Жасушаның қорғаныштық қабығы – биомембрана, оның түрлері мен қызметтері туралы түсінік беру

Тақырыбы: БИОЛОГИЯЛЫҚ МЕМБРАНа және оның қасиеттері

 

 

 

Мақсаты: Жасушаның қорғаныштық қабығы – биомембрана, оның түрлері мен қызметтері туралы түсінік беру. 

 

Негізгі сұрақтар:

1.     Биологиялық мембрананың молекулалық құрылысы мен қызметі.

2.     Беттік кешен. Плазмалемма.

3.     Гликокаликс.

4.     Заттардың тасымалдануы. 

 

1. Биологиялық  мембрананың молекулалық құрылысы  мен қызметі. Биологиялық мембрана — жасушаның және жасуша ішіндегі бөлшектердің (ядро, митохондрия, хлоропластар, пластидтер) бетінде орналасқан молекулалық мөлшердегі (қалыңдығы 5 — 10 нм), белокты-липидтік құрылымды жұқа қабықша. Биологиялық мембрана өткізгіштік қасиетіне байланысты жасушада тұздардың, қанттың, амин қышқылдарының, иондардың, т.б. заттардың алмасу өнімдерінің концентрациясын, олардың тасымалын және алмасуын реттейді. Кейбір химиялық реакциялар (мысалы, хлоропластарда жүретін фотосинтездің жарық реакциялары немесе митохондриидағы тотыға фосфорлану процесі) биологиялық мембрананың өзінде жүреді. Сондай-ақ, биологиялық мембрана жасушаны қоршап, сыртқы ортадан оқшаулауы арқылы жасушаның морфологиялық тұтастығын сақтайды.

Жасушаның протоплазмасын қоршап тұрған биологиялық мембрана жасушалық  мембрана деп аталады. Жасушалық  мембрана қос қабатты белокты-липидті  молекулалардан тұрады. Биологиялық  мембрананың құрылымы мен ерекшелігі туралы нақты ғылыми мәліметтер 20 ғасырдың басында белгілі болды.

1902 ж. неміс ғалымы Э.  Овертон мембрананың құрамында  май тектес заттар болады деген  пікір айтты.

1926 ж. америкалық биологтар  Э. Гортер мен Ф.Грендел адам  эритроцитінің қабықшасынан сол  затты бөліп шығарды.

Ал 1935 ж. ағылшын ғалымдары  Л.Даниелли мен Г.Даусон және америкалық биолог Дж. Робертсон биологиялық  мембрананың құрылымдық моделін  ұсынды. Кейін электрондық микроскоп  және рентгендік анықтау әдістерін  қолдану нәтижесінде жасушаның  барлық бөліктеріндегі биологиялық  мембрана табиғатының ұқсас болатыны анықталды.

Биологиялық мембраналардың (лат. membrana – қабықша) неғұрлым толық  құрылысын 1972 ж. Г. Никольсон мен  С. Сингердің ұсынған сұйықтық-мозаикалық моделі бейнелейді. Мембрана липидтері  амфибильді молекуларларының екі қабатынан  тұрады, мембрана липидтерінің молекулалары бір-біріне паралель орналасады, оны  билипидті қабат немесе биқабат деп атайды. Осындай билипидті қабатқа ақуыз молекулалары батып тұрады. 

 

1-сурет. Биологиялық  мембрана: 
1 – липидтік қосқабат; 2 – мембраналық ақуыздар; 3 – рецептор; 4 – гликокаликс  

 

Ақуыз молекулалары тұтас  қабат түзбейді, олардың кейбіреуі  липидті бағана беткейінің екі жағын  ала бір бөлігінің арасында, қалғаны  мембранада гидрофильді поралар  түзіп, бағана қабаттарына ене орналасады. Егер ақуыздар липидті бағаналарды  қақ жарып орналасып, ақуыз молекуласы толығымен батып, пора түзсе, оны интегральды немесетрансмембраналы ақуыздар деп атайды.

Шеткейлік ақуыздар сыртқы мембрананың ішкі немесе сыртқы моноқабаттарында жартылай батып орналасады. Кейбір ақуыздар фосфолипид қабаттарының ортасында  орналасады.

