Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Динамические свойства поверхностно заряженной бислойной липидной мембраны

ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Динамические свойства поверхностно заряженной бислойной липидной мембраны"

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВА

Биологический факультет

На правах рукописи

УДК 577.352

КРАСИЛЬНИКОВ Павел Михайлович

ДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТНО ЗАРЯЖЕННОЙ БИСЛОЙНОЙ ЛИПйДНОЙ МЕМБРАНЫ

(03.00.02 - биофизика)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1998

Работа выполнена на кафедре биофизики биологического факультета Московского государственного университета им. М. В .Ломоносова.

Научный руководитель - Доктор фнзкко-

математических наук, профессор, К.В.Шайтан

Официальные оппоненты

- Член-корреспондент РАН, доктор хкюгаесккх наук, профессор Ю.А. Чнзмаджев, доктор физико-

математических наук Голо В.Л.

Ведущая организация - Институт математических

проблем биологии РАН (г. Пущино)

Защита состоится ОКТЯ5РЙ 1998 г. в часов на

заседании диссертационного совета К.053.05.68 при МГУ им. М.В.Ломоносова по адресу: 119899, г. Москва, Воробьевы горы, МГУ, биологический факультет, кафедра биофизики.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке биологического факультета МГУ.

Автореферат разослан -1998 г.

Ученый секретарь совета, доктор биологических наук, профессор

Б.А, Гуляев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 — 1011с-1) колебаний ли-пидных везикул необходимо учитывать релаксацию сдвиговой вязкости, характерное время которой тт определяется из отношения сдвиговой вязкости г] жидкости к ее модулю Юнга О: тт = т])0. 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 — Ю~10с. На гиперзвуковых частотах липидные мембраны ведут себя как вязкоупругие тела, в то время как окружающая вода продолжает вести себя как обычная ньютоновская жидкость, что обусловлено различием вязкостей.

Теоретический анализ показывает, что липидные везикулы, радиус которых порядка Ю-4 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 липидных 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 (Пу-щино, 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Представлена актуальность темы, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, ее научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен литературный обзор, в котором рассматривались следующие вопросы: структурная и функциональная организация клеточных мембран и липидных пленок; формирование заряженной поверхности биомембран; латеральная диффузия и поверхностная проводимость липидных поверхностей; влияние заряда мембран на их устойчивость и упругие свойства; взаимодействие электромагнитных полей со взвесями везикул и клеток: описаны эксперименты по селективной агрегации клеток в коллоидной взвеси и синхронизации их деления при действии микроволнового поля.

Проведен анализ релаксационного поведения сдвиговой и объемной вязкостей жидкости, первая из которых ответственна за вязкоупругое (твердотельное) поведение жидкости на высоких частотах, а вторая за сверхстоксово поглощение звукового Излучения.

Во второй главе рассмотрена механика заряженного ли-пидного бислоя. В ней получены основные соотношения, характеризующие движение поверхностно заряженной сферической мембраны как механической системы. Проведен анализ понде-ромоторного действия на мембрану электрического поля, возбуждаемого поверхностным зарядом, которое проявляется в возникновении дополнительного давления на мембрану со стороны жидкости и в увеличении ее упругости.

Рассматривается оболочечная модель клетки, представляющая собой тонкую сферическую оболочку радиуса а, заполненную раствором и погруженной в раствор с диэлектрической проницаемостью На обеих поверхностях оболочки распределен заряд с плотностью гг,1е. Индексы г и е обозначают внутренний и внешний объемы.

Описание движения мембраны в оболочечной модели сводится к решению уравнений движения вязкой жидкости (ур. Навье-Стокса), где в качестве граничных условий используются уравнения движения упругой оболочки. Используя сферическую симметрию задачи и вводя соответствующую систему координат с началом в центре сферической мембраны, находим электрическое поле, возбуждаемое поверхностными зарядами слабо деформированной поверхности, которое затем используем для вычисления максвелловского тензора напряжений электрического поля, входящего слагаемым в тензор вязких напряжений, описывающего силы, действующие на мембрану со стороны жидкости.

