Теориялық сабақтың әдістемелік нұсқамасы

Тақырыбы: Биологиялық мембраналар арқылы зат тасымалдау

Сабақтың мақсаты:

            Білімділік: Биологиялық мембраналар арқылы зат тасымалдау туралы мәлімет беру.

Тәрбиелік: Оқушылардың талдау, салыстыра білу  қабілеттерін дамыту, оқу материалының ең негізін алып, мазмұнын ажыратуға   тәрбиелеу.

Дамытушылық: Қазіргі заманғы техника мен  ғылымның  жетістіктерін мысалға келтіре отырып,    оқушылардың өмірге деген  көзқарастарын  қалыптастыруды дамыту.

Сабақтың түрі: Аралас сабақ

Сабақтың әдісі: Түсіндіру, сұрақ-жауап

Сабақтың уақыты: 2 сағат

Сабақты өткізу орны: дәрісхана

Пәнішілік байланыс: Мембранадағы липидтердің физикалық күйі

Пәнаралық байланыс: биология, химия

Сабақтың жабдықталуы: үлестірілмелі материалдар, слайдтар

Пайдаланылған әдебиеттер:

            Негізгі: Сайбеков Т., Көшенов Б.  «Медициналық биофизика»

Қосымша:

Оқушы білуі тиіс:

- Мембрана арқылы өтетін молекулалар тасымалы, Фик теңдеуі;

- Пассивті транспорттағы жалпы өткізгіштің және механикалық өткізгіштің анықтамасын.         

Сабақтың хронокартасы және құрылымдық-логикалық сызбасы (12 ж)

І Ұйымдастыру кезеңі – 3-5 мин

ІІ Үй тапсырмасын тексеру – 15-20 мин

ІІІ Жаңа тақырыпты түсіндіру – 30-45 мин

ІҮ Жаңа тақырыпты бекіту – 10-15 мин

Ү Қорытындылау – 3-5 мин

ҮІ Үйге тапсырма – 3-5 мин

Сабақ барысы

І Ұйымдастыру кезеңі

       Оқушылардың сабаққа қатысуын тексеру, жоқ оқушыларды белгілеу. Оқытушы жаңа сабақтың мақсатымен және  жоспарымен оқушыларды таныстырады.

ІІ Үй тапсырмасын тексеру

Сұрақтарға жауап бер:

1. Температура төмендегенде фосфолипидті мембрана сұйық күйден қандай күйге өтеді?

2. Қою күйінде молекулалар ретті орналасса сұйық кристалды күйдегі реті қалай орналасқан?

3. Шартты кристалды күйге анықтама бер?

4. Биомембрана қабатының сүйық кристал күйден қою күйге көшуі кезінде биқабатта қандай саңылаулар пайда болады?

5. Липидтік мембрананың химиялық құрамы өзгергенде оның қатты кристал күйінен сұйық кристал күйіне фазалық өту температурасы?

ІІІ Жаңа тақырыпты түсіндіру

Тасымалдану құбылыстарына диффузия (зат массасының тасымалдануы), тұтқырлық (импульстің тасымалдануы), электр өтімділік (электр зарядының тасымалдануы) жатады. Бұл бөлімде тек зат және заряд тасымалдануы құбылыстарына ғана тоқталуға болады.

Сұйықтардағы тасымалдану үрдісін қарастыру арқылы диффузияның негізгі теңдеуін (Фик теңдеуі) қорытып шығарайық. Ауданы , қалыңдығы  параллипипед арқылы, орташа орын ауыстыруы  болатын сұйық молекулалары екі бағытта бірдей ағып өтетін болсын. Осы көлемдегі олардың концентрациялары сәйкесінше   және  болса, онда олардың жалпы саны   және   болады (11.1-   11.1 –сурет. Сұйықтар тасымалдану үрдісі.

сурет). Молекулалардың хаосты қозғалысына байланысты олар алты бағытта қозғалады деп есептеуге болады. Бұдан  осінің  арқылы және   молекулалар бағытына қарама-қарсы бағытта  ағып өтеді.

Барлық молекулалар бірдей -орташа жылдамдықпен қозғалатын болса, онда олар      ауданды мынандай уақытта қиып өтеді:

        .                                                                         ( 11.1 )

Орташа жылдамдықты   арқылы өрнектесек ,

      ,                                                                             (11.2)

мұндағы - молекуланың «орнықтылық өмірінің» орташа уақыты, яғни орташа қиып өту уақыты. Екі бағыттағы молекулалардың уақыттағы өту «балансы» мынаған тең:

    -  _.                                                                                                 (11.3)

(8.3) теңдеуді жеке молекуланың  массаына көбейтіп және -ға бөліп,  аудан арқылы өтетін зат ағыны табылады:

   .                                                                (11.4)

Молекулалар концентрациясының өзгерісі ( ) –ді  пен параллелепипедтер ара қашықтығы  –ның көбейтіндісі түрінде қарастыруға болады.

