(19) PL (11) (13) B1 (12) OPIS PATENTOWY PL B1. (51) IntCl7 G09B 23/26 G01N 33/00. (73) Uprawniony z patentu:

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (12) OPIS PATENTOWY (21) Numer zgłoszenia: (22) Data zgłoszenia: (19) PL (11) (13) B1 (51) IntCl7 G09B 23/26 G01N 33/00 (54) Model błony biologicznej (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 06/98 (73) Uprawniony z patentu: Schneider Zenon, Poznań, PL Akademia Rolnicza im. Augusta Cieszkowskiego, Poznań, PL (72) Twórcy wynalazku: Zenon Schneider, Poznań, PL (57) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 01/02 (74) Pełnomocnik: Domańska-Baer Anna, Akademia Rolnicza im.augusta Cieszkowskiego PL B1 (57) 1. Model błony biologicznej, składający się z elementów mocowanych przesuwnie i odejmowalnie na płaskiej powierzchni, znam ienny tym, że elementy o różnych kształtach i barwie, odzwierciedlają składniki strukturalne i funkcjonalne błony, przy czym właściwościom i funkcjom każdego ze składników błony odpowiada element o określonym kształcie i barwie, a na powierzchniach tych elementów są naniesione strukturalne wzory chemiczne i nazwy związków reprezentowanych przez te elementy, przy czym składnikom strukturalnym błony odpowiadają elementy odzwierciedlające reszty nasyconych kwasów tłuszczowych (1), elementy odzwierciedlające nienasycone kwasy tłuszczowe (2), elementy odzwierciedlające hydrofilowe fragmenty fosfolipidów (3) oraz elementy odzwierciedlające związki sterydowe (4), zaś składnikom funkcjonalnym błony odpowiadają elementy odzwierciedlające fragment wspólny dla molekuł związków sfingomieliny, cerebrozydów i gangliozydów (5), elementy odzwierciedlające kwas sialowy (6), elementy odzwierciedlające aminokwasy w białku membranowym (7) oraz elementy odzwierciedlające cukry (8), a ponadto model zawiera element odzwierciedlający fragment pełniącego w błonie rolę strukturalną i funkcjonalną białka transmembranowego (9).

2 Model błony biologicznej Zastrzeżenia patentowe 1. Model błony biologicznej, składający się z elementów mocowanych przesuwnie i odejmowalnie na płaskiej powierzchni, znamienny tym, że elementy o różnych kształtach i barwie, odzwierciedlają składniki strukturalne i funkcjonalne błony, przy czym właściwościom i funkcjom każdego ze składników błony odpowiada element o określonym kształcie i barwie, a na powierzchniach tych elementów są naniesione strukturalne wzory chemiczne i nazwy związków reprezentowanych przez te elementy, przy czym składnikom strukturalnym błony odpowiadają elementy odzwierciedlające reszty nasyconych kwasów tłuszczowych (1), elementy odzwierciedlające nienasycone kwasy tłuszczowe (2), elementy odzwierciedlające hydrofilowe fragmenty fosfolipidów (3) oraz elementy odzwierciedlające związki sterydowe (4), zaś składnikom funkcjonalnym błony odpowiadają elementy odzwierciedlające fragment wspólny dla molekuł związków sfmgomieliny, cerebrozydów i gangliozydów (5), elementy odzwierciedlające kwas sialowy (6), elementy odzwierciedlające aminokwasy w białku membranowym (7) oraz elementy odzwierciedlające cukry (8), a ponadto model zawiera element odzwierciedlający fragment pełniącego w błonie rolę strukturalną i funkcjonalną białka transmembranowego (9). 2. Model według zastrz. 1, znamienny tym, że elementy odzwierciedlające reszty nasyconych kwasów tłuszczowych (1) mają kształt wydłużonego wieloboku. 3. Model według zastrz. 1, znamienny tym, że elementy odzwierciedlające nienasycone kwasy tłuszczowe (2) mają kształt wydłużonego wieloboku załamanego w połowie swej długości. 4. Model według zastrz. 1, znamienny tym, że elementy odzwierciedlające hydrofilowe fragmenty fosfolipidów (3) mają kształt wieloboków nieforemnych. 5. Model według zastrz. 1, znamienny tym, że elementy odzwierciedlające związki sterydowe (4) mają kształt wydłużonego sześcioboku foremnego, w którym jedna para krótszych boków przechodzi w wypustkę o kształcie trapezowym. 6. Model według zastrz. 1, znamienny tym, że elementy odzwierciedlające fragment wspólny dla molekuł związków sfingomieliny, cerebrozydów i gangliozydów (5) są ukształtowane w dwa równoległe względem siebie wieloboki ścięte w strefie końcowej i połączone z jednej strony wielobokiem z jednym narożem ściętym, przy czym wielobok łączący jest przesunięty względem jednego z wieloboków prostopadłych do niego o odległość równą w przybliżeniu swojej wysokości. 7. Model według zastrz. 1, znamienny tym, że elementy odzwierciedlające kwas sialowy (6) mają kształt wieloboku nieforemnego z wypustem na jednym z krótszych boków. 8. Model według zastrz. 1, znamienny tym, że elementy odzwierciedlające aminokwasy w białku membranowym (7) mają kształt ośmioboku foremnego z ukształtowanymi łukowato krótszymi bokami. 9. Model według zastrz. 1, znamienny tym, że elementy odzwierciedlające cukry (8) mają kształt ośmioboku foremnego, którego jeden z krótszych boków jest zastąpiony trapezowatym wypustem. 10. Model według zastrz. 1, znamienny tym, że element odzwierciedlający białko transmembranowe (9) ma kształt prostokąta ze ściętymi narożnikami, na którego płaszczyźnie naniesiony jest łańcuch aminokwasów. 11. Model według zastrz. 1 albo 2, albo 3, albo 4, albo 5, albo 6, albo 7, albo 8, albo 9, albo 10, znamienny tym, że elementy (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 i 9) są zaopatrzone w mocujące zaczepy (11), korzystnie magnesowe.

