پزشکان بدون مرز درمان

بیوفیزیک غشاء

بسيار شنيده‌ايم که واژه‌هاي مختلفي همراه واژه فيزيک آمده و به سري مطالعات خاص اطلاق شده است. از آن جمله مي‌توان به علوم فيزيک محيط زيست ، متافيزيک ، فيزيک هوا فضا ، فيزيک انرژي‌هاي بالا و … اشاره کرد. در واقع هر کدام از اينها به نحوي به علم گسترده فيزيک مربوط است. مي‌دانيم که «فيزيک» در لغت به معني «طبيعت» است و بيشتر در مورد آنچه که با حواس خود از جهان طبيعت در مي‌يابيم، مربوط مي‌شود. به بيان ديگر ، علم فيزيک قوانين موجود در جهان طبيعت را شناسايي و کشف نموده و از آنها در جهت بهبود وضعيت زندگي انسان بهره مي‌گيرد.

به گزارش خبرنگار سایت پزشکان بدون مرز،  اما بهره گرفتن از قوانين موجود و کشف شده ، در شاخه‌هاي مختلف و به روشهاي گوناگون صورت مي‌گيرد. به عنوان مثال ، در فيزيک هوا فضا با استفاده از اين قوانين مي‌توان در هدايت بهتر هواپيماها ، سفينه‌ها و ديگر مصنوعات ساخت بشر که در هوانوردي مورد استفاده قرار مي‌گيرند، استفاده نمود و يا در فيزيک انرژي‌هاي بالا با استفاده از فيزيک مي‌توان در پي منابع جديد انرژي براي تامين زندگي آينده بشر بود. بنابراين مي‌توان گفت که علم فيزيک به نوعي با زندگي و حيات انسان عجين و آميخته شده است. نکته تکامل اين بحث علم بيوفيزيک است. علم بيوفيزيک از علم فيزيک در جهات حيات بشر بهره مي‌برد.

ضرورت وجود بيوفيزيک

استفاده و کاربردهاي فراوان و روزافزون علوم و فنون هسته‌اي در رشته‌هاي مختلف زيست شناسي ، پزشکي ، علوم پايه پزشکي و … جهت پژوهشهاي علمي و درماني همراه با ساير کاربردهاي انرژي اتمي در کشاورزي ، صنايع و غيره ، ايجاب مي‌کند که بايد شاخه‌اي از علم فيزيک تحت عنوان بيوفيزيک وجود داشته باشد، تا اينکه بتوانيم از اين علوم و فنون در جهت بهتر نمودن زندگي بشر و موجودات زنده ديگر بهره گيريم.

تشعشعات يا پرتوهاي هسته‌اي از شار ذراتي که بطور سريع در حال حرکت بوده و از طبيعت و انرژيهاي متفاوتي برخوردارند، تشکيل شده است. پرتوها از پديده‌هاي طبيعي يا خودبه‌خودي تجزيه اتمهاي راديواکتيو (طبيعي يا مصنوعي) و يا از شتاب دادن مصنوعي ذرات پديد مي‌آيند. اين پرتوها در پزشکي و بيولوژي کاربردهاي متعدد دارند. کاربرد بسيار عمومي و عادي اشعه ايکس در تشخيص پرتويي است. اختلاف درجه کاهش پرتو ايکسي که از محيطهاي با طبيعت مختلف ، عبور مي‌کند، اجازه مي‌دهد که تصويري که روشنگر حقايقي درباره اعضاي داخلي بدن است، بدست آيد.

فيزيک پزشکي و بيوفيزيک

در فيزيک پزشکي بيشتر کاربرد علم فيزيک در علوم پزشکي است و لذا در آنجا تاکيد مي‌شود که بايد پزشکان از فيزيک مربوط به ابزارهاي مختلف مورد استفاده در پزشکي نيز آگاهي داشته باشند. به عنوان مثال ، جراحي که از چاقوي ليزري جهت جراحي استفاده مي‌کند، بايد داراي اطلاعات حداقل پايه در مورد فيزيک ليزر باشد، اما در بيوفيزيک ، همانگونه که از نامش پيداست ، فيزيک در معني عام حيات مورد توجه است.