Затем, представляя скорость жидкости в виде соленоидаль-ной и вихревой компонент, ограничивая рассмотрение аксиально симметричным движением оболочки, раскладывая все функции в ряд по полиномам Лежандра и учитывая уравнение непрерывности, на основании теории тонких оболочек получаем уравнения движения мембраны в перемещениях, которые задаются вектором осесимметричного смещения (или деформации) элемента поверхности мембраны в сферических координатах й — {гц, и<?, 0}. Функциональная зависимость деформации оболочки описывается полиномами Лежандра и сферическими функциями Бесселя полуцелого порядка.

Влияние поверхностного заряда на динамику мембраны оказывается посредством действия пондеромоторных сил, описание которых производится с помощью максвелловского тензора напряжений электрического поля.

Анализ динамических уравнений проведен для двух типов колебаний при условии геометрического резонанса, т.е. при условии, когда на длине экватора сферы укладывается целое число звуковых полуволн. Это условие накладывает ограничение снизу на величину собственных частот везикулы, которые могут быть связаны с резонансными явлениями в этой частотной области. Они должны быть не меньше частоты геометрического

резонанса

ПСi

где п - номер гармоники, с,— скорость звука. При п = 2, радиусе мембраны Ю-4 см и скорости звука в воде 1,5 -10® см/с получим

1° Рассмотрим первый тип колебаний мембраны. Это такие колебания, которые связанные с деформацией чистого изгиба мембраны, когда отлична от нуля только компонента радиального смещения элемента поверхности мембраны и?, компонента тангенциального смещения мембраны равна нулю ид = 0.

Собственные колебательные моды изгиба мембраны обусловлены следующими тремя факторами: 1) спонтанным натяжением мембраны, 2) силами упругости, возникающими при латеральном растяжении/сжатии мембраны, 3) пондеромоторны-ми силами. Поэтому колебательный спектр мембраны содержит три собственных частоты.

Рассмотрим эти частоты последовательно.

1) Частота ш? определяется динамикой капиллярных волн на поверхности мембраны

где Т0 - спонтанное (или поверхностное) натяжение мембраны, р - плотность жидкости.

2) Частота и>а обусловлена силами, восстанавливающими площадь поверхности мембраны при ее латеральном растяжении или сжатии

- и>„

1,5- lOV"1.

bJQ —

/ 4(n+ l)Gh\1^2 l /

где G - модуль Юнга, h - толщина мембраны.

3) Частота соа обусловлена пондеромоторными силами или, другими словами, электрическими силами, восстанавливающими равновесие в системе взаимодействующих зарядов

где <т^е - плотность заряда на внутренней (1) и внешней (е) поверхностях мембраны, г,|в - диэлектрическая проницаемость раствора внутри и вне везикулы.

Оценим эти частоты. Значения параметров сг, Та выберем близкими к максимально возможным: а — ДО^СКУй], (? = Ю10 дин/см2, Г0 = 102 дин/см. Радиус мембраны возмем а = Ю-4 см, диэлектрическую проницаемость е = 80, р = 1 г/см3 и И, = Ю-6 см. Номер гармоники положим равным п = 2, что соответсвует дипольной механической моде. Получим: шт\п=г — 3 • 107с-\ ша\п=г = 3 • 108с-\ ^|п=2 = 1,5 • 1()9с"1.

Отсюда видно, что если собственные колебания и возможны в области геометрического резонанса, то обеспечить их могут только пондеромоторные силы.

Обратимся к вопросу о затухании осцилляции радиальной компоненты смещения. Скорость затухания в этом случае определяется следующим образом

1 - 2п2т] 7> ра2 '

где г? - сдвиговая вязкость. Отметим, что скорость затухания радиальной компонеты смещения пропорциональна квадрату номера гармоники. При п = 2 имеем - гг|п-2 = 8 • 106с-1.

Это очень слабое затухание, правда его скорость быстро растет с увеличением п. Посмотрим, при каком номере гармоники выполняется условие и>т = 1 :

3) для ит получим п = 30, при котором сама частота равна ит = 1,6 • 109с-1. Отсюда ясно, что капиллярные волны в области гиперзвуковых частот не возбуждаются, а колебания носят релаксационный характер.