3 Przedmiotem wynalazku jest model błony biologicznej przeznaczony dla celów dydaktycznych. Wiadomym jest, że błony biologiczne pełnią w organizmach żywych bardzo ważną rolę. Jedną z funkcji błony biologicznej jest stworzenie nieprzepuszczalnej bariery dla szeregu jonów i związków chemicznych ważnych dla funkcjonowania komórki. Błona biologiczna jako nieprzepuszczalna bariera ma strukturę trój warstwową: po stronach zewnętrznych ma strefy hydrofilne, a wewnątrz ma strefę hydrofobową. W strefie hydrofobowej zawiera hydrofobowe fragmenty związków takich jak kwasy tłuszczowe, aminokwasy i związki sterydowe takie jak np. cholesterol, zaś strefy hydrofilne zawierają fragmenty związków takich jak glicerol, cholina, etanolo-amina, inozytol, seryna i inne. Druga funkcja błony biologicznej polega na tym, że ma ona zdolność selektywnego transportowania jonów metali biologicznie ważnych takich jak sód, potas, magnez, żelazo i inne oraz związków wykorzystywanych przez komórkę do wytwarzania energii i składników komórki takich jak cukry, aminokwasy, tłuszcze. Tę funkcję błony przejmują wbudowane do błon biologicznych białka będące długimi łańcuchami składającymi się z ponad setki aminokwasów związanych z błoną zarówno po jej zewnętrznej i wewnętrznej stronie. Fragmenty białek są także wbudowane do strefy hydrofobowej błony. Tę bardzo złożoną wiedzę o strukturze i wielokierunkowych funkcjach błony biologicznej muszą poznawać i rozumieć uczniowie szkół średnich, a przede wszystkim studenci szeroko rozumianych kierunków medycznych, biologicznych i chemicznych, gdyż stanowi ona podstawę rozumienia procesów zachodzących w organizmach żywych. Dotychczas nie skonstruowano modelu błony biologicznej. Celem wynalazku jest stworzenie modelu błony biologicznej umożliwiającego przedstawienie zarówno jej struktury jak i pełnionych przez nią funkcji. Do realizacji tego celu wykorzystano znaną ideę konstruowania modeli za pomocą elementów mocowanych przesuwnie i odejmowalnie na płaskich powierzchniach, np. tabliczkach. Model błony biologicznej tworzą elementy o różnym kształcie i barwie odzwierciedlające składniki strukturalne i funkcjonalne błony, przy czym właściwościom i funkcjom każdego ze składników błony odpowiada element o określonym kształcie i barwie, a na powierzchniach tych elementów są naniesione strukturalne wzory chemiczne i nazwy związków reprezentowanych przez te elementy. Grupę elementów strukturalnych tworzą elementy odzwierciedlające reszty nasyconych kwasów tłuszczowych mające korzystnie kształt wydłużonego wieloboku, elementy odzwierciedlające nienasycone kwasy tłuszczowe w błonie mające korzystnie kształt wydłużonego wieloboku załamanego w połowie swej długości, elementy odzwierciedlające hydrofilowe fragmenty fosfolipidów mające korzystnie kształt wieloboków nieforemnych oraz elementy odzwierciedlające związki sterydowe mające korzystnie kształt wydłużonego sześcioboku foremnego, w którym jedna para krótszych boków przechodzi w wypustkę o kształcie trapezowym. Składnikom funkcjonalnym błony odpowiadają elementy odzwierciedlające fragment wspólny dla molekuł związków sfingomieliny, cerebrozydów i gangliozydów, elementy odzwierciedlające kwas sialowy, elementy odzwierciedlające aminokwasy w białku membranowym oraz elementy odzwierciedlające cukry. Elementy odzwierciedlające fragment wspólny dla molekuł związków sfingomieliny, cerebrozydów i gangliozydów są ukształtowane korzystnie w dwa równoległe względem siebie wieloboki ścięte w strefie końcowej i połączone z jednej strony wielobokiem z jednym narożem ściętym, przy czym wielobok łączący jest przesunięty względem jednego z wieloboków prostopadłych do niego o odległość równą w przybliżeniu swojej wysokości. Elementy odzwierciedlające kwas sialowy mają korzystnie kształt wieloboku nieforemnego z wypustem na jednym z krótszych boków. Elementy odzwierciedlające aminokwasy w białku membranowym mają korzystnie kształt ośmioboku foremnego, z ukształtowanymi łukowato krótszymi bokami. Elementy odzwierciedlające cukry mają korzystnie kształt ośmioboku foremnego, którego jeden z krótszych boków jest zastąpiony trapezowym wypustem. Model zawiera ponadto element odzwierciedlający fragment pełniącego w błonie rolę strukturalną i funkcjonalną białka transmembranowego, który ma korzystnie kształt prosto-

