарға алып келеді. Сондықтан тасымалдау құбылысын зерттеудің медицина және фармация үшін үлкен теориялық және практикалық маңызы бар. Емдеу ісі дәрілік заттардың жасауша мембранасы арқылы өтуіне, яғни мембрананың өткізгіштігіне тәуелді, сондықтан дәрілік заттардың жасаушаның қалыпты және патология кезіндегі өткізгіштігін білу өте қажет.

БМ арқылы зат тасымалдауды транспорт деп те атайды, ол екі түрге бөлінеді: пассивті тасымалдау (транспорт) және активті тасымалдау (транспорт).

Пассивті тасымалдау (ПТ) деп, зарядсыз бөлшектерді (заттарды) концентрациясы көп С₁ ортадан концентрациясы аз ортаға қарай тасымалдауды, электролитте зарядталған бөлшектерді (заттарды) электр өрісінің потенциалы жоғары j₁ ортадан, потенциал шамасы төмен j₂ ортаға қарай тасымалдауды, немесе электрохимиялық потенциалы жоғары m₁ нүктеден, электрохимиялық потенциалы төмен m₁ нүктеге қарай тасымалдауды атайды. Аталған тасымалдаудың бұл түрлерінде сырттан энергия жұмсалмайды, жүйе ішінде концентрациялық, электрлік т.б. градиентте жинақталған энергия қоры есебінен жүреді. Пассивті тасымалдау мынадай түрлерге бөлінеді ( 1- сурет):

1 сурет

Енді қарапайым диффузия құбылысының механизмін талдайық. Дифффузия деп, зат молекулаларының хаостық жылулық қозғалысы нәтижесінде, өз беттерінше концентрациясы көп ортадан аз ортаға қарай тасымалдануын айтамыз. БМ липид қабаты арқылы жүретін тасымалдану конценртациялық градиент есебінен жүреді және ол Фика заңына бағынады:

J = D dc/dx

мұндағы J- зат ағынының тығыздығы, D- диффузия коэффициенті, dc/dx- концентрациялық градиент. Мембрананың қалыңдығының өте аз болуы себепті ондағы концентрациялық градиенттті тұрақты шама деп атуға болады, олай болса dc/dx = с_м2 –с_м1/l, мұндағы с_м2 - мембранының ішкі бір бетіндегі бөлшектер концентрациясы, с_м1–мембрананың келесі ішкі бетіндегі бөлшектер концентрациясы ( 2 сурет)

С

с₁ 2 орта

1 орта с_м1

с₂

с_м2

х

l

2 сурет

Осылайша анықталған градиент өрнегін Фик теңдеуіне қойсақ:

J = -D(с_м2 – с_м1)/l

Енді мембрана мен сыртқы орта арасындағы заттардың таралуын сипаттайтын таралу коэффиценті деген шама ендірейік: 0

К= с_м1/с₁ = с_м2/с₂,

мұндағы с₁ и с₂ 1 және 2 ортадағы зат концентрациясы, ал с_м1 және с₁, с_м2 және с₂ шамаларының әр түрлі болуы заттардың полярлы және полярсыз еріткіштерде әр түрлі деңгейде еруіне байланысты деп түсіндіріледі (2 сурет бойынша). Соңғы өрнектен с_м1 = Кс₁ және с_м2= Кс₂ болатындығын анықтап, оны Фик теңдеуіне қойсақ:

J = -DK( с₂ - с₁)/l,

мұндағы P= DK/l шаманыөткізгіштік коэффициенті деп атайық, сонда Фик теңдеуі мына түрге келеді:

J = -P(c₂ – c₁), мұндағы Р- мембрананың заттарды өткізгіштігін сипаттайтын шама.

Фик теңдеуі арқылы зарядталмаған және электр өрісі жоқ кезіндегі зарядталған бөлшектерді пассивті тасымалдау құбылысын сипаттайды, енді мембранадағы электр өріс кезіндегі тасымалдау құбылысын сипаттайтын өрнекті қорытып шығарайық.

Электр өрісінде тұрған ионға әсер ететін Кулон күші: f₀ =qE тең, мұндағы Е- электр өрісінің кернеулігі, ал ионнның заряды мына өрнекпен сипатталады q= Ze , мұндағы Z – ионның валенттілігі. Электр өрісін электр потенциалының градиенті арқылы жазайық: Е = - dj/dx. Сонда ионға әсер ететін Кулон күші мына түрге келеді: f₀ = -Ze×dj/dx. Соңғы өрнектің екі жағын да N_A Авогадро санына көбейтсек f = -ZF dj/dx өрнегі келіп шығады, мұндағы f = f₀N_A бір моль ионға әсер етуші күш, F =eN_A Фарадей тұрақтысы.

