| بیوفیزیک سلولی شاخه‌ای از بیوفیزیک است که در آن مباحثی نظیر غشاهای سلولی ، پدیده انتشار ، انتشار تسهیل شده ، انتقال فعال ، اسمز و پدیده دونان مورد بررسی قرار می‌گیرد. امروزه الگوها و طرح های مختلفی از غشا به منظورهای پزشکی و صنعتی در مراکز تحقیقاتی مختلف دنیا ساخته می‌شود. |
مقدمه
ترکیبات عمده تشکیل دهنده
غشاهای زیستی ،
لیپیدها و
پروتئینها هستند. غشای سلولهای پستانداران شامل مقدار کمی
کربوهیدرات به صورت اتصال یافته با پروتئین (گلیکوپروتئین) و یا لیپید (گلیکولیپید) است. غشای سلولها بیشتر از
فسفولیپیدها ساخته شده‌اند. پروتئینهای غشایی را به دو گروه تقسیم می‌کنند. پروتئینهای سراسری و پروتئینهای پیرامونی. روشهایی نظیر
طیف سنجی فلورسانس و NMR قابلیت حرکت دو لایه لیپیدی را تایید می‌کنند. لیپیدهای غشایی همانند کریستال مایع رفتار می‌کنند و دارای سیالیت و تغییر پذیری هستند. این حالت برای غشای سلول توانایی انجام اعمال مهم غشایی را فراهم می‌کند. کانالهای متعددی در غشا وجود دارد که مولکولها و یونهای کوچک از آنها می‌گذرند.
غشای سلول به عنوان خازن الکتریکی
به استثنای قسمت مجاور سطوح غشای سلول ، بارهای منفی و مثبت دقیقا با یکدیگر برابر هستند. این موضوع موسوم به اصل خنثی بودن الکتریکی است. به این معنی که به ازای هر
یون مثبت یک
یون منفی در همان حوالی برای خنثی کردن آن وجود دارد. در غیر این صورت
اختلاف پتانسیلهایی به میزان بیلیونها ولت در خارج مایعات ظاهر می‌گشت.
هنگامی که یونهای مثبت به خارج از غشا تلمبه زده می‌شوند این بارهای مثبت در طول سطح خارجی غشا صف می‌کشند و آنیونهایی که در داخل غشا باقی مانده بودند در طول سطح داخلی غشا صف می‌کشند. این امر یک لایه دیپولی از بارهای مثبت و منفی بین داخل و خارج غشا ایجاد می‌کند، این همان اثری است که هنگامی که سلاحهای یک
خازن الکتریکی دارای
بار الکتریکی می‌شود، بوجود می‌آید. لایه دو طبقه چربی به عنوان یک عایق برای خازن غشای سلول عمل می‌کند.
انتشار
اجسام به حالت حل شده مایل هستند تمام حجم حلال خود را بطور یکنواختی اشغال کنند.
انتشار پدیده‌ای عمومی است و بر همه اجسام و همه حلالها مجری است. هر چه غلظت ماده منتشر شونده بیشتر بوده و وزن مولکولی آنها کمتر و چسبندگی محیط نیز کمتر باشد، انتشار سریعتر است. انتشار یک پدیده فیزیکی است و جهت حرکت و جابجایی مواد ضمن انتشار از محیط پر غلظت به طرف محیط کم غلظت است. برای سازگاری برخی سلولها با پدیده انتشار ، ویژگیهای آنها به شکل خاصی تغییر می‌کند، مثلا
سلولهای ماهیچه‌ای طولی تا 10 سانتیمتر و ضخامتی حدود 100 - 10 میکرومتر دارند. بعد مسافت و سرعت انتشار در سلولها مهم است.
اسمز
عبور مولکولهای
آب از پرده‌های دارای تراوایی نسبی را
اسمز می‌گویند. عبور آب از غشای سلولی و ورود آن به سلول یا خروجش از سلول می‌تواند به صورت پدیده اسمز باشد. فشار اسمزی را می‌توان از رابطه زیر بدست آورد: p = mRT/V ، که P= فشار اسمزی ، m= تعداد ذرات__ ، R= ضریب ثابت گازها ، T= درجه حرارت مطلق و V= حجم ، می‌باشد. فشار اسمزی مانند فشار گازها به درجه حرارت و حجم بستگی دارد. غلظت اسمزی
پلاسما را تونیسیته می‌نامند. نقطه انجماد پلاسمای خون حدود 0.54 درجه سانتیگراد است و با غلظت اسمزی 290 میلی اسمول در لیتر مطابقت دارد.