4 kąta ze ściętymi narożnikami, na którego płaszczyźnie naniesiony jest łańcuch aminokwasów. Wszystkie elementy są zaopatrzone od spodu w zaczepy mocujące, korzystnie magnesowe. Model błony biologicznej pozwala na konstruowanie przez użytkowników dowolnych, zgodnych z wymogami wiedzy, topograficznych rozmieszczeń składników błony i prowadzenie w oparciu o stworzone struktury dyskusji w odniesieniu do błony rzeczywistej. Model błony biologicznej umożliwia: poznanie najważniejszych składników błon komórkowych i ich typograficzne rozmieszczenie w błonie, ustalenie udziału różnych lipidowych składników błony w kształtowaniu jej płynności i trwałości, pokazanie sposobu wiązania się białek ze strukturami błonowymi, przedstawienie zróżnicowanej modyfikacji fragmentów białka transbłonowego oraz wykonanie modelu tego białka. Przy użyciu modelu możliwe jest poznanie różnorodności połączeń α i β glikozydowych w oligosacharydach występujących w błonach, pokazanie roli i funkcji cholesterolu w błonach cytoplazmatycznych komórek zwierzęcych oraz różnorodnych funkcji błon komórkowych takich jak: bierny i aktywny transport przez błony, przenoszenie sygnałów do wnętrza komórki, przemiany różnych form energii z udziałem błon, poznanie mechanizmów endocytozy i egzocytozy, poznanie roli nienasyconych kwasów tłuszczowych w utrzymaniu właściwej płynności błony i udziału antyoksydantów w zachowaniu jej integralności. Model jest trwały i tani w eksploatacji. Zróżnicowanie kształtów i kolorów poszczególnych elementów oraz zaopatrzenie ich w struktury chemiczne znacznie ułatwia użytkownikom modelu zapamiętanie przyswajanej przy jego pomocy wiedzy. Wyposażenie tworzących model elementów w zaczepy magnesowe pozwala na swobodne ich przemieszczanie w trakcie konstruowania wariantowych struktur błony. Wynalazek omówiony jest szczegółowo w związku z rysunkiem, na którym fig. 1 przedstawia schemat poprzecznego przekroju topograficznego rozmieszczenia elementów modelu trój warstwowej błony, przy czym elementy tworzące model są dodatkowo szczegółowo przedstawione na kolejnych figurach rysunku. I tak na fig. 2 przedstawiono elementy strukturalne reprezentujące reszty nasyconych kwasów tłuszczowych; na fig. 3 - element strukturalny reprezentujący nienasycone kwasy tłuszczowe w błonie; na fig. 4 - elementy strukturalne reprezentujące hydrofilowe fragmenty fosfolipidów, na fig. 5 - element strukturalny reprezentujący związki sterydowe; na fig. 6 - fragment wspólny dla molekuł związków: sfingomieliny, cerebrozydów i gangliozydów; fig. 7 - element funkcjonalny reprezentujący cukry w błonie; na fig. 8 - element funkcjonalny reprezentujący kwas sialowy; na fig. 9 - element funkcjonalny reprezentujący