Биологиялық мембрана құрылысы және қызметі.

Биофизиканың міндеттерінің бірі ретінде биологиялық мембрананың қ ұ рысысын, ол арқ ылы зат тасымалдауды, нерв импульсының пайда болу мен оның таралуын, рецепция қ ұ былысын жә не биомембрандағ ы энергия ө згеруін зерттеуді атауғ а болады.

Мембрана биофизикасы – медицина ү шін ең маң ызды жасуша биофизикасының негізгі бө лімі болып саналады. Адам ағ засындағ ы кө птеген ү рдістер биологиялық мембрана арқ ылы жү реді жә не іске асады. Мембранадағ ы ү рдістердің бұ зылуы-кө птеген патологиялық ө згерістердің негізгі себебі болып табылады. Адам ағ засына тигізетін емдік ә серлер биологиялық мембранағ а ә сер ету арқ ылы іске асырылады. Тіршіліктің ең кіші бө лігі болып саналатын, ө з бетінше ө мір сү ре алатын жасуша кез келеген жә ндік пен ө сімдік дү ниесінің негігі бө лігі болып табылады.

Биологиялық мембрана мынандай қ ызметтер атқ арады:

- Механикалық, бұ л арқ ылы жасуша ө зін қ оршағ ан ортадан оқ шауланады, оның дербес болуына жә не тиісті қ ызмет етуіне мү мкіндік береді;

- Тосқ ауылдық, бұ л арқ ылы жасуша ө зін қ оршағ ан ортамен талғ ампаздық (селективті) тү рде пассивті жә не активті зат тасымалдауғ а қ ол жеткізеді;

- Матрицалық, бұ л арқ ылы биологиялық мембранада ақ уыздар мен ферменттердің болуы қ амтамасыз етіледі,

- Энергетикалық, бұ л арқ ылы биолгиялық мембранада АТФ синтезделуі, биопотенциалдардың пайда болуына мү мкіндік алады.,

- Рецепторлық, мұ ндай қ ызмет арқ ылы мембрана басқ а жасушаларды, сыртқ ы тітіркендіргіштердің ә серін сезуге, заттарды танып білуге мү мкіндік алады.

Мембрана жасушыларды бір- бірінен бө лумен қ атар, оның ішкі бө лігі цитоплазманы ө з беттерінше жеке қ ызмет атқ ара алатын бө ліктерге-компартменттерге бө леді. Қ азіргі кезең де биологиялық жү йлердің қ ызметін сипаттауда осы компартментализация принципі ү лкен қ олдау табуда. Жасушаның компартментлизациялануы, ондағ ы биохимиялық процесстер мен тү рлі реакциялардың бір бірінен оқ шау жү руіне мү мкіндік береді, бұ л реакциялардың бір ортада жү руі мү мкін емес. Осы принципке сә йкес, цитоплазмада - май қ ышқ ылдары синтезделсе, олардың тотығ уы-митохондрияда жү реді, ал рибосомда- ақ уыз синтезделсе, оның бұ зылуы-лизосомда орын алады.

«Мембрана» термині ХІХ ғ асырдың орта бө лігінде пайда болды жә не бұ л арқ ылы жасушаны қ оршағ ан ортадан бө ліп тұ рғ ан, жартылай ө ткізгішік қ асиеті бар жұ қ а қ абатты атағ ан. 1851 жылы физиолог Х.Моль ө сімдік жасушасы плазмолизін зерттеп, оның қ абырғ асының мембранағ а тә н қ асиеті бар екендігін анық тағ ан. 1855 жылы ботаник К.Негели жасушаның толық қ анды ө мір сү руіне мембрананың жартылай ө ткізгіштік қ асиетінің маң ызды екендігін, осы арқ ылы жасуша ішінде осмостық қ ысымың қ алыпты жағ дайда болатындығ ын мә лімдеді. 1890 жылы неміс зерттеушісі В.Пфеффер алғ аш рет «жасуша немесе плазмалық мембрана» терминін енгізді.

Жасушаның басты қ ұ рылымы мембрана екендігін алғ аш ботаниктер анық тағ андығ ы белгілі, ө йткені ХІХ ғ асырда электрондық микроскоптың болмауы себепті тірі организмдегі мембрана қ абатын кө ру ә лі мү мкін емес еді. Осы себепті биологиялық мембрана қ ұ рылысы мен оның кө птеген қ асиеттерін анық тау ХХ ғ асырдың еншісіне тиді.

