Динамические свойства поверхностно заряженной бислойной липидной мембраны Красильников, Павел Михайлович

Введение к работе

Актуальность темы. Биологические мембраны представляют собой сложноорганизованные белково-липидные структуры, основу которых составляют бимолекулярные пленки, образованные амфифильными лилидными молекулами, имеющими полярную "головку" и гидрофобный "хвост". Область полярных "головок" липидов во взаимодействии с водным окружением и в совокупности с полярными и ионогенными группами белков и полисахаридов формирует заряженную поверхность мембран.

Поверхностный заряд является не только важным фактором структурной и функциональной организации биомембран, но также существенно влияет на их высокочастотные динамические свойства. При рассмотрении механических колебаний мембран их, как правило, представляют в виде жидкой пленки. Такой подход оправдан для низкочастотных колебаний. При рассмотрении высокочастотных (10⁹ — 10^1гс^-1) колебаний ли-пидных везикул необходимо учитывать релаксацию сдвиговой вязкости, характерное время которой т_т определяется из отношения сдвиговой вязкости г] жидкости к ее модулю Юнга G: r_m = rj/G. При колебаниях, частота которых превосходит скорость релаксации сдвиговой вязкости, жидкость ведет себя как вязкоупругое (твердое) тело. Для липидных мембран минимальное время релаксации сдвиговой вязкости имеет порядок Ю^-9 — 10~¹⁰с. На гиперзвуковых частотах липидные мембраны ведут себя как вязкоупругие тела, в то время как окружаюшая вода продолжает вести себя как обычная ньютоновская жидкость, что обусловлено различием вязкостей.

Теоретический анализ показывает, что липидные везикулы, радиус которых порядка 10~* см, обладают собственными колебательными частотами в области гиперзвуковых частот. Расширение спектрального диапазона до столь высоких частот становится возможным благодаря поверхностному заряду.

Локальные флуктуации плотности поверхностного заряда могут привести к параметрическому возбуждению механических колебаний мембраны, что особенно значимо, если модуляция этого параметра осуществляется микроволновым излучением. В связи с тем, что в настоящее время наблюдается все большее возрастание практического применения этого излучения в медицине, представляется весьма актуальным исследование динамического поведения лилидных мембран в этом частотном диапазоне.

Цель работы состоит в исследовании высокочастотной динамики заряженных липидных везикул. Эта задача подразделяется на три:

1. исследование спектра механических колебаний заряженных сферических везикул в области частот геометрического резонанса;

2. исследование коллективной динамики поверхностных ионов: установление частотного спектра собственных осцилляции возмущения ионной плотности (плазмонов) и анализ условий их возбуждения внешним электромагнитным полем (поверхностная поляризация);

3. изучение взаимодействия механической и электрической (ионной) колебательных систем везикулы.

Научная новизна и практическая значимость работы: в работе впервые показано, что

поверхностно заряженные липидные везикулы могут совершать собственные механические колебания в гиперзвуковом диапазоне частот. На основании этого предсказывается сверх-стоксово поглощение гиперзвука в коллоидной взвеси везикул на резонансных частотах;

латеральное кулоновское взаимодействие адионов приводит к возникновению ионных поверхностных коллективных возбуждений (аналог плазмонов), собственные частоты которых лежат в микроволновом диапазоне;

- заряженная мембрана представляет собой параметрическую электромеханическую колебательную систему, в которой можно возбудить механические колебания мембраны, модулируя внешним микроволновым полем локальную плотность поверхностного заряда.

Результаты представляют практическую значимость для медико-биологических исследований воздействия микроволнового излучения на живые системы.

Аппробация работы. Основные результаты работы докладывались на VI Всесоюзном совещании - Жидкокристаллическое состояние в биологических системах и их моделях (Пушино, 1988);

I Всесоюзном симпозиуме с международным участием по фундаментальным и прикладным аспектам применения миллиметрового электромагнтного излучения в медицине (Киев, 1989); по материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ и 1 тезисы докладов.

На научном семинаре в Институте физических проблем им. Л.Д. Ландау в июле 1998 г., а также на семинарах кафедры биофизики биологического факультета МГУ.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 работ и 2 работы приняты в печать.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографии, включающей 77 наименований. Работа изложена на 85 страницах машинописного текста, включая оглавление и список литературы.