بیوفیزیک سلولی

بيوفيزيک سلولي شاخه‌اي از بيوفيزيک است که در آن مباحثي نظير غشاهاي سلولي ، پديده انتشار ، انتشار تسهيل شده ، انتقال فعال ، اسمز و پديده دونان مورد بررسي قرار مي‌گيرد. امروزه الگوها و طرح هاي مختلفي از غشا به منظورهاي پزشکي و صنعتي در مراکز تحقيقاتي مختلف دنيا ساخته مي‌شود.

ترکيبات عمده تشکيل دهنده غشاهاي زيستي ، ليپيدها و پروتئينها هستند. غشاي سلولهاي پستانداران شامل مقدار کمي کربوهيدرات به صورت اتصال يافته با پروتئين (گليکوپروتئين) و يا ليپيد (گليکوليپيد) است. غشاي سلولها بيشتر از فسفوليپيدها ساخته شده‌اند.

پروتئينهاي غشايي را به دو گروه تقسيم مي‌کنند. پروتئينهاي سراسري و پروتئينهاي پيراموني. روشهايي نظير طيف سنجي فلورسانس و NMR قابليت حرکت دو لايه ليپيدي را تاييد مي‌کنند. ليپيدهاي غشايي همانند کريستال مايع رفتار مي‌کنند و داراي سياليت و تغيير پذيري هستند. اين حالت براي غشاي سلول توانايي انجام اعمال مهم غشايي را فراهم مي‌کند.

کانالهاي متعددي در غشا وجود دارد که مولکولها و يونهاي کوچک از آنها مي‌گذرند.

غشای سلول به عنوان خازن الکتريکي :

به استثناي قسمت مجاور سطوح غشاي سلول ، بارهاي منفي و مثبت دقيقا با يکديگر برابر هستند. اين موضوع موسوم به اصل خنثي بودن الکتريکي است. به اين معني که به ازاي هر يون مثبت يک يون منفي در همان حوالي براي خنثي کردن آن وجود دارد. در غير اين صورت اختلاف پتانسيلهايي به ميزان بيليونها ولت در خارج مايعات ظاهر مي‌گشت.

هنگامي که يونهاي مثبت به خارج از غشا تلمبه زده مي‌شوند اين بارهاي مثبت در طول سطح خارجي غشا صف مي‌کشند و آنيونهايي که در داخل غشا باقي مانده بودند در طول سطح داخلي غشا صف مي‌کشند. اين امر يک لايه ديپولي از بارهاي مثبت و منفي بين داخل و خارج غشا ايجاد مي‌کند، اين همان اثري است که هنگامي که سلاحهاي يک خازن الکتريکي داراي بار الکتريکي مي‌شود، بوجود مي‌آيد. لايه دو طبقه چربي به عنوان يک عايق براي خازن غشاي سلول عمل مي‌کند.

انتشار

اجسام به حالت حل شده مايل هستند تمام حجم حلال خود را بطور يکنواختي اشغال کنند. انتشار پديده‌اي عمومي است و بر همه اجسام و همه حلالها مجري است. هر چه غلظت ماده منتشر شونده بيشتر بوده و وزن مولکولي آنها کمتر و چسبندگي محيط نيز کمتر باشد، انتشار سريعتر است. انتشار يک پديده فيزيکي است و جهت حرکت و جابجايي مواد ضمن انتشار از محيط پر غلظت به طرف محيط کم غلظت است. براي سازگاري برخي سلولها با پديده انتشار ، ويژگيهاي آنها به شکل خاصي تغيير مي‌کند، مثلا سلولهاي ماهيچه‌اي طولي تا 10 سانتيمتر و ضخامتي حدود 100 – 10 ميکرومتر دارند. بعد مسافت و سرعت انتشار در سلولها مهم است.

