ҚАЗАҚСТАН РЕСПУБЛИКАСЫНЫҢ БІЛІМ ЖӘНЕ ҒЫЛЫМ МИНИСТРЛІГІ ТАРАЗ МЕМЛЕКЕТТІК ПЕДАГОГИКАЛЫҚ ИНСТИТУТЫ. Тӛлеубаев Ж.С. БИОФИЗИКА

Transcript

1 ҚАЗАҚСТАН РЕСПУБЛИКАСЫНЫҢ БІЛІМ ЖӘНЕ ҒЫЛЫМ МИНИСТРЛІГІ ТАРАЗ МЕМЛЕКЕТТІК ПЕДАГОГИКАЛЫҚ ИНСТИТУТЫ Тӛлеубаев Ж.С. БИОФИЗИКА Тараз-2013

2 ӘОЖ Тӛлеубаев Ж.С.- а.ш.ғ.д. Биофизика оқу қҧралы,- Тараз: Тараз мемлекеттік педагогикалық институты 2009ж. 264б. ISBN Оқу қҧралы «Биофизика» курсының типтік бағдарламасына сәйкес, жоғары оқу орындарының биология мамандығында оқитын білімгерлерге арналған Пікір жазғандар: т.ғ.д., профессор Ж. Абдула Халықаралық қазақ-тҥрік университетінің Тараз институты ф.м.ғ.д.,профессор К. Тоқжігітов Тараз мемлекеттік педагогикалық институты. а.ш.ғ.к.,доцент А. Алтынсариев М.Х.Дулати атындағы Тараз мемлекеттік университеті. Оқу қҧралы Тараз мемлекеттік педагогикалық институтының Ғылыми кеңесінде талқыланып, баспаға рҧқсат етілді Хаттама 10., ж ISBN Ж.С. Тӛлеубаев. 2

3 МАЗМҦНЫ КІРІСПЕ... 5 І тарау. БИОЛОГИЯЛЫҚ ЖҤЙЕЛЕРДІҢ ТЕРМОДИНАМИКАСЫ 1.1. Термодинамика бастамалары Биологиядағы термодинамиканың І ші заңы. Гесс заңы Биологиядағы термодинамиканың 2-ші заңы. Градиент, энтропия, бос энергия ҧғымдары Феноменологиялық теңдеу. Онзагер Пригожиннің бейімдеушілік принципі. Ле Шаталье принципі Биологиялық процесстердің қайтымдылығы мен қайтымсыздылығы Биохимиялық реакциялардың термодинамикалық параметрлерін есептеу ІІ тарау. МЕМБРАНА БИОФИЗИКАСЫ 2.1.Биологиялық мембраналардың негізгі функциялары Биологиялық мембраналардың структурасы, қҧрамы Мембрана қҧрылымына қазіргі кӛзқарас Мембрана динамикасы. Мембранадағы фосфолипидті молекуланың қозғалғыштығы Электронды парамагниттік резонанс. (ЭПР) Ядролық магниттік резонанс ЯМР-әдісі Мембранадағы Липидтердің фазалық ӛтулері мен олардың физикалық кҥйлері Липидті мембраналардың моделі Жазық биқабатты липидті мембрана(блм) ІІІ тарау. БИОЛОГИЯЛЫҚ МЕМБРАНАЛАРДЫҢ ӚТКІЗГІШТІГІ МЕН ЗАТТАРДЫ ТАСЫМАЛДАУЫ 3.1. Биологиялық мембрана арқылы заттардың тасымалдануы. Мембрана арқылы пассивті тасымалдану Заттардың активті тасымалдануы. Уссинг тәжірибесі Электрогенді иондық насостар ші ретті иондардың активті транспорталуы ІV тарау. ЭЛЕКТРЛІК ҚҦБЫЛЫСТАР 4.1.Биологиялық жҥйелердің электр ӛткізгштігі Биологиялық жҥйелерден электр тогы ӛткен кездегі тағайындалған заңдылықтары Тірі клетка мен ткандердің толық кедергісі (импеданс). Эквивалентті схемалар V тарау. БИОЭЛЕКТРЛІК ҚҦБЫЛЫСТАР 5.1.Биоэлектрлік потенциал Тірі организмдегі электр потенциалдары. Биоэлектрлік потенциалдар теориясы

4 5.3.Клеткадағы тыныштық потенциалы. Нернст, Гольдман, Томос теңдеулері Әсер потенциалы. Ходжкин-Хакслии теңдеуі Биоэлектрлік потенциалдарды ӛлшеу. Биопотенциалдарды қолдану Электрокинетикалық қҧбылыстар. Коэн ережесі. Электрофорез VІ тарау. ЖҤРЕК ҚАН ТАМЫРЛАР БИОФИЗИКАСЫ 6.1.Гемодинамиканың негізгі заңдары Қан айналудың биофизикасы. Қанның реологиялық қасиеттері Жҥрек- қан тамырларының (ЖҚТ) биофизикалық функциялары Эластикалық тамырдағы қан жҥруінің кинетикасы. Тамыр соғу. Франк моделі ші фаза ҥшін Франк моделі VІІ тарау. ФОТОБИОЛОГИЯЛЫҚ ПРОЦЕССТЕР 7.1.Жарықты ӛткізу заңдары, спектрлік әсері Оптикалық әдістер. Рефактометр және оның қолданылуы Поляриметр мен сахариметр және олардың биологияда қолданылуы Спектрлік қҧралдар. Микроскоптар Фотолюминесценция Люминесценцияның қолданылуы Фотохимиялық реакциялар Сәуле энергиясы әсерінен ӛсімдікте болатын биологиялық ӛзгерістер Акустика негіздері VІІІ тарау. ЭЛЕКТРОМАГНИТТІК ЖӘНЕ КОРПУСКУЛЯРЛЫҚ СӘУЛЕЛЕР 8.1.Лазер және оның қолданылуы. Лазер сәулесінің қасиеттері Лазерлік агротехника Лазер сәулесінің әсерінен бидай тҧқымындағы болатын биофизикалық қҧбылыстар Магнит ӛрісінің биологиялық объектілерге әсері Магниттік биостимуляциялық технология Магнит ӛрісінің организмге әсері Рентген сәулелерін қоздыру және бақылау Рентген сәулелерінің қолданылуы ІХ тарау. РАДИАЦИЯЛЫҚ БИОФИЗИКА 9.1. Радиоактивтілік Иондаушы сәулелердің биологиялық әсері ТЕСТ СҦРАҚТАРЫ ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР

5 КІРІСПЕ Биофизика пәні тірі организм, ҧлпа, клеткаларда ӛмір сҥру процесінің негізі болып табылатын физикалық, физико-химиялық қҧбылыстарды және физикалық факторлардың организмге әсерін зерттейтін биологиялық ғылым болып саналады. Биофизика пәні физикамен, химиямен экологиямен, математика, информатика, физиология, молекулалық биология, цитология, генетикамен т.б. пәндермен тығыз байланыста дамып келе жатқан эндогенді және экзогенді факторлардың әсерінде болатын биологиялық жҥйелердің молекулалық және физико-химиялық қасиеттерін зерттейді. Биологиялық физика тірі ағзада ӛтетін физикалық, физикохимиялық процестерді, тірі зат қҧрылысын және биологиялық жҥйелердің ультрақҧрылымын, сонымен қатар молекула қасиеттерін, оларда ӛтіп жататын процестер мен энергияны, ағзада басқару жҥйесінің ішкі байланысын зерттейді. Биофизика курсы студенттерді биофизиканың негізгі тҥсініктерімен және заңдылықтарымен, тірі жҥйелерге физика заңдарының қолданылуымен таныстырып, биолог маманның іргелітеориялық базасын қалыптастырады. Курстың мақсаты студенттерге биофизикалық процестердің ерекшеліктері мен объектілері жайында, биологиялық процестер мен қҧбылыстарға негізгі биофизикалық тәсілдерді қолданылуы жайында тереңдетілген білім беру, биофизиканың негізгі заңдары мен принциптерімен, биофизиканың теориялық тәсілдерімен және биофизиканың қолданбалы аспектілерімен таныстыру. Сондықтан бҧл пән физикалық заңдылықтарды биологиялық қҧбылыстарға қолдану мҥмкіншіліктері жайында, макромолекулалардан биогеоценозға дейінгі қҧрылымның барлық деңгейлерінде процестердің даму ерекшеліктері жайында, қазіргі биофизиканың мәселелері мен оның даму перспективалары жайында, білім беретін теориялық және іргелі пән болып табылады. Ҧсынылып отырған «Биофизика» пәнінен оқу қҧралы: кіріспе, биологиялық жҥйелердің термодинамикасы, биоэлектрлік потенциалдар, биологиялық жҥйелердің электрӛткізгіштігі, биообъектілерге физикалық факторлардың әсері, лазер сәулесінің ғылым мен практикада қолданылуы, иондаушы радиация, қан гидродинамикасы бӛлімдерінен және тест сҧрақтарынан тҧрады. Ионизациялық сәулелердің биологиялық жҥйелерге әсері аса жоғары 5

6 және кҥрделі, ӛйткені олар тҥскен тірі ортада иондау процесі жҥріп, активтілігі жоғары еркін радикалдар тҥзіледі. Бҧл радикалдар тірі жҥйеге тән химиялық, биологиялық реакциялардың ретін, жҥру тәртібін бҧзып, ағзаға тән емес функционалдық және морфологиялық ӛзгерістерге душар етеді. Биофизика жаңа физикалық зерттеу әдістерімен, приборларды ӛндіріске енгізу, ӛте тез ӛтетін физиологиялық процестерді дәл анықтап есептеуде, сонымен қатар протоплазма компоненттеріндегі ӛтіп жататын химиялық энергияның оның басқа тҥрлеріне айналуын анықтап есептеуде ӛте ҥлкен роль атқарады. Биофизика - экспериментті теориялық және қолданбалы ғылым. Осы курсты оқыту барысында білімгерлер: теориялық және қолданбалы биофизиканың теориялық және методологиялық негіздерімен тіршіліктің физикалық және физико-химиялық кӛріністерімен олардың реттелуін биологиялық жҥйелердің термодикнамикасының негізгі ҧғымдары жайында; биоэлектрлік потенциалдары генерациялау механизмдерін; клеткаға физикалық факторлар әсерінің механизмдерін; организмнің функционалдық кҥйін бағалауда биофизикалық тәсілдерді меңгерулері керек және алған териялық білімдері мен дағдыларын практикалық және ғылыми зерттеу жҧмыстарында қолдана білулері тиіс. Пән бойынша жҥргізілетін практикум сабақтар биофизиканың барлық бӛлімдерін қамтыған. 6

7 І тарау. БИОЛОГИЯЛЫҚ ЖҤЙЕЛЕРДІҢ ТЕРМОДИНАМИКАСЫ 1.1. Термодинамика бастамалары Термодинамика энергиялардың бір-біріне айналу заңы туралы ғылым. Сонымен қатар денелердің әр тҥрлі қасиеттерін және зат кҥйінің ӛзгерістерін зерттеумен шҧғылданады. Термодинамика - табиғат қҧбылыстарының микроскопиялық қасиеттерін ескермей макроскопиялық қасиеттерін зерттейді. Қҧбылыстарды ол тәжірибелерден қорытылып шығарылған бірнеше заңдарға (бастамаларға) сҥйене отырып қарастырады. Термодинамика негіздерінде оның 2-бастамасы жатады. 1. Бастама энергияның бір тҥрден басқа тҥрлеріне айналғанында басталатын сандық қатынастарды тағайындайды. 2. Бастама осы энергия айналымдары қай жағдайда жҥзеге асатынын, яғни процесстердің қай бағытта ӛту мҥмкін екендігін анықтайды. Тірі организмнің ӛмір сҥру кезеңіндегі барлық процесстер «Тірі организм - қоршаған орта» - системасындағы ӛтетін энергетикалық байланыстардың ӛзгеруімен тығыз байланысты, сонымен термодинамика әдістері биологияда кеңінен қолданылады. Термодинамикалық әдістер - ӛзінің негізінде статистикалық әдіс болып табылады. Мысалы: бір ғана молекуланың температурасы мен қысымы туралы айтуға болмайды, себебі термодинамикалық параметрлер макросистеманы қҧрайтын ӛте кӛп мӛлшердегі молекулалардың ӛзара әсерін сипаттайды. Термодинамика кейбір қҧбылыстардың табиғаты мен механизмі қандай деген сҧраққа жауап бермей, берілген процесстердің қандай бағытта ӛтетін мҥмкіндігін және энергетикалық тҧрғыдан нақты екендігі кӛрсете алады. Бҧл биология ҥшін ӛте қажетті. Қазіргі таңда термодинамиканы биология саласында қолдану негізінен 2 - бағытта жҥзеге асуда. 1. Тірі организм мен жеке система органдары тыныштық кҥйде жҧмыс істеу кезіндегі энергетикалық айналымды есептеу және биологиялық процесстердің п.ә.к мен биохимиялық қҧрылымдардың байланыс энергиясын анықтау. 2. Тірі организмді ашық термодинамикалық система деп қарастыру арқылы заттардың клеткалық мембрана арқылы активті 7

8 және пассивті тасымалдауы мен биоэлектірлік потенциалдың пайда болуын зерттеу. Термодинамика 3 тҥрлі жҥйені қарастырады. 1. Изоляцияланған 2. Тҧйықталған 3. Ашық 1. Изоляцияланған жҥйе деп сыртқы қоршаған ортамен зат немесе энергия алмасу болмайтын жҥйені айтамыз. 2. Тҧйықталған жҥйе деп қоршаған ортамен энергия алмасуы болатын бірақ зат алмасуы болмайтын жҥйені айтамыз. 3. Ашық система деп - қоршаған ортамен зат және энергия алмасу болатын жҥйені айтамыз. Термодинамикалық кӛзқарастан тірі организм ашық системаға жатады. Термодинамикалық функциялар. Системаның физикалық және химиялық қасиеттерінің жиынтығы оның кҥйін анықтайды, олар термодинамикалық функциялар арқылы сипатталады. Оларға T, P, V, W, S т.б жатады. Системаның кҥйін сипаттайтын осындай шамалар кҥй параметрлері деп аталады. 1. Системаны сипаттайтын термодинамикалық функция онда микробӛлшектердің массасы мен санына тәуелді болса оны экстенсивті немесе сиымдылық факторы деп атайды. Оған (V, W, S) жатады. 2. Егер Термодинамикалық параметрлер системадағы микробӛлшектердің саны мен массасына тәуелді болмаса онда оларды Интенсивті параметрлер немесе потенциалды факторлар деп атайды. Оларға (Р, Т ds/dt) жатады. Энергия жҥйенің жҧмыс істей алу қабілетін білдіреді. Қарапайым тҥрде энергияны Интенсивті және экстенсивті факторлардың кӛбейтіндісі немесе потенциалды факторлары мен сиымдылық факторларының кӛбейтіндісі ретінде қарастыруға болады. Мысалы: Механикалық энергия PV кӛбейтіндісімен сипатталады. Жылулық энергия TS, химиялық μ m (μ химиялық потенциал, m - масса) Электрлік JU (J ток кҥші, U - кернеу). Термодинамикалық тепе теңдік кҥйі деп системаның жҧмыс істей алу қабілеті нӛлге тең кҥйді айтады, бҧл кҥйден сырттан қосымша энергия беру арқылы шығуға болады. Сонымен системаның тепе тең кҥйі деп системаның барлық параметрлері, сыртқы 8

9 жағдайлар ӛзгермей қалған кезде тҧрақты болып қалатын белгілі мәндерін сақтайтын кҥйін айтамыз. Кез келген процесс, яғни системаның бір кҥйден - екінші кҥйге ӛтуі, системаның тепе тең кҥйден шығуымен байланысты болады. Тепе тең кҥйлердің ҥздіксіз тізбегінен қҧрылған процесс тепе тең процесс деп аталады. Тепе тең кҥй және тепе тең процесс ҧғымы термодинамикада ҥлкен роль атқарады Биологиядағы термодинамиканың І ші заңы. Гесс заңы Термодинамиканың І ші заңы бойынша системаның жасаған жҧмысы, жылу мӛлшері мен ішкі энергия ӛзгерісінің айырымына тең болады. ΔА = ΔQ ΔU ΔQ = ΔU + ΔA, dq = du + da. (1) Системаға берілген жылу мӛлшері системаның ішкі энергиясын арттыруға және системаның сыртқы денелерде атқаратын жҧмысына жҧмсалады. Сандық форма жағынан термодинамиканың І ші заңы энергияның сақталу заңын айқындайды. Сонымен термодинамиканың І ші заңы бойынша ішкі энергия тҥсінігіне молекулалардың Хаосты қозғалысының Кинетикалық энергиясы, молекулалардың ӛзара әсерлесуінің Потенциалдық энергиясы және ішкі молекулалық энергия кіреді. Ішкі энергияға сонымен қатар молекуланың, ілгерлемелі және айналмалы қозғалысының және атомның тербелмелі қозғалысы мен молекулалардың ӛзара әсерлесу энергиясы мен ішкі ядролық энергиялардың қосындысы жатады. Термодинамиканың І ші заңынан жҧмыс системаның ішкі энергиясының ӛзгеруімен немесе системаға белгілі бір мӛлшерде берілген жылу мӛлшері есебінен жасалады. Тірі системада бҥтін организм немесе жеке орган болсын (мыс. бҧлшық еттер) істелінген жҧмыс сырттан берілген жылу есебінен жасалынбайды, яғни тірі организм жылу машинасы сияқты жҧмыс істей алмайды. Мысалы: Жылу машинасының п.ә.к. мына теңдеу бойынша анықталады. T1 T1 T2 1 T (2) 1 T1 Т 1 - қыздырғыштың температурасы Т 2 суытқыштың температурасы 9

10 Бҧлшық еттің (Т 1 ) температурасын анықтайық ол ҥшін оны жылу машинасы сияқты С п.ә.к. = 30% - жҧмыс істейді деп есептейік. T 2 = t = = K η = 30% = 0,3 = 3 1 Осы мәліметтерді (2) теңдеуге қойып Т 1 ді табайық T T1 447 K Сонымен бҧлшық ет жылу машинасы сияқты берілген осы жағдайда жҧмыс істейтін болса, онда ол С ге дейін қызып кетер еді. Бҧл мҥмкін емес себебі белоктар немесе адам клеткалары С температурада ыдырай бастайды. Сондықтан тірі организмдерде істелінген жҧмыс жҥйеде ӛтетін әртҥрлі биохимиялық процесс кезінде ішкі энергия ӛзгерісі немесе энтропиялық факторлардың ӛзгерісі нәтижесінде жасалады. Cондықтан тірі организмдерде істелінген жҧмыс жҥйеде ӛтетін әртҥрлі биохимиялық процесстердің нәтижесінде ӛзгеретін ішкі энергия есебінен немесе энтропиялық факторлардың ӛзгерісі нәтижесінде жасалады. Термодинамиканың І ші заңының биология ҥшін дҧрыс орындалатындығын білдіретін дәлелдеулер 18 ғ. жҥзеге аса бастады. Онда тірі организмді қоршаған ортадан изоляциялап, одан бӛлініп шығатын жылуды ӛлшеп оны организмнің ішінде ӛтетін биохимиялық реакциялар кезінде бӛлінетін жылу эффектісімен салыстырған. Осы мақсатта 1780ж Лавуазье мен Лаплас теңіз шошқасын мҧзды калориметрге салып одан бӛлінетін жылу мен СО 2 нің мӛлшерін ӛлшеген. Бҧдан кейін бастапқы қоректік азық тҥліктерді СО 2 бӛлініп шыққанша жағып, одан бӛлініп шығатын жылудың мӛлшерін анықтаған. Бҧл екі тәжірибеде де бір-біріне ҧқсас нәтижелер алынған, бҧл нәтижелер организімде ӛтетін зат алмасу кезінде бӛлінетін Химиялық энергия мен организмнің сыртқы ортаға бӛліп шығаратын жылулық энергиясының бір-біріне эквивалентті екендігі дәлелденді. Лавуазье мен Лаплас әдісі тҥзу емес калорийметрлік әдіс деп аталды. Бҧл әдіс жылы қанды организмдерде қалыпты О 2 - пайдалану мен СО 2 нің бӛлініп шығуы арасында және пайдаланылатын азық тҥліктердің бӛлетін жылуы мен тығыз корреляциялық байланыс бар екендігін дәлелдеді. Лавузье Лаплас әдісінен гӛрі ӛте дәл нәтижелерді 1904 жылы Этуотер алған, ол тәжірибе ҥшін арнайы жасалған камераны пайдаланып тҥзу калориметрлік әдісті қолданған. 0 C (3) 10