Биологиялық мембрананың алғ ашқ ы ү лгісі 1902 жылы ұ сынылғ ан болатын. Зерттеушілер фосфолипидте жақ сы еритін заттардың мембрана қ абаты арқ ылы еркін ө тетіндігін байқ ағ ан, осы қ ұ былыс мембрана фосфолипидтен тұ ратын жұ қ а қ абат деген жорамал жасауғ а мү мкіндік берген.

1925 жылы Гортер мен Грендель гемолизденген эритроциттен ацетон арқ ылы липидті бө ліп алғ ан. Алынғ ан ертіндіні судың бетіне қ ұ йғ ан, булану нә тижесінде су бетінде пайда болғ ан липид молекулаларының алып жатқ ан аймағ ының ауданы, тә жірибе басында алынғ ан эритроциттердің ауданынан екі есе кө п болғ ан. Осының негізінде мембранадағ ы липидтер екі қ абат болып орналасқ ан деген қ орытынды жасалды (2- сурет).

1935 жылы бұ л ойдың дұ рыстығ ын Коул мен Кертис мембрананың электрлік параметрлерін ө лшеу арқ ылы дә лелді. Олар мембрананың меншікті электрлік сиымдылығ ының С= 0, 5× 10^-2 Ф/м², ал меншікті электрлік кедергісінің r =10 Ом× м² ү лкен болатындығ ын анық тады.

Биологиялық мембрана жазық конденсаторғ а ұ қ сас. Конденсатордың екі астары ретінде мембрананың сырты жә не ішкі(циоплазма) орталарындағ ы электролиттік сұ йық тарды, ал конденсатордың астарларын бө ліп тұ рғ ан диэлектригі ретінде екі қ атар орналасқ ан фосфолипид қ абатын, яғ ни биомембараны алуғ а болады(3- сурет).

2- сурет 3- сурет

Жазық конденсатордың электрлік сиымдылығ ы мына ө рнекпен анық талынады: С= e× e₀× S/d, мұ нан конденсатордың меншікті сиымдылығ ы (бірлік ауданғ а сә йкес келетін сиымдылық мә ні) мынағ ан тең болады: С_МС = e× e₀/d, мұ ндағ ы e- липидттің диэлектрлік ө тімділігі, ол e=2 тең, e₀ = 8, 85× 10^-12 Ф/м, d- конденсатор астарының ара қ ашық тығ ы. Мембрананың конденсаторғ а ұ қ састығ ынан d- шаманы мембрана қ абатының қ алың дығ ына тең деп санауғ а болады. Олай болса меншікті сиымдылық ө рнегінен: d = e× e₀/С_МС. Сонда d = 8, 85× 10^-12 Ф/м× 2/0, 5× 10^-2 Ф/м² = 35× 10^-10 м = 3, 5 нм., анық талғ ан бұ л шама бір қ атар липид қ абатының қ алың дығ ы.

1935 жылы Дж.Даниэлли мен Г.Давсон биологиялық мембрананың «бутерброд» тә різді мембрананың жобасын ұ сынды. Ол ү ш қ абаттан, яғ ни ортасында екі қ атар(биқ атар) болып липидтер орналасқ ан, бұ л қ абаттың екі жағ ына ақ уыздар жабысып орналасқ ан (4-сурет). Кейін бұ л жобаны одан ары дамытқ ан кө птеген ұ сыныстар болды 1964 ж. Дж.Робертсон 1966 ж., Дж.Ленард жә не С.Сингер т.б. (5 сурет).

Қ азіргі уақ ытта 1972 жылы Никольсон мен Сингер ұ сынғ ан, 1981 жылы Сингер одан ары жетілдірген биомембрананың «сұ йық -мозайкалы» моделі қ олданылуда. Бұ л моделге сә йкес биологиялық мембрананың негізі - липидтер, олар бір біріне перпендикуля тү рде, екі қ атар болып орналасқ ан, ал ақ уыздардың кейбірі липид қ абатына жабысып, кейбірі оғ ан батып немесе оны толығ ымен тесіп орналасқ ан (6 сурет).

4 сурет 5 сурет

Жалпы липидтер ү ш тү рде: фософолипид, гликолипид жә не стероид тү рінде кездеседі. Бұ лардың ішінде фосфолипидтердің ү лесі басым, яғ ни кө птеген денелердің мембрана қ абаты фосфолипид молекуласынан қ ұ ралғ ан деп санауғ а болады.