Тасымалданатын затқа (ионға) электр күшімен қатар ортаның кедергі күші де әсер етеді. Бұл күштер бір- бірін теңестіргендіктен зат бірқалыпты v жылдамдықпен тасымалданды, оның шамасы ионға әсер етуші күшке тура пропорционал v=b×f тең, мұндағы b – ионнның қозғалғыштық коэффициенті. Осы анықталған шамаға f күштің өрнегін қойсақ, жылдамдық мына түрге келеді:

v = -bZF×dj/dx

Мембрана арқылы тасымалданатын зат ағыны мына өрнекпен сипатталады: Ф =c×S×v, мұндағы с- тасымалданатын зат концентрациясы, S-зат тасымалдатын аймақтың көлдеңен қимасының ауданы, v -тасымалдау жылдамдығы Осы өрнекке жоғарыда анықталған жылдамдықтың өрнегін қойсақ, онда электр өрісінде тасымалданатын зат ағынының өрнегін аламыз:

Ф =- cSb ZF dj/dx

Тасымалдататын зат ағынының тығыздығы мына түрде анықталынатындығын ескерсек: J = Ф/S, соңғы өрнек мына түрге келеді:

J = - cbZF dj/dx

Жалпы жағдайда бір мезгілде зат тасымалдау концентрациялық және электр өрісі градиенттері нәтижесінде жүрсе, онда соңғы өрнек мына түрде жазылады:

J = -D dc/dx - cbZF dj/dx

Бұл Нернст- Планк теңдеуі деп аталынады және ол ионның концентрациялық және потенциал градиенті әсерінен жүретін диффузиялық ағынның тығыздығын сипаттайды. Нейтрал бөлшектер үшін Z=0 болатындығын ескерсек, соңғы өрнек Фик теңдеуіне айналады. Сонымен біз пассивті тасымалдаудың заңдылықтарын анықтадық.

Енді пассивті тасымалдаудың түрлерін қарастырайық ( 3- сурет).

O₂ Р М Н

М Н

A Б В Г

3 сурет. А- қарапайым диффузия, Б- иондық канал арқылы тасымалдау, В- жеңілдетілген диффузия, Г- эстафеталық тасымалдау.

1. Қарапайым диффузия липидтік қабат арқылы жүреді және Нернст-Планк теңдеуіне бағынады. Мұндай тасымалдаулар арқылы жасушаға оттегі, көміртегі газы, дәрілік заттар жеткізіледі. Бірақ қарапайым тасымалдау өте баяу жүретіндіктен жасушаны қажетті қоректік заттармен толық қамтамасыз ете алмайды.

2. Жеңілдетілген диффузия. Тасымалдаудың бұл түрі мембранадағы арнаулы ақуыздар- тасымалдағыштар арқылы іске асады. Олар мембрана арқылы табиғаты гидрофильді болатын, өз беттерінше мембрана арқылы өтуі өте төмен заттарды тасымалдайды. Мұдай тасымалдағыштар мембрана қабаты арқылы кейбір аминқышқылдарын, көмірсуларды, пуриндік және пиримидтік негіздерді, нуклезоидтарды тасымалдайды. Тамақтық заттардың ішекте сорылуы, бүйректегі реабсорбция және т.б. процесстер осы тасымалдаушылар арқылы жүреді.

Егер мембранада бір мезгілде жай және жеңілдетілген диффузия қатар жүрсе, онда мембрана арқылы заттарды тасымалдау жай диффузия ағыны мен жеңілдетілген диффузия ағынының қосындысына тең болады (4- сурет). Жалпы жеңілдетілген диффузия жылдамдығы 10^-4 ион/с тең. Графиктен, мебрана арқылы жеңілдетілген диффузия көмегімен зат тасымалдау қарқыны өте жоғары болатындығы көрініп тұр.

J

4 сурет. 1- жай диффузия ағыны, 2- жеңілдетілгени диффузия, 3- қорытынды ағын.

С

Кей оқулықтарда ион тасымалдағыштарды ионоформ деп атайды. Ионоформның сырты полярсыз молеулалар тобымен қапталған, сондықтан ол мембрананың гидрофобты аймағында жатады, ішкі қабатында иондарды қосып алуға арналған полярлы молекуламен қапталған бос қуыс бар. Ионоформдардың басым көпшілігі микроағзалардан алынған, бірақ синтетикалық жолмен алынғандар да кездеседі.

