Введение к работе
Актуальность проблемы. Биофизические аспекте исследования биологических мембран заключаются в изучении физических овойств мембран, а также физических явлений и закономерностей, лежащих в основе их функционирования. Поэтому с физ: :еской точки зрения несомненный интерес представляют по крайней мере две важнейшие функции мембраны - матриксная и барьерная. Мембранный матрикс, состоящий из липидов, в которые встроены белки-ферменты и расположены рецепторы, оказывается ареной многих разыгрывающихся в клетке биохимических реакций и его физические свойства безусловно оказывают влияние на протекающие в мембране и на ее поверхности процессы. Конечно, наши представления о биологических, явлениях в мембранах на данном этапе далеко не всегда удается перевести на физико-химический уровень познания или прямым образом связать биологические явления о физико-химическими свойствами исследуемого объекта. Однако нет сомнений, что между ними имеет место корреляция. Так уже сейчас можно констатировать, что патологические процеосы, развивающиеся в живых организмах, связаны с изменениями физического характера в мембранном матриксе, что подтверждается экспериментальными,исследованиями (Владимиров Ю.А.,1989). Это определяет не только теоретическую, но и практическую значимость исследований физических свойств биологических и.модельных мембран, к которым относятся бислойные липид-ные мембраны /БЛМ/ и везикулы. Объектом теоретического исследования настоящей диссертации являются модельные мембраны. Важное место в этой области исследований занимает проблема теорети- . ческого опиоання механических, термодинамических и электрических свойств мембран. Теоретическое и экспериментальное исследование
- 4 -
электромеханических свойств мембран за последнее десятилетие
привело к более сложным представлениям о деформациях в мембране
к действующих на нее силах в электрическом поле. Во-первых, бы
ли приняты во внимание флуктуации поверхности мембраны, что
привело к отказу от предположения однородной деформации послед
ней. Во-вторых, при анализе деформаций, имещих место в мембра~
не при наложении электрического поля, необходимо различать сис
теми о постоянным числом частиц, к которым относятся везикулы
и биологические мембраны, и системы с переменным числом частиц,
такие как ЕШ. .
В исследованиях механических свойств ЕШ и везикул представления о флуктуациях поверхности шмбран оказались весьма плодотворными. Они послужили основой для разработки новой методики определения силовых констант, ишользущих эффект рассеяния света. Б теоретическом плане, выяснилось, что симметричная мода флуктуации имеет большое значение.при рассмотрении вопросов взаимодействия липидного матрикса с протеинами (Твердао-лов В.А.,1985), встроенными в мембрану, и влияния липидного би-слоя на время жизни канала. Антисимметричная мода флуктуации ответственна за увеличение площади поверхности БЛМ, что приводит к изменению емкости мембраны. В результате оказывается возможным определить модуль изгиба монослоев в липидном бислое (Чизмаджев Ю.А., Абидор И.Г., Лейкив С.І., Глазунов И.Ю.,1985). Использование идеи о флуктуациях поверхности мембраны позволяет рассмотреть вопрос о преодолении гидратационных сил отталкивания (Лейкин С.Л., Козлов М.М., Черномордое Л.В., Маркин B.C., Чизмаджев Ю.А.,1986), высказать гипотезу о их флуктуационной природе (iielfrich V.z.,' 1978 ). Все это, безусловно, имеет большое значение для дальнейшего развития теории слияния мемб-
- б -
ран, их взаимодействия и експериментального изучения этого явления (Елюш А.П., Берестовский Г.Н. ,1975, Berestovsky О.М., Oyulkhandanyan M.z.,1976 , Саляев Р.К.,1983, Соколов Ю.В.,1982, Маркин B.C., Козлов М.М., Меликян Г.В., Абидор И.Г., Чизмад-жев Ю.А.,1985).