11 Тәжірбие кезінде адамнан бӛлініп шығатын жылуды, жҧтылған оттегі мӛлшерін, бӛлініп шыққан СO 2 ні, азотты және (мочевина) несеп - зәрді ӛлшеген. Алынған нәтижелер бойынша белок, май, углеводтардың алмасу байланыстарын есептеп шығарған. (Кесте-1) Есептеу кезінде 1г майдың толық тотығуы (окисление) яғни СО 2 мен суға толық айналуы ҥшін - 9,3 ккал, 1г аралас углевод ҥшін - 4,2 ккал, 1г блоктың тотығып зәрге айналуы ҥшін - 4,2 ккал энергия қажет екендігі ескерілген. Осы нәтижелер бойынша есептелген жылу мӛлшері мен тәжірибе кезінде ӛлшенген жылу мӛлшері арасында айтарлықтай айырмашылық болмаған, алынған нәтижелердің бірбіріне дәлдігі 1% болған. Тірі организм ашық жҥйеге жатады. Ол жылу машинасы ретінде емес, химиялық машина ретінде жҧмыс жасайды. Организмге келіп тҥскен тамақтың тотығуы нәтижесінде пайда болған организмнің жҧмыс істеуіне қажетті энергия организмнің жҧмыс істегенде жҧмсайтын энергиясының мӛлшеріне тең екендігі дәлелденді. Шамамен алғанда тамақ арқылы берілген энергия (7854 кдж) денеден бӛлінген энергияға (7771 кдж) тең екен. Жан жануарлардың организмінен бӛлініп шыққан энергия оны қоршаған ортаға таралып кетеді. Осы энергияны ӛлшеу ҥшін биологиялық калориметр қолданылады. Ол биологиялық калориметр қабырғалары жылу ӛткізбейтін камерадан тҧрады. Камераға ауа мен су беріліп отырады. Су тҥтіктер арқылы камераға еніп, одан сыртқа шығып жатады. Осы биологиялық камераға мал қамап, оның денесінен бӛлініп шығатын энергия тҥтіктегі суға берілгендіктен судың температурасы кӛтеріледі. Кесте-1. Адамның 1- сӛткедегі жылу балансы (ккал) Кіріс кдж Шығыс кдж Берілген тамақ Бӛлінген жылу 5743 Белок (56,82) 991 Газбен 180 Майлар (140,2) 5463 Дәретпен 96 Кӛмірсулар 1400 Дем алғанда ,92 Тері арқылы 949 Әртҥрлі 46 тҥзетулер Барлығы

12 Судың камераға кірердегі температурасы мен камерадан шығардағы температурасын ӛлшеп, мал денесінен бӛлініп шыққан энергияны табуға болады. Қазіргі таңда организмнің берілген уақыттағы бӛлінетін жылуы шартты тҥрде 2- ге бӛлуге болады. 1. негізгі жылу. 2. активті жылу. 1-ші бастапқы негізгі жылу зат алмасу кезінде қайтымсыз ӛтетін биохимиялық реакциялар нәтижесінде міндетті тҥрде пайда болатын энергияның жылулық шашырауы. Бҧл бӛлінген жылу организм оттегі мен азықтық ӛнімдерді сіңіріп жҧтқан кезде бірден пайда болады. 2- ші активті жылу организмнің активті жҧмыс істеуі кезінде пайда болады. Қалыпты жағдайда организмде жылудың бҧл тҥрлерінің арасында тепе-теңдік орнайды яғни 1-ші типті жылудың кемуі 2-ші типті жылудың ӛсуіне әкеп соғады немесе керісінше болады. Термодинамиканың 1- ші заңының салдары ретінде Гесс заңы шығады. Әр тҥрлі тізбекті қатар арқылы ӛтетін химиялық реакциялардың жылулық эффектісі олардың ӛту жолдарында байланысты болмайды. Олар реакция ӛнімдерінің бастапқы және соңғы жылу шамаларының айырымына байланысты болады. Гесс заңы бойынша организмдегі кҥрделі биохимиялық реакциялардың жылулық эффектісін олардың аралық даму жолдарын білмей-ақ бастапқы және соңғы ӛнімдердің (продукт) шамаларын білу арқылы ӛте дәл есептеуге болады. Гесс заңы әр тҥрлі тамақтық ӛнімдердің жеке-жеке калориялығын есептеп анықтау ҥшін де қолданылады. Ӛйткені адам организміне сіңірілген тамақтық ӛнімдер метоболизмнің соңғы ӛнімдеріне айналу жолында кҥрделі ӛзгерулерге ҧшырауына қарамай осы реакциялардың қосынды энергетикалық эффектісі әрбір пайдаланылған ӛнімді жаққандағы пайда болатын жылулық эффектіге тең болады. Мысалы: Глюкозаның тотығуы СО 2 мен Н 2 О айналуы бӛлінуі кезінде 678 ккал эквивалент энергия бӛлінеді, бҧл 1 моль глюкозаны калориметрлік бомбада (қҧралда) жаққан кездегі бӛлініп шығатын жылудың шамасына тең. Организм мен калориметрлік қҧралдың ішінде ӛтетін реакция жолдары әр тҥрлі болғанымен олардың энергетикалық эффектісі бірдей. 12

13 1.3. Биологиядағы термодинамиканың 2-ші заңы. Градиент, энтропия, бос энергия ҧғымдары Термодинамиканың 2-ші заңы қандай-да болсын энергияның жҧмысқа және басқа энергияға ауысу жолдарының заңдылықтарын білдіреді. Биология ҥшін термодинамикалық 2-ші заңын тірі жҥйе ҥшін қолдану осы заңнан шығатын градиент энтропия еркін бос энергия ҧғымдарын пайдалану. Градиент. Термодинамиканың 2-ші заңының негізгі қағидасы болып, суығырақ денеден жылуды ыстығырақ денеге екі жҥйеде және қоршаған ортадағы ӛзгеріссіз беруге болмайды. Ӛздігінен процесс яғни энергия жоғары денгейден тӛменгі деңгейге градиент болған кезде ғана ӛтеді. Градиент деп физикалық шамалардың екі нҥктедегі параметр айырымдарының олардың ара қашықтығына қатынасын айтамыз. Тірі клетканың жансыз, ӛлі клеткаларынан негізгі айырмашылығы бҧл тірі клеткадағы қӛптеген градиенттердің болуы. Мысалы: Осмотикалық градиент, концентрациялық градиент (жылдамдық, қысым т.б. градиенттер). Ӛлі клеткаларда градиент болмайды. Энтропия термодинамиканың 2-ші заңы тағайындағандай жылу қосымша энергия шығынысыз толығымен жҧмысқа айнала алмайды. Системаның жҧмыс істей алу қабілеті, яғни оны п.ә.к. температура градиентімен анықталады, ал оның шығыны мына теңдеу бойынша есептеледі. A = ηq = T T T 1 2 Q (1) Энергияның шашырауының ӛлшемі бҧл энтропия Энтропия деп жҥйедегі ретсіздік ӛлшемін айтады. Егер жҥйеде толық тәртіп орнаса, онда энтропия минимум болады. Ретсіздік артқан сайын энтропия да ӛседі, егер жҥйеде толық ретсіздік яғни ХаОС орнаса, онда энтропия ең жоғарғы мәнге - максимумға ие болады. Қатты дене, сҧйық және газдың атомдарының қозғалысын қарастырсақ, онда сҧйық атомдарының қатты дене атомдарына қарағанда ретсіз, жҥйесіз қозғалыста болатындықтан, сҧйықтағы энтропия қатты денеге қарағанда, ал газ атомдарының энтропиясы сҧйыққа қарағанда кӛп болады. 1 13

14 S газ > Sсҧйық > Sқатты дене Q Q (2) осыдан 1 Т Т 2 Q2 Т 2 немесе Q Q2 О Q 1 Т 1 T 1 (3) Мҧндағы Q жҧмысшы дененің тоңазытқышқа берген жылуы, сондықтан да ол теріс. Олай болса Q T 1 1 T Q (4) Мҧндағы T Q - жылудың келтірілген мӛлшері. Кез - келген қайтымсыз процесс ҥшін жылудың келтірілген мӛлшерінің қосындысы нольге тең болады, яғни dq 0 T Бҧл Клаузиус теңдеуі деп аталады. Жҥйе белгілі бір макро кҥйге тҥсу ҥшін бірнеше микро кҥйден ӛтеді. Жҥйені макро кҥйге тҥсіру ҥшін қанша микро кҥйден ӛткенін кӛрсететін санды жҥйе кҥйінің термодинамикалық ықтималдылығы деп атайды. Энтропия мен термодинамикалық ықтималдылығы арасындағы байланыс Больцман теңдеуімен анықталады. S=klnW (6) Мҧндағы К Больцман тҧрақтысы, W жҥйе кҥйінің термодинамикалық ықтималдылығы. Q1 Q 2 мҧндағы Q1 Q2 S1 S2 (7) T1 T2 T1 T1 Q1 Q2 Сонымен қайтымды процес ҥшін немесе S 2 -S 1 = 0 (8) Қайтымсыз процессте жылу энергиясының шығыны кӛп болады. S 2 - S 1 > 0 (9) Тірі жҥйеде жҧмыс кӛзінің энергиясы ретінде химиялық энергия жатады, ол жҧмыс пен жылуға айнала алады. Жылу бӛлініп азайуы оның қайтымсыз процесс екенін кӛрсетеді. Термодинамиканың 2-ші заңының математикалық тҥрдегі ӛрнегі. dq ds 0 (10) Т Тірі жҥйеде энтропия ылғида ӛседі. Энтропия қайтымсыз процессте градиенттің азайу себебінен ӛседі. Бос энергия Термодинамиканың 2-ші заңы жылу энергиясының жҧмысқа айналуын шектейді. Бҧл жағдай механикалық, электірлік, (5) T 1 T 2 1 T 2 14

15 химиялық энергияларға да орындалады, себебі осы энергиялардың бір-біріне тҥрленуі (айналуы) қайтымсыз процесс. Жылу энергиясына қарағанда, бҧл энергиялар жоғарғы тҥрдегі энергияларға жатады, ӛйткені энергияның бҧл тҥрлері теориялық тҥрде толығымен п.ә.к. 100% тең жҧмысқа айнала алады. Ал жылу энергиясының жҧмысқа толығымен айналуын Карно циклі шектейді. Энергиялардың бҧлай бӛлінуі мынаған байланысты: Жылу энергиясы системаны қҧрайтын микробӛлшектердің хаосты тҥрдегі жылулық қозғалысымен, ал механикалық, электрлік және химиялық энергиялар бӛлшектердің реттелген қозғалысымен байланысты және олар ӛз бетінше жҧмысқа айнала алады, ал жылулық энергияның энергияның басқа тҥрлеріне ауысуы сырттан қосымша энергия шығынын қажет етеді. Барлық тірі организмдерде негізгі энергияның тҥрлеріне химиялық электрлік механикалық энергиялар жатады, бірақ ол процестердің барлығының да п.ә.к. 100%-тен аспайды. Бҧл биологиялық процестердің қайтымсыздығымен тҥсіндіріледі. Мысалы: Әртҥрлі биологиялық процестердің п.ә.к. 1. гликолиз 36% 2. фосфорлық тотығу - 55% 3. бактериялардың жарқырауы 90% дейін 4. бҧлшық еттің жиырылуы 30% 5. фотосинтез - 75% Сондықтан да энергияның қанша бӛлігі толығымен жҧмысқа айнала алатындығын табу керек. Қайтымсыз процесс неғҧрлым кӛп болса, соғҧрлым энергия кӛп болады яғни жҧмысқа аинала алатын бӛлігі аз болады. Термодинамиканың негізгі теңдеуін жазайық: TdS = du + da du = TdS da; da = du TdS; da = d (U - TS) (11) Изотермиялық процесс ҥшін Т= const пайдалы жҧмыс. da = - d (U - TS) (12) df = du TdS (13) Мҧндағы F = U - TS (14) - Термодинамикалық системаның еркін энергиясы деп аталады. Сонда 12-ші теңдеуді былай жаза аламыз da = - df (15) Еркін энергияның ӛзгерісі қайтымды изотермиялық процесс кезіндегі системаның жасаған жҧмысына тең болады. 15

16 Еркін энергия кҥй функциясы болып табылады, себебі ол ішкі энергияға температураға және энтропияға байланысты ӛзгереді. 14 ші теңдеудегі TS шамасы байлаулы энергия деп аталады. Яғни G = TS (16) Сонда 14 ші теңдеуді былай жаза аламыз: F = U G немесе U = F + G (17) 17-шы теңдеу бойынша ішкі энергия еркін энергия мен байланыс энергияларының қосындысына тең болады. Еркін энергияны термодинамикалық системаның потенциалық энергиясы тҥрінде қарастыруға болады. Сонымен: Еркін (бос) энергия системасының ішкі энергиясының қайтымды изотермиялық процесстер кезінде сыртқы жҧмысқа айналатын ҥлесі болып табылады. Система тепе-тендік қалыпқа ҧмтылғанда TdS байлаулы энергия артады, бҧл кезде еркін (бос) энергия кемиді де система тепетендік кҥйге келгенде нӛлге тең болады. Сонымен термодинамикалық тепе-тендік энтропияның максимумы мен еркін бос энергияның минимумымен сипаталады. Термодинамиканың І-ші заңын ӛлі табиғатқа да, тірі табиғатқа да, қолдануға болады, ал термодинамиканың ІІ заңын тірі табиғатқа қолдануға болмайды. Оның себебі тірі организм жабық жҥйе емес ашық жҥйеге жатады. Жабық жҥйеде ӛзінен-ӛзі жҥретін процестер энтропияның ӛлуіне S>O 1 бос энергияның азаюына әкеліп соқтыратын болса, ашық жҥйеде, яғни тірі организмде тепе-теңдік емес процестер градиенттер пайда болады. Бҧл градиенттер тепе-теңдікке келсе организм ӛледі. Сондықтан да тірі биологиялық организмдерді оны қоршаған ортадан бӛліп қарастыруға болмайды. Биологиялық дене ӛзін қоршаған ортаға ӛзіне керексіз заттарды және жылу шығарады. Яғни биологиялық организм ашық термодинамикалық жҥйе болып саналады. Ал ашық емес жҥйеде тепе-теңдік емес процестер жҥреді. Бҧл процестер стационарлық кҥйде ӛтеді, себебі стационарлық кҥй ашық жҥйеге тән болады. Жҥйе стационарлық кҥйге ие болу ҥшін ол жҥйеге сырттан зат және энергия келіп тҥсіп, содан кейін жҥйеден сыртқа зат пен энергия шығып отыруы керек. Олай болса, биологиялық организм стационар кҥйде болады. ӛйткені, биологиялық организм ӛзін қоршаған ортадан зат пен энергия алып, оларды қоршаған ортаға шығарып отырады. 16

17 Стационар кҥйде қайтымсыз процестер жҥреді; бҧл энтропияның ӛсуіне әкеліп соғады, осыған қарамастан биологиялық организмнің жалпы энтропиясы ӛзгеріссіз қалады. Сонымен биологиялық жҥйенің энтропиясының ӛзгеруі ( S) мына теңдікпен аяқталады. S= S i + S е (18) Мҧндағы: S i - жҥйедегі қайтымсыз процестердің әсерінен энтропияның ӛзгеруі S е - биологиялық жҥйенің ӛзін қоршаған ортамен әсерлесуі нәтижесінде энтропияның ӛзгеруі. Процестердің қайтымсыздығы энтропияның ӛлуіне ( Si>0), ал кҥйдің стационарлығы энтропияның ӛзгеріссіз қалуына әкеліп соқтырады, яғни Se= S-Si<0 (19) Бҧл теңдік биологиялық жҥйеге келіп тҥсетін заттар энтропиясының ( S е ) жҥйеден шығып кететін заттардың энтропиясынан ( S i ) кем екенін кӛрсетеді. Сонымен биологиялық жҥйе ҥшін энтропия ӛзі (S=const) тҧрақты болғанымен, оның ортадан алатын энтропиясының ӛзгеруі Se<0 1, ал жҥйенің ортаға шығарып жіберетін затының энтропиясының ӛзгеруі Se>0 болады. Сонымен биологиялық организм мен қоршаған ортаның ӛскенімен, жалпы организмнің энтропиясы тҧрақты болып қалады. 18-ші теңдеді тҥрлендірсек dse (20) ds = dsi + dt dt dt Бҧл 20-ші теңдеу Пригожин теңдеуі деп аталады. Бҧл ӛрнек организм мен сыртқы ортаның энтропия алмасуының теңдігін кӛрсетеді. Стацинар кҥй ҥшін S=const, dt Онда dsi ds =- dt dt (21) ds =0 Пригожин теңдеуінен стационар кҥй ҥшін энтропия ӛзгерісі нӛлге тең болмайды. Бҧдан стационар кҥйде заттар алмасуының ҥздіксіз болып тҧратыны кӛрінеді. Ашық жҥйелердің стационар кҥйін тҧрақты және тҧрақты емес деп бӛлуге болады. Сыртқы ортаның ӛзгеруіне байланысты организм стационарлық кҥйде тҧра алатын болса, онда организм осы ортаға ҥйренеді де ӛмір сҥре береді (адаптацияланады). Ал қоршаған ортаның ӛзгеруіне байланысты организм стационар кҥйден ауытқып кететін болса, онда организм ӛмір сҥруін тоқтатады. 17

18 1.4. Феноменологиялық теңдеу. Онзагер Пригожиннің бейімдеушілік принципі. Ле Шаталье принципі Тірі организмдегі ӛтіп жатқан процестер уақыт функциясы болып табылады. Қайтымсыз процестегі термодинамикалық аппаратты қазіргі кезде барлық биологиялық қҧбылыстарды сипаттау ҥшін қолдануға болмайды. Тірі және ӛлі системадағы әртҥрлі қҧбылыстарды сипаттау ҥшін қайтымсыз процестің термодинамикасын пайдалану белгілі бір облыспен ғана шектеледі. Олар феноменологиялық теңдеулермен сипатталады. Яғни процестер термодинамикалық тепе-теңдік маңында, ӛткенде ғана, әртҥрлі процестерді шақыратын кҥш сол процестің ӛту жылдамдығына сызықты байланыста болады.яғни процесті бҧзатын кҥш сол процестің ӛту жылдамдығымен тура пропорционал. J i = L in X k (1) J i процестің ӛту жылдамдығы L in пропорцияналдық коэффициент X k қорытқы кҥш Сызықты теңдеулер биологияда фундаментальды (іргелі) мәндері бар процесстерді сипаттайды. Диффузия процесі немесе биологиялық менбрана арқылы заттардың тасымалдану процесі Фика теңдеуімен сипатталады, яғни бірлік уақыттағы тасымалданатын заттың мӛлшері және тасымалдану жылдамдығы концентрация градиентіне пропорционал болады. dм dс DS немесе dс dм D S dt (2) 18 dt dх dм - тасымалданатын зат массасы. D диффузия коэффициенті dс концентрация градиенті. S аудан; dм - заттың диффузия dх dх жылдамдығы немесе диффузия градиенті. Осы тектес теңдеулерге, электр тогы ӛтетін прцестерді сипаттайтын теңдеулер, жатады. (Ом заңы) J=U/R (3) Осындай теңдеулермен мономолекулярлық биохимиялық реакцияларда сипатталады. Қайтымсыз процестердің термодинамикалық аппараты қазіргі кезде биологиялық мембрана арқылы судың, электролит пен электролит емес заттардың ӛтуін сипаттайды. Кҥрделі ашық системада, яғни тірі организмде бір-бірімен байланыстағы кӛптеген биологиялық процесстер ӛтуі мҥмкін. Тірі емес табиғатта мҧндай dх