اسمز

عبور مولکولهاي آب از پرده‌هاي داراي تراوايي نسبي را اسمز مي‌گويند. عبور آب از غشاي سلولي و ورود آن به سلول يا خروجش از سلول مي‌تواند به صورت پديده اسمز باشد. فشار اسمزي را مي‌توان از رابطه زير بدست آورد: p = mRT/V ، که P= فشار اسمزي ، m= تعداد ذرات__ ، R= ضريب ثابت گازها ، T= درجه حرارت مطلق و V= حجم ، مي‌باشد. فشار اسمزي مانند فشار گازها به درجه حرارت و حجم بستگي دارد. غلظت اسمزي پلاسما را تونيسيته مي‌نامند. نقطه انجماد پلاسماي خون حدود 0.54 درجه سانتيگراد است و با غلظت اسمزي 290 ميلي اسمول در ليتر مطابقت دارد.

انتشار تسهيل شده

سد بين دو فاز در غشاي سلولها اغلب يک لايه سلول مي‌باشد که اين سدها عبور مواد را به طريقه انتشار آزاد به تاخير مي‌اندازند. مواد غذايي بايد اجازه ورود به درون سلول را داشته باشند و همچنين مواد زايد بايد از سلول خارج شوند. در بسياري از موارد اندازه ذرات بزرگ است و به طريقه انتشار نمي‌توانند از غشاي سلول عبور کنند و براي عبور از غشا نياز به حاملها و کانالهايي دارند. در انتشار تسهيل شده ، اجزاي ويژه‌اي از غشاهاي زيستي با حل شونده‌هاي خاص برهم کنش دارند که باعث تسريع عبور ذرات از غشاهاي زيستي مي‌شوند.

مکانيزم کانالها و حاملها

حاملها و کانالها ، دو رده مهم از حد واسطهاي انتقال هستند. جنس اينها از پروتئين است. حاملها به مولکولهاي حل شونده پيوند يافته و آنها را از غشا عبور مي‌دهند. کانالها که از عرض غشا مي‌گذرند، داراي دريچه‌هايي هستند و باز و بسته شدن آنها عبور مواد را سبب مي‌شود. انتشار تسهيل شده يک فرآيند غير فعال است که توسط پتانسيل شيميايي يا پتانسيل الکتروشيميايي حل شونده هدايت مي‌شود.

موارد اختلاف انتشار تسهيل شده و انتشار آزاد

انتخابگري: جايگاههاي پيوندي که روي حاملها قرار دارند، مي‌توانند بسيار انتخابي عمل کنند. کانالها يونهاي بزرگتر را با سرعتهاي چند برابر حاملها عبور مي‌دهند اما نسبت به حاملها از انتخابگري کمتري برخوردار هستند.

اشباع پذير بودن: در انتشار تسهيل شده ، حاملها شامل جايگاههاي اتصال ويژه هستند و داراي قابليت اشباع پذيري هستند.

فعال کردن و تعاوني: سرعت حل شونده‌اي که در عرض غشا حمل مي‌شود، مي‌تواند سبب تاثير بر سرعت انتقال به صورت تسهيل نمودن يا ممانعت نسبي شود.

انتقال فعال

انتقال مواد از غشاي سلولي را که با مصرف انرژي زيستي ، انرژي حاصل از مولکولهاي پرانرژي آدنوزين تري فسفات (ATP) و دخالت آنزيمها انجام شود را انتقال فعال مي‌گويند. تعيين کننده نهايي نوع و جهت انتقال در حقيقت انتقال فعال است که بنابه نياز سلول صورت مي‌گيرد. اين نوع انتقال مي‌تواند در زمان انجام با پديده‌هايي مثل شيب غلظت ، شيب الکتريکي همسو يا در خلاف جهت آنها انجام شود. براي مثال چنانچه سلول به گلوکز ، اسيد آمينه يا يوني نيازمند باشد، با خروج ATP آن را حتي در خلاف جهت شيب غلظت يا شيب الکتريکي جذب خواهد کرد.