Барьерные свойства мембран могут сущее -зенно изменятьоя
ва счет образования пор под действием электрического поля и
встраивании каналоформеров. Необходимость создания теории флук-
туационных явлений ионного транспорта диктуется следующими об- ,
стоятельствами. Флуктуации размера пор зависят от механических
свойотв лшшдного бислоя, и ответственны за флуктуации электри
ческого тока через мембрану. Известно также, что отруктура и
свойства БЛМ оказывают влияние на временные характериотики кана
лов и определяют эффективность антибиотиков (Ермишкин Л.И.,
Зильберштейн А.Я.,1982, Левицкий Д.О., Лебедев А.В.,1988). Для
грамицидиновых каналов, как показано в работе (Bezrukov s.u.,
Drablcin G.H., Ponlna L.I., Irkhln і.I., Melnik E.I., Sibilev
I.U., 1980), интенсивность спектра фликкерных флуктуации напря
жения в бислое из диолецитина в 30 раз меньше по сравнению о
БЛМ из глицерилмоноолеата. Этот факт, во-первых, подчеркивает ин
формационную ценность флуктуацнонного*анализа, и во-вторых,
позволяет высказать гипотезу 6 той, что временная корреляцион
ная функция более чувствительна к изменению состава липидного
матрикса'по сравнению с проводимостью. Изложенные соображения
определяют новую область исследований - флуктуацяонную электро
механику модельных мембран - и актуальность диссертационной ра
боты. : '
Цель и задачи исследования. Цель работы: развить теорию флуктуационного анализа электромеханических-'свойств модельных
мембран и явлений ионного транспорта в мембранах. Задачи исследования.
-
Провести сравнительный анализ выражений для тензора электрических напряжений, полученных методами локальной и макроскопической термодинамики; установить пределы применимости последнего.
-
Изучить явление электрострикцш для случая закрытых систем (лшюсош, везикулы, клетки) по числу липидных молекул в мембранах и открытых системах (БЛМ); определить силы, действ вующие на мембрану в электрическом поле.
-
Определить вид свободной энергии мембраны для симметричной н антисимметричной мод флуктуации поверхности мембраны. Изучить зависимость симметричных и антисимметричных флуктуации от величины приложенной к мембране разности потенциалов. Выяснить значение флуктуации в исследовании вопроса устойчивости БЛМ и липосомальных мембран в электрическом поле, оценить вклад флуктуации в изменение емкости мембран во внешнем поле. Определить величину изменения свободной энергии мембраны при встраивании в последнюю каналоформера и на примере грамицидинового канала оценить влияние толщины мембраны на время жизни канала.
-
На основе полученных выражений для тензора напряжений электрического поля изучить влияние поверхностного заряда в липосомальных мембранах на величину сдвига температуры фазового перехода мембраны. Изучить зависимость сдвига температуры фазового перехода от ионной силы электролита, рН электролита
и размера липосомы в нелинейном варианте уравнения Буассона--Больцмана. Рассмотреть влияние размера липосомы на интервал размытия температуры фазового перехода (неизотермический фазовый переход для Ъгучая сферической липосомы).
-
Рассмотреть задачу ионного транспорта в примембранных слоях электролита в рамках модели, описываемой нелинейной системой уравнений Нернста-Планка. Изучить влияние примембранных слоев электролита на транспорт ионов через мембрану в стационарных условиях и в переменном электрическом поле. Рассмотреть вопросы термодинамики равновесного примембранного слоя электролита, в частности, определить зависимость поверхностного натяжения примембранного слоя от величины электричеокого поля.
-
Определить спектр флуктуации тока, обусловленный флук-туациями радиуса пор, возникающих в мембране при положении электрического поля. На основе теории стохастических уравнений получить уравнение для даухвременной плотности вероятности распределения размера (радиуса) поры.
-
На основе методов статистической физики и модельных соображений рассмотреть проблему фликкерных флуктуации электрического тока (проблема I/f - спектра флуктуации, t - частота). Выяснить условия, при которых в области малых частот возникает спектр типа I/f , указав возможную природу фликкерных флуктуации.