  = 2б .                                                                        (11.5)

(11.4) және (11.2) теңдеулер мен (11.5) теңдеулерді біріктіріп табатынымыз:

 .                                                 (11.6)

Зат ағынының ол өтетін ауданға қатынасы ағын тығыздығы деп аталады да, келесі өрнекпен жазылады:

 .                                                                     (11.7)

Молекула массасы мен концентрация көбейтіндісі массалық концентрация (тығыздығын) деп аталатын шаманы  береді:

 ,  =  .                                                                 (11.8)

Олай болса (11.7) теңдеуді былай жазуға болады :

 .                                                                               (11.9)

Бұл теңдеу диффузия теңдеуі  деп , немесе келесі түрде жазылса Фик теңдеуі деп аталады:

 ,                                                                                (11.10)

мұндағы «-» таңбасы зат ағыны тығыздығының қорытқы шамасы диффузия кезінде концентрацияның кему бағытына қарай (концентрация градиентіне қарама - қарсы) бағытталатындығын көрсетеді,  және

  - диффузия коэффициенті .

Диффузия теңдеуін келесі түрде де жазуға болады:

 ,                                                                              (11.11)

Кеңістіктегі молекулалар концентрациясының  өзгерісі жүйенің әртүрлі жеріндегі химиялық потенциалдың біркелкі еместігін көрсетеді, сондықтан зат ағынының тығыздығын химиялық потенциал градиентімен байланыстыруға болады:

,                                                   (11.12)

концентрацияның өте аз өзгерісі үшін,

,

немесе координата бойынша туынды алсақ,

,

бұдан концентрация градиенті мынаған тең болады:

.                                                                                 (11.13)

(11.9) және (11.13) теңдеулерді қолданғанда, алынатыны:

.                                                                              (11.14)

А. Эйнштейн диффузия коэффициентінің температураға пропорционал екендігін көрсетті,

    немесе     ,.                                             (11.15)

сондықтан (8.14) формуланы былай жазуға болады:

                                                                                  (11.16)

мұндағы - диффундирлеуші молекулалардың қозғалғыштығы немесе бөлшектер жылдамдығы « » мен оларды қозғалысқа келтіруші « » күшінің арасындағы пропорционалдық коэффициент:

   немесе  ,                                                           (11.17)

мұндағы - пропорционалдық коэффициент.

(11.17) теңдеуден қозғалғыштық бірлігінің 1м/с*(H) екендігін көруге болады.  және  шамалары Авагадро саны арқылы мынадай байланыста:

.                                                                                     (11.18)

(11..9) теңдеуді биологиялық мембрана үшін түрлендіріп жазалық. Мембрана арқылы өтетін бөлшектердің концентрациясының өзгерісі сызықты болсын және оның мәнін ішкі жағында  және сыртқы жағында  –ге тең деп есептейік (11.2-сурет). 

Осы бөлшектер концентрациясының мембрана ішіндегі өзгерісі  –ден -ге

11.2-сурет. Жасушаның ішкі және сыртқы

    жағындағы зат концентрациялары.

дейінгі аралықта кемиді. Молекулалар концентрациясының сызықты өзгерісін ескеріп, табылатыны:

,                                                                              (11.19)

мұндағы -мембрана қалыңдығы, онда (11.9) теңдеуі былай жазылады:

                                                      (11.20)

Мембрана шекараларындағы концентрациялар қатынастары оның ішкі  және сырқы бөліктеріндегі концентрациялар қатынастарына тең деп есептелінеді, яғни:

,    бұдан     ,                                               (11.21)

мұндағы - мембрана мен қоршаған орта арасындағы заттың (бөлшек) таралу коэффициенті. (11.21)  теңдеуден шығатыны:

   және                                                                (11.22)

(11.22) –нің мәнін (11.20) теңдеуге қойғанда алынатыны:

,  түрлендіру арқылы табылатыны,

,                                                                                       (11.23)

мұндағы - өтімділік коэффициенті.

Нәтижесінде диффузия кезінде биологилық мембрана арқылы өтетін зат ағыны тығыздығының теңдеуі алынады:

.                                                                               (11.24)

11.2.  Мембраналар арқылы иондардың тасымалдануы.

      Нернст – Планк теңдеуі

Алдыңғы тақырыптардан белгілі болғанындай мембранада потенциалдар айырымының, яғни электр өрісінің бар екендігіне тоқталамыз. Ол зарядталған бөлшектердің диффузиясына әсер етеді. Өріс кернеулігі мен потенциал градиенті арасында мынадай байланыс бар:

.                                                                                     (11.25)

Ионның заряды -ге тең. Бір ионға  күш әсер етеді; ал бір моль ионға әсер ететін күш мынаған тең болады:

,                                                          (11.26)

мұндағы -Фарадей тұрақтысы, .

Иондардың бағытталған қозғалысының жылдамдығы әсер етуші күшке пропорционал:

.                      (11.27)

Иондар ағынын табу үшін қабырғасы иондар жылдамдығына тең болатын тікбұрышты параллелепипед таңдап аламыз. Барлық иондар 1 сек

ішінде « » -аудан арқылы өтеді, бұл иондар  

11.3-сурет. Иондар ағынын сипаттаушы модель.      ағыны    « »(11.3-сурет).