19 қҧбылыстар белгілі және олар кӛптен бері зерттелуде. Мысалы: Тік бҧрышты стерженде температуралық градиенттің пайда болуы және жылырақ қызған қабырғадан жылудың диффузия арқылы суығырақ қабырғаға берілуі, ерітілген заттың тасымалданып бӛлінуіне термодиффузияға, яғни концентрациялық градиентке әкеліп соғады (эффект- Соре). Концентрация айырмасының тҧрақты болуы берілген заттың екі шетіндегі температура айырымына байланысты (эффект Дюфура) Екі ӛткізгіштік сымның температуралары әр тҥрлі болған кезде оларды тҥйістірсек Э.Қ.К. пайда болады және керісінше екі тҥйістірілген ӛткізгіштерде, тҥйіскен кезде жылу бӛлініп немесе жылу жҧтылады (Пельтье жылуы). Сонымен Соре эффектісі термодифузиялық концентрация градиенті бар кезде қана ӛтеді. Тҧрақты тҥрдегі концентрация айырымын ҧстап тҧру ҥшін Дюфур эффектісі қолданылады. Яғни ҥлгі ҥшін алынған дененің 2-шеткі ҧшындағы температура айырымын ҧстап тҧруымыз керек. Биологиялық процестер ҥшін Соре, Дюфур эффектісі яғни қайтымсыз процестің әсерлеуі ӛте маңызды роль атқарады. Олар мембрана арқылы судың диффузиясымен, электропотенциалдық қосылуы нәтижесінде пайда болады. Бҧл жағдайда электроосмостық эффект пен оған байланысты қҧбылыс аномальдық осмос пайда болады. Биологиялық ашық системадағы екі ағынның әсерлесуі екі феноменологиялық теңдеулер системасымен сипатталады. J 1 = L 11 X 1 + L 12 X 2 J 1 = L 21 X 1 + L 22 X 2 (4) Мҧндағы бірдей номерлі коэффициенттер (L 11 L 22 ) кез-келген белгілі бір таза процесті сипаттайды. Олар жылу ӛткізгіштік, электр ӛткізгіштік, диффузия коэффициенті бола алады. Ал әртҥлі номерлі коэффициенттер (L 12 L 21 ) феноменологиялық коэффициенттер деп аталады. Бҧл феноменологиялық коэффициенттер қайтымсыз процестің ӛзара әрекеттесуін сипаттайды. Оларға термодиффузия, электроосмос, термоэлектрлік т.б. коэффициенттер жатады. 1931ж. Онзагер сызықты фенолменогиялық теңдеудің әсер ету облыстарында процестің ӛзара әсерлерін сипаттайтын коэффициенттердің бір-біріне тең болатындығын дәлелдейді. (L ік = L кі ) і,к = 1,...n Бҧл теңдеу Онзагердің бейімделушілік қатынасы деп аталады. Бҧл қатынас бойынша егер ағын і - қайтымсыз процеске сәйкес 19

20 келетін К - процестің Х к кҥшінің ықпалында болатын болса, онда процестің К - ағыны, сол сияқты Х і кҥшінің ықпалында L ік коэффициентінің арқасында болады. Бҧл принциптің бҥкіл қайтымсыз термодинамикалық процестер ҥшін маңызы ӛте зор. Осы принциптің негізінде Пригожин стационарлық кҥйдің негізгі қасиетін тҧжырымдап дәлелдеген. Пригожиннің принципі бойынша стационарлық кҥйдегі энтропияның ӛсу жылдамдығы қайтымсыз процестің ӛту жолындағы оң және (теріс) минимум мәндеріне ие бола алады. Температуралары әр тҥрлі екі фазадан тҧратын тҧйық системадағы энтропияның ӛзгеруі осы 2- фазаның арасындағы жылу мен зат алмасу процесін туғызады. Бҧл кезде энтропияның ӛзгеру жылдамдығы мына теңдеумен сипатталады. dsi T dt = J T X T + J M X T > 0 (5) Мҧнда коэффициенттер J T, J M зат алмасу мен жылу алмасу ағындары. Х T, Х M температура мен концентрация градиенті. Сонда феноменологиялық теңдеуді мына тҥрде жаза аламыз. L T = L 11 X T + L 12 X M L M = L 12 X T + L 22 X M (6) Осы теңдеудегі L Т мен J M - мәндерін 5-ші теңдеуге қойып Онзагер бейімделушілік қатынасын пайдалансақ L 21 = L 12 dsi 2 2 T L11X T 2L21X T X м L22X м 0 (7) dt Осы теңдеуден X T тҧрақты кезеңде Т = const X M - нен туынды алсақ X M dsi dt L X L X 2J 0 (8) 2 21 T 22 М М dsi dt Екі жағдайға J=0 және 0 X М толық эквиваленті, егер кҥштер сызықты қатынаста болса, қайтымсыз реакциялар ҥшін, әр dt қашанда оң, онда 8-ші теңдеумен анықталатын экстремум жағдай минимумға мән қабылдайды. Сонымен стационарлық тепе-тең емес системада энтропияның пайда болу жылдамдығы мен бос еркін энергияның шашырау жылдамдығы ең минимал оң мәнге ие болады. Егер система осы стационарлық кҥйден ауытқыса онда ішкі ӛзгерістер байқалады да, ол ӛзгерістер системаны қайтадан dsi 20

21 стационарлық кҥйге жақындатуға тырысады. Бҧл жағдай стационарлық кҥйдің аутостабилизациялық кҥй деп аталады. Процестің аутостабилизациялық кҥйі Ле-Шаталье принципімен анықталады термодинамикалық тепе-тендік кҥй ҥшін бҧл принцип былай аталады. Егер система тепе-тендік жағдайда болса, онда оған осы тепетендік жағдайды бҧзатын кҥш әсер еткенде система сыртан әсер ету эффектісі әлсірейтін кҥйге кӛшеді. Мысалы: температура ӛссе химиялық (стационар) тҧрақты тепетендік кҥйдегі реакция жылу жҧту жағына қарай, ал қысым ӛскен сайын реакция кӛлем кішіреюі жағына қарай ығысады. Екі жағдайдада соңғы температура мен қысымның ӛсуі кҥткен жағдайдан кіші болады Биологиялық процесстердің қайтымдылығы мен қайтымсыздылығы Классикалық термодинамика заңдарына сәйкес негізгі термодинамикалық шамалардың сандық мәндерін (энтропия, бос энергия, ішкі энергия, энтальпия т.б.) тек қана қайтымды процесс кезінде ғана алуға болады. Термодинамиканың 2-ші заңына сәйкес жылу энергиясының толығымен жҧмысқа айналуы белгілі бір компенсациясыз жҥзеге асыруға болмайды бҧл кезде системаның немесе қоршаған ортаның кҥйі ӛзгереді. Жҥйенің бір кҥйден 2-ші кҥйге ӛтуін термодинамикалық процесс деп атайды. Термодинамикалық жҥйе бір кҥйден (P 1 V 1 Т 1 ) 2-ші кҥйге (V 2 P 2 T 2 ) ӛтіп және кері бағытта 2-ші кҥйден 1-ші кҥйге келген кезде жҥйенің ӛзінде де және қоршаған ортада да ешқандай ӛзгеріс байқалмаса, онда мҧндай процессті қайтымды процесс деп атайды. Егер жҥйе кері бағытта 2-ші кҥйден 1-ші кҥйге ӛткенде не жҥйенің ӛзінде не оны қоршаған ортада ӛзгеріс болған болса онда мҧндай процесті қайтымсыз процесс деп атайды. Ӛмірде болып жатқан биологиялық процесстер қайтымсыз процестерге жатады. Егер жҥйе кері бағытта 2-1 ші кҥйге ӛткенде сыртқы энергияны пайдаланса онда мҧндай процессті қайтымасыз процесс деп атайды. Бҧл кайтымдылықтың термодинамикалық критерийі. Бҧл критерий биохимиялық реакциядағы қайтымды және қайтымсыз ҧғымдармен дәл келмейді. 21

22 Биохимиялық реакциядағы қайтымды процесс деп егер ол тура және кері бағытта ӛтіп реакция қосылыстары бастапқы қалпына энергияның жоғалғанына қарамай келген процесті айтамыз. Оның ҥстіне организмде әртҥрлі қайтымды биохимиялық циклдер ӛтіп тҧрады. Химиялық реакция ҥшін қайтымдылық пен тепе тендік процессі бір біріне дәл келеді. Тепе тендік процесінде системаның әрбір берілген моментінде система тепе тендік кҥйіне жақын кҥйде болады. Сонымен термодинамикада биохимиялық реакцияларды тҥсіндіру, ҥшін, еске алатын жағдай биохимиялық процестер басқа процестер сияқты тепе тендік кҥйге жақын тҧратындықтан қайтымды процеске жатады. Қайтымды және қайтымсыз процестерді бір бірінен ажыратудың мынандай формальді тҥрі бар. Уақыт бойынша ӛтетін процестің теңдеуін қарастырсақ, егер оның қҧрамында айнымалы уақыт болса, онда процесс қайтымды процеске жатады, ал керісінше болса қайтымсыз процеске жатады. Қайтымды процесті анықтайтын теңдеуде уақыт ӛзінің арифметикалық шамасы бойынша енеді. Мысалы: Толқындық теңдеуді яғни жҧтпайтын ортадағы толқынның таралу теңдеуін қарастырайық 22 1 С t x y z Мҧндағы: φ = U - ӛрістің кернеулігі С жарық жылдамдығы х,y,z координаттар Бҧл теңдеудегі t - ны (-t) ға ауыстырсақ осы (1) теңдеумен анықталатын толқынның таралу теңдеуі ӛзгермейді яғни толқынның таралуы қайтымды процесс. Жылу ӛткізгіштік процесс ҥшін Фурье теңдеуі: 1 T t 2 T 2 x 2 T 2 y 2 T 2 z мҧндағы: α жылу ӛткізгіштік коэффициенті x,y,z координаттар Т- температура Жылу ӛткізгіштік процесс қайтымсыз процесті сипаттайды. Биология ҥшін ӛте маңызды диффузия процессі қайтымсыз процеске жатады. (1) (2)

23 1.6. Биохимиялық реакциялардың термодинамикалық параметрлерін есептеу Метаболизмнің кейбір жақтарына да биохимиялық реакциялар ӛтеді оларды қайтымды процесс деп санап олардың термодинамикалық параметрлерін еркін бос энергияны, энтальпия мен энтропияны есептеп шығаруға болады. Осы шамаларды білу арқылы Термодинамиканың 2-ші заңының негізінде биохимиялық реакциялардың бағыттарын алдын ала айтуға болады. Егер биохимиялық реакция қайтымды болса, онда системаның бос еркін энергиясы максималдық жҧмысқа тең, ал егер реакция қайтымсыз болса, онда энергияның кейбір бӛлігі жылу тҥрінде шашырап, істелген жҧмыстың шамасы аз болады. Кӛбінесе биохимиялық реакциялар қысым мен температураның тҧрақты мәнінде ӛтетін болғандықтан бос энергияның теңдеуін былай жаза аламыз: df = du TdS (1) немесе dz = dh TdS (2) Мҧндағы dz бос энергияның тҧрақты Р, Т ға ӛзгерісі немесе термодинамикалық потенциал. dh Жылусақтағыштық немесе энтальпия. df Бос энергияның тҧрақты V, T ы мәні Термодинамикалық потенциалдың шамасы қайтымды биохимиялық реакцияның тепе теңдік кҥйінің тҧрақтысымен байланысты. ΔZ= ΔZ 0 +RTlnК (3) K реакцияның тепе тендігі тҧрақтысы. Егер реакция ӛнімдері 25 0 С-тағы ерітіндіде болып, оның активтілігі бірге тең болса, онда ΔZ= шамасы ΔZ 0 реакцияның стандарттық бос еркін энергиясына тең болады, ΔZ 0 шамасы кӛбінесе (2) теңдеумен анықталады. Тепе теңдік жағдайда ΔZ 0 =О болғандықтан оны ΔZ 0 деп алуға болады. Мысал ҥшін пальмитиндік қышқылдық СО 2 мен Н 2 О ға дейін тотығуын қарастырайық. С 16 Н 32 О 2 +23О 2 =16СО 2 +16Н 2 О Анықтамалық кестеден белгілі пальмитиндік қышқыл ҥшін ΔZ 0 мәні мынаған тең: С 16 Н 32 О 2 =16С+16Н 2 +О 2, ΔZ 0 = 80 ккал 16С+16О 2 =16СО 2, ΔZ 0 = -1511,2 ккал 16Н 2 +8О 2 =16Н 2 О, ΔZ 0 = -907,04 ккал Егер осы ҥш химиялық теңдеулерді қосатын болсақ, пальмитиндік қышқылдың тотығу теңдеуін береді. 23

24 Стандарттық еркін ΔZ 0 энергияның қосындысы бір мольге 2338,24 ккал. береді. Минус таңбасы пальмииндік қышқылдың тотығу реакциясы ӛз бетінше ӛтетін термодинамикалық процесс екендігін кӛрсетеді және реакцияның аяғына дейін ӛте ҥлкен энергия бӛліп шығаратындығын кӛрсетеді. ΔН жылу ҧстағыштықтың ӛзгеруін колориметрлік ыдыстағы (бомбадағы) реакцияның жылулық эффектісін ӛлшеу арқылы анықтауға болады. Бҧл жағдайда ΔН = ΔQ 2-ші тәсіл реакцияның температураға тәуелділігін анықтау. Бҧл жағдайда реакцияның изобаралық теңдеуі арқылы ΔН= ΔQ ге тең екендігін анықтауға болады. dnk Q 2 (4) dt RT ΔZ 0, ΔН мәндерін біле отырып 2- ші теңдеу бойынша энтропияның ӛзгерісін табуға болады. Бҧл шамалардың стандарт мәндері биохимиялық анықтамаларда келтіріледі. 24

25 ІІ тарау. МЕМБРАНА БИОФИЗИКАСЫ 2.1. Биологиялық мембраналардың негізгі функциялары Мембрана биофизикасы - клетка биофизикасының ең елеулі бӛлігі болып табылады, ол биология ҥшін ӛте маңызды роль атқарады. Кӛптеген ӛмірлік процестер осы биологиялық мембраналарда ӛтеді. Мембраналық процестерді бҧзу кӛптеген ауруларды туғызады және оларды емдеу кӛптеген жағдайда осы биологиялық мембраналарға әсер етуден басталады. Элементар тірі жҥйе - ӛз бетінше ӛмір сҥре алатын, дамитын қайталанатын - тірі клетка бҧл барлық тірі жәндіктер мен ӛсімдіктер қҧрылысының негізі болып саналады. Клетканың ӛмір сҥруінің ең негізгі жағдайларына бір жағынан қоршаған ортаға қарағанда автономдылығы - яғни дербес ӛмір сҥре алатындығы, клетка заттары қоршаған орта заттарымен араласпай клетканың кейбір бӛлігіндегі химиялық реакциялар автономды ӛз бетінше ӛте беретіндігі, екінші жағынан қоршаған ортамен тығыз байланыстылығы бҧл байланыс ҥздіксіз, ӛтіп клетка аралық энергиямен зат алмасуын басқарып ӛзгертуге болатындығы жатады. Тірі клетка бҧл ашық системаға жатады. Қоршаған ортадан дербестігінің бірлігі мен қоршаған ортамен тығыз байланыс жағдайының орнауы - тірі организмнің ӛмір сҥруінің негізгі функциясы болып табылады.сондықтан клетка ӛмір сҥруінің негізгі жағдайына биологиялық мембраналардың қалыпты жҧмыс істеуі жатады. Биологиялық мембраналардың атқаратын негізгі ҥш функциясы бар: 1. Барьерлік қоршаған ортамен пассивті және активті зат алмасуының таңдамалы селективті ӛзгертуге болатындығы. Кейбір заттар биологиялық мембрана арқылы тасымалданады, ал кейбіреулері тасымалданбайды, басқарылатын мембрананың ӛтімділігі кейбір заттар ҥшін клетка кҥйінің жағдайына және геномына байланысты ӛтеді. 2. Механикалық - клетканың автономды дербестігі мен ішкі клетканың қҧрылысының беріктігін қанағаттандырады. 3. Матрицалық - мембрана баланстарының ӛзара орналасулары мен олардың бағытталуын анықтайды. Бҧдан басқа биологиялық мембраналар басқа да функцияларды атқарады: 25

26 Энергетикалық - митохондрияның ішкі мембранасында АТФ-ты синтездеп хлоропласт мембранасында фотосинтезді жҥргізеді. Биопотенциалдарды генерациялап ӛткізеді. Рецепторлық (механикалық, акустикалық, химиялық, кӛрулік терморецепция, мембраналық процестер) және кӛптеген функцияларды атқарады. Адам организміндегі барлық биологиялық мембраналардың жалпы ауданы ондаған мың квадрат метрге жетеді. Салыстырмалы тҥрде мҧндай кӛп ауданның болуы биологиялық мембраналардың ӛмірлік процестерде маңызды роль атқаратынын кӛрсетеді Биологиялық мембраналардың структурасы, қҧрамы Биологиялық мембрана қҧрылысының бірінші моделі 1902ж жасалған. Мембранаға липидтерде жақсы еритін заттар жақсы ӛтетіні байқалған, осының негізінде биологиялық мембраналар ӛте жҧқа фосфолипид қабаттарынан тҧрады деп болжамдаған. Шын мәнінде полярлы және поярлы емес қабаттардың беттерінде (су мен ауа) фосфолипид молекулалары бір молекулалық моноқабат тҥзейді. Олардың полярлық бастары полярлы ортаға - суға бағытталып, батырылып, ал полярлы емес ортаға - ауаға олардың қҧйрықтары бағытталады. Сондықтан биологиялық мембраналар - липидтердің моноқабаттарынан тҧрады деп болжам жасалған сурет. Липидтің биологиялық қабаты (а), конденсатор ретіндегі мембрана (б) 1925ж Гортер мен Грендел эритроцит мембраналарынан бӛлінген моноқабат липидтерінің ауданы эритроциттердің қосынды-толық аудандарынан 2 есе кӛп болатынын кӛрсеткен. 26

27 Гортер мен Грендел - гемолизацияланған эритроциттерден ацетонның кӛмегімен липидтерді бӛлген, одан кейін ерітіндіні су бетіне буланған тҥрде бҥркіп, пайда болған мономолекулярлық пленканың ауданын ӛлшеген. Осы зерттеулердің нәтижесінде мембранадағы липидтер бимолекулярлық қабат тҥрінде орналасатындығы дәлелденген. Осы гипотеза болжамды Коул мен Кертис (1935) зерттеулері биологиялық мембраналардың электрлік параметрін растаған. Олардың дәлелдеуінше мембрананың электрлік кедергілері ӛте жоғары мәнге (10 7 ом м 2 ) және ҥлкен меншікті сиымдылыққа ие болған С m = ф/м 2 Биологиялық мембрананы электрлік конденсатор тҥрінде қарастыруға болады, ондағы пластина астарларының ролін ішкі және сыртқы электролит ерітіндіге батырылған липидті молекулалардың бастары атқарады. Ӛткізгіштер диэлектрик ролін атқаратын липидті молекулалардың полярлы емес бӛліктері - олардың қҧйрықтарының екі қабаты арқылы бӛлінген. Липидтер диэлектрлік ӛтімділігі ε=2-ге тең диэлектриктер. Жазық конденсатордың электр сиымдылығы; 0 d С S (1) С- конденсатордың электр сиымдылығы. d- конденсатор астарларының қашықтығы. S- астар ауданы ε 0 = Ф/M диэлектрлік тҧрақтылық Меншікті сыйымдылық C S 0 C m (2) Екінші теңдеуден конденсатор астарларының ара қашықтығын табуға болады. Бҧл ара қашықтық біздің жағдайда мембрананың липидтік қалыңдығын кӛрсетеді; 0 d C м d 3,5нм (3) Бҧл қалыңдық шама жағынан липидтің бимолекулярлық қабатының полярлық емес бӛлігінің қалыңдығына сәйкес келеді. Бірақ мембрана - бҧл тек қана липидті биқабат емес. Кейбір тәжірибелердің кӛрсетуі бойынша биологиялық мембрана белоктық молекуладан тҧрады. 27

