Мембрананың фазалық күй.

Бір қалыпты физиологиялық жағдайда, яғни температура адам денесінің температурасына тең, рН және иондар концентрациясы тұрақты болғанда биологиялық мембрана қабаты «сұйық кристаллды» күйде болады. «Сұйық кристалл» күй деп құрылымда сұйыққа да (құрылым бөлшектері ретсіз, хаосты қозғалыста), кристаллға да (құрылым бөлшектері кеңістікте реттелген күйде) тән қасиет бір мезгілде кездесетін күйді атаймыз.

Температура төмендегенде биомембрананың фосфолипидтік қабаты өз құрылымын сақтай отырып қатты кристалл күйге көшеді. Мембрана қабаттағы фосфолипид молекулаларының тығыздығы оның күйіне тікелей тәуелді, мысалы, лецитин молекуласы қатты кристалл күйде 0,46-0,48 нм² аймақты алса, оның сұйық кристалл күйдегі алатын аймағы 0,6-0,8 нм² тең, мұнан мембрана қабатының өлшемдері (көлемі, ауданы, қалыңдығы т.б.) оның фазалық күйін тікелей тәуелді деген қорытынды жасауға болады. Фосфолипид молекуласының құйрығындағы қанықпаған май қышқылдарындағы қос байланыс көп болған сайын, қатты кристалл күйге ауысу температурасы да төмендейді.

Сұйық кристаллды биомембрана құрылымы температура өзгерісіне өте сезімтал. Температура төмендегенде мембрана сұйық кристалл күйден қатты кристалл гель тәрізді күйге ауысады. Бұл кезде мембрана өзінің толық құрылымын сақтайды, фосфолипид құйрышқалары түзуленіп, бір біріне параллель орналасады және олардың тербелісі шекетеледі. Сұйық кристалл күйде бір липид молекуласы алып жатқан аудан 0,58 нм² болса, гель күйде бұл шама 0,48 нм² дейін төмендейді, яғни мембрана көлемі азаяды, оның есесіне мембрана қабаты қалыңдайды (9- сурет)

9- сурет

Биомембрана кабатының сұйық кристалл күйден гель күйге көшуі кезінде биқабатта радиусы 1-3 нм болатын порлар(саңлау) пайда болады. Бұл порлар арқылы иондар мен төменгі молекулалы қосылыстағы заттар тасымалданады, яғни фазалық өзгеріс мембранының иондық өткізгіштігін жоғарылатады. Мұндай қасиеттің арқасында, яғни денелердің тез сууы кезінде мембраналардың зақымдалуы болмайды, өйткені су және тұздардың мембрана арқылы өтуі жоғарылап, олардың жасуша ішінде кристаллдануына жол берілмейді. Бірақ мұндай күйде липид молекулаларының қозғалғыштығы төмендейді.

Мембрана қабатында ақуыздар көп, олардың көптігінің әсерінен мембрананың беттік керілу көрсеткіші «липид-су» шекарасындағы көрсеткіштен «ақуыз-су» шекарасындағы көрсеткішіне жақын. Мембаралық ақуыздардың концентрациясы жасуша түріне байланысты өзгеріп отырады, мысалы, аксонның миелинді қабатындағы ақуыз липидтерден 2,5 есе аз, ал эритроцит мембранасындағы ақуыз саны керісінше липидтен 2,5 көп.

Ақуыздар мембрана қабытында әр түрлі орналасқан, бірі мембрана бетіне жабысып тұрса, бірі оны тесіп өтеді. Мембрана бетіне жабысып орналасқан ақуыздарды перифериялық, ал оны тесіп өткендерін интегралдық ақуыздар беп атайды.

Интегралды ақуыздар липиттер тәрізді, мембрана қабытындағы бөлігі a-спираль түрінде ширатылған түрде болып келетін гиброфобты қасиеті бар, аминоқышқылдарынан тұрады, ал мембрана қабатынан сыртқа шыққан бөлігі гидрофильді қасиетке ие және аминоқышқылдарынан тұрады. Бұл ақуыздар мембрана қабытына гидрофильді әсерлесу нәтижесінде пайда болатын күштер арқылы ұсталып тұр. Кейбір интегралды ақуыздардың мембранадан сыртқа шыққан бөлігіне көмірсулар жабысып тұрады, мұндай комплекстерді гликопротеин деп атайды, олар рецепторлық қызмет атқарады және ақзаның иммундық реакцияларында маңызды роль бар. Мысал ретінде мембрана қабатын 7 рет тесіп өткен бактериородоспинді атауға болады, ол ақуызға фоторецепторлық қабілет береді, ал эритоцит ақуызы - гликофорин қан тобын анықтайтын гликопротейнге жатады. Көптеген интегралды ақуыздар мембрана қабатында канал ролін атқарады, мұндай каналдардың ішкі бетінде гидрофильді аминқышқылының радикалыдары орналасады, олар арқылы суда еритін молекулалар мен иондар өтеді.