Научная новизна,. Ранее, в теоретических исследованиях электромеханических свойств мембран и интерпретации экспериментальных данных полагалось, что деформации липидного бислоя в электрическом поле определяются явлением электрострнкции, а силы, действующие на бнслойную мембрану определялись из аналогии с плоским конденсатором. В диссертации предложен принципиально новый подхо, к изучению деформаций мембран в электрическом поле, а именно, приняты во внимание флуктуации.поверхности лытд-ного бислоя. Детально изучены свойства симметричных и антисимметричных мод флуктуации и их значение для интерпретации ряда
Q *%
фивичеокиг свойств мембран, таких как зависимость времени жизни канала при встраивании в липидный бислой от соотношения толщины мембраны и размера канала, изменение емкости мембраны в электрическом поле, усиление флуктуации в элекг-рическом поле, влияние флуктуации на устойчивость мембран в электрическом поле.
На основе методов локальной термодинамики впервые проведен вывод вида тензора электрических напряжений с учетом поверхностных и объемных зарядов, что позволило установить границы области применимости ранее попользовавшегося вида тензора электрических напряжений, получанного методами макроскопической равновесной термодинамики. Проведен корректный анализ деформаций мембран в электрическом поле для случая систем с переменным (ЫМ) и постоянным числом молекул липида (везикулы, липосомы). Важность такого разделения ранее во внимания не принималась. На основе выражения1 для тензора электрических напряжений изучена зависимость сдвига температуры фазового перехода в липосомах от плотности поверхностного заряда, ионной силы окружающего мембрану раствора, радиуса везикулы в нелинейном варианте уравнения Пуассона-Больцмана. Этот анализ позволил выдвинуть гипотезу о еще одной возможности наблюдения неизотермического фазового перехода, обусловленного распределением везикул по их размерам. .',._.
В отношении флуктуационных явлений ионного транспорта в мембранах предлагается дополнительный возможный источник флук туаций электрического тока, а именно, флуктуации радиуса пор, возникающих в мембране под действием электрического поля. Используя аппарат стохастических уравнений, дается обоснована уравнению для двухвременной плотности распределения радиуса
- 9 -пор, найден спектр флуктуации тока. В рамках определенных модельных процедур усреднения удалось получить спектр фликкер-ных флуктуации тока (1/ - спектр), при этом показано, что природа фликкерных флуктуации тока имеет диффузионный харак-тер и проявляется лишь при наложении электрического поля.
Научцо-практическое значение работы. Развитые в диссертации представления о роли флуктуации поверхности мембраны и действующих на мембрану сил в электрической поле качественно меняют подход к интерпретации экспериментальных данных по исследованию механических свойств мембран. Анализ влияния флуктуации поверхности мембран на электрические характеристики мембран, а также проведенный анализ спектра флуктуации тока открывают ноше методические возможности для более глубокого изучения электромеханических свойств мембран. Значительная часть результатов, полученных в дисоертации, послужила основой для создания курса лекций по .теоретической биофизике мембран, читаемых на кафедре биофизики 2-го МОЛГМИ.
Апроо'аяия работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на 1-ом Всесоюзном биофизическом съезде (Москва, 1982), на Всесоюзных конференциях по биологической и медицинской кибернетике (Сигнахи,1978,Тбилиси, 1982) , на Всесоюзных конференциях к рабочих совещаниях по биоэлектрохимии мембран (Рига,1990, Суздаль,1987, Цущино,1985), на заседаниях теоретического отдела Физического института АН СССР им.П.Н.Лебедева (1983), на научных семинарах отдела биоалектрохимии института электр^ лшии им. А.Н.Фрумкина АН СССР, на Всесоюзной конференции по биомеханике (Рига,1985), на конференции 2-го МОЛГМИ по биофизике мембран (Мссква,1989), на отчетной конференции по программе: " Фундаментально-поисковые исследования
- 10 -мембранных механизмов клеточной патологии и разработка автоматизированных методов диагностики" <Москва,1990).
Апробация диссертации состоялась на расширенном заседании кафедры биофизики 2-го МОЛИЛИ.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано -27 печатных работ.
Структура и объем диссертации, диссертация состоит из введения, первой части, включающей 4 главы и выводы, второй части, включающей 5 глав и вывода по' второй части, заключения и списка литературы. Работа изложена на 361 страницах машинописного текста, включает 33, рисунка, I таблицу и список литературы из 426 источников, из которых 1Э9 отечественных и 227 зарубежных наименований.