28 Мысалы: клеткалық мембраналардың беттік керілуін ӛлшегенде алынған нәтижелер - липид су бӛліктеріндегі (10-2 н/м) беттік керілу коэффицентіне қарағанда белок - су шекараларындағы беттік керілу коэффицентіне (10-4 н/м) жақын келетінін кӛрсетті. Бҧл қарама қайшылықты тәжірибе жҥзінде 1935ж Даниелли мен Девсон жойды, олар биологиялық мембраналардың бутербродтық қҧрылым моделін ҧсынды. Бҧл модель кейбір елеусіз ӛзгерістермен мембранологияда 40 жыл шамасындай қолданылды. Бҧл модель бойынша мембрана ҥш қабатты, яғни ортасында липидті биқабаты, ал екі шетінде белоктық молекула қабаттары орналасқан, яғни бутерброд сияқты ортасында липидті май сияқты қабат, екі шетінде белок ҥзінділері орналасқан. Бірақ, тәжірибелік нәтижелер жинақталған сайын осы биологиялық мембрананың бутербродтық қҧрылым - моделінен бас тартуға тура келеді. Биологиялық мембрананың қҧрылысы туралы тҥсінікті дамыту ҥшін биологияға соңғы кезде кең тҥрде ене бастаған физикалық зерттеу әдістері зор маңызды роль атқарады. Мембрана қҧрылымы, яғни мембрана молекуласының атомдарының ӛзара орналасуы туралы ең кӛп мәліметті атомарлы қҧрылымның қысқа толқынды рентген сәулелерінің дифракциясына негізделген рентгеноқҧрылымдық сараптау береді. Рентгеноқҧрылымдық сараптау атомдардың біркелкі орналасуы мен атомның тәртіптенген қҧрылымдық параметрлерін анықтауға кӛмектеседі. Мембранадағы рентген сәулелерінің дифракциясын зерттеу - салыстырмалы тәртіпке келген мембранадағы липидті молекулалардың орналасуын, яғни параллель екі жақты молекулярлық май қышқылды қҧйрықты қабатпен бӛлініп орналасқан қҧрылысын растап кӛмірсутекті тізбектің соңғы тобындағы липидті молекулалардың полярлық бастарының ара қашықтығын дәл ӛлшеуге мҥмкіндік береді. Биологиялық мембраналардың қҧрылысының ерекшеліктерін ашуда - электронды микроскоптық зерттеулер аса зор табыстарға жетті. Бҧрыннан белгілі сәулелік микроскоптар берілген денелердің ӛлшемдері жарықтың жарты толқын ҧзындығынан кіші болса кӛре алмайды. /200нм/ Сәулелік микроскопта кейбір жекелеген клеткаларды кӛруге болады, бірақ биологиялық мембраналарды зерттеуге жарамайды, себебі биологиялық мембрананың қалыңдығы 28

29 сәулелік микроскоптың рҧқсат етілген ӛлшемінен 20 есе кіші. Микроскоптың рҧқсат етілген облысы дифракция қҧбылысымен шектелген болады. Сондықтан зерттеліп отырған объектілердің ӛлшемдерінен толқын ҧзындығы неғҧрлым кіші болған сайын, соғҧрлым бҧрмалау пайда болады. Шектік рҧқсат етілген облыс, толқын ҧзындығына пропорционал болады. Электрондық микроскоптарда жарық шоғырларының орнына ӛте ҥлкен жылдамдыққа дейін ҥдетілген электронның ағыны қолданылады. Жоғары жылдамдықты электрон ағындары да толқындық қасиетке ие болады, яғни дифракция қҧбылысы байқалады. Бірақ Луй-де Бройль формуласына сәйкес жылдамдық ҥлкен болған сайын, толқын ҧзындығы да қысқа болады, яғни рҧқсат ету облысы да қысқара береді. Егер электрон кернеулігі 10 5 в электр ӛрісімен ҥдетілген болса оның жылдамдығы 10 6 м/с болады, толқын ҧзындығы қысқарып рҧқсат етілген шектік шамасы 0,1нм-ге жетеді, бҧл биологиялық мембрананың қҧрылысының кейбір бӛліктерін кӛруге мҥмкіндік береді. Электронды микроскоптың ҥлкейтуі 100 мың есеге жетеді, бҧл биологиялық мембраналардың қҧрылысын зерттеуге мҥмкіндік береді. Электронды микроскоптың кемшілігі тірі объектілерді зерттеу кезінде оларды деформацияға ҧшыратады, себебі объектіні зерттеуге дайындау кезінде клетка бірқатар алдын ала дайындық сатысынан ӛтеді, ультражҧқа кесу, қатаңдату, электронды ӛте жақсы шашырататын препаратты заттармен ӛңдеу. (Алтын, кҥміс, осмий, Мn, т.б.). Сол себептен зерттеліп отырған объект біраз ӛзгереді. Бірақ осыған қарамай клетканы зерттеуде электронды микроскопты қолданудың біраз артықшылығы мен жетістіктері болды. Электронды микроскоп арқылы биологиялық мембрананың кескіні алынды. Ол кескінмен мембрана қҧрлысының ҥш қабатты екені дәлелденді. Мембрана қҧрылысын зерттеуде пайдаланылған жаңа әдіс - мҧздату арқылы жаңа мәліметтер алынды. Бҧл әдіс бойынша клетканы сҧйық азотта ӛте тӛменгі температураға дейін мҧздатып қатырады. Мҧздату ӛте ҥлкен жылдамдықпен жҥргізіледі (1000 градус/секундына) бҧл кезде препарат қҧрамындағы су - қатты аморфты кҥйге кӛшеді, одан кейін клетканы ӛткір пышақпен бӛліп вакуумге салады. Вакуумде су тез буланып ӛзі тҧрған негіздің бетінен босанып ҧшып кетеді, сол бетті электронды микроскопта суретке тҥсіріп алады. Мҧздатылған мембраналар әр тҥрлі бағыттарға тарай бӛлініп, соның ішінде липидті екі моноқабат шекарасының тҥйіскен 29

30 бойымен де бӛлініп тарайды, сондықтан олардың ішкі қҧрылысын кӛруге болады. Кейбір белоктық молекулалар липидті биқабатқа батырылған тҥрде немесе оны тесіп ӛтуі мҥмкін екені де дәлелденген. Бҧл мембрана қҧрылымы туралы ҧғымды елеулі ӛзгерістерге ҧшыратты Мембрана қҧрылымына қазіргі кӛзқарас Физика - химиялық зерттеу әдістерімен алынған нәтижелер бойынша, биологиялық мембрананың жаңа сҧйықтық - мозайкалық моделін 1972ж Сингер мен Никельсон ҧсынды. Бҧл модель бойынша биологиялық мембрананың структуралық негізіне екі қабатты фосфолипидтер жатады. Олар беттік және интегралдық белоктар деп екі топқа бӛлінеді. Физиологиялық жағдайда липидтер сҧйықтық - агрегаттық кҥйде болады. Мҧны, яғни мембрананы фосфолипидті «теңізбен», ал ондағы жҥзіп жҥрген белокты «айсбергтермен» салыстыруға болады. Сҧйықтық мозайкалық модельдің дҧрыс екендігін химиялық сараптауда дәлелдеп, әртҥрлі мембраналарда белок пен фосфолипидтердің арақатынасының қатты ӛзгеретіндігін кӛрсетті. Мысалы, миелиндік мембранада белоктардың саны липидтерге қарағанда 2,5 есе аз, ал эритроциттерде керісінше липидтерге қарағанда белоктардың саны 2,5 есе кӛп. Қазіргі модель бойынша белоктармен липидтердің сандарының арақатынасы барлық мембрана ҥшін бірдей болуы керек. Биологиялық мембрананың барлық беттері белоктармен жабылмағанын ядролық магниттік резонанс әдісі де дәлелдеп берді. Мысалы, мембрана беттерінің ішек таяқшаларының жартысы липидті полярлы бастардан тҧрады (2.2.-сурет) сурет. Плазматикалық мембрананың сҧйықты-мозайкалық моделі. 30

31 Белок пен фосфолипидтен басқа биологиялық мембранада басқа да химиялық қосылыстар бар. Жануарлардың мембраналық клеткаларында холестериннің мӛлшері ӛте кӛп. Мембранада басқа да заттар гликолипидтер мен гликопротеиндер де бар. Қазіргі таңда мембрана қҧрылысының сҧйықты - мозайкалық моделі жалпы қабылданған. Барлық басқа да моделдері сияқты бҧл модель мембрана қҧрылысының оңайлатылған тҥрін сипаттайды. Атап айтқанда белоктық айсбергтер ылғи да липидті теңізде еркін жҥзе бермейді, олар ішкі цитоплазматикалық клетка қҧрылысына еніп тоқтайды. Мҧндай қҧрылысқа микрофиломенттер мен микроқҧбырлар жатады. Микроқҧбырлар диаметрі 300нм қуыс цилиндр ерекше белоктардан қҧрылып, клетканың ӛмір сҥруінде негізгі роль атқарады. Дәлелденгендей мембранадағы липидтердің барлығы да биқабат принципімен орналаспаған. Физикалық зерттеу әдістері, мембрананың липидті фазасының екі қабатты липидті молекуладан тҧрмайтын бӛліктерінің бар екендігін кӛрсетті. Мембрананың кҥрделі химиялық қҧрамын ондағы белоктар мен басқа да заттарды анықтап зерттеумен биохимия айналысады. Биофизиканың негізгі кӛңіл бӛлетіні - мембрананың негізгі структурасы, қҧрылымы атап айтқанда екі қабатты фосфолипидті молекуланың қҧрылысы. Лецитин фосфолипидінің молекуласы полярлы баспен (фосфор қышқылы) ҧзын полярсыз қҧйрықтан (май қышқылының қалдығы) тҧрады. Лецитиннің фосфолипидттің молекуласының басында бір біріне белгілі бір арақашықтықта орналасқан 2 зарядталған топ болады. Абсолюттік шамасы жағынан бірдей екі әртҥрлі заряд электрлік дипольді қҧрайды. Мембранада әртҥрлі фосфолипидтер кездеседі. Мысалы, эритроциттің мембранасында олардың 20 тҥрі бар. Молекулалардың полярлық басының химиялық формуласы ӛзгеріп отырады. Кейбір фосфолипидтердің бастары дипольді моментті қҧрайтын екі қарамақарсы зарядтан басқа, молекуланы нейтральды қалдыратын, теңгерілмеген бір теріс зарядты тасымалдайды. Соның нәтижесінде молекула теріс зарядталған болады. Фосфолипидті молекуланың кӛмірсутекті қҧйрықтары шамамен кӛміртегінің 20 атомдарынан тҧрады. Ал қҧйрықтарында 1-4 ке дейін екі жақты қанықпаған байланысы болады. 31

32 Фосфолипидті молекуланың полярлы бастары - гидрофильді, ал полярлы емес қҧйрықтары - гидрофобты. Сумен араласқан фосфолипидтер термодинамикалық тҧрғыдан пайдалы, яғни полярлы бастар полярлы молекуладан тҧратын суға батып тҧрады, ал олардың полярлы емес ҧзын қҧйрықтары судан алыста орналасуға тырысады. Гидрофильді және гидрофобты бӛліктерден тҧратын амфифильдік молекулалар, молекуланың басқа да орналасуына қарағанда Гиббс энергиясының ең кіші мәндеріне ие болады. Ең елеулі жағдай бҧл фосфолипидті молекулалар ең ҧзын қҧйрықты болып келеді. Мҧндай молекула кеңістікте цилиндірлік формаға ҧқсас формаға ие болады. (2.3-сурет) 2.3.-сурет Екі қҧйрықты фосфолипидті молекуланың схемалық кескіні(а) және осындай молекуладан тҧрған биқабатты мембрананың пайда болу схемасы.(б) Сулы ортадағы фосфолипидтердің молекуласынан ӛзі жинақталып биқабатты мембрана пайда болады. Бір қҧйрығы бар молекула (лизолецитин) кеңістікте конус формалы болып келіп клеткалық мембрананы кҥйретеді сурет. Бір қҧйрықты фосфолипидтің молекуланың (а) және мембранада бір қҧйрықты молекуладан пайда болатын кеуек схемасы(б). 32

33 Бір қҧйрығынан айырылған фосфолипидті молекулалар биқабатты мембранада кеуекті кеңістік қҧрайды, бҧл кезде мембрананың барьерлік функциясы ӛзгереді - бҧзылады Мембрана динамикасы. Мембранадағы фосфолипидті молекуланың қозғалғыштығы Мембрананың (функционалдық) ӛмір сҥргіштік режимі липидті биқабаттың микротҧтқырлығына, мембранадағы фосфолипидті молекуланың қозғалғыштығына және мембранды липидтің фазалық кҥйіне ӛте кҥшті тәуелді болады. Клетка физиологиясында елеулі рольді биологиялық мембранадағы фазалық ауысулар атқарады. Липидті биқабаттың биофизикалық сипатының қалыпты кҥйден ауысуы, әртҥрлі потологиялық ауытқуларға әкеліп соғады. Биологиялық мембрананың липидті фазасы физиологиялық жағдайда (Т,Р, қоршаған ортаның химиялық қҧрамы) сҧйықты - агрегаттық кҥйде болады. Бҧл флюоресценттік анализ (флюоресценттік зонд және белгілеу), электронды парамагниттік резонанс, спинді зонд және белгілеу әдістері арқылы және ядролық магниттік резонанс (ЯМР) әдісі бойынша анықтаған. Қалыпты жағдайда мембрана - жарқырамайды, флюоресценттік әдіспен мембрананы зерттеу ҥшін жарқырауға қабілеті бар мембранаға молекула немесе молекула тобын енгізу керек. Флюоресценттік зонд ретінде кӛбінесе ДХМ (диметиламинохалкон), МБА-3-метоксибензантрон, АНС-1 анилин нафталин-сульфонат және т.б. пайдаланады. Флюоресценттік анализ - мембранадағы фосфолипидті молекулалардың қозғалғыштығын зерттеуге және мембрананың липидті фазасының тҧрақтылығын анықтауға мҥмкіндік береді. Мембрананың микротҧтқырлығын флюоресценцияның спектрінің ӛзгеруі арқылы және мембрананы поляризацияланған жарықпен сәулелендіргенде жарқыраған сәулеленудің поляризациялық Р- кӛрсеткіші арқылы анықтауға болады. Поляризация кӛрсеткіші (Р) мен мембрананың микротҧтқылығы (η) арасындағы байланысты Перрен-Яблонский теңдеуімен табуға болады: 1 P P0 1 RT 1 3 V (1) 33

34 Мҧндағы: Р 0 - қозғалмайтын молекуладағы жарықтың поляризациялық кӛрсеткіші. 3 Дж R 8, универсал газ тҧрақтысы. К кмоль Т- абсалюттік температура (К) V-жарқырайтын молекуланың молярлық кӛлемі τ - қозған кҥйдің ӛмір сҥру уақыты Липидті биқабаттың агрегаттық кҥйлері туралы толық мағлҧматты радиоспектроскопия әдістері ЭПР және ЯМР береді Электронды парамагниттік резонанс. (ЭПР) ЭПР- қҧбылысы сыртқы магнит ӛрісіне орналасқан парамагниттік бӛлшектердің (спині компенсацияланбаған электрондар) резонанстық жиілікте -электромагниттік толқын энергиясын жҧтуының кенеттен ӛсуіне негізделген. gb Толқынның резонанстық жиілігі: (1) Мҧндағы: В- магнит ӛрісінің индукциясы, h- Планк тҧрақтысы, h=6, Дж с g- гидромагниттік қатынас - ол парамагниттік бӛлшектердің табиғатына байланысты. Еркін электрон ҥшін g=2. =0, Дж - Бор магнетоны Тл Практикада электромагниттік толқынның жиілігін тҧрақты қалдырып, магнит ӛрісінің индукциясын жайлап ӛзгерту оңтайлы. Электромагниттік толқын энергиясының резонанстық жҧтылуы кезіндегі магнит ӛрісінің индукциясы: hv В peз (2) ЭПР-қҧбылысында электромагниттік ӛрістің жиілігі = Гц және магнит ӛрісінің индукциясы- В= 0,3Тл қолданылады. ЭПР спектрі деп электромагниттік толқынның жұтылу қуатының - В магнит индукциясына тәуелділігін( байланысын) айтады. Берілген дененің атомдары мен молекулалардың ӛзара байланысы кҥшті болған сайын олардың спектрлерінің аудандары кең - жуан тҥрде, ал бӛлшектер арасындағы байланысы әлсіз болған сайын олардың спектрлерінің ауданы тар - жіңішке болып келеді: ЭПР-спектрінің еніне байланысты заттың молекула қозғалғыштығы туралы айтуға болады(2.5.-сурет). g pes h 34

35 Фосфолипидтердің молекулалары диамагнетикті болғандықтан, биомембрананы ЭПР-мен зерттеуге молекулалар немесе молекулярлық топтар - жҧпсыз электрондары бар - спин зондтар мен спин таңбалау қолданылады сурет. Молекула микротҧтқырлығына ( ) байланысты ЭПР спектрінің ӛзгеруі. Парамагнитті спин зондтар Липидті мембранаға енгізіліп электромагнитті толқындарды жҧтқан спектрлер - Липидті қоршаған орта туралы, яғни мембранадағы липидті молекулалардың қозғалғыштығы туралы ақпарат береді. Осындай бағалы информация беруімен қатар бҧл спин - зондтарды қолданудың елеулі кемшіліктері бар, яғни биологиялық объектіге енгізілген бӛтен молекула - зондтар олардың ішкі қҧрылымын ӛзгертуі мҥмкін, осындай кемшіліктен қҧтылу ҥшін ЯМР әдісі қолданылады Ядролық магниттік резонанс (ЯМР) Ядролық магниттік резонанс ЯМР - әдісі бҧл қҧбылыс сыртқы магнит ӛрісіне енгізілген магниттік моменті бар атом ядросының резонанстық толқын жиілігінде ν ря электромагниттік толқынның энергиясын жҧтуының кенеттен ӛсуіне негізделген: V ря я В g я (1) h Мҧндағы: g я - Ланде - ядролық кӛбейткіш - әртҥрлі парамагниттік ядролар ҥшін әртҥрлі мәндерге ие болады, Протон ҥшін g я =5,58 В магнит ӛрісінің индукциясы, Һ Планк тҧрақтысы я -ядролық магнетон, ол Бор магнетогының бӛлігіне ие болады. H, C P ядролары магниттік моментке ие болады, ал 1 6,

36 16 12 Hе, O C ядроларының магниттік моменттері жоқ. Биологиялық 1 1 H - протон ядролары кездесетіндіктен, 4 2 8, 6 обьектілерде кӛптеген протонды ядролық ЯМР-зерттеулерінде қолдануға болады ЯМР-де магниттік индукциясы кҥшті B=1Tл магнит ӛрістері қолданылады, ал айнымалы электромагниттік ӛрістің жиілігі Гц ЭПР-әдісіне қарағанда кіші болады. ЭПР сияқты ЯМР-дің спектрлерінің ендері молекуланың қозғалғыштығы азайған және тҧтқырлығы кӛбейген сайын кеңейе береді. Флюоресценттік ЭПР, ЯМР зерттеулері кӛрсеткендей мембранадағы фосфолипидті молекулалардың қозғалғыштығы салыстырмалы тҥрде кӛп, ал тҧтқырлығы аз болады. Қалыпты физикалық жағдайда мембрананың липидті бӛліктері сҧйық агрегаттық кҥйде болады. Липидтті мембрананың тҧтқырлығы кҥнбағыс майының тҧтқырлығына сәйкес келеді η=(30-100)мпа С, ал 20 0 С температурадағы судың тҧтқырлығы η=1мпа С. Кейбір тәжірибелер кӛрсеткендей канцерогенез мембрананың липидті фазасының тҧтқырлығының кемуімен байланысты, ал мембрана қартайған сайын тҧтқырлық кӛбейеді. Сондықтан спин-зондтардың кӛмегімен мембрананың микро тҧтқырлығын ӛлшейтін диагностикалық әдістер қҧрыла бастады. Мембрананың микротҧтқырлығы липидтің қҧйрықтарында олардың полярлық бастарына қарағанда кем болады. Бҧл ЭПРәдісімен және таңбалы спинді пайдаланып дәлелденген. Спинді таңбалау фосфолипидті молекуланың әр тҥрлі жеріне жалғастырылып зерттеледі. Липидті молекуланың жоғарғы қозғалғыштығы Латеральді дифузияны тудырады сурет. Фосфолипидті молекулаға таңбалы спинді бекітудің екі тәсілі мен олардың ЭПР спектрінің кескіні. Латеральді диффузия дегеніміз - мембрана жазықтығында липидті молекула мен белоктардың тәртіпсіз жылулық орын