Ақуыз молекулаларының мембрана маңылық кеңістікке қараған ұштары, осы кеңістіктегі әр түрлі заттармен  қосылыстар түзулері мүмкін. Сондықтан  интегральды ақуыздар трансмембрана  үрдістерінде маңызды роль атқарады. Жартылай интегральды  ақуыздармен сыртқы ортадан сигналдар қабылдайтын (молекулярлы рецепторлар) немесе мембранадан сыртқы ортаға сигналдар өткізетін молекулалар байланыста болады. Биологиялық мембрана құрамында ферменттік белоктар, ерекше рецепторлар, электрондарды тасымалдаушы, энергияны өңдеуші құрылымдар сонымен қатар гликопротеиндер мен гликолипидтер болады. Мембраналық белоктар түрлі қызмет (мысалы, гликопротеиндер антиген рөлін) атқарады. Барлық мембраналарға тән қасиет – олардың тұтастығы, тұйықтылығы.

Фосфолипидті қос қабатты (биқабатты) мембрананың негізгі  қасиеттерін қарастырайык. Бұл мембрана майысқақтық және қаттылық қасиет көрсетеді. Ол арқылы су және гидрофильді заттар өтпейді, ал гидрофобты заттар оңай өтеді. Биомембрананың фосфолипидті мембранадан ерекшелігі — фосфолипидті мембранада сигналдарды қабылдау және заттарды тасымалдау қызметін атқаратын ерекше ақуыздардың болуына байланысты. Мембрананың сыртқы бетінде жеке органоидтер мен ұлпаларды белгілеу қызметін атқаратын әр түрлі ақуыздар мен көмірсулар орналасады. Биомембрананың арқасында жасушаның беткі жағы аса төзімді және серпімділік қасиетке ие болып, жеңіл жарақаттан оңай жазылып, тез қалпына келеді.

Биологиялық мембраналардың негізгі қасиеттерінің бірі –  олардың жартылай өткізгіштігі. Кейбір заттар олардан өте баяу, ал кейбіреулері ерітіндінің қоюлығына қарамастан жеңіл өтеді. Сонымен, мембраналар  суда жақсы еритін заттардың көпшілігінің жасушаға еркін өтуіне кедергі жасайды. Сөйтіп, цитоплазманың және оның органеллаларының химиялық құрамын сақтайды. Мембраналар  жеке ферменттердің және олардың  кешендерінің цитоплазмада қалыптасып, жасушаның тіршілігіне қажетті  ең негізгі үрдіс – химиялық реакциялардың  ретімен жүруін қамтамасыз етеді.

2. Беттік кешен. Беттік кешен жасушаның сыртқы ортамен қарым-қатынасын қамтамасыз етеді. Ол барьерлік, тасымалдау, рецепторлық, сондай-ақ рецепторлардың қабылдаған ақпараттарды цитоплазманың терең қабаттарына тасымалдаушы қызметтерін атқарады. Беттік кешеннің негізі жасушаның сыртқы мембранасы немесе плазмалемма деп аталатын биологиялық мембрана болып табылады.

Плазмалемма Плазмалемма қалыңдығы шамамен 7-10 нм, тығыз орналасқан ақуыз бен липидтер молекулаларынан түзілген үлбіршек, жарық микроскобынан көрінбейді. Ол – цитоплазманың сыртқы мембранасы.

Плазмалемманың негізгі  атқаратын қызметі – жасушаны сыртқы ортадан шектеу, сондай-ақ тасымалдау, рецепторлық қызметтерді де атқарады. Ол жасушаның беттік қасиеттеріне жауап  береді, сыртқы ортамен зат алмасу үрдісін реттейтіндіктен, ол суда еріген әр түрлі заттарды жартылай өткізеді.

Плазмалемманың қатпарлары әсіресе заттарды қарқынды тасымалдауды іске асыратын жасушаларда жақсы  жетілген. Заттардың жасушаға өтуін  және одан бөлінуін реттеумен қатар, плазмалемма өсімдіктердегі синтездеу  қызметін де атқарады. Плазмалеммада  орналасқан ферменттердің қатысуымен жасуша қабықшасында целлюлозалы микрофибрилдерінің түзілуі жүріп жатады. Сол сияқты ол тітіркену және гормондық стимулдарды  қабылдайды.