Осы көлемдегі иондар саны мынаған тең:

        .                                                                        (11.28)

Ағын тығыздығын (11.27) және (11.28) формулаларын           

пайдалана отырып табуға болады:

          .                                                          (11.29)

Жалпы жағдайда иондар тасымалы екі фактормен анықталады: олардың орналасуының біркелкі еместігімен, яғни концентрация градиентімен және электр өрісінің әсер етуімен:

,                                                                  (11.30)

- бұл Нернст – Планк теңдеуі. (11.15) теңдеуді пайдаланып соңғы теңдеуді түрлендірейік:

,                                   (11.31)

- бұл Нернст – Планк теңдеуінің басқаша түрде жазылуы.

Нернст – Планк теңдеуін диффузиялық ағын тығыздығының иондар концентрациясы мен электр өрісі кернеулігінен тәуелділік байланысын орнату үшін пайдаланайық. Мембранадағы электр өрісі біртекті, сондықтан өріс кернеулігі бірдей деп есептейік, ал потенциал сызықты өзгерісін бұл    деп жазуға мүмкіндік береді; мұндағы мембранадағы потенциалдар айырымы. (11.31) теңдеудегі жазбаны қарапайым түрге келтірейік:

,     мұндағы    ,                       (11.32)

қосымша шама (өлшемсіз потенциал). (11.32) пайдаланып Нернст – Планк теңдеуін келесі түрде жазуға болады:

                                                                          (11.33)

11.3.  Биологиялық мембраналар арқылы өтетін молекулалар

          мен иондардың белсенді емес тасымалдануының түрлері

Биологиялық мембраналар арқылы зат тасымалының үш түрі бар, олар: диффузия, сүзгілеу (фильтрация) және осмос. Диффузияның өзі екіге бөлінеді – қарапайым диффузия және жеңілдетілген дифффузия.

Липидтік қабат арқылы өтетін қарапайым диффузия 11.4-суретте көрсетілген, ол молекулалар үшін – Фик теңдеуіне немесе жалпы жағдайда

бейтарап және зарядталған бөлшектер үшін – Нернст-Планк теңдеуіне

бағынады. Тірі жасушалардағы мұндай диффузия оттегі мен көмірқышқыл газдың өтуін қамтамасыз етеді. Кейбір дәрілік заттар мен улар да липидтік қабат арқылы осылай өтеді.

11.4-сурет. Латериальды  11.5-сурет.Арналар арқылы    11.6-сурет.  Жеңілдетілген                                    

                     диффузия                          тасымал                                        диффузия

Алайда мұндай қарапайым диффузиялар өте баяу өтеді және жасушаны қажетті қоректіктік заттармен қамтамасыз ете алмайды. Сондықтан мембранадағы белсенді емес зат тасымалдану арна арқылы да өтеді (11.5-сурет).

Айырық немесе арна ақуыз молекулалары мен липидтерден тұратын мембранада пайда болатын жолдар. Бұл жолдар мембрана арқылы тек ұсақ молекулалардың өтуіне ғана емес, ірі иондардың өтуіне де мүмкіндік береді. Айырық диффузиясы да алдыңғы теңдеулер арқылы жазылады, тек өтімділік -ні үлкейтеді. Жеңілдетілген диффузияның ерекшелігі - иондар тасымалының арнайы молекулалар – тасымалданушылар көмегімен жүретіндігі (11.6-сурет). Тасымалдаушылардың екі түрі бар – қозғалмалы және бекітілген.  Қозғалмалы тасымалдаушыларға – валиномицин мен нигерицин, қозғалмайтынға – грамоцидин жатады. Олар – ионофорлар деп аталады.

ІҮ Жаңа тақырыпты бекіту

№1 Тапсырма

№2 Тапсырма. Сәйкестігін тап

Анықтамасын сәйкестендіріп санмен белгілеп жазыңыз:

Жауабы:

Сергіту сәті

Биологиялық мембраналар арқылы зат тасымалдау

Жауабы:

Ү Қорытындылау   

Көп нүктенің орнына тиісті сөзді қойыңыз:

1. Жасушаның қозуы, ондағы АТФ-тің синтезі, иондық құрамы мен судың мөлшері биологияның мембрана арқылы ....................................... процесімен тығыз байланысты.

2. .................................................................................биоэнергетикалық процестерді, су-тұз алмасуын, жасушаның қозуын өзгертеді.

3. Енжар тасымалдауда АТФ-тің энергиясы шығындалмайды, ол ... ............................................ өзгерісіне байланысты өздігінен жүреді.

4. Белсенді тасымалдау өздігінен жүре алмайды, ол ........................................................................................ байланысындағы энергиясының әсерінен өтеді.

5. Биомембраналар тікелей қарама – қарсы ......... функция атқарады.

Жауптары:

1.Зат тасымалдау

2.Зат тасымалдау жылдамдығының өзгеруі

3.зат таралымының

4. АТФ-тің макроэнергетикалық

5. Екі

 ҮІ Үйге тапсырма:   Сайбеков Т., Көшенов Б. «Медициналық биофизика» 99-104 бет