Перифериялық ақуыздар мембрананың сыртқы бетіне де, ішкі бетіне де орналаса алады. Бұл ақуыздар мембрана қабытына электростатикалық әсерлесу нәтижесінде пайда болатын күштер арқылы ұсталып тұр, бұл күштер интегралды ақуыздарды ұстайтын күшпен салыстырғанда әлде қайда төмен, сондықтан перифериялық ақуыздарды мембрана бетінен жұлып алу жеңіл. Ал интегралдық ақуыздар мембрана қабатындағы липидтердің көмірсутегі тізбегімен Ван-дер Ваальс күші арқылы әсерлеседі және бұл әсерлесу күшінің үлкен болуы себепті интегралды ақуызды бөліп алу тек липид қабатын бұзу нәтижесінде қол жеткізуге болады.

Мембрана құрамындағы липидтер мен ақуыздар қозғалғыш келеді, егер молекула қозғалысы мембрананың бір қабатында орын алса, ондай қозғалысты – латериалды диффузия деп атайды, егер молекула мембрананың бір қабытынан екінші қабаттына орын ауыстырса, оны флип-флоп орын ауыстыру деп атайды.

Латериалды диффузия кезіндегі молекуланың бір орыннан екінші орынға ауысу жиілігі мынаған тең:

,

мұндағы D – латериалды диффузия коэффициенті, A- мембрана бетіндегі бір молекула алып жақтан бет ауданы.

Молекуланың бір орындағы «тұрғылықты өмір ұзақтығы» оның орын ауыстыру жиілігіне кері пропорционал болады:

,

Молекуланың t уақыт мерзіміндегі орташа квадраттық орын ауыстыруы мына өрнекпен анықталынады:

= ,

Липидтердің диффузия коэффиценті өте жоғары. Мысалы, 40⁰С температура кезіндегі ретикулум саркоплазмасының липидтері үшін D =1,2×10^-11 м²/c тең. Егер А= 7×10^-19 м² болса, онда липидтер 1 секунд ішінде 5,9×10⁷ рет орын ауыстырар еді, мұнан липидтің «тұрғылықты өмір ұзақтығы» 1,7×10^-8с тең болатындығы көрінеді.

Ақуыз молекулалары липдтер тәрізді жылдам қозғалмайды. Мысалы, лимфоцитарлы мембрананың антиген молекуласының ақуызы үшін D =10^-14 м²/c тең болса, онда оның орташа квадраттық орын ауыстыруы тең болады. Мұнан мембранадағы ақуыздардың қозғалшыштығы төмен екендігін көреміз, өйткені мембрана қабатындағы микротүтіктер немесе микрофиламенттер ақуыздардың басым бөлігінің қозғалысын шекетеп, оларды мембрананың белгілі бір бөлігінде тұруына ықпал етеді.

Мембрана молекулалары түзу сызықты қозғалыспен қатар айналмалы қозғалысқа да түседі. Мысалы, 1 радин бұрышқа фосфолипид молекуласы 10^-9 секунд ішінде бұрылса, родоспин 10^-6 с, цитохромоксидаза 10^-4 с ішінде бұрылады.

Мембаранадағы фофолипид молекуларладың флип-флоп түріндегі қозғалысы латериалды диффузиямен салыстырғанда өте баяу жүреді, мысалы, фосфолипид молекуласы мембрананың бір қабатынан екінші қабатына өтуіне 1 сағатқа жақын уақыт қажет екен. Ал ақуыз молекулалары мұндай орын ауыстыруға қатыспайды.

Латериалды және флип-флоп диффузия жылдамдықтардың әр түрлі болуының үлкен маңызы бар. Латериалды диффузия жылдамдығының үлкен болуы мембранадағы химиялық рекациялардың жылдам өтуіне ықпал етеді, ал флип-флоп орын ауыстыруының баяу өтуі мембранадағы тепе теңсіздікті қамтамасыз етеді.

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).

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.