غشاي سلول از ديدگاه فيزيک

به منظور مطالعه غشاي سلول از ديدگاه فيزيک و شبيه سازي غشاي سلول با استفاده از روابط فيزيکي ، ابتدا به روابط مقاومت و خازن اشاره مي‌کنيم. در قانون جريان ***شهف ، مجموع جريانهاي وارد شده به يک نقطه برابر با مجموع جريانهاي خروجي از آن نقطه خواهد بود و قانون ولتاژ ***شهف عنوان مي‌کند که اجزاي ارتباط يافته به صورت موازي با يکديگر داراي ولتاژ يکساني در هر جز هستند.

براي مواد هادي ، جريان عبور يافته متناسب با اختلاف پتانسيل در عرض آن است. خازنها از دو صفحه موازي باردار تشکيل شده‌اند که بر روي يک صفحه بار منفي و بر روي ديگري بار مثبت وجود دارد. فضاي ميان دو صفحه سبب جدايي بار خواهد شد. خازنها ذخيره کننده بار هستند. شدت جريان عبور يافته از خازن متناسب با اختلاف پتانسيل است. اگر اختلاف پتانسيل صفر باشد، هيچ جرياني از خازن عبور نمي‌کند.

بنابراين هنگامي که پتانسيل غشا تغيير مي‌کند، ظرفيت بار روي غشا نيز تغيير مي‌يابد. اين تغيير بار به مفهوم جريان يافتن يونها از ميان غشا مي‌باشد. اين جريان متناسب با ميزان تغيير پتانسيل غشا خواهد بود. پتانسيل غشاي سلول را در حالت طبيعي پتانسيل آرامش و در شرايط دپولاريزه ، پتانسيل فعاليت گويند.

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 سلولی ساختمانی است به ضخامت  که محدوده سلول را معین کرده و به عنوان سد انتخابی ، مبادله مواد بین سلول و محیط اطرافش را کنترل می‌کند.

غشا از دو لایه تقریبا ممتد لیپیدی ساخته شده که در آنها مجموعه‌های پروتئینی بطورپراکنده وارد شده‌اند علاوه بر این پروتئینهای غشایی پروتئینهای دیگری که از نوع پروتئینهای حاشیه‌ای هستند، در غشای دو لایه و اغلب روی سطح داخلی قرار می‌گیرد. بنابراین غشا بسیار نامتقارن است. بخشی از عدم تقارن غشا مربوط به زنجیره‌های الیگوساکاریدی می‌باشد که تنها به سطح خارجی غشاچسبیده‌اند.

لیپیدهای غشا

لیپیدهای غشایی شامل فسفولیپید (فسفوگلیسرید و اسفنگولیپید) و کلسترول می‌باشد. فسفولیپیدها مولکولهایی هستند که از یک قسمت سر مانند و یک دنباله متصل به آن تشکیل شده‌اند. قسمت سری که به سر قطبی Polar head نیز موسوم است، حاوی گروه فسفات بوده و آب دوست Hydropgilic می‌باشد قسمت دنباله از دو زنجیره اسید چرب تشکیل شده و آب گریز Hydrophobic می‌باشد. دنباله غیر قطبی Non polartail نیز نامیده می‌شود.

فسفولیپیدها در این ساختمان دولایه به ترتیبی است که قطبهای هیدروفیل آنها در سطح داخلی و خارج سیتوپلاسم و دنباله‌های هیدروفوب آنها در مرکز قرار گرفته است و همین امر باعث سه لایه دیده شدن غشا با میکروسکوب الکترونی می‌گردد. از دیگر لیپیدهای غشایی ، کلسترول می‌باشد که در حد فاصل اسیدهای چرب قرار گرفته است. میزان سیالیت غشا بستگی به میزان کلسترول آن دارد. هرچه کلسترول بیشتر سیالیت غشا نیز بیشتر خواهد بود.