37 ауыстыру қозғалысы. Латеральді диффузиясы кезінде қатар тҧрған липидті молекулалар секірмелі тҥрде мембрана бетімен орын ауыстырады. Молекуланың латеральді диффузия арқылы белгілі бір уақыт ішінде орташа квадраттық орын ауыстыруы Эйнштейн теңдеуімен анықталады. S кв 2 Dt (2) мҧндағы D латеральды диффузия коэффициенті. S кв - орташа квадратты орын ауыстыру Эйнштейн теңдеуімен есептелген липидтермен белоктар ҥшін латеральді диффузия коэффиценті D лип = м 2 /с; D б = м 2 /с Латеральды диффузия кезіндегі молекуланы бір орыннан 2-ші орынға секіру жиілігі v 2 мҧндағы f-мембранадағы бір молекуланың алатын орнының ауданы. Фосфолипид молекуласы ҥшін ν= c -1, D лип = м 2 /c f = м 2 Бір секіру уақыты с Әрбір молекула 1сек. ішінде орташа есеппен оншақты миллион рет мембрана жазықтығында орын ауыстырады. Флип - флоп бҧл мембраналық фосфолипид молекулаларының мембрананың кӛлденең беті бойынша диффузиясы. Мембрананың бір бетінен екінші бетіне секірмелі тҥрде тасымалданатын молекула жылдамдығы таңбалы спиндік әдіспен, модельдік липидтік мембранада-липосомда жҥргізілген тәжірбиемен анықталды. Фосфолипидті молекуланың бӛлігінен қҧралған липосомдарға таңбаланған спин жалғастырылып белгіленді. Липосомдар - аскорбинді қышқылдың әсерінен молекуласындағы жҧпталмаған электрондарды жоғалтып парамагнитті молекулалар диамагнитті молекулаға айналған. Оны ЭПР спектр қисығының аудандарының кішірейюінен кӛруге болады. Алдымен липосоманың сыртқы бетіне орналасқан жҧпталмаған молекула электрондары нейтралданады ал бҧл жҧпталмаған электрондар санының екі есе кемуіне әкелді. ЭПР әдісі таңбалы спин арқылы липосоманың ішкі жағындағы аскорбинді қышқылдың әсеріне ҧшырамайтын электрондар 3 D (3) 37

38 анықталды. ЭПР спектірінің аудандарының кішірейе беруі, жҧпталмаған электрондар санының азаюын кӛрсетеді. Бҧл липосомның биқабатты мембрана ішіндегі таңбаланған спин белгілері бар молекуланың флип-флоп секірмелі әдіспен сыртқы бетке ӛтуімен тҥсіндіріледі. ЭПР сигналының интенсивтілігінің жылдамдығының кемуі арқылы таңбаланған молекуланың жартысы 6,5 сағат ішінде флип флоп әдісіне ҧшырайды, яғни сол уақыт ішінде ЭПР қисығының ауданы екі есе кішірейген. Сонымен молекуланың бір биқабаттан екінші биқабатқа секіруі - латералдік диффузияға қарағанда анағҧрлым баяу ӛтеді. Фосфолипид молекулаларының флип-флопқа ӛтуінің орташа уақыты (Т =1сағ) молекуланың мембрана жазықтығында бір орыннан екінші орынға секіру орташа уақытынан оншақты млрд. есе кӛп болады. Мембрана бойымен ӛте жылдам, мембрананың кӛлденең беті арқылы жай ӛтетін молекула диффузиясының арақатынасы мембрананың қызметінде, яғни оның матрицалық функциясында маңызды роль атқарады. Мембрананың кӛлденең беті арқылы молекула диффузиясының ӛте қиындықпен ӛтуі, оның молекулярлық структурасының реттеліп, анизотропиясы мен асиметриясының, липидті және белоктық молекуласының, белок ферменттердің мембрана жазықтығында бейімделіп орналасуын қамтамасыз етеді. Бҧл мембрана арқылы заттардың бағыттылып тасымалдануында маңызды роль атқарады Мембранадағы Липидтердің фазалық ӛтулері мен олардың физикалық кҥйлері Дене әр тҥрлі температурада, қысымда, концентрациясы әр тҥрлі химиялық қҧрамында, әр тҥрлі физикалық кҥйде (газ-сҧйық-қаттыплазма) болуы мҥмкін. Заттың кристалдық кҥйіне тҥрлі фазалық кҥйлері сәйкес келуі мҥмкін. Мысалы: бір заттың яғни кӛміртегінің әр тҥрлі кристалдық модификациясы ретінде графит пен алмазды атауға болады. Физика курсынан белгілі қатты дененің сипатына - ӛзіндік кӛлемі, формасы, механикалық беріктігі, ал сҧйық ҥшін - ӛзіндік кӛлемі, серпімді еместігі, аққыштығы жатады. Қатты дене - кристалды және аморфты кҥйде болуы мҥмкін. Қатты дене мен сҧйықтың арасындағы айырмашылық - олардың бӛлшектерінің қозғалысында жатыр. Ӛйткені сҧйық пен қатты дене молекулалары - тепе - теңдік маңында тербелмелі қозғалыс жасай 38

39 алады. Белгілі бір орташа уақыт ішінде молекуланың бір тепе - теңдік кҥйден екінші тепе - теңдік кҥйге секіруі болып ӛтеді. Сонда негізгі айырмашылық - «белгілі бір ӛмір сҥру уақыты» - сҧйықтарда қатты денелерге қарағанда анағҧрлым кіші болады. Липидті биқабатты мембрана физиологиялық жағдайда - сҧйық кҥйде болады. Фосфолипидті молекуланың мембранадағы ӛмір сҥру уақыты: τ = с Сонымен қатар мембранадағы молекулалар бейберекет тәртіпсіз орналаспаған, олардың орналасуында белгілі бір алыстық тәртіптілік заңдылық бар. Фосфолипидті молекулалар 2-қабатты болып орналасады - олардың гидрофобты қҧйрықтары жуық тҥрде бір - біріне параллель болып келеді және полярлық гидрофильдік бастарының бағытталуында да белгілі бір тәртіптілік бар. Агрегаттық кҥйлері сҧйық болып келген - молекуланың орналасуы мен бағытталуы арасында алыстық тәртібі бар физикалық кҥйді сҧйықты кристалдық кҥй деп атайды. Сҧйық кристалдық кҥй әр тҥрлі структуралары болуы мҥмкін, ол ҥшке бӛлінеді. 1. Нематикалық фаза 2. Смектикалық фаза 3. Холестикалық фаза 1. Нематикалық (жіп сияқты) ҧзын, молекулалар бір-біріне параллель бағытталған. 2. Смектикалық (сабын кӛпіршігі) сияқты молекулалар, бірбіріне параллель және қабат-қабат болып орналасады. 3. Холестикалық - молекулалар бір жазықтықта бір-біріне параллель орналасады, ал әр тҥрлі жазықтықтарда молекула бағыттары да әр тҥрлі келеді. Биологиялық мембрананың биқабатты липидті фазасы сҧйық кристалды смектикалық кҥйге сәйкес келеді. Сҧйық кристалды кҥйлер - температураның ӛзгеруіне, қысымға, химиялық қҧрамына, электр ӛрісіне ӛте сезімтал. Бҧл липидті биқабатты мембрананың динамикалық ӛзгергіштігін кӛрсетеді. Сыртқы ортаның және химиялық қҧрылымның сәл ӛзгеруі нәтижесінде биқабатты мембрана әртҥрлі фазалық кҥйлерге ӛте береді. Сҧйық кристалдар кез келген зерттеуде пайда бола бермейді, олар кӛбінесе ҧзын молекуладан тҧратын зерттеуде пайда болады. Физикалық зерттеу әдістері яғни дилотометриялық - (кӛлемдік ҧлғаю коэффициентін ӛлшеу) және калорометриялық - жылу 39

40 сиымдылығын ӛлшеу, рентген структуралық сараптау және т.б. дәлелденгендей биологиялық мембрананың липидті бӛліктері белгілі бір температурада 1-ші тҥрдегі фазалық ауысуға ҧшырайды. Радиоқҧрылымдық, радиоспектроскопия, флюресценттік сараптау, инфрақызылдық спектроскопия және басқада физикалық зерттеулер нәтижелері кӛрсеткендей, температура тӛмендеген сайын, фосфолипидті мембрана сҧйық кристалдық кҥйден гель кҥйге ӛтеді, мҧны шартты тҥрде - қатты кристалдық кҥй деп атайды. Гель кҥйде - сҧйық кристалдық кҥйге қарағанда молекулалар бҧрынғыдан да тәртіпті орналасады, гель фазадағы фосфолипидті молекулалардың барлық гидрофобты кӛміртегі қҧйрықтары бір-біріне қатаң тҥрде параллель болып орналасады. Сҧйық кристаллдарда - жылулық қозғалыс әсерінен транс-гош ӛтулері пайда болуы мҥмкін, молекуланың қҧйрықтары майысып, қайырылып олардың параллельдігі кейбір жерлерде, әсіресе мембрананың ортаңғы жерінде бҧзылады. Сҧйық кристаллдарға қарағанда гель фазаның мембрана қалыңдығы ҥлкен болады, бірақ қатты кҥйден сҧйық кристалдық кҥйге кӛшкенде кӛлемі біраз ӛседі, ӛйткені бір молекулаға келетін мембрананың ауданы - 0,48-0,58 нм ге дейін ӛседі. Қатты кристалдық кҥйде - тәртіптілік сҧйық кҥйге қарағанда кҥшті болып оның энтропиясы аз болады. Мембрана қалыпты кҥйде сҧйықты кристалдық кҥйде болуы керек, сондықтан тірі жҥйеде қоршаған ортаның температурасы ҧзақ уақыт тӛмендеген сайын мембрананың химиялық қҧрамының адаптациялық ӛзгерістері байқалады, бҧл фазалық ӛтудің температура тӛмендеуін туғызады сурет. Температураның ӛзгеруіне сәйкес мембрана қҧрылымының сҧйықты кристалды кҥйден - гель кҥйіне және кері бағытта ауысуы.

41 Фазалық ӛтудің температурасы май қышқылды қҧйрықтағы қанықпаған байланысты сандары ӛскен сайын тӛмендейді. Молекула қҧйрығында 4-ке дейін қанықпаған байланыс болады. Липидті мембрананың химиялық қҧрамына байланысты гель сҧйық фазалық ауысуларында температура 20 0 С тан (қанықпаған липидтер мембранасы ҥшін) С-қа ӛзгереді (қаныққан липдтер). Мембранадағы қанықпаған липидтердің ӛсуі температура тӛмендегенде - микроорганизмде, ӛсімдікте және жануар клеткаларында байқалады. Мысалы: Полярлық бҧғының аяғы мен денесінің арасындағы температура ӛзгерісі минус 20 0 С ден плюс 30 0 С-қа дейін болады. Бҧл клетка мембранасының температура жағдайына бейімделетінін кӛрсетеді. Яғни бҧғының аяғына жақын жерде фосфолипидтердің қаныққан саны кӛп болады. Тӛменгі температурада биологиялық мембрананың бҧзылуының 1-ші ретті механизмі гель - кҥйге фазалық ӛтуіне байланысты. Сондықтан биологиялық мембрана кӛптеген мӛлшердегі холестеринге ие болады, ол мембранадағы фазалық ӛзгеруді азайтуға қатысады. Кейбір микроорганизмдерде биологиялық мембрана липидтердің фазалық ӛтулеріндегі температурадан сәл ғана жоғары температурада болады. Мембрана 10-шақты әртҥрлі липидтерге ие, олардың фазалық ӛту температурасы да әртҥрлі болады да физиологиялық жағдайлары жақын болады. Мембранада температура тӛмендегенде липидті биқабаттық фазалық ӛзгерістер пайда болады. В.Антоновтың дәлелдеуінше гельден - сҧйық кристалды фазалық кҥйге немесе кері бағытта ӛткенде липидті биқабатты тесіп ӛтетін радиусы 1-3 нм каналдар пайда болып олардан мембрана арқылы иондар мен молекулярлық заттар тасымалдана алады. Осының әсерінен фазалық ӛту кезіндегі мембрананың иондық ӛткізгіштігі кҥрт ӛзгереді. Мембрананың иондық ӛткізгіштігінің ӛсуі клетканы мҧздату кезіндегі бҧзылуынан сақтап клеткадан су мен мҧздың шығуын кӛбейтіп, оның барьерлік функциясының ӛзгеруіне әкеледі, ал бҧл клетка ішіндегі судың кристализациялануына қарсылық жасайды. Фазалық ӛту кезіндегі иондық ӛткізгіштің ӛсуі кейбір микроорганизмдегі метаболикалық алмасуды ҧстап тҧруға ат салысады. Бҧл эффект термо және хеморецепциялық қҧбылыстарды тҥсіндіруге кӛмектеседі. 41

42 Мембрана арқылы иондардың тасымалдануы биопотенциалдардың пайда болу негіздерін қҧрап, ал иондық ӛткізгіштіктің ӛзгеруі нервтік импульстің пайда болуын тҥсіндіреді. Нервтік импульс - температураның ӛсуі мен тӛмендеуіне сәйкес мембрандық липидтердің фазалық ауысулары кезінде липидті биқабаттардың иондық ӛтімділігінің ӛзгерулері арқылы пайда болуы мҥмкін. Сонымен қатар хеморецепцияның кейбір тҥрлері мембрандық липидтердің фазалық ауысуларымен байланысты, ӛйткені фазалық ауысулар тек қана температура ғана емес, қоршаған ортаның химиялық қҧрамының ӛзгеруімен байланысты болуы мҥмкін Липидті мембраналардың моделі Липосомдар немесе фосфолипидті кӛпіршіктер қалыпты жағдайда қҧрғақ фосфолипидтердің судан ісінуі кезінде немесе липидті ертіндіні суға бҥркіп шашыратқан кезде алынады. Бҧл жағдайда бимолекулярлы липидті мембраналардың ӛздігінен жиналуы пайда болады. Гиббс энергиясының минимумына тҧйықталған сфералық бірлік ламеллярлық мембрана формасы сәйкес келеді. Бҧл жағдайда барлық полярлық емес гидрофобтық қҧйрықтар мембрана ішінде орналасып олардың бірде біреуі полярлы су молекуласымен әсерлеспейді сурет.Бір қабатты липосомның қҧрылыс схемасы Бірақ кӛбінесе сфералық емес кӛп ламеллярлы липосомдар пайда болады. Олар бірнеше бимолекулярлық қабаттан тҧратын липосомдар. Жекелеген кӛп қабатты липосомдардың бимолекулярлық қабаттары сулық ортамен бӛлінген. Липидті қабаттардың қалыңдығы олардың табиғатына байланысты нм ал олардың 42

43 арақашықтығы 1.5-2нм болып келеді.кӛп қабатты липосомдардың диаметрлері нм -ге дейінгі және одан да кӛп аралықта ӛзгереді. Бір қабатты липосомды әр тҥрлі әдістермен алуға болады. Мысалы: кӛп қабатты липосомдардың суспензиясын ультрадыбыс арқылы ӛңдегенде алынған бір қабатты липосомның диаметрі 25-30нм-ді қҧрайды. Диаметрі 400нм-ден жоғары бір қабатты липосомдарды басқа да әдістермен алу жолдары бар. Липосомдар кейбір жағдайда клетка ролін атқарады. Олар клетка мембранасының әр тҥрлі қасиеттерін зерттеу ҥшін модель қызметін атқарады. Липосомдар - медицинада негізгі қолдау тапты,мысалы: липосомның ішіне дәрілік препаратты салып, дәрілерді белгілі бір ауру органдарға жеткізу ҥшін фосфолипидті микрокапсула ретінде қолданылады. Липосомдар уытты емес, егер оларды дҧрыс қолданса олар толығымен организммен сіңіріліп, кейбір биологиялық тосқауылдардан ӛтіп кетеді. Инсулин. Липосомның ішіндегі инсулин асқорыту ферменттерінен жақсы қорғалады. Қазіргі таңда осы препаратты липосомның ішіне салып, ауырған жерге дейін дәл апару нәтижелері қарастырылуда, ал бҧл диабет аурумен ауырғандарды систематикалық егуден қҧтқаруға жағдай жасайды. Сонымен қатар қатерлі ісіктерді, ферментативті жетіспеушілікті, атеросклерозды, емдеу ҥшін липосомальдық терапияның қолдану әдістері ҧйымдастырылып, зерттеу жҧмыстары жҥргізілуде. Липосомға салынған, енгізілген дәрілерді ауру органдар мен мҥшелерге, жҥректің ауырған нҥктесіне дәл апару жолдары қарастырылып зерттелуде. Бҧл ҥшін липосомға белоктық молекула жалғастырылып (антитело) ауру мҥшелер мен органдарға нысанға жеткізілуі тиіс. Липосомдар қан ағыны арқылы барлық организмге тасымалданып ауру орган нысанға жеткізіліп тоқтайды Жазық биқабатты липидті мембрана (БЛМ) БЛМ-мембрана моделінің басқа типіне жатады. Мҧндай мембрананы сҧйық ортаға батырылған диаметрі 1нм тесігі бар пластикалық пластинада (фторпласта) алады. Осы тесікке липид ертіндісінің тамшысын тамызады. Еріткіш ертіндіден суға ӛтіп, тесікте липид пленкасы қалып қояды. Бҧл пленка спонтандық тҥрде қашан қалыңдығы 6 нм бимолекулярлық қабат пайда болғанша жіңішкере береді. 43

44 Жазық липидті мембраналар липосомдармен бірге модель ретінде мембрананың электрлік қасиеттерін, олардың ӛтімділігін зерттеуде ғылыми жҧмыстарда қолданылады. Модельдік мембрана арқылы - биологиялық мембраналардың бір функцияларын, соның ішінде барьерлік қасиеттерін зерттейді. Мысалы: селективті - яғни су ҥшін жақсы ӛтімділік болса, иондар ҥшін нашар болады. Мембранаға тасымалдаушы молекуланы енгізіп, биологиялық тасымалдануды моделдеуге болады. 44

45 ІІІ тарау. БИОЛОГИЯЛЫҚ МЕМБРАНАЛАРДЫҢ ӚТКІЗГІШТІГІ МЕН ЗАТТАРДЫ ТАСЫМАЛДАУЫ 3.1. Биологиялық мембрана арқылы заттардың тасымалдануы. Мембрана арқылы пассивті тасымалдану Тірі биологиялық система бҧл ашық система, сондықтан биологиялық мембрана арқылы заттардың тасымалдануы - ӛмірлік керек жағдай. Мембрана арқылы заттардың тасымалдануымен клеткадағы метаболизм процесі, биоэнергетикалық процесстер, биопотенциалдардың пайда болуы, нерв импульсінің генерациялануы, т.б. тығыз байланысты. Биомембрана арқылы заттардың тасымалданының бҧзылуы әр тҥрлі патологиялық ауруларға әкеліп соғады, оларды емдеу процесі дәрілердің клеткалық мембрана арқылы ӛтуімен тығыз байланысты. Дәрілік препараттардың эффективтілігі негізінен осы мембрана арқылы олардың ӛтімділігіне байланысты болады. Заттардың тасымалдануын анықтауда электрохимиялық потенциал ҧғымы маңызды роль атқарады. Берілген дененің μ х химиялық потенциалы деп сан жағынан Гиббс энергиясына тең осы заттың бір моліне келетін шаманы айтады. Математикалық тҥрде химиялық потенциал температура мен қысым және басқа да заттардың мӛлшері тҧрақты кезде Гиббс энергиясынан (G) заттың K мӛлшері арқылы алынған жеке туындысына тең болады. m 1 (l k) G х m (1) k PTm k Араластырылған С-концентрациясы бар заттың ерітіндісі ҥшін 0 RTnC (2) Мҧндағы μ 0 стандарттық химиялық потенциал, ол берілген заттың концентрациясы 1- моль/л ерітіндідегі химиялық потенциалы. Электрохимиялық потенциал деп ~ электр ӛрісіне орналастырылған берілген заттың бір моліне тең Гиббс энергиясының шамасын айтады. Араластырылған ерітінді ҥшін ~ RTnC +ZFφ (3) 0 Мҧндағы: F = Кл/моль Фарадей саны Z - электролиттегі ионның заряды 45