Жасушаның ішкі мембраналарына қарағанда плазмалемма холестеридке бай. Плазмалемманың бір ерекшелігі оның сыртында көмірсулардан тұратын  гликокаликс қабаты орналасады. Бұл  қабаттың қалындығы 3—4 нм-дей болады. Плазмалемма негізгі атқаратын  қызметі: қорғаныштық, өткізгіштік  және тасымалдаушы. Тасымалдаушы плазмалемма  сулардың, иондардың және молекулалардың сыртқы ортадан жасушаға өтуін және кері өтуін реттеп отырады. Зат алмасу процесінде жасушада пайда болған қорытылған заттар да осы плазмалемма арқылы сыртқа шығарылып отырады. Плазмалемманың сыртқы бетіне рецепторлық ферменттер орналасады, олар жасушаның күйін  басқа көрші жасушаларға жеткізіп тұрады. Плазмалемма жасушаның бөліну процесінде маңызды рөл атқарады. Оның сыртында микротүтікшелер, талшықтар сияқты әр түрлі өсінділер болады.

3. Гликокаликс. Плазмалемманың сыртқы бетін гликокаликс қаптайды. Гликокаликстің қалыңдығы жасушаның әр бетінде 7,5-тен 200 нм аралығында ауытқиды. Гликокаликс – мембрана ақуыздарымен байланысқан молекулалар жиынтығы. Бұл молекулалар құрамы жағынан полисахаридтер, гликолипидтер және гликопротеиндер тізбектері болып келеді.

Гликокаликсте арнайы рецепторлар  неғұрлым көп болса, жасуша арнайы сигналды заттарға соғұрлым белсенді жауап қайтарады. Егер гликокаликсте сыртқы заттармен  байланыстыратын арнайы молекулалар  болмаса, жасуша ешқандай реакция бермейді. Сонымен, гликокаликс плазмалеммамен қатар, беттік кешеннің барьер қызметін де атқарады.

Сонымен, биологиялық мембраналар  жасушаны тек қана сыртқа ортадан  бөліп қоймай, сондай-ақ, өздерінің  құрылымдары мен қызметтік ерекшеліктері  бар, жеке-жеке аймақтарға – компартменттерге бөледі.

Гликокаликс ластанған кезде  энтероцит беткейін тазарту үшін ол ажырайды. Патология кезінде жасуша гликокаликстен ұзақ уақыт ажарып, қабырғалық асқорыту үрдісі бұзылады. Гликокаликс молекулалық елеуіш және ионалмастырғыш қызметін атқарады. Гликокаликсте электр зарядтары (катиондар  мен аниондар) болғандықтан, олар ион  алмастырғыш болып табылады. Бір  сөзбен айтқанда, энтероциттің мембрананың  бетінде орналасқан орта үшін гликокаликс  талғамды өткізгіш пен стерильділікті қамтамасыз етеді.

4. Заттардың тасымалдануы. Жасушаның құрамындағы заттар сыртқы ортадан биомембрана арқылы бөлінеді. Жасушаның барлық ірі органоидтері де биомембраналары арқылы цитоплазмадан бөлініп тұрады. Биомембрана жасуша және органоидтардың ішіне және сыртқа қарай заттардың өтуін реттеп отырады. Кейбір заттар биомембраналардан өте алмайды. Мұндай заттардың биомембраналардан өтуін ерекше түтіктер жүзеге асырады, олар заттарды қатаң бір бағытта тасымалдайды. Кей заттар биомембранадан оңай өтеді. Биомембрана жасушаның ерекше іргетасы болып есептеледі. Онда белгілі бір реттілікпен ақуыздар орналасқан. Соның арқасында бір-бірімен тығыз байланысқан күрделі биохимиялық процестер — тынысалу және фотосинтез жүзеге асады. Мембраналар сигналдарды өткізуде үлкен рөл атқарады. Мысалы, жүйке тітіркеністерін және әр түрлі химиялық сигналдарды өткізуде.

Сыртқы жасушалық биомембрана  жасушаның жылжымалы бетін құрайды. Оның өсінділері мен ойыстары болады. Жасушаның биомембранасы әр түрлі ерекше ақуыз-қабылдағыштармен қапталған. Олар сигнал тасымалдайтын молекулалармен байланысып, сол сигналдарды жасушаның ішіне тасымалдау қызметін атқарады. Осындай жолмен жасуша сыртқы ортамен байланысты жүзеге асырып және түскен сигналдың түріне қарай жасушаішілік процестерді реттеп отырады.