2) условие и>отт = 1 достигается также при п = 30. Значение частоты такое же как и и^|я=зо. Следовательно, колебания радиальной компонеты смещения, обусловленные упругими свойствами липидных мембран, в области гиперзвука при геометрическом резонансе также носят релаксационный характер;

3) условие (¿„г? = 1 достигается при п = 50, а сама частота равна а/о.|п=:5о = 7- 109с-1. Таким образом, видно, что пондеромо-торные силы могли бы обеспечить добротные радиальные колебания поверхности мембраны, если бы не одно обстоятельство. Речь идет о переизлучении колебательной энергии мембраны в окружающую среду. В силу того, что модули Юнга липида и воды одинаковы, переизлучение будет стопроцентным (если бы соотношение модулей Юнга было как у стали и воздуха, тогда бы излучение было бы слабым и сфера звенела бы). Следовательно, радиальные колебания мембраны, какие бы возвращающие силы из перечисленных ни действовали, будут носить релаксационный характер.

Этот релаксационный процесс должен обусловить сверхсток-сово поглощение гиперзвука в области частот порядка 109 — 7 • 10эс-1. Наблюдение пика поглощения в этой области служило бы подтверждением развиваемых здесь представлений (разделение вклада различных мод не представляет особых сложностей).

2° Рассмотрим теперь колебания мембраны, обусловленные тангенциальным смещением элемента ее поверхности, т.е. когда й, = 0, а щ ф .0 Собственные колебания при таких деформациях определяются упругими силами, возникающими при латеральном растяжении/сжатии элемента поверхности мембраны и пондеромоторными силами

1) Частота Шав, обусловленная упругостью мембраны, выражается следующим образом

/4С?п(п + 1)У/2 Ш09==1 З^а' ] '

где рт - плотность мембраны. Заметим, что эта частота не зависит от толщины мембраны Л. Деформация происходит вдоль мембраны, и, следовательно, инерционный член пропорционален РтК а не рта, как в случае радиальных колебаний, т.е. существенно меньше, т.к. не приходится "толкать" окружающую жидкость (с чем, собственно, и связано переизлучение).

2) Частота и^в определяется пондеромоторными силами

1/2

I ¿7ЦТ1, "Г X МО,- — ]

/27г(п + 1)(^-<7е)гу

\ ерИа )

Затухание колебаний тангенциальной компоненты смещения мембраны определяется силами вязкого трения при касательном проскальзывании поверхности мембраны относительно прилегающей жидкости

1 _ 2щ

тд ртЬ,а

Эта скорость так же растет с увеличением номера гармоники п, но по линейному закону. Оценим величины при п = 2:

ь>ав\п=2 = 3 • 109с-1, и* = 3 • Ю10с-\ Тд1 = 5 • КАТ1.

Обе частоты превышают ш,. Скорость затухания существенно ниже частот колебаний, причем в этом случае скорость затухания является реальной величиной, т.к. переизлучения не происходит. Колебания будут добротными. Упругая энергия деформации рассеивается из-за трения поверхности мембраны о прилегающие слои жидкости в виде вязких сдвиговых волн.

Эти волны очень быстро затухают и на расстояниях от поверхности порядка 100 А их амплитуда практически равна нулю. Отметим однако, что если расстояние между поверхностями соседних везикулы меньше 100 Ä, то сдвиговые волны могут приводить к взаимодействию везикул.

3° Параметрическое возбуждение механических колебаний мембраны. Колебания тангенциальной компоненты смещения описываются уравнением

1 2т(п +1) 2 Щп + 2— + v . = 0.

те epmha,

Здесь мы опустили слагаемое, пропорциональное G. Предположим, что поверхностная плотность заряда испытывает локальные вариации, обусловленные латеральной подвижностью ионов, т.е.

а = (Г0 + а',

где а'— возмущение плотности. Колебательная энергия

W = -Muj2U2 2 0

где и? — 2г(n + 1 )a2/(epmha)— частота осцилляций, М = 47Га2hpm— масса мембраны.

При вариации сг (в линейном приближении) получим вариацию энергии

Д w = w - Wo = 87ra(n + 1W'^ = Wo • 4£,

е

где W0 = W{a = сг0)> а это глубина модуляции

е =

2а0

Уравнение параметрических колебаний представим в общепринятой форме

Щп + 2—щп + ш2в{1 + £соз(рЬ))ивг1 = О, те

где р = 2иъ/т— частота изменения параметра, т - натуральное число.