6 сурет. 1- фосфолипид биқ абаты, 2- фосфолипид молекуласының гидрофильді полярлы басы, 3- фосфолипид молекуласының гидрофобты қ ұ йрығ ы, 4- интегралды ақ уыздар, 5- гликолипид, 6- перифериялық ақ уыздар, 7- иондық канал, 8- пор(саң лау), 9- ақ уызғ а жабысқ ан микротү ткіше.

Биологиялық мембранадағ ы фосфолипид молекулалары екі бө ліктен: полярлы бастан жә не полярсыз қ ұ йрық тан тұ рады. Полярлы бастың алып жатқ ан ауданы 0, 6 нм² тең, ал қ ұ йрық қ а сә йкес келетін аудан 0, 2-0, 3 нм². Фосфолипид молекуласының барлық ұ зындығ ының 1 бө лігі полярлы басқ а, қ алғ ан 2 бө лігі оның қ ұ йрығ ына сә йкес келеді (7а - сурет).

Кей фосфолипид молекуласының полярлы басы азотты топтардан (этаноламин, фосфат, холин) қ ұ ралғ ан болса, кейбірі азотсыз негіздерден (серин, инозин, треонин) қ ұ ралғ ан жә не зарядталғ ан болып келеді, соның нә тижесінде ол гидрофильді қ асиетке ие, осы себепті олар су молекулаларын жақ сы тартады. Полярлы бас «мойын» арқ ылы «қ ұ йрық пен» жалғ асқ ан. «Мойын» деп кө п атомды спирттер: глицерин немесе сфингозиннен қ ұ ралғ ан қ ұ рылымды атаймыз. Қ ұ рамындағ ы спирт тү ріне сә йкес фосфолипидтерді: глицерофосфатты жә не сфингофосфатты деген тү рлерге бө леді.

а б

7 сурет

Глицерофосфатты немесе сфингофосфатты «мойынғ а» полярсыз қ ұ йрық жалғ анғ ан, ол екі тармақ тү рінде, кө міртегінің 14 - 24 атомынан тұ ратын, май қ ышқ ылы молекулаларынан қ ұ ралғ ан тізбек тү рінде болады.

Тізбектегі кө міртегі атомына бір немесе екі сутегі атомы жабысып орналасқ ан, қ ұ рамы мен қ ұ рылымы парафинге ұ қ сас, су жұ қ пайды, яғ ни гидрофобты болып келеді (7б- сурет). Екі тармақ ты фосфолипид қ ұ йрық шасының бірі қ анық қ ан, екіншісі қ анық пағ ан май қ ышқ ылынан қ ұ ралады.

Фосфолипдтің физика-химиялық қ асиетінің ең маң ыздысы ретінде, оның басының гидрофильді, қ ұ йрық шасының гидрофобты болып келуін атағ ан жө н. Осындай қ асиетке сә йкес жә не кей шарттарды сақ тағ ан жағ дайда, сулы ортада фосфолипид молекулалары ө з беттерінше сфера тү рінде жиналады. Нә тижесінде, фосфолипид молекулалары бір біріне паралелль екі қ атар(биқ атар) болып орналасады жә не ә р қ атардағ ы (моноқ атар) молекула полярлы басымен сыртқ ы ортағ а қ арай, қ ышқ ылды қ ұ йрық шалары ішкі ортағ а қ арай бағ ытталып орналасады.

Осылайша, динамикалық жағ ынан тұ рақ ты болатын фосфолипидті биқ абат қ ұ рылады жә не ол биологиялық мембрананың негізгі қ аң қ асы болып саналады. Мысалы, массасы 1 мг липид молекуласынан ауданы 1 м² болатын биқ абатты жасауғ а болады. Жасуша мембранасының 1 мкм² ауданында 4× 10⁶ липид молекуласы бар, бұ л ә р моноқ абатта 2× 10⁶ молекула бар деген сө з.

Ә р тү рлі фосфолипид молекулаларының сулы ортада екі қ атар болып жинақ талу қ абілеті ә р тү рлі, ә сіресе ол лецитинде жоғ ары, егер ортада лецитин бар болса, ол фосфолипидтердің жиналғ ыштық қ абілетін кү шейтеді. Ғ алымдар, фосфолипид молекуласының осындай қ абілеті арқ асында жер бетінде тіршілік пайда болғ ан деп санайды.