پروتئینهای غشا

پروتئینها که در اکثر غشاها بیش از 50 درصد وزن آن را تشکیل می‌دهند، دارای وظایف ساختمانی مانند حفظ شکل سلول مانند گویچه‌های قرمز خون و عملکری (مثل فعالیت آنزیمی) متعدد می‌باشند. این پروتئینها به دو صورت محیطی percpheral و سراسری یا داخلی Integral protein دیده می‌شوند و انواع آنها در ارگانلها و سلولهای مختلف می‌تواند متفاوت باشد.

انواع پروتئینهای غشا

پروتئینهای محیطی : در سطح غشا قرار دارند و بسیاری از آنها دارای فعالیت آنزیمی می‌باشند.

• پروتئینهای انتگرال : پروتئینهای درشت مولکولی هستند که مستقیما در داخل لیپید دو لایه قرار گرفته‌اند. اندازه این پروتئینها به حدی است که سراسر ضخامت لیپید دولایه را طی می‌کنند و در هر دو سطح غشا نمایان هستند و یا اینکه تا حدی در ضخامت لیپید دو لایه فرو رفته‌اند و فقط در سطح داخلی یا خارجی غشا نمایان می‌باشند.

از آنجا که مواد محلول در آب قادر به عبور از لیپید دولایه نمی‌باشند عقیده بر این است که پروتئینهای سراسری به عنوان کانالهایی برای مبادله مواد محلول در آب از قبیل یونها عمل می‌کنند.

کربوهیدراتهای غشا

کربوهیدراتهای غشا از نوع الیگوساکاریدها می‌باشند. الیگوساکاریدها به کربوهیدراتهای متشکل از چند واحد قندی اطلاق می‌گردد. الیگوساکاریدها عمدتا در سطح خارجی غشا و متصل با پروتئینها و لیپیدها یعنی به صورت گلیکوپروتئین و گلیکولیپید دیده می‌شوند. ترکیبات فوق هم دارای خاصیت آنتی ژنیک می‌باشند و هم به عنوان رسپتور (گیرنده) در سطح سلول عمل می‌کنند. وجود رسپتور در سطح سلول باعث می‌شود که مواد معینی بتوانند وارد سلول شوند و یا سلول نسبت به هورمون معینی که رسپتور آن را دارد عکس‌العمل نشان دهد.

سیستمهای انتقال از غشا

انتشار

مبادله مواد محلول در چربی ، آب ، گاز اکسیژن و دی‌اکسید کربن بین سلول و محیط اطراف انتشار نامیده می‌شود. در صورتی که انتشار مواد با اتصال به مولکولهای دیگر تسریع گردد آن را انتشار تسهیل شده می‌نامند. چون انتشار تسهیل شده با دخالت پروتئینهای انتگرال صورت می‌گیرد. پروتئینهای دخیل در این امر را حامل Porter یا انتقال دهنده گویند.

انتقال فعال Active transport

نقل و انتقال الکترولیتها ( ) بین سلول و محیط اطراف آن اگر بر خلاف شیب غلظت و با صرف انرژی انجام می‌گیرد.

آندوسیتوز Endocytosis

• پینوسیتوز : در این روش که به آشامیدن سلول نیز موسوم است ابتدا مایعات و مواد محلول و بسیار ریز به رسپتورهای غیر اختصاصی سطح سلول متصل می‌شوند سپس غشا در آن ناحیه فرو رفته شده و به تدریج با عمق رشد ، فرورفتگی و بهم چسبیدن لبه‌های آن قسمت فرو رفته به صورت وزیکول در آمده و از غشای سلول جدا شده و در سیتوپلاسم رها می‌گردد.

این وزیکول ممکن است به لیزوزوم پیوسته و تحت تاثیر آنزیمهای آن قرار گیرد و یا به عنوان حامل عمل کرده و پس از طی بخش داخلی سلول و پیوستن به غشای مقابل محتویات خود را از سلول عبور می‌دهند. عبور مواد از دیواره مویرگها نمونه‌ای از این روش می‌باشد.