46 φ - электр ӛрісінің потенциалы T - температура Биологиялық мембрана арқылы заттардың тасымалдануын екі негізгі тҥрге бӛлуге болады. 1. Пассивті 2. Активті Пассивті транспорт /тасымалдану/ - бҧл заттардың электрохимиялық потенциалы кӛп жерінен оның аз жеріне тасымалдануы. Пассивті транспорт Гиббс энергиясының азаюымен ӛтеді. Сондықтан бҧл процесс ӛздігінен ешқандай энергия шығынысыз ӛте береді сурет Пассивті тасымалданудың схемасы Пассивті тасымалдану кезінде зат ағымының тығыздығы Теорелла теңдеуіне бағынады. d ~ J m ис dx (4) Мҧндағы u бӛлшектердің қозғалғыштығы, С концентрациясы, минус таңбасы тасымалдану ~ - дің кему бағытына қарай ӛтетінін кӛрсетеді. Заттар ағымының тығыздығы деп сан жағынан бірлік аудан арқылы тасымалданатын зат мӛлшеріне тең шаманы айтады. m St моль 2 м c J m (5) [J m ]= 4 ші теңдеуге 3 ші теңдеуді қойып араластырылған ерітінді ҥшін ~ const кезіндегі Нернст - Планк теңдеуін аламыз. 0 J m dc d URT UCZF dx dx (6) Сонымен пассивті транспорт кезінде екі себеп болуы мҥмкін dc 1. Концентрация градиенті - dx 2. Электр потенциалының градиенті d dx 46

47 Градиенттер алдындағы минус таңбасы концентрация градиенті заттардың тасымалдануы концентрациясы кӛп жерден, концентрациясы аз жерге тасымалданатынын кӛрсетеді. Ал электр потенциалының градиенті оң зарядты жоғары потенциалдан тӛмен потенциалға тасымалданатынын кӛрсетеді. Кейбір жағдайда осы пассивті тасымалдаудың екі себебінің қайсысы бір-бірінен ҥлкен болса соған қарай тасымалдану процесі жҥреді. d 1. Егер - болса онда зат потенциалы кіші жерден dc > dx dx потенциалы ҥлкен жерге тасымалданады. 2. Егер dc - болса онда зат концентрациясы кіші жерден d > dx dx концентрациясы ҥлкен жерге қарай тасымалданады. Электролит / Z=0/ жоқ болса, немесе электр ӛрісі болса, Теорелла теңдеуі мына теңдеуге ӛтеді. dc J m URT dx (7) d =0-ге тең dx Эйнштейн қатынасына сәйкес диффузия коэффициенті D=URT (8) Онда бізге бҧрынан физика курсынан таныс диффузия процесін сипаттайтын Фика теңдеуін аламыз. dc J m D dx (9) Мембрана арқылы ӛтетін пассивті тасымалданудың негізгі классификациясы мынадай: Пассивті тасымалдау жай диффузия мен жеңілдетілген диффузияға және фильтрацияға бӛлінеді. Ал жай диффузия 4-ке бӛлінеді: 1. Липидті қабат арқылы; 2. Липидті би қабаттағы кеуек арқылы; 3. Белоктық кеуек арқылы; 4. Осмос арқылы ӛтеді. Жеңілдетілген диффузия 2-ге бӛлінеді: 1. Қозғалғыш (переносчик) тасымалдаушы арқылы; 2. Тҧрақталған тасымалдаушы (фиксарованный) арқылы. Диффузия молекуланың жылулық қозғалысы арқылы зат мӛлшерінің ӛздігінен концентрациясы кӛп жерден 2-ші концентрациясы аз жерге орын ауыстыратын процесі. Липидті би қабат арқылы заттардың диффузиясы мембранадағы концентрация 47

48 градиенті арқылы жҥзеге асады. Тасымалданатын зат мӛлшерінің ағымының тығыздығы Фика заңы бойынша J m m m m m C2 C1 C1 C2 DgradС D D (10) Мҧндағы: m C 1 - мембрананың бір бетіндегі заттың концентрациясы m C 2 - мембрананың екінші бетіндегі заттың концентрациясы l - мембрана қалыңдығы. m m C 1 және C 2 концентрацияларын ӛлшеу қиын болғандықтан практикада мембрананың сыртқы бетіндегі ерітінді концентрациясымен мембрана арқылы ӛтетін зат ағымы тығыздығы арасындағы байланыс формуласын қолданады.(3.2.-сурет) J m =P(C 1 C 2 ) (11) Мҧндағы Р мембрананың ӛтімділік коэффициенті Ӛлшем бірліктері: моль м с моль м J С 2 Р 3 м с 3.2.-сурет. Мембрананың липидті биқабаты арқылы ӛтетін жай дифузия схемасы. Мембрананың ӛтімділік коэффициенті мембрана мен тасымалданатын заттардың қасиетіне байланысты. Егер мембрана ішіндегі зат концентрациясы мембрананың сыртқы бетіндегі зат концентрациясына пропорционал болса C m m 1 KC 1 (12) К шамасы бӛліну коэффициенті деп аталады, ол мембрананың ішкі бетіндегі және одан тыс сыртқы бетіндегі зат концентрациясының қатынасын білдіреді теңдеуді Нернст Планк (6)-шы теңдеуге қойып, мына теңдеуді аламыз: C 2 =КС 2 (12) 48

49 J m Dk (13) C 1 C 2 13-ші және 11-ші теңдеуден, ӛтімділік коэффициенті DK P (14) Ӛтімділік коэффициенті диффузия коэффициенті кӛбейген сайын (мембрана тҧтқырлығы азайған сайын) және мембрана қалыңдығы жіңішке болған (азайған) сайын кӛп болады және заттың мембранадағы ерігіштігі жақсы болады. Мембрананың фосфолипидті фазасында полярлы емес заттар жақсы ериді. Мысалы: органикалық майқышқылдар, эфирлер. Бҧл заттар мембрананың липидті фазасы арқылы жақсы ӛтеді. Липидті би қабат арқылы полярлы суда ерігіш ерітінділер: - тҧздар, негіздер, қанттар, аминқышқылдар, спирт нашар ӛтеді сурет. Липидті молекуланың толық кӛмірсутекті тізбегінің трансконфигурациясы (а) және гош-транс-гош конфигурациясы (б) Соңғы кездерде липидті би қабатты мембранадан майда полярлы молекуланың (енуін) ӛтуін фосфолипидті молекуланың майқышқылды қҧйрықтарының арасында молекуланың жылулық қозғалысы мен липидті молекуланың гош-транс-гош конфигурациясының әсерінен пайда болған аздаған еркін бос кинктердің /ағылш. Kink петля - тҧзақ / кеңістігімен тҥсіндіріледі.(3.4.-сурет). Кинки қҧйрықтары жылулық қозғалыстың әсерінен мембрана кӛлденеңі арқылы орын ауыстырып, ӛзіне тҥскен майда молекуланы, ең бірінші судың молекуласын тасымалдайды. Липидті және белоктық порлар (кеуек) арқылы мембрананы тесіп липидте ерімейтін зат молекулаларымен суда еритін гидроатиролдық иондар ӛтіп кетеді. Май ерімейтін заттар және иондар ҥшін мембрана молекулярлық елгезек (сито) ролін атқарады, молекуланың ӛлшемі ҥлкейген сайын мембрананың ӛтімділігі осы зат ҥшін аз болады. 49

50 3.4.-сурет. Валиномицин молекуласының қҧрылымы. а) химиялық формула б) жалпы тҥрі (дӛңгелектермен-химиялық топтар, екі сызықпен сутектік байланыс белгіленген) Биологиялық мембранада диффузияның тағы бір тҥрі жеңілдетілген диффузия анықталған. Жеңілдетілген диффузия тасымалдаушы молекуланың қатысуымен жҥзеге асады. Мысалы: валиномицин калий ионын тасымалдаушы. Валиномицин молекуласы ішкі жағынан полярлы, ал сыртқы жағынан полярлы емес топтармен қапталып, форма жағынан манжетка сияқты болып келеді. Ӛзінің химиялық қҧрылысының ерекшелігіне байланысты валиномицин бірден калий ионымен комплекс қҧруға дайын, олардың молекуласы манжетканың ішкі жағына енеді, екіншіден валиномицин мембрананың липидті фазасында ерігіш, себебі оның сыртқы жағындағы молекулалары полярсыз. Валиномицин молекулалары мембрананың беткі қабатында орналасып оны қоршаған ортадағы ерітіндіден калийдің ионын ҧстап алуы мҥмкін. Мембранада диффузия қҧбылысының нәтижесінде молекулалар калийді мембрана арқылы ӛткізіп, оның кейбір иондарын мембрананың басқа бетіндегі ерітіндіге береді. Сонымен мембрана арқылы валиномицин калийдің ионын тасымалдап ӛткізеді. Валиномициннің мембрана арқылы калий ионын алып ӛту схемасы 3.5.-суретте келтірілген. Валиномициннің мембрана арқылы калий ионын тасымалдауы екі бағытта да ӛтуі мҥмкін. Егер мембрананың екі жағындағы калий ионының канценрациясы бірдей болса, онда екі жақта да калий ағыны бірдей болып мембрана арқылы калий ӛтпейді, яғни тасымалданбайды. 50

51 3.5.-сурет. Валиномициннің мембрана арқылы калий ионын тасмалдау схемасы. Егер бір жақтағы калий ионының концентрациясы басқа беттегі концентрациядан кӛп болса [К + ] 1 > [К + ] 2 онда бҧл жерде иондар тасымалдаушы молекуламен жиі ҧсталып, калийдің концентрациясы кішірейген жағына қарай оның ағыны кӛбейеді. Жеңілдетілген диффузия тасымалданатын заттың концентрациясы кӛп жерден аз жағына қарай жҥзеге асады. Жеңілдетілген диффузия мен биологиялық мембрана арқылы аминоқышқылдар, қант және басқа да биологиялық маңызды заттардың тасымалданып ӛтуі тҥсіндіріледі. Жеңілдетілген диффузияның жай диффузиядан айырмашылығы: 1. Тасымалдаушы молекуланың қатысуымен заттың ӛтімділігі тасымалдануы анағҧрлым тездетіледі. 2. Жеңілдетілген диффузия қанығу қасиетіне ие болады. Мембрананың бір жағындағы концентрация кӛбейсе зат ағымының тығыздығы белгілі бір шекке дейін ӛседі, бҧл кезде тасымалдаушы барлық молекулалар толып бос болмайды. (3.6.-сурет). 3. Жеңілдетілген диффузия кезінде тасымалданатын заттардың ӛзара бәсекелестігі конкуренциясы байқалады, яғни әртҥрлі заттар тасымалданатын болса олардың ішіндегі біреуі мембранадан жақсы ӛтеді, қанттардың ішінде глюкоза фруктозаға қарағанда жақсы ӛтеді сіңіріледі фруктоза кислозаға, ал кислоза арабиозаға қарағанда жақсы ӛтеді. 51

52 3.6.-сурет. Жай (1) және жеңілдетілген (2) дифузия кезіндегі клеткаға биологиялық мембрана арқылы тасымалданатын зат ағымы тығыздығының клетка сыртындағы концентрацияға байланыстығы. 4. Жеңілдетілген диффузияны ӛткізбейтін яғни блокировка жасайтын кейбір заттар болады олар, тасымалдаушы молекуламен тығыз байланыс тҥзейді. Мысалы: Флоридзин биологиялық мембрана арқылы қанттың тасымалдануын тоқтатады. Жеңілдетілген диффузияның әртҥрлілігіне қозғалмайтын молекула кӛмегімен тасымалдану жатады. Бҧл жағдайда тасымалданатын заттың молекуласы тасымалдаушы молекуланың біреуінен екіншісіне эстафета сияқты беріліп отырады. Фильтрация бҧл қысым градиентінің әсері арқылы ерітіндінің мембрана кеуектілігіндегі қозғалысы. Фильтрация кезінде тасымалдау жылдамдығы Пуазейль заңына бағынады. dv P 1 P2 P = (15) W 52 dt W Мҧндағы: dv - ерітіндінің тасымалдануының кӛлемдік жылдамдығы. dt W 8 4 R гидравликалық кедергі, сонда dv dt PR 8 (16) - кеуектің ҧзындығы R кеуектің радиусы η ерітіндінің тҧтқырлық коэффициенті Р қысымдар айырмасы Фильтрация қҧбылысы суды қан тамырлары арқылы тасымалдауда маңызды роль атқарады. Осмос су молекулаларының жартылай ӛткізгіш мембрана арқылы зат ерітіндісінің концентрациясы аз жерден, концентрациясы кӛп жерге дейінгі басымдылық қозғалысын және судың жай 4

53 диффузиясы кезіндегі оның концентрациясы кӛп жерінен, концентрациясы аз жеріне дейінгі қозғалысын тҥсіндіреді. Осмос кӛптеген биологиялық қҧбылыстарда маңызды роль атқарады Заттардың активті тасымалдануы. Уссинг тәжірибесі Активті тасымалдану бҧл заттардың электрохимиялық потенциалы кіші жерден ҥлкен жерге қарай тасымалдануы.(3.7.- сурет). Мембранада активті тасмалдану кезінде Гиббс энергиясы ӛз бетінше ӛте алмайды, ол АТФ макроэргиялық байланыстағы қорланған энергияны шығару арқылы жҥреді сурет. Активті тасмалдану схемасы. Биологиялық мембрана арқылы активті транспорттың ӛтуінің маңызы ӛте зор. Активті транспорт арқылы организмде концентрация градиенті, электр потенциалының градиенті, қысым градиенті т.б. ӛмірлік қажетті процесстерді ҧстап кӛмектесіп тҧрады. Термодинамикалық кӛзқарастан қарағанда активті тасымалдану организмді тепе теңсіздік жағдайда ҧстап ӛмір сҥруге кӛмектеседі. Биологиялық мембрана арқылы активті транспорттың ӛтетінін бірінші рет 1949 жылы Уссинг тәжірибесі дәлелдеп берді. Онда қҧрбақа терісі арқылы натрий иондарының ӛтуі процесі анықталады. Уссинг эксперименталды камерасы Рингер ерітіндісімен толтырылып қҧрбақаның жаңадан алынған терісімен екіге бӛлінеді. Суреттегі сол жақтағы қҧрбақа терісінің сыртқы мукоздың беті, ал оң жағында ішкі сероздың беті. (3.8.-сурет). Қҧрбақа терісі арқылы натрий ионының ағыны: солдан оңға қарай сыртқы бетінен ішіне қарай және оңнан солға қарай ішкі бетінен сыртқы бетіне қарай ӛтеді. 53

54 3.8.-сурет.Уссинг тәжірибесінің схемасы. (А амперметр, V вольтметр, П потенциометр, Б тоқ кӛзі) Пассивті транспортты сипаттайтын Теорелла теңдеуінен, осы процестерді сипаттайтын Уссинг Теорелла теңдеуі шығады. J J zf m 1 ішкі сырт RT e (1) m сырт C C ішкі (Рингер ерітіндісін бӛліп тҧрған қҧрбақа терісінде потенциалдар (φ ішкі φ сырт ) айырымы пайда болады, терінің ішкі жағы сыртқы бетіне қарағанда оң потенциалға ие болады. Уссинг қондырғысында кернеуді компенсациялайтын блок яғни потенциометр болғандықтан, оның кӛмегімен қҧрбақа терісіндегі потенциалдар айырымы 0-ге теңестіріліп отырған, ол вольтметрдің кӛрсетуімен бақылауда болады. Сонымен қатар терінің ішкі және сыртқы бетіндегі концентрациялар да бірдей етіліп отырады. С сырт = С ішкі Осындай жағдайда қҧрбақа терісі арқылы натрий иондарының ӛтуі тек қана пассивті транспорт арқылы жҥзеге асатын болса, онда Уссинг Теорелла теңдеуіне сәйкес J ішкі және J сырт ағындары бір біріне тең болулары керек етін. J m ішкі = J m сырт Мембрана арқылы ӛткен толық ағын қосындысы нольге тең болуы керек. Бірақ амперметрдің кӛрсетуі бойынша тәжірибе жағдайында (электр потенциалы мен концентрация градиенті жоқ кезде) қҧрбақа терісі арқылы электр тогы жҥрген, яғни біржақты зарядталған бӛлшектердің тасымалдануы болған. Тағайындалғандай тері арқылы ӛткен ток сыртқы ортадан ішіне қарай ӛткен. Таңбалы атом әдісімен дәлелденгендей терінің ішкі жағына қарай аққан натрий ағындары сыртқы бетіне қарай аққан ағынға қарағанда кӛп болған. J m ішкі J m сырт 54

55 Бҧл ҥшін эксперименттік камераның сол жағындағы ерітіндіге камерадағы Na 22 изотопы, ал оң жағына Na 24 изотопы жіберілген. Na 22 изотопы қатты γ кванттарын шығару арқылы ыдырайды, ал Na 24 изотопы жҧмсақ β сәулелену арқылы тҥзіледі. γ және β сәулелерін тіркеу Na 22 ағынының Na 24 -ке қарағанда кӛп екенін дәлелдеді. Бҧл эксперименттік тәжірибе, қҧрбақа терісі арқылы ӛтетін Na иондары пассивті транпорттың теңдеуіне бағынбайтынын кӛрсетті, яғни бҧл жерде активті транспорт ӛтеді Электрогенді иондық насостар Қазіргі кӛзқарас бойынша биологиялық мембранада иондық насостар бар, олар АТФ гидролизінің еркін бос энергиялары есебінен жҧмыс істейді. АТФ интегралды белоктардың арнаулы системасы (жҥйесі). Қазіргі таңда электрогендік иондық насостардың 3-типі белгілі олар мембрана арқылы иондарды активті тасымалдайды. (3.9.-сурет). Транспорттық АТФ фаза арқылы иондарды тасымалдау химиялық реакцияның ӛтуімен байланысты клетка метаболизмі есебінен жҥзеге асады. 1. К + - Na + - АТФ фаза арқылы жҧмыс істегенде, әрбір АТФ молекуласының гидролиз кезінде энергияның босануы нәтижесінде, клеткаға калийдің 2 ионы тасымалданып, бір мезгілде клеткадан натрийдің 3 ионы кетеді. Сонымен клеткада клеткааралық ортамен салыстырғанда калий иондарының жоғары концентрациясымен натрий ионының тӛмендетілген концентрациясы пайда болады, ал мҧның физиологиялық маңызы ӛте зор. 2. Са 2+ АТФ фазада АТФ гидролизінің энергиясы есебінен кальцийдің 2 ионы тасымалданады. 3. Н + помпада 2 протон тасымалданады. Иондық АТФ фаза молекулярлық жҧмыс механизмі әліде тҥсініксіз, оған қарамай бҧл тҥрдегі нормативтік процестің негізгі этаптары тағайындалған. Бірінші К + Na + - АТФ фазасында (қысқартып оны Е деп белгілейді) иондар тасмалдануының АТФ гидролизімен байланысқан 7-этаптары белгіленген. Е 1 және Е 2 белгілеулері ферменттік активті центрінің мембрананың ішкі бетінде орналасуымен сәйкес келеді. 55

56 (Аденозиндифосфат АДФ, неорганикалық фосфат Р,Е * - жҧлдызша активті комплекс белгіленген). 1. Е+ АТФ Е*АТФ, 2. Е*АТФ+3Na [Е*АТФ]*Na 3, 3. [Е*АТФ]*Na 3 [E 1 ~P]*Na 3 +АДФ, 4. [E 1 ~P]*Na 3 [E 2 ~P]*Na 3, 5. [E 2 ~P]*Na 3 +2K [E 2 ~P]*K 2 +3Na, 6. [E 2 ~P]*K 2 [E 1 -P]*K 2, 7. [E 1 -P]* К 2 2 E+P+2K. Схемада кӛрініп тҧрғандай ферменттің жҧмыс істеуі негізгі 7 этапқа бӛлінеді: 1. Мембрананың ішкі жағында пайда болатын АТФ ферменттерінің комплексі (бҧл реакция магний иондарымен активтеледі). 2. Бҧл комплекс натрийдің 3 ионын байлайды. 3. Аденозиндифосфат қҧрылуымен ферменттің фосфорлануы жҥреді. 4. Мембрана ішіндегі ферменттердің бҧрылуы (переворот), (флипфлоп). 5. Мембрананың сыртқы бетінде болып (ӛтіп) жатқан натрий иондарын калий ионымен алмастыру реакциясы. 6. Кері айналу (обратный переворот) комплекс ферменттерінің калий ионын клетканың ішіне қарай тасымалдауы. 7. Ферменттердің бастапқы қалыпқа қайта келуі, яғни калий иондары мен неорганикалық фосфаттың босануы. Сонымен толық бір циклда клеткадан натрийдің ҥш ионын лақтырып тастап цитоплазма 2 калий ионымен және гидролиздің АТФ бір молекуласымен толығады сурет.Иондық насостардың тҥрлері. 1. К + -Na + - насос 2. Ca 2+ - насос 3. Н + - насос немесе протондық помпа. 56