انتشار تسهیل شده
سد بین دو فاز در غشای سلولها اغلب یک لایه سلول می‌باشد که این سدها عبور مواد را به طریقه انتشار آزاد به تاخیر می‌اندازند. مواد غذایی باید اجازه ورود به درون سلول را داشته باشند و همچنین مواد زاید باید از سلول خارج شوند. در بسیاری از موارد اندازه ذرات بزرگ است و به طریقه انتشار نمی‌توانند از غشای سلول عبور کنند و برای عبور از غشا نیاز به حاملها و کانالهایی دارند. در انتشار تسهیل شده ، اجزای ویژه‌ای از غشاهای زیستی با حل شونده‌های خاص برهم کنش دارند که باعث تسریع عبور ذرات از غشاهای زیستی می‌شوند.
مکانیزم کانالها و حاملها
حاملها و کانالها ، دو رده مهم از حد واسطهای انتقال هستند. جنس اینها از
پروتئین است. حاملها به مولکولهای حل شونده پیوند یافته و آنها را از غشا عبور می‌دهند. کانالها که از عرض غشا می‌گذرند، دارای دریچه‌هایی هستند و باز و بسته شدن آنها عبور مواد را سبب می‌شود. انتشار تسهیل شده یک فرآیند غیر فعال است که توسط پتانسیل شیمیایی یا پتانسیل الکتروشیمیایی حل شونده هدایت می‌شود.
موارد اختلاف انتشار تسهیل شده و انتشار آزاد
- انتخابگری: جایگاههای پیوندی که روی حاملها قرار دارند، می‌توانند بسیار انتخابی عمل کنند. کانالها یونهای بزرگتر را با سرعتهای چند برابر حاملها عبور می‌دهند اما نسبت به حاملها از انتخابگری کمتری برخوردار هستند.
- اشباع پذیر بودن: در انتشار تسهیل شده ، حاملها شامل جایگاههای اتصال ویژه هستند و دارای قابلیت اشباع پذیری هستند.
- فعال کردن و تعاونی: سرعت حل شونده‌ای که در عرض غشا حمل می‌شود، می‌تواند سبب تاثیر بر سرعت انتقال به صورت تسهیل نمودن یا ممانعت نسبی شود.
انتقال فعال
انتقال مواد از
غشای سلولی را که با مصرف انرژی زیستی ، انرژی حاصل از مولکولهای پرانرژی
آدنوزین تری فسفات (ATP) و دخالت آنزیمها انجام شود را انتقال فعال می‌گویند. تعیین کننده نهایی نوع و جهت انتقال در حقیقت انتقال فعال است که بنابه نیاز سلول صورت می‌گیرد. این نوع انتقال می‌تواند در زمان انجام با پدیده‌هایی مثل شیب غلظت ، شیب الکتریکی همسو یا در خلاف جهت آنها انجام شود. برای مثال چنانچه سلول به گلوکز ،
اسید آمینه یا یونی نیازمند باشد، با خروج ATP آن را حتی در خلاف جهت شیب غلظت یا شیب الکتریکی جذب خواهد کرد.
غشای سلول از دیدگاه فیزیک
به منظور مطالعه غشای سلول از دیدگاه
فیزیک و شبیه سازی غشای سلول با استفاده از روابط فیزیکی ، ابتدا به روابط مقاومت و خازن اشاره می‌کنیم. در
قانون جریان کیرشهف ، مجموع جریانهای وارد شده به یک نقطه برابر با مجموع جریانهای خروجی از آن نقطه خواهد بود و
قانون ولتاژ کیرشهف عنوان می‌کند که اجزای ارتباط یافته به صورت موازی با یکدیگر دارای ولتاژ یکسانی در هر جز هستند.
برای مواد هادی ، جریان عبور یافته متناسب با اختلاف پتانسیل در عرض آن است.
خازنها از دو صفحه موازی باردار تشکیل شده‌اند که بر روی یک صفحه بار منفی و بر روی دیگری بار مثبت وجود دارد. فضای میان دو صفحه سبب جدایی بار خواهد شد. خازنها ذخیره کننده بار هستند. شدت جریان عبور یافته از خازن متناسب با
اختلاف پتانسیل است. اگر اختلاف پتانسیل صفر باشد، هیچ جریانی از خازن عبور نمی‌کند.
بنابراین هنگامی که پتانسیل غشا تغییر می‌کند، ظرفیت بار روی غشا نیز تغییر می‌یابد. این تغییر بار به مفهوم جریان یافتن یونها از میان غشا می‌باشد. این جریان متناسب با میزان تغییر پتانسیل غشا خواهد بود. پتانسیل غشای سلول را در حالت طبیعی پتانسیل آرامش و در شرایط دپولاریزه ، پتانسیل فعالیت گویند.
مباحث مرتبط با عنوان