Жү різілген ғ ылыми зерттеулер мембрана қ абатындағ ы липид молекулаларының тығ ыз орналасауы фосфолипид қ ұ рамына қ андай май қ ышқ ылы енетіндігіне байланысты екендігін кө рсетті. Егер кө міртегі тізбесіндегі атомдар арасындағ ы қ ос байланыс кө п болса, мембранадағ ы молекулалар арасы алшақ болады, бұ л ө з кезегінде мембрананың беріктілігін (қ аттылығ ын) кемітеді жә не мембрана қ абатының заттарды ө ткізгіштігін жоғ арылатады.

Мембранадағ ы фосфолипид молекулаларының тығ ыз орналасуына холестериннің ә сері бар екендігі анық талды. Холестерин фосфолипид биқ абатына еніп, оның тығ ыздығ ын артырады. Биологиялық мембранада холестерин молекуласының кө бейуі фосфолипид молекуласының алатын ауданын кемуіне алып келеді, ө йткені фосфолипидтер қ ұ йрық шаларындағ ы кө мірсутегі тізбегінің биқ абатқ а қ атысты орналасу кө лбеулігі ө згереді. Холестерин кө бейген сайын фосфолипид қ ұ йрық шалары мембрана қ абатына тіктеу орналады, нә тижесінде мембрана тығ ыздығ ы одан ары артып, заттарды ө ткізуін кемітеді. Эритроцит плазмолемасындағ ы 1 моль фосфолипидке 0, 37 моль холестерин келсе, мембрана ішіндегі митохондриасында бұ л шама 0, 03 мольге тең. Жасушадағ ы холстериннің щамасы ағ задағ ы зат алмасуғ а тікелей байланысты, ол ө з кезегінде тамақ тану тү ріне тә уелді. Сондық тан, холестерині кө п тамақ ты ү немі пайдалану жасушаның қ аттылығ ын арттырып, оның заттарды ө ткізу қ абілетін тө мендетеді.

Биологиялық мембрананы қ ұ райтын гликолипид молекуласы қ атар жатқ ан жасушалардың бір біріне жабысып қ алмауын қ амтамасыз етеді. Бұ л липидтер қ атар жатқ ан жасуша беттерінде теріс электр зарядтарын туғ ызады, нә тижесінде пайда болғ ан электростатикалық ө ріс ә серінен олар бір бірінен алшақ тайды. Егер мембранадағ ы гликолипидтер белгілі бір шамадан асып кетсе, онда жасушалар бір біріннен тіптен алшақ тап кетеді, нә тижесінде олардың ө з ара ақ парат алмасуы бұ зылады.

Зерттеулер биологиялық мембраналардың липидтік қ ұ рамы тү рлі болатындығ ын анық тады (1 кесте).

1 кесте.

Биологиялық мембрананың липид қ ұ рамы, %

Сонымен қ атар мембрана биқ абатының ішкі жә не сыртқ ы беттеріндегі липид мө лшері де тү рлі дең гейде болады, оны мына 8 суреттен байқ ауғ а болады.

		Мембрананың ішкі беті

8 сурет. 1-фосфолирид, 2-сфигомиелин, 3-фосфатидилхолин,

4- фосфатидилэтаноламин, 5- фосфатидилсерин, 6- фосфатидилинозитил.

Сыртық фактолардың ә серінен липид қ абаты ү здіксіз ө згерістерге ұ шырап отырады. Бұ л қ ұ былыстьың бір кө рінісі ретінде фосфолипид қ ұ йрық шасының май қ ышқ ылды бір тармағ ының еркін радикалды тотығ у ә серінен бұ зылатындығ ын атуғ а болады, сонымен қ атар фосфолипаза А₂ ферменті ә рекетінен қ анық пағ ан май қ ышқ ылды тармақ жұ лынып кететіндігін де атуғ а болады. Егер ағ зағ а енетін фосфолипаза А₂ қ ажетті мө лшерден артып кетсе, мысалы улы жылан шақ қ ан кезде, онда мембрана жасушасының бұ зылуы ө те жоғ ары дең гейге жетеді, бұ л ө з кезегінде ағ заның ө мір сү руін тоқ тауғ а дейін алып келеді. Микро ағ залардан бө лінетін кей ферменттер мысалы, фосфолипаза С, мембрананың липид қ абатындағ ы фосфолипид молекуласының полярлы басын «жұ лып» алады екен.

Сондық тан фосфолипаза А₃ ферменті, фосфолипаза С, еркін радикалды тотығ у ү рдісінің мембрананы зақ ымдайтын ә рекеті бар екендігін білу қ ажет.