Пороговое значение параметра £ определяется из условия равенства получаемой и теряемой энергии за период

и в

т.е. величина, обратная добротности. Для нашей системы £ и 0,016. Следовательно, если глубина модуляции параметра будет превышать это значение, то колебания мембраны будут неограниченно нарастать, т.е. наступит параметрический резонанс. Модулировать поверхностную плотность можно внешним электрическим полем. С увеличением частоты р частотный интервал возбуждения колебаний сужается. Наиболее выгодное значение т=1, т.е. р = 2а>0) при котором вложение энергии в колебательную систему происходит дважды за период. В линейной системе нарастание амплитуды при параметрическом резонансе неограничено. В реальной системе всегда проявятся ограничения в виде нелинейности или дополнительной диссипации. Тем не менее, если иметь в виду мембрану, при длительном воздействии модулирующего фактора резонанс может привести к большому нарастанию амплитуды колебаний и образованию вследствие этого структурных дефектов в бислое или даже к его разрыву (образованию микропор).

В третьей главе рассмотрены динамические свойства поверхностных ионов, связанные с их латеральной подвижностью в примембранной области (слое Штерна) и эффекты, обусловленные такой подвижностью. Показано, что в такой ионой

среде могут возникать коллективные поверхностные возбуждения (колебания ионной плотности), обусловленные кулоновски-ми взаимодействиями в слое (аналог плазмонов). Также показано, что, благодаря кулоновскому взаимодействию зарядов на различных поверхностях бислоя, при возбуждении колебаний ионов на одной из них возникают колебания ионов и на другой поверхности, в результате чего образуется система связанных осцилляторов.

При рассмотрении колебаний в ионной среде также необходимо учитывать релаксационные процессы, связанные с восстановлением равновесного распределения ионов в среде, обладающей проводимостью ад. Время такой релаксации получается из уравнения непрерывности и называется максвелловским временем релаксации

е

9 47ГСГ,'

Это время, так же как и время релаксации сдвиговой вязкости (теперь только по отношению к системе зарядов), разделяет процессы на быстрые и медленные. Если скорости процессов, связанных с движением ионов, выше скорости релаксации г"1, то применимо адиабатическое приближение, когда окружающие заряды можно считать неподвижными. Например, если поверхностный заряд испытывает быстрые флуктуации, ионная атмосфера (ионы в диффузной части двойного электрического слоя) может не успеть отследить эти изменения. Поэтому потенциал, определяемый быстрыми флуктуациями, описывается уравнением Лапласа, в то время как при медленных движениях поверхностных ионов этот потенциал подчиняется уравнению Пуассона-Больцмана.

Наиболее важными результатами третьей главы являются:

1) Осцилляции ионной плотности на поверхности везикул могут совершаться с частотой (плазменная частота), которая

выражается следующим образом.

= /^+1)4тге(7\1/2 Шр, \21+1 ета) '

где е, тп - заряд и масса иона, I - номер "плазмонной" гармоники.

При I = 1 для протонов при е = 40 (диэлектрическая проницаемость вблизи поверхности уменьшается) и <т = 105[(7(?5] (каждая липидная головка является дипольной) получим шр(Н+) = 2,5 • Юис-1. Для ионов натрия получим о^(.АГа+) = б • 1010с~х.

Из этих оценок следует, что частоты механических и "плазменных" шр колебаний лежат в одном диапазоне. Следовательно, т.к. механические и ионные колебания связаны друг с другом, модуляция величины одной переменной (например, сг) может вызвать параметрическое возбуждение колебаний другой. Таким образом возможно возбудить механические колебания мембраны, действуя на него внешним электрическим полем.

2) Анализ вынужденных осцилляции ионной поверхностной плотности (поляризация) позволяет вычислить глубину модуляции параметра. Приведем это выражения для случая резонансного излучения, когда частота поля и равна частоте "плазменных" колебаний ионов шр

^ _ ег 1

тпаеш у/Т+ ш2т2'

где время г характеризует процесс рассеяния импульса иона при латеральном дрейфе. Это время определяется поверхностной проводимостью.

Чтобы достичь глубины модуляции £ = 0,02, необходимой для возникновения параметрического резонанса (т.е. неограниченного нарастания амплитуды механических колебаний), потребуются очень сильные поля, сравнимые с внутримолекулярными ~ 107[СС5]. Тем не менее, возбуждение механических

колебаний мембраны с ограниченной амплитудой вполне возможно.