• آندوسیتوز با واسطه رسپتور : این روش انحصارا برای ورود موادی معین درون سلولهایی معین مورد استفاده قرار می‌گیرد، نیازمند اتصال ماده با رسپتور اختصاصی مربوطه‌اش در سطح سلول می‌باشد. برخی از هورمونها و برخی ویروسها به این طریق وارد سلول می‌شوند.

• فاگوسیتوز: فاگوسیتوز در مقایسه با آندوسیتوز با واسطه رسپتور ، روشی غیر اختصاصی است.

سلولهای معینی مانند ماکروفاژها با استفاده از این روش ، باکتریها و قارچهای وارد شده به بدن و یا حتی سلولهای آسیب دیده و فرسوده را فاگوسیتوز می‌کنند.

اگزوسیتوز

برعکس آندرسیتوز در عمل اگزوسیتوز مواد از محیط داخل سلول به خارج از سلول انتقال می‌یابند. این مواد که شامل ذرات ترشحی ساخته شده در سلول و یا مواد باقیمانده حاصل از تجزیه لیزوزوم می‌باشند به صورت وزیکول ترشحی یا دفعی دیده می‌شوند. پس از چسبیدن وزیکول ترشحی یا دفعی به غشای سلول ، غشا در محل چسبیدگی از بین می‌رود و به این طریق محتویات وزیکول به خارج از سلول تخلیه می‌گردد

وظایف غشای سلولی

1. حفظ شکل مشخص سلول و جلوگیری از خروج محتویات آن. این عمل برای پرده‌ای که فقط 75 آنگستروم ضخامت دارد بسیار عجیب و ناباورانه است. اگر غشای سلولی در محلی پاره شود، سیتوپلاسم از آن محل خارج می‌شود و سلول می‌میرد.

2. جلوگیری از خروج مواد لازم برای سلول و وارد کردن موادی که سلول لازم دارد. این غشا مانند یک نگهبان جلوی عبور مواد ممنوع الخروج یا ممنوع الورود را می‌گیرد و تنها آنهایی را که لازم است، وارد سلول می‌کند. موادی که وارد سلول می‌شوند دو گروه هستند: یک گروه بطور عادی وارد سلول می‌شوند، بعنی از آنها که مقدار آنها در خارج سلول بیشتر است، به داخل آن منتشر می‌شوند. گروه دیگر نحوه ورودشان بسیار جالب است.

زیرا ممکن است مقدار آنها در داخل سلول چندین برابر بیرون باشد و ظاهراً باید از آن خارج شوند، ولی در جدار غشای سلولی موادی وجود دارد که آنها را به داخل می‌برد. این مواد شیمیایی ، مانند مورچه‌هایی که دانه‌های گندم و سایر مواد غذایی را می‌گیرند و به داخل لانه خود می‌برند، به موادی که باید به داخل سلول برده شود می‌چسبند و سپس همراه آنها از غشای سلولی عبور می‌کنند، ولی قبل از رسیدن به سیتوپلاسم ، ماده مزبور را رها کرده و آن را با فشار وارد سیتوپلاسم می‌کنند و خود فوراٌ برای آورن طعمه جدید به طرف خارج غشا می‌روند. مواد شیمیایی دیگری نیز وجود دارند که همین عمل را در مورد خارج کردن موادی که سلول لازم ندارند، انجام می‌دهند.

پویان اسدی

تلگرام

مطلب پیشنهادی

درمان جدیدی برای اعتیاد به اینترنت

بسیاری از مردم در طول هفته ساعات زیادی را پای اینترنت سر می‌کنند اما بعضی …

ارتباط چاقی کودکان با مواد شیمیایی موجود در پلاستیک‌ها

پژوهشگران “دانشگاه نیویورک”(NYU) در مطالعه اخیرشان دریافته‌اند چاقی کودکان می‌تواند با مواد شیمیایی موجود در …