57 ші ретті иондардың активті транспорталуы Жоғарыда қарастырылған иондық насостардан, басқа, оған ҧқсас системаларда бар. Оларды затардың жиналуы АТФ гидролизімен емес қышқылды қайта қҧрылатын ферменттерден немессе фотосинтездің әсерінен болады. Бҧл жағдайда заттардың тасымалдануы екінші ретті болады. Олар мембрана потенциалы немесе иондар концентрациясы арқылы мембранадан арнаулы тасымалдаушы арқылы жҥзеге асады. Тасымалданудың мҧндай механизмі екінші ретті активті транспорттау деп аталады. Бҧл механизмді ӛте кең тҥрде зертеген Питер Митчелл болды ол оны тотығудың фосфорланған хемосмотикалық теориясында қарастырды. Қазіргі кезде екінші ретті активті транспорттаудың 3 схемасы терең зерттелген. Жай оңайлатылған тҥрде бір валентті иондардың тасушы молекуласының қатысуымен тасымалдануы қарастырылған. Тасымалдаушы энергия кӛзіне мембрандық потенциал немесе бір ионның концентрациясы мен градиенті атқарады. 1. Біржақты бағытталған комплекстегі иондардың тасымалдануы арнаулы тасымалдаушы мен бірге Унипорт деп аталады. Бҧл кезде мембрана арқылы заряд тасымалданады комплекс арқылы, егер тасмалдаушы молекула электронейтраль болса онда тасымалдау зарядталған тасымалдаушымен жҥзеге асады. Тасымалдау нәтижесінде иондардың жинақталуы мембрандық потенциалдық азаюы арқылы жҥзеге асады. Мҧндай эффект энергиясы бір митохондриядағы валиномициннің қатысуымен калий ионының жиналуы кезінде байқалады. Олардың схемасы суретте кӛрсетілген сурет.Иондардың 2-ші ретті активті тасмалдалуының негізгі схемасы 2. Қарама қарсы бағыттағы иондардың тасымалдануы бір орындық тасымалдаушы молекула қатысуымен жҥзеге асса оны антипорт деп атайды. Бҧл жағдайда тасымалдаушы молекула әрбір тасымалданушы молекуламен берік комплекс қҧрады. Тасымалдау 2 этап бойынша 57

58 ӛтеді. Басында бір ион мембрананы солдан оңға қарай кесіп ӛтеді, одан кейін екінші ион кері бағытта қозғалады. Бҧл кезде мембрандық потенциал ӛзгермейді. Бҧл процестегі қозғаушы кҥш тасмалдаушы иондардың бірінің концентрация айырымы болып саналады. Егер басында екінші ионның концентрация айырымы болмаса, онда тасымалдау бірінші ионның концентрация айырымының азайуы нәтижесінде пайда болады. Антипорттың классикалық мысалына мембранасына калий мен сутегі ионының нигерицин антибиотик молекуласының қатысуымен тасымалдануы жатады. 3. Бір жақты бағытталған иондардың тасымалдануы екі орынды тасымалдаушының қатысуымен бірге жҥзеге асуын симпорт деп атайды. Мембранада екі электронейтральды бӛлшек, яғни тасымалдаушы комплексте катион мен анион бірге бос тасымалдаушы болуы мҥмкін. Осы симпорт схемасымен клеткада амин қышқылдарының жиналуы пайда болады. Сонымен қорыта келгенде заттардың активті тасымалдануы мен клеткалық мембранада диффузиялық тасымалдануы қҧбылысының тек бірге жҥзеге асуы, клетканың ӛмір сҥруінің негізі болып табылады. 58

59 ІV тарау. ЭЛЕКТРЛІК ҚҦБЫЛЫСТАР 4.1. Биологиялық жҥйелердің электр ӛткізгіштігі Биологияда жҥйелердің электр тогын ӛткізуін ӛлшеу 2 жағдайда қолданылады. 1. Тірі нәрсенің физиологиялық қасиетін сипатау ҥшін. 2. Функционалдық кҥйлер мен байланыста болатын ӛзгерістерді зерттеу ҥшін. Электр ӛткізгіштік әдісі тірі нәрсенің қҧрылысын ӛзгертпей зерттейді. Бҧл әдіс биологияда Р.Гебердің клетка мен ҧлпаның физико химиялық қҧрылысын зерттеуден басталады. Ол қан мен бҧлшық етің электр ӛткізгіштігін ӛлшеген. Кейін Остергаут қҧрбақа терісі мен балдырлар клеткасын зерттеген Электр ӛткізгіштік кедергіге кері шама. 1 R l 1 S R S R l 1 (1) Ом СименсСм (2) 1 ом RS l Ом м м (3) Ом м Осы меншікті кедергіге кері шаманы меншікті электр ӛткізгіштігі деп атайды. 2 æ 1 l RS м (4) Oм м Ом м 2 Ом м - меншікті кедергі l ӛткізгіштің ҧзындығы S- ӛткізгіштің кӛлденең қимасы Қатты дене, сҧйық және газ меншікті электр ӛткізгіштігімен сипатталады. Дененің электр ӛткізгіштігі деп уақыт бойынша ӛзгермейтін электр ӛрісі әсерінен заттың электр тогын ӛткізу қаблетін айтамыз сурет.Вольт-Амперлік сипаттама а). Тҧрақты кедергісі бар ӛткізгіш ҥшін б). Газоразрядты лампа ҥшін в). Электронды лампа ҥшін 59

60 Биологиялық объектімен жҧмыс істегенде алдымен олардың электр кедергілері анықталады. Кейбір ӛсімдіктердің клетка ҧлпаларының меншікті кедергілері тҧрақты шама болып келеді. Олардың меншікті кедергілері шамамен: Ом/ см= Ом/ м шамасына тең болып келеді, ал бҧл тірі клетканың шала ӛткізгішке жақын екенін кӛрсетеді. Физикадан белгілі ӛткізгіштер меншікті кедергілері жӛнінде 3 тҥрге бӛлінеді. 1. Ӛткізгіштер - = 10 5 Ом м Oм см= 10 3 Ом м 2. Шала ӛткізгіштер - = Ом см = = Ом м 3. Диэлектриктер - > Ом см = 10 8 Ом м Ал биологиялық объектілер ӛткізгіштің де, диэлектриктің де қасиетіне ие бола алады. Клеткалармен тканьдергі бос иондар олардың электр ӛткізгіштігін қамтамасыз етеді. Тірі организмдегі электр тогын электрон, иондар алып жҥреді. Биологиялық жҥйенің электр ӛткізгіштерін ӛлшеу ӛте қиын, себебі олар біртекті орта емес. Кейбір клетканың беттерінде электр тогын ӛткізетін сҧйықтар орналасып токтың шығынға ҧшырауына әкеп соғады. Ткандермен жҧмыс істегенде токтың кӛп мӛлшері клетка арасын толтыратын сҧйықтар арасымен ӛтіп кетеді. Сонымен қатар клетка аралық ортаның клетка аралық қималары да тҧрақты емес. Клеткаларға микроэлектроды енгізу арқылы олардың ішкі кедергілерін ӛлшеу олардың кедергісінің ӛте жоғары екенін кӛрсетеді. Бірақ бҧл шама клетка кедергінің шын мәнін бермейді. Ең сенімді нәтижені тҧнбадағы клетка кедергілерін ӛлшеу арқылы табуға болады. Себебі олардың геометриялық формасы мен кӛлемі ескерілетін жағдайда болады. Суспензиядағы олардың кедергілерін ӛлшеу ҥшін Максвел ҧсынған теңдеу қолданылады. r1 1 r = r2 2 r r1 r2 r1 r Мҧндағы: r - барлық суспензияның меншікті кедергісі. r 1 -дисперсиялық ортаның меншікті кедергісі. r 2 - клетканың меншікті кедергісі. - дисперсиялық фазаның салыстырмалы кӛлемі. (4) 60

61 Эритроциттің тҧрақты токтагы меншікті кедергілерін ӛлшеу олардың Ом см = Ом м екенін кӛрсетті. Бҧл шама шала ӛткізгіш емес диэлектриктерге тән шама. Тірі клеткалармен ҧлпалардын, кедергілерін дәл анықтау олардың электр тогына ӛте сезімтал екеніне байланысы ӛте қиын. Сондықтан клетка мен ҧлпаға электр тогы әсер еткенде олардың кедергісі әр тҥрлі ӛзгереді. Осындай қиындықтарға қарамастан электр ӛткізгіштік ӛлшеу әдіс, олардың бҥтіндігін тҧтастығын ӛзгертпей тірі жҥйемен жҧмыс істеуге және бҧл әдісті барлық тірі клетка мен ҧлпаларға қолдануға мҥмкіндік береді Биологиялық жҥйелерден электр тогы ӛткен кездегі тағайындалған заңдылықтары Тірі клетка мен ткандерден электірлік тогын ӛткізген кезде, ток кҥші тҧрақты болып қалмайды, потенциал берілгеннен кейін токтың шамасы бірден кеміп сонында бастапқы мәнінің деңгейінен де тӛмен болады. Себебі тҧрақты ток биологиялық системадан ӛткен кезде онда керібағытта белгілі бір шекке дейін ӛсетін э.қ.к. пайда болады. Осы қарама қарсы пайда болған э.қ.к.-ті табу (білу) ҥшін кернеу кӛзін электродтардан тез ажыратып бірден гальвонометрге жалғаса кері бағытты ток жҥріп, ол уақыт бойынша азаяды. Қарама қарсы ә.к.к. пайда болуы Ом заңынан ауытқуды кӛрсетеді. Металдарда дәлме дәл орындалатын Ом заңы, тірі организмге сол кҥйінде орындалмайды. Ӛткізгішке берілетін кернеу тҧрақты болса онда ӛтетін ток кҥші де тҧрақты болады бірақ бҧл заң тірі организде орындалмайды Осы жағдай ҥшін Ом заңы былай жазылады. U J (1) R Тірі биологиялық объект ҥшін Ом заңы былайша ӛрнектеледі U P J. (2) R Мҧндағы P = g (t) уақыт функциясы- поляризация қозғаушы кҥші. Байқалған қҧбылыс электролит ертіндісінде болатын қҧбылысқа ҧқсас, ал оған поляризация қҧбылысы сәйкес келеді. Яғни тҧрақты ток ӛткенде кері таңбалы иондардың шоғырлану нәтижесінде қосымша зарядтар пайда болады. Биологиялық системада ток кҥшінің ӛзгеруі олардың ток кҥшін поляризациялай алатын қасиеттерінің бар екендігін кӛрсетеді. 61

62 Тірі организмен ток ӛтіп жатыр делік, оған берілген кернеу ӛзгермесе де, одан ӛтетін ток ӛзгереді, яғни ток кҥші кемиді. Ток кҥшінің кемуі тканьде болып жатқан поляризацияға байланысты. Атап айтқанда, тканьдардың сиымдылық, диэлектрлік қасиеттерінен ток кҥші азаяды. Байланысқан зарядтардың электр ӛрісі әсерінен қозғалуын сӛйтіп электр қозғаушы кҥшінің пайда болуын поляризация деп атайды. Диэлектриктер поляризациясы электрондық иондық - дипольдік - макроструктуралық беттік және электролиттік болып бӛлінеді 1. Электрондық поляризация деп ӛз орбитасында қозғалып жҥрген электроның он зарядталған ядроға қарағанда ығысуын айтады. Бҧл ығысудын нәтижесінде атом бағыты бар дипольге ҧқсап кетеді. Электрондық поляризацияның пайда болу уақытын релаксация уақыты деп атайды Ол τ = с 2. Иондық поляризация деп ионның кристалл торына қарағанда ығысуын айтады. Бҧл кездегі релаксация уақыты τ = с тен болады. 3. Дипольдық поляризация деп полярлық молекулалардың электр ӛрісінде орналасуын айтады. Бҧл поляризацияның релаксация уақыт τ = с тең. 4. Макроструктуралық поляризация заттардың электр қасиеттерінің әр тҥрлілігінен пайда болады. Электр ӛткізгіштігі әр тҥрлі бірнеше қабаттан тҧратын заттын бетінде осы поляризация пайда болды. Бҧл поляразацияда релаксация уақыты τ = с. 5. Беттік поляризация - екі электр қабаттан тҧратын беттерде пайда болады τ= с. 6. Электролиттік поляризация электролиттен ток жҥріп жатқан оған батырылған екі электродтың арасында пайда болады. Бҧл поляризацияның реакциясы уақыты τ = с. Осы айтылған поляризация ткандер мен клеткаларда, жалпы биологиялық объектілерде байқалады. Бҧл поляризациялар заттардың диэлектрлік ӛнімділігімен сипатталады. (Кесте-2) Тірі системада жинақталған электр мӛлшері статикалық сиымдылықтың шамаларымен ғана анықталмай оған ӛте ҥлкен шамадағы салыстырмалы поляризацияланған сиымдылық қосылады. 62

63 Кесте-2 Биологиялық жҥйелердің диэлектрлік ӛтімділіктерінің тҧрақты жиіліктегі ӛзгерісі Биологиялық компоненттер 30 МГц жиліктегі диэлектрлік тҧрақты Майлы ҧлпа 12 Балдыр 140 Ми 160 Бҧлшық ет 110 Қан 140 Су 80 Статикалық сиымдылық жазық конденсатордың теңдеуімен есептеледі. q S U d C 0 (3) Поляризцияланған сиымдылықтың шамасы ток кҥшінің бастапқы және соңғы мәндеріне байланысты болып мына теңдеу бойынша есептеледі. T 0 p T 0 ( J 0 С р поляризациялық сиымдылық R кедергі, J- ток кҥші J 0 ток кҥшінің бастапқы мәні J ток кҥшінің соңғы мәні C R JdT = q (5) - Бҧл Т уақыт ішінде жинақталған заряд мӛлшері. Әртҥрлі биологиялық обектілердің тҧрақты ток ӛткен кездегі ӛлшенген поляризацияланған сиымдылығы ӛте ҥлкен шамаларға ие болады, 0,1мкф /см 2 тан 10 40мкф / см 2 - ке жетеді. Жоғары поляризацияланған сиымдылық тірі бҧзылмаған клеткалардың сипаттамалық қасиеті болып саналады. Тірі клетка мен ткандердің қай жерінде поляризация қҧбылысы пайда болады. Поляризация электролиттің ертіндісінде оған тҥсірілген (ендірілген) электродтарда пайда болады. Олардың иондық адсорбция қҧбылысы қарама қарсы бағытта пайда болатын ә.к.к. туғызады. Электр потенциалдары қойылған кезде пайда болатын поляризация қҧбылысын басқа да модельдерде кӛруге болады. JdT J T ) (4) 63

64 Мысалы кристалдарда, диэлектриттерде. Бҧл жерде поляризацияның 2 тҥрін ажыратуға болады. 1. Беттік. 2. Кӛлемдік. 1. Беттік поляризация (кальцит кристалында) - берілген жҧқа беттік қабатта иондардың электродтың жанында жиналуынан пайда болады. Егер кристалдың беттік қабатын тегістесек поляризация жойылады. 2. Кӛлемдік поляризация (мыс -кварц кристалында) берілген кристалдың барлығы қалындық бойы зарядтардың шоғырлануынан пайда болады. Бҧл кезде беттік жҧқа қабатты алып тастасақта поляризация жоғалмайды. Тірі клеткалар мен ткандерде поляризация қҧбылысын бос еркін иондар туғызады, ал поляризациялық сиымдылық клетканың бетінде жиналып шоғырланады. Биологиялық жҥйе арқылы ток ӛтуі кезінде пайда болатын кейбір заңдылықтарды қарастырайық. Тҧрақты токта биологиялық объектілердің кедергісін анықтау поляризация қҧбылысының нәтижесінде ӛте қиын. Сонымен қатар тірі клетка арқылы электр тогы ӛткенде протпоплазманың дезинтерграция қҧбылысы байқалады, ал бҧл клетканың бҧлінуіне және оның электрӛткізгіштігінің тез ӛсуіне әкеп соғады. Электролит ертіндісіндегі кедергіні анықтау ҥшін поляризация қҧбылысынан қҧтылу ҥшін Кольрауш айнымалы токты пайдалануды ҧсынды. Айнымалы токпен тірі ткандерде жҧмыс істеу барысында, арнаулы кӛпірі бар компенсациялық схемалар пайдалынылады, соның нәтижесінде мына заңдылықтар тағайындалған. 1. Aйнымалы токтағы биологиялық объектінің кедергісі, тҧрақты токқа қарағанда кем болады R<R 2. Егер токтың шамасы физиологиялық нормадан аспаса онда кедергі токтың шамасына байланысты болмайды. 3. Арнаулы кӛпір схемасының айнымалы иініне, Омдық кедергі мен қатар Сиымдылықты пайдалану ӛте тиімді балады. 4. Биологиялық объектілердің физиологиялық кҥйлері ӛзгермесе, берілген жилікте олардың кедергілері тҧрақты болады. 5. Биологиялық системаның физиологиялық кҥйі ӛзгергенде, оның кедергісі де ӛзгереді, ал жансыздана бастағанда кедергі кемиді. 64

65 6. Тірі клетка мен ткандердің электрӛткізгіштігін ӛлшеу, бір тәжірбиенің ӛзін әр тҥрлі жиліктерде қайталауға мҥмкіндіктің болуы оның маңыздылығын арттыра тҥсті. Электролит ертіндісі арқылы айнымалы токты ӛткізгенде олардың электрӛткізгіштігі жилікке тәуелді болмай бірдей мәндерге ие болады (1-10Гц деиін). Биологиялық объектімен, мысалы қанмен жҧмыс істегенде, Гебер мынандай қызғылықты заңдылықты байқады, яғни жоғарғы жиліктегі (10 7 Гц) электрӛткізгіштік тӛменгі жиліктегі электрӛткізгіштікке қарағанда ӛте жоғары болады. Бҧл задылық кейінгі тәжірибелерменде дәлелденді. Яғни биологиялық объектілердің электрӛткізгіштігі жилік ӛскен сайын белгілі бір максимум шамаға дейін ӛседі суретте Филлипсон тәжірибесіне сәйкес (1920) бҧлшық ет кедергісінің айнымалы ток жилігіне тәуелділік графигі берілген сурет.Бҧлшықет кедергісінің тоқ жиілігінің ӛсуіне байланыстылығы. Кейінгі зерттеулерде кӛрсеткендей мҧндай тәуелділік олардың кедергілерінің абсолют мәндеріне байланысты емес кез келген тірі клетка мен ткандерге тән болып шықты. Электрӛткізгіштіктің дисперсиялық зонасы кәдімгі Гц аралық интервалында ӛзгереді. Кӛптеген биологиялық объект ҥшін электрӛткізгіштіктің максималдық мәні 10 6 Гц жилікте байқалады. Тӛменгі жиліктегі тҧрақты ток кезінде тірі биологиялық жҥйедегі электрӛткізгіштіктің дисперсиясының пайда болуы, электрӛткізгіштік поляризациясымен байланысты жилік ӛскен сайын поляризациялық қҧбылыстар аз байқалады. Электркізгіштік дисперсиясы поляризация қҧбылысына қаблеттігі сияқты тек тірі клеткаларға ғана тән. Тәжірибе нәтижелері кӛрсеткендей Дисперсия қисығының крутизна биіктігі - ткань жансыздана бастаған сайын кемиді, яғни тӛменгі кедергі ӛзгермей тҧрақты болып қалады. 65