Заттардың белсенді тасымалдануы, иондар мен молекулалардың жасушаға биомембрана арқылы өтуі энергияның жұмсалуы арқылы жүреді. Оны арнайы тасымалдаушы ақуыздар жүзеге асырады. Сыртқы ортамен салыстырғанда, жасушадағы калий иондарының концентрациясы әрдайым жоғары болады. Ал натрийдің мөлшері жасушадағыға қарағанда жасушааралық сұйықтыкта әр уақытта жоғары болады. Жасуша мембранасының осындай таңдамалы өткізгіштігіжартылай өткізгіштік деп аталады. 

 

2-сурет Эндоцитоз                                      3-сурет Экзоцитоз 

 

 

 

Кейбір жағдайларда макромолекулалар немесе ірі түйіршіктер жасушаға эндоцитоз процесі арқылы өтуі мүмкін. Эндоцитозды фагоцитоз жәме пиноцитоз  деп екі түрге бөлуге болады: фагоцитоз  процесі дегеніміз жасушалардың ірі түйіршіктерді қабылдап цитоплазмасына өткізуі. Бұл процесті бірінші рет зерттеген орыс ғалымы — И. И. Мечников.Пиноцитоз процесінде жасуша цитоплазмасына ерітінділерді қабылдайды.

Плазмалемма арқылы ішінде сұйық заттары бар көпіршіктердің жасушаға өтуі пиноцинтоз деп аталады. Жасушаға түскен түйіршікті заттар лизосомадағы гидролаза ферменттер арқылы қорытылады. Пиноцитоз процесін көптеген жасушалардан, яғни өзіне қоректік заттарды сіңіретін, мысалы ішек жасушаларынан (энтероциттер) байқауға болады.Энтороциттердің жоғарғы (апикальді) бөлімінде пиноцитоз  көпіршіктері орналасады, олар жасушаға ыдырап майларды, көмірсуларды т. б. өткізіп  отырады.

Цитоплазмалық мембрананың  тағы бір атқаратын қызметі: ол жасушалы организмдер ұлпаларындағы жасушааралық байланыстарды қамтамасыз етеді. Ал ол көптеген қатпарлар мен өсінділер  түзу жолымен және жасушааралық кеңістікті толтырып тұратын тығыз цементтеуші  заттардың белінуімен жүзеге асады.

Бұл ақуыздар унипорт (бір  заттың мембрана арқылы тасымалы) немесе котранспорт (екі заттың тасымалы) принципі арқылы қызмет ете алады. Котранспорт (екі затты тасымалдау) симпорт (екі затты бір бағытта тасымалдау) жәнеантипорт (екі затты қарама-қарсы екі жаққа тасымалдау) түрінде болады. 

 

4-сурет. Симпорт (натрий мен глюкоза)  және антипорт (натрий мен калий)  

 

Тасымалдау кезінде екінші зат болып Н жүреді. Прокариот  жасушасының тіршілігіне қажетті  заттардың негізгі бөлігі унипорт  пен симпорт тәсілдері арқылы тасымалданады.Тасымалдаудың екі түрі бар: белсенді және сылбыр. 

Сылбыр тасымалдау энергия жұмсауды қажет етпейді, ал керісінше, белсенді түрі энергияға тәуелді. Диффузия (лат. diffusio – тарау, өту) деп мембрана арқылы броун қозғалысының әсерінен заттардың жоғары концентрациялы зонасынан иондар мен молекулалардың концентрациясы төмен зонасына қарай, екі жақтың концентрациясы теңелгенге дейін өтуін атайды. Диффузияның жай және жеңілдетілген түрлері болады. 

 

 

 

                  

5-сурет. Жай  диффузия             6-сурет. Жеңілдетілген диффузия  

 

 

 

Жай диффузия кезінде зарядталмаған  заттар липид молекулаларының арасынан немесе ақуыздар жасайтын каналдар арқылы өтеді, ал жеңілдетілген диффузия кезінде  арнайы тасымалдағыш ақуыздар заттарды косып алып, оларды мембрана арқылы өткізеді. Жеңілдетілген диффузия нейтральдыға қарағанда жылдам жүреді. Жасушаға су осмос (грек. osmos – қысым) жолымен  түседі.

Белсенді тасымалдау арнайы өткізгіш-ақуыздардың көмегімен  жүреді. Бұл жағдайда АТФ гидролизі  немесе протон потенциалынан пайда  болған энергия жұмсалады. Белсенді тасымалдау концентрация градиентіне  қарсы болады.