aminokwasy w białku membranowym; na fig ten sam element w przekroju poprzecznym; na fig element reprezentujący fragment białka transmembranowego. Na fig. 12 rysunku pokazano szczegółowo fragment modelu błony według fig. 1, złożony z elementów reprezentujących kwasy tłuszczowe i fragmenty hydrofilne fosfolipidów z naniesionymi chemicznymi wzorami strukturalnymi i nazwami związków, a na fig fragment modelu błony przedstawiający gangliozyd GM3 jako przykład konstruowania gangliozydów. Uwidoczniony na fig. 1 model błony biologicznej zbudowany jest z elementów 1 odzwierciedlających reszty acylowe nasyconych kwasów tłuszczowych oraz z elementów 2 odzwierciedlających reszty acylowe nienasyconych kwasów tłuszczowych. Elementy 1 i 2, w kolorze pomarańczowym, tworzące strefę lipidową modelu błony, są przystawione do elementów 3 o barwie zielonej, odzwierciedlających hydrofilowe fragmenty fosfolipidów. W lipidową strefę modelu błony wbudowane są także elementy 4, w kolorze khaki, odzwierciedlające związki sterydowe oraz dwubarwne elementy 5, odzwierciedlające fragmenty sfingomieliny, cerebrozydów i gangliozydów, których fragmenty tworzące strefę lipidową są oznaczone kolorem pomarańczowym, a fragmenty tworzące strefę hydrofilną są oznaczone kolorem zielonym. Ponadto w strefę lipidową modelu wbudowany jest element 9, w kolorach pomarańczowym i żółtym, odzwierciedlający hydrofobowy fragment białka transmembranowego. W hydrofilnej strefie modelu błony, odzwierciedlającej wnętrze komórki, ułożone są liniowo elementy 7 odzwierciedlające aminokwasy, z tym, że elementy odzwierciedlające aminokwasy hydrofilne są barwy zielonej, a elementy odzwierciedlające aminokwasy hydrofobowe mają kolor pomarańczowy, przy czym łańcuchy utworzone przez te elementy przyczepione są do elementu 9. Do łańcucha utworzonego z odzwierciedlających aminokwasy

5 elementów 7 oraz do elementu 5 przyczepione są elementy 8 w kolorze zielonym i żółtym, odzwierciedlające cukry, zaś do nich przyczepione są elementy 6, w kolorze różowym lub czerwonym, odzwierciedlające kwas sialowy. Wszystkie elementy modelu błony są umocowane za pomocą magnesowych zaczepów 11 do żelaznej tablicy 10. Po skonstruowaniu takiego przykładowego modelu błony, w trakcie zajęć dydaktycznych lub pokazowych, do odpowiednich elementów wpisywane są symbole aminokwasów oraz uzupełniane są wzory chemiczne właściwych cukrów i wpisywane odpowiednie nazwy tych cukrów, odzwierciedlając tym samym strukturę i funkcję rzeczywistej błony biologicznej, którą model reprezentuje.

6 fig. 2 fig. 3

7

8 fig. 5 fig. 8

9 fig. 9 fig. 10 fig. 11

10 fig

11 fig. 13

12 fig.1 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz. Cena 4,00 zł.