Мембрана арқылы зат тасымалдау құбылысын зерттеген Борнның теңдеуіне сәйкес, мембрана қабаты арқылы иондарды тасымалдауға қажетті энергия шамасы ионның радиусына кері пропорционал.

=

мұндағы, DW- ион тасмалдағыш жұбының энергиясы, r- ион радиусы, b- тасымалдағыштың радиусы, e_M – мембрананың диэлектрлік өтімділігі, e_n – тасымалдағыштың ішкі сферасының диэлектрлік өтімділігі.

Тасымалдағыш ионды қосып алғанда пайда болған жұптың радиусы артады, жоғарыдағы теңдеуге сәйкес тасымалдау энергиясы азаяды. Жүргізілген есептеулер тасымалдағыш арқылы калии немесе натрии иондарын тасымалдауға 15 кДж/моль энергия жұмсалатындығын көрсетті, ал жай диффузия кезінде, тасымалдағаштың көмегінсіз аталған иондарды тасуға 250-300 кДж/моль энергия жұмсалады екен.

Тасымалдағыштардың көпшілігі нейтралды(зарядсыз) күйде болады, олар ортадан ионды қосып алып, зарядталған жұпқа айналады, ал кейбірі керісінше зарядталған болып келеді, мысалы нигерицин, ол өзіне ионды қосып алып нейтрал күйге көшеді.

Ақуыз тасымалданатын заттарды өзіне қосып алып диффузияланады. Бұл құбылыс валиномицин арқылы калии ионын тасымалдауда толық анықталған. Жүргізілген ғылыми зерттеулер мына жағдайды көрсетті, валиномицин өзіне калии ионын қосып алып, липид қабатында еритін қомплекс құрап, мембрананың екінші жағына өтеді де, калии ионын босатады, өзі қайта орнына келеді.

3. Эстафеталық тасымалдау. Мембрана қабатында орналасқан тасмалдаушы ақуыздар тасымалданатын затты бір біріне жеткізу арқылы іске асырады.

4. Осмос. Жасуша мембранасының жартылай өткізгіштік, яғни кей заттарды өткізетін, мысалы су молекуласын, ал кей заттарды өткізбейтін қасиеті бар. Осмос деп су молекуласының концентрациясы көп ортадан (бұл ортада еріген зат концентрациясы аз) аз ортаға (еріген зат концентрациясы көп) қарай мембрананың жартылай өткізгіштік қасиеті нәтижесінде тасымалдануын атайды. Мына мысалды талдайық: ыдыстың бір бөлігінде концентрациясы 40%, екінші бөлігінде 60% болатын тұз ертіндісі бір бірінен өткізгіштігі тұз үшін 0 тең, ал суды өткізетін қалқан арқылы бөлінген болсын делік, егер қалқанды алып тастасақ, онда 1 бөліктен су молекулалары 2 бөліке қарай тасымалданады НЕГЕ ? Өйткені 1 ортада (40 пайыз тұз, 60 пайыз су) су молекуласының концентрациясы 2 ортаға ( 60 пайыз тұз, 40 пайыз су) қарағанда көп, сондықтан су молекуласының тасымалдануы 1 ортадан ден 2 ге қарай жүреді.

Су молеулаларының әсерінен пайда болатын қысым осмостық деп аталады. Осмостық қысымдары бірдей ертінділерді изотондық деп атау келісілген. Ағза сұйықтығының осмостық қысымы физиологиялық ертінді қысымына тең, сондықтан оны ағза сұйығына салыстырғанда изотондық ертінді болып табылады. Егер ертіндің осмостық қысымы басқа ертіндінің осмостық қысымынан жоғары болса ондай ертіндіні гипертондық, керісінше болса, оны гипотондық ертінді деп атайды. Адам қанының осмостық қысымы 0,76-0,78 МПа аралығында жатыр, ал 0,86% NaCl физиологиялық ертіндінің осмостық қысымы да дәл осындай.

Егер эритроцит жасушасын дистилляциоланған суға салсақ, онда су молекулалары оның ішіне еніп, жасуша ісінеді, оның порлары кеңіп, оның ішіндегі барлық заттар сыртқа шығып, жасауша мембранасы толығымен суға толады. Осылайша алынған мембрана қабықшаларын зерттеуге ыңғайлы. Егер жоғарыда аталған эксперименте эритроцитің ішіндегі заттар сыртқа шықпаса, онда ол ісініп, жасауша жарылып кетер еді, мұндай құбылысты «осмостық шок» деп атайды. Мұндай жағдай ағза көп мөлшерде тұзды ерітінді қабылдаған кезде байқалалы.