66 Остергаут ткань жансыздана бастаған кезде оның тӛменгі жиліктегі кедергісінің кеми беретіндігін кӛрсеткен. Одан кейінгі зерттеулерде тӛменгі жилікте кедергілерді ӛлшеу - биологиялық объектілердің кҥйлерін сипаттау ҥшін қолданыла бастады. Бҧл критерий - трансплантацияланатын ткандердің қаншалықты жанды екендігін анықтау мен бағалауда пайдалануда. Бірақ кедергінің абсалют мәнін алу ӛте қиын, себебі ол шама электродтардың ауданына, олардың ара қашықтығына, ткандердің элетродтардың жанында тығыз орналасқанына және объектінің қалындығына т.б. байланысты болады суретте - ӛсімдік ҧлпасының жансызданып бара жатқан кезіндегі ӛзгерісінің электрӛткізгіштік дисперциясы берілген сурет. Ӛсімдік ҧлпасының кедергісінің (R) тоқ жиілігіне байланыстылығы. 1. Қалыпты жағдай; 2.50 С-та 2 мин қыздыру; С-та 4мин қыздыру; мин қайнату кезінде. Биологиялық объектінің физиологиялық кҥйлерін бағалаудың ең бір сенімді жолы - электрӛткізгіштік дисперсиясының (крутизна) тік биіктігін сипаттау. Дисперсияның тік толық қисығын алу техникалық жағынан қиын Б.Н. Тарусов - дисперсияның биіктік қисықтығын сипаттау ҥшін тӛменгі жиліктегі кедергі шамасының жоғарғы жиліктегі кедергі шамасына қатына сын алуды ҧсынды. Кедергіні ӛлшеу ҥшін 10 6 Гц және 10 4 Гц жиліктер таңдалып алынды, себебі кӛптеген жағайда 10 6 Гц жилікте биологиялық объектінің максимал кедергісі байқалады, ал 10 4 Гц жилікте дисперсия қисығының сынуы байқалады. Яғни мынандай коэффициенттер есептеледі R 4 10 K ; R 10 6 R 4 R K ; K 1 R R 66

67 Ал кейбір зерттеулер мен есептеулерде максимал электрӛткізгіштік ҥлкен жиліктерде пайда болатындықтан, кӛбінесе 10 4 Гц жиліктегі кедергі шамасының шексіз жиліктегі кедергісіне қатынасын алады. Биологиялық ткань жансызданған кезде бҧл кӛрсетілген коэффициенттер 1-ге тең болады. Қалыпты, бҥлінбеген клетка мен ткандерде бҧл коэффициенттің мәні эволюциялық қатардағы организмнің орнына байланысты болады. Мысалы: Сҥт қоректенушілер (Мелкопитающих) - бауырларының коэффициенті К = 9 10, қҧрбақаның бауырларының коэффициенті К = 2 3. К-коэффициентінің мәні тканнің зат алмасу қабілетіне де байланысты болады, қалыпты, бҥлінбеген клетка мен ткандерде бҧл коэффициенттің мәні эволюцияллық қатардағы организмнің орнына байланысты болады. Интенсивті зат алмасу органдардың (бауыр, селезенка, ӛт) бҧл коэффициент жоғары болады, ал ол организімнің бҧлшық еттерінде бҧл кӛрсеткіш аз болады. Клетка мен ткандердің электрӛткізгіштігінің дисперсиясының ӛзгеруі олардың поляризациялық қабілеттілігімен тҥсіндіріледі, сондықтан бҧл жердегі келтірілген коэффициентті поляризациялық коэффициент деп атау келісілген Тірі клетка мен ткандердің толық кедергісі (импеданс). Эквивалентті схемалар Биологиялық объектілерден электр тогы ӛткенде тірі клетканың кедергісін Сиымдылық пен Омдық кедергілердің қосындысы тҥрінде қарастыру келісілген. Тҧрақты токқа клетка мен ткандердің кедергілерінің ӛте ҥлкен болуын конденсатордың тҧрақты токты ӛткізбеуінен деп тҥсіндіріледі. Ал айнымалы токты қолданған кездегі алынған нәтижелерді тҥсіндіру ҥшін, омдық кедергі мен сиымдылық кедергісін есепке алуымыз керек. Омдық кедергі денеден ӛтетін токтың жиілігіне байланысты болмайды, ал сиымдылық кедергісі жилік кӛбейген сайын кемиді, ал бҧл барлық клетка мен такандердің электр ӛткізгіштігін ҥлкейтеді. Сонымен клетка мен тканның электр ӛткізгіштік дисперция қҧбылысы ток жилігі кӛбейген сайын сиымдылық кедергісінің кему нәтижесімен тҥсіндіріледі. 67

68 Ӛте ҥлкен жиліктерде клетка мен ткандердің ӛткізгіштігінің ӛсуі онша кӛп болмай тҧрақты болып қалады, ал Гц жилікте максимум ӛткізгіштік пайда болады, себебі бҧл кезде сиымдылық кедергісі практика жҥзінде 0 ге тен болады. Қалыпты жағдайда биологиялық системаның осы жиліктегі токқа кедергісі клеткадағы еркін электролиттердің концентрация мәнімен анықталады. Биологиялық системада сиымдылық элементтерінің болуы фаза ығысуының пайда болу нәтижелерімен тҥсіндіріледі. Егер синусойдалық айнымалы ток тізбегінде тек қана Омдық кедергі болса онда фаза ығысуы болмайды. Бҧл жағдайда ток кҥшінің жарты период ішіндегі ӛзгеру қисығы осы кездегі кернеудің ӛзгеру қисығымен дәл келеді, яғни ығысу фазасының бҧрышы 0 ге тең болады. Сиымдылық кедергісінен айнымалы ток ӛткен кезде ток кҥші максимал мәнге ие болады да айнымалы ә.қ.к -ің шамасы ӛзгеріп тік тӛмендеп немесе тік жоғарылап кетеді. Кернеудің ӛзгеруі бас нҥкте арқылы (0) ӛткенде ток 1 /4 периодқа кернеуді басып озып, яғни фазасының ығысу бҧрышы қа тең болады. Сиымдылық және Омдық кедергілері бар системада фазалық ығысу бҧрышы олардың қатынасымен анықталады. X c tg (1) R 4.4.-сурет. Конденсатор арқылы айнымалы ток ӛткенде тоқ кҥші (J) мен электр ӛрісі кернеулігінің (Е) ӛзгеру қисығы. Биологиялық системалар ҥшін-ығысу фазасының бҧрышы ҥлкен мәндерге ие болады. Ал бҧл биологиялық объектілерде сиымдылық кедергісінің ҥлесі зор болатындығын білдіреді. Мысалы: 10 3 Гц жиіліктегі кейбір биологиялық объектілердегі алынған фазалық ығысу бҧрышы мынандай. 1. Қҧрбақа нервісі Қоян бҧлшық еті Қҧрбақа терісі Адам терісі Ламинария

69 Бҧл келтірілген мәліметтер - ток жилігінің кең кӛлемде ӛзгеруіне қарамай тҧрақты болып қала береді. Себебі биологиялық объектілер сиымдылық Омдық жҥйеге жатады, ал олардағы сиымдылық - негізінен статикалық емес Поляризациялық болып келеді. Статикалық сиымдылығы бар жҥйеде жилік кӛбейген сайын олардың ӛткізгіштігі ӛседі, сонымен қатар фазаның ығысу бҧрышы да ӛседі. Поляризациялық сиымдылығы бар жҥйеде сиымдылық арқылы және Омдық кедергі арқылы ағып ӛтіп жатқан ток шамаларының қатынасы жиліктің белгілі бір шегінде тҧрақты болып қалады. Тірі клеткалардың толық кедергісі импеданс деп аталады. Электротехника мен физикада Импеданс деп активті және рактивті кедергіден тҧратын эффективті кедергіні айтады. Ал реактивті кедергі сиымдылық кедергісі мен индуктивті кедергіден тҧрады. Биологиялық объектілерде ӛзіндік индукция болмайтындықтан импеданс деп тірі клетканың Омдық және сиымдылық кедергілерінің геометриялық қосындысын айтамыз. Тірі клеткалардың электр тогын ӛткізуін сипаттау ҥшін, эквиваленттік схемаға жҥгінеді, яғни Омдық және сиымдылық кедергілерінің комбинациялары арқылы клетканың электрлік параметрлерін моделдеуге тырысады. Жай эквиваленті схемалардың қарастырайық: 1) R X c Омдық кедергі мен сиымдылық кедергілері тізбектей қосылған жағдайда олардан ӛтетін токтың шамалары бір біріне тең болады. J R = J C. Сол кедергілерде болатын кернеудің шамалары мынаған тең болады. 1 U R =J R R, U C = J C X C (2) мҧндағы; X c (3) сиымдылық кедергісі. C Жалпы кедергілерге тҥсірілген кернеу векторлық тҥрде мынаған тең U U R U C (4) Скалар тҥрінде U 2 = J 2 R R 2 + J 2 c X 2 c (5) 69

70 бҧдан U J R (6) C Сонда толық кедергі Импеданс Ζ - мынаған тең Z R n X cнемесеz R (7) 2 2 C 2 1 Ығысу фазасының тангенс бҧрышы мына теңдеумен анықталады. tg U U J j C X R R 1 C R 1 CR C c C (8) R 2) Кедергілер параллель жалғанған жағдайда кедергілерге тҥсірілетін кернеудің шамалары бір біріне тең бірдей болады. U = U R =U C Ал жалпы ток 2- ге жіктеледі. J J R J мҧндағы C U U J R ал J c CU R C 1 (9) Сонда J 2 U R U 1 2 C 2 2 (10) бҧдан J U C (11) 2 1 R 2 Яғни Импеданс мынаған тең болады: Жалпы тҥрде 1 1 i z R 1 R C z 1 R 2 1 (12) 2 C Ығысу фазасының бҧрыштық тангенсі мына теңдеумен анықталады. J C tg CR (13) J R Келтірілген осы жай 2- схеманы толығымен тірі клеткаларға қолдануға болмайды, себебі бҧл 2- схемадағы қолданылатын 2 70

71 жиліктер диапазоны тірі клеткадағы кедергілер ӛлшенетін жилікке сай келмейді. Тӛменгі жилікте Омдық және сиымдылық кедергілерді тізбектей қосу схемасында импеданстың тәжірибелік мәні мен есептеулік мәндерінің бір бірінен ауытқулары кӛп болады. Параллель қосу схемасында жоғары жиліктерде системаның Импедансы 0 ге ҧмтылады. ал тірі биологиялық жҥйелердің импеданстық шамасы тек белгілі бір шамаға дейін ғана кемиді. Тірі клетканы сипаттау кедергілердің жай жалғануы арқылы схемаданда кӛрі кҥрделі схемамен жҥреді. Мысалы: Фрикс пен Морзе қызыл қан тҥйіршіктерінің кедергілерін ӛлшей келе оларды сипаттайтын теңдеуді тапқан ол теңдеулерге мына эквивалентті схема сәйкес келген (4.5-сурет-І) сурет. Эквиваленттік схемалар І- Фрикс пен Морзе схемасы ІІ- Петров схемасы ІІІ-Шванн схемасы Схемадағы: R клеткааралық сҧйықтың кедергісі. R i клетка қҧрылымының кедергісі. R m мембрананың Омдық кедергісі. С мембрананың сиымдылығы. В.А. Петров (1939) - Нерв арқылы баспалдақты кернеудің ӛтуін зерттеген ол электр разрядына ҧқсас процесстің жҥретінін дәлелдеген. Ол осы процесті сипаттайтын (4.5-сурет-ІІ) схеманы ҧсынған. Шванн бҧл процестерді сипаттау ҥшін кҥрделі (4.5-сурет-ІІІ)- схеманы ҧсынған. Бҧл схемалар белгілі бір жағдайда тірі клеткалардың токты қалай ӛткізетіндігінің моделі ролін атқарған бірақ олардың біреуі де 71

72 кҥрделі биологиялық системалардың ӛту заңдылықтарын дәл келтіре алмайды. Кӛптеген зертеулермен дәлелденгендей тірі клетка мен ткандер ҥшін Импеданстың ӛзгеруін айнымалы токтың әр тҥрлі жйліктерінде анықтауға болады. Бҧл кезде реактивті және активті кедергілер ӛзгереді. Практикада кӛбнесе тірі жҥйелердің электрӛткізгіштігін анықтауда негізінен компенсацияланатын жағына Омдық кедергі мен Сиымдылық кедергісін параллель жалғанған кӛпірлік схема қолданылады. Мҧндай схема тірі клеткаға ең 1- ші жақындатылған жағдайды ғана моделдеу ҥшін қолданылады, бірақ оны қолдану арқылы жақсы нәтижелер алуға болады. Электротехника мен физикадан белгілі Реактивті және активті кедергілерді параллель жалғаған кезде, ол айнымалы ток жилігіне тәуелді функция болып табылады да мына теңдеу бойынша анықталады. R X R (14) R 1 CR ω активті кедергі қҧраушысы. 2 CR 2 (15) X 1 CR 2 ω - реактивті кедергі қҧраушысы. Сонда импеданс Z 2 2 R X (16) Импеданстық жиліктік байланыс тәуелділігі кӛбнесе дӛңгелек векторлық диаграмма тҥрінде сипаталады (ӛрнектеледі). Ол диаграмма мына тҥрде салынады, абсцисса осіне биологиялық объектінің активті кедергісі - R ω, ал ордината осіне реактивті кедергісінің сол бірдей жилікте табылған шамасы - Х ω салынады.(4.6- сурет) Ең тӛменгі жилікке сай келетін Активті кедергінің шамасы координатаның бастапқы осінен алыста орналасады, ал жоғары жилік кедергінің шамасы координатаның бас осіне жақын орналасқан. Реактивті кедергінің шамасы бҧл 2 - шеткі жағдайдада минимал мәнге ие болады. Реактивті кедергінің максимал мәні орта жилік облысында жатады. Себебі аз тӛменгі жиліктерде токтың ең кӛп мӛлшері, Омдық кедергі арқылы ӛтеді, ал жиліктің ӛсуіне қарай - 72

73 сиымдылықтан ӛтетін ток шамасының ҥлесі де ӛседі, ал бҧл бҥкіл системаның электр ӛткізгіштігінің ӛсуіне әкеп соғады. Жоғары жилікте поляризацияланған сиымдылықтың мәні О ге ҧмтылады сурет. Ҧлпаның Импеданс годографы Әр бір жҧп пар R ω мен Х ω - ның мәндері ҥшін импеданс векторларды қосу ережесімен анықталады. 2 Z R X (17) Ол графиктік тҥрде координатаның бас нҥктесінен шығатын тҥзу кесіндімен анықталады жиліктің ӛзгеруіне байланысты вектордың бағыты мен ҧзындығы ӛзгереді де аяғы доға мен бітеді. Поляризация коэффициенті сияқты дӛңгелек диаграмманы тірі жҥйенің ӛмірсҥргіш қаблеттілігін анықтау ҥшін қолдануға болады. Ал тірі жҥйенің физиологиялық кҥйлерін сипаттау ҥшін жалпы кедергінің жилікке байланысты графигін қолдану ӛте қолайлы болады. Бҧл жағдайда абсцисса осіне ток жилігінің логарафимі, ал ордината осіне жалпы кедергінің мәні салынады. Сонымен қатар тірі жҥйенің ӛмірсҥргіштік қаблеттілігін сипаттау ҥшін жилікпен байланысты ӛзгеретін фазалық ығысу бҧрыштың тангенсін алуға болады. X tg CR (18) R Сонымен қорыта келгенде жануарлар мен адамдар организмі тҧрақты токты ӛз бойынан ӛткізе алады. Тірі организмде Индуктивтік катушкаға барабар болатын жҥйе жоқ, сондықтан организм ҥшін Индуктивтік кедергі 0 ге тең. Олай болса тірі организмнің толық кедергісі немесе Импедансы актив кедергі (R) мен сиымдылық кедергісінен (Х с ) тҧрады. Организмнің импедансы сол организмнің физиологиялық қасиеттеріне тікелей байланысты. Жҥрек соғуының ӛзгеруіне байланысты организмге 73

74 баратын - таралатын қанның мӛлшері де ӛзгеріп отырады, осыған байланысты организмнің импедансы да ӛзгереді. Яғни импеданстың ӛзгеруіне қарап жҥрек жҧмысын тексеруге болады. Осы әдісті реография деп атайды. Онымен мидың реограммасын (реоэнцефалограмма), жҥректің реограммасын (реокардиограмма)т.б. жазып алуға болады. 74

75 V тарау. БИОЭЛЕКТРЛІК ҚҦБЫЛЫСТАР 5.1. Биоэлектрлік потенциал Биологиялық мембрананың ең негізгі атқаратын функциясының бірі биопотенциалдарды генерациялау мен оларды жеткізіп беру болып табылады. Бҧл қҧбылыс клеткалардың қозу негізінде жҥзеге асады, оларға клетка ішінде ӛтетін процестердің реттелуі, нерв жҥйесінің жҧмысы, бҧлшық еттер жиырылуы мен рецепция жатады. Медицинада органдар мен (ткань) ҧлпалардың биопотенциалының пайда болуы нәтижесінде олардың электр ӛрістерін зерттеу емдеу (диагностика) әдістерінің негізі болып табылады. Оларға электрокардиография, электроэнцефалография, электромиография және т.б. жатады. Ҧлпалар мен мҥшелерге емдік әсер ету электростимуляция кезінде сыртқы электр импульстары арқылы жҥзеге асады. Ӛмір сҥру процесі кезінде жасуша мен ҧлпаларда электр потенциалдарының айрымы пайда болуы мҥмкін. Олар 2 жолмен ӛтеді. 1. Бір молекуладан 2 ші бір молекулаға электрондардың тасымалдануы нәтижесінде тотығу тҧрақтану потенциалы жҥреді (окислительно востановительная). 2. Мембрана арқылы иондардың тасымалдануы яғни иондардың концентрация градиентінің пайда болуы нәтижесінде мембрандық потенциал пайда болады. Организмде тіркелген биопотенциалдар бҧлар негізінен мембрандық потенциалдар. Мембрандық потенциалдар деп цитоплазманың ішкі және сыртқы беттерінің арасында пайда болатын потенциалдар айырмын айтамыз. φ М = φ іш - φ сырт (1) Биопотенцияалдарды зерттеу негізінен 3 тҥрлі жолмен жҥзеге асады: 1. Клетка ішілік потенциалдарды ӛлшеуге арналған Микроэлектродтық әдісі арқылы. 2. Биопотенциалдарды кҥшейтетін арнайы кҥшейткіштер арқылы. 3. Зерттеуге қолайлы ҥлкен клетка таңдалынып алынды солардың ішінде Кальмар аксонын пайдаланып жҥргізілген тәжірбиелер арқылы. 75

76 Кальмар аксонының диаметрі - 0,5 мм жетеді, бҧл омыртқалы жануарлар мен адам аксонынан есе ҥлкен. Осы ҥлкен гиганттық аксонның маңызды физиологиялық қасиеті - оның нерв импульсінің нерв тамырлары арқылы таралуы ӛте жылдам ӛтеді. Биофизика ҥшін Кальмар аксоны биологиялық ӛте қҧнды модельдік материал болды, сондықтан қҧрбақа (Париж), ит (С. Петербург) сияқты ғылымға сіңірген еңбегі ҥшін оған да ескерткіш орнату туралы ҧсыныстар болды. Гиганттық Кальмар аксонына оның ешқандайда қҧрылымын ӛзгертпей Микроэлектродтарды енгізуге болды. Шыныдан жасаған микроэлектрод ҧш жағы ҧзартылған шыны микропипеткаға ҧқсас болып келеді. (5.1-сурет) сурет. Биопотенциалдарды ӛлшеудің микроэлектродтық әдісі а) Шыны микропипетка б) Шыны микроэлектрод в) Мембрана потенциалын тіркеу схемасы. Шыны микроэлектродтық ҧшының қалындығына сәйкес келетін Меттал электрод пластикалық иілгіш болып клетканың мембранасын тесіп ӛте алмайды, сонымен қатар ол поляризацияиаланады. Электродтың поляризациясынан қҧтылу ҥшін поляризацияланбайтын электродтар қолданылады. Мысалы: Сырты AgCl - тҧзымен қапталған кҥміс сым электрод КCl немесе NaCl ертіндісіне толтырылған микроэлектродқа батырылды (желатинизированный агар-агаром) (5.1-б-сурет) 2-ші электрод салыстыру ҥшін клетканың сыртқы бетіне орналастырылды. (5.1-в-сурет) Тҧрақты ток кҥшейткішінен тҧратын регистрация тіркегіш Р қондырғы мембрананың потенциалын ӛлшейді. φ М = φ іш - φ сырт