3) При действии внешнего поля на заряженную везикулу происходит ее поляризация, обусловленная латеральным смещением ионов. В зависимости от величины времени г (релаксации импульса иона) этот процесс может носить либо резонансный, либо релаксационный характер. В связи с тем, что г характеризует поверхностную проводимость везикул, экспериментальное наблюдение острорезонансного поглощения энергии электромагнитного излучения взвесью везикул будет свидетельствовать о том, что высокочастотная проводимость существенно превышает статическую. Из данных по стационарной поверхностной проводимости следует, что г и 10~13с. Конечно, при таком времени т плазменные колебания носят релаксационный характер. На резонансной частоте в этом случае будет наблюдаться лишь небольшое увеличение поглощения энергии поля. Бели же поверхностная проводимость на высоких частотах на 3 - 4 порядка выше стационарного значения (т.е. время г ~ Ю~10 — 10~9с), то будет наблюдаться острый резонанс. Если такая ситуация реализуется, то это приведет к резонансному индуцированию дипольного момента везикул, величина которого в шт раз будет превышать дипольные моменты нерезонансных везикул. Это приведет к селективному взаимодействию в коллоидной взвеси везикул. Более того, если резонансная частота превышает скорость максвелловской релаксации ионной атмосферы (здесь мы рассматриваем именно такой случай), то в системе везикул возникнет дальнодействие, т.к. ионная атмосфера не успевает эффективно экранировать быстрые осцилляции дипольного момента. Агригационная картина в коллоиде представится тогда так, что одинаковые везикулы, даже находясь н» значительных расстояниях друг от друга, будут активно ассоциироваться, а различающиеся везикулы - менее активно. Будет представляться так, будто бы одинаковые везикулы " узнают"

друг друга. Картина, подобная описанной, наблюдалась экспериментально в культуре клеток.

В четвертой (заключительной) главе проведено обсуждение сверхстоксова поглощения гиперзвука в коллоидной взвеси липидных везикул, которое обусловлено возбуждением колебаний их мембран и приведены оценки соответствующих величин. Так, поглощение гиперзвука на частоте, равной собственной частоте механических колебаний везикулы, должно примерно в 100 раз превысить поглощение гиперзвука на этой частоте в чистой воде.

Проведено обсуждение поляризационных эфектов и поверхностной проводимости липидных поверхностей. Так, поглощение энергии внешнего электромагнитного поля в коллоидной взвеси везикул на резонансной частоте, равной частоте "плазменных" колебаний ионов на поверхности, должно в три раза превысить поглощение на этой частоте в чистой воде. Причем, такое превышение поглощения должно наблюдаться при стационарном значении поверхностной проводимости. Если поверхностная проводимость на высоких частотах больше стационарной проводимости, то поглощение должно быть еще значительнее. Приведем выражение для поверхностной поляризуемости а(ш) везикулы, которая связана с дипольным моментом соотношением

Р=<х{и>)Ё№. Поляризуемость при резонансном воздействии

47га3 е2по т 1 ^

3 гта и>л/1 + аЯг2

В этой главе обсуждается также вопрос об агрегации в коллоидной системе. Упоминается возможность синхронизации колебательных процессов во взвесях живых клеток при условии их дальнодействующего диполь-дипольного взаимодействия. Подобная синхронизация клеточного деления в культуре клеток

а(иЛ

(дрожжей) в условиях облучения микроволновым полем наблюдалась экспериментально.

Опишем еще один интересный режим агрегации, который назовем автоколебательным. Он возможен в условиях острорезонансной поляризации. Бели две везикулы обладают резонансными "плазменными" частотами и на них индуцируется большой дипольный момент, то они агрегируют. При этом у них образуется общая гидратная оболочка и геометрия такого ассоциата престанет быть сферической, что приведет к выходу их из резонанса, т.к. плазменная частота зависит от радиуса. В силу этого поляризационные силы их не будут удерживать и они под действием тепловых флуктуации могут разойтись. Если они дезагригируют, то вновь попадут в условия резонансной поляризации и вновь начнут слипаться. Так будет продолжаться, пока действует поле или не изменятся другие условия.

В заключении отметим еще один возможный эффект. Высокочастотные механические колебания мембраны (вибрация) могут облегчить латеральную диффузию макромолекул аналогично тому, как увеличивается "текучесть" сыпучего вещества (например, песка) на вибрирующей подложке. Свободно диффундирующие молекулы будут стремиться собраться в узлах стоячей волны, возбужденной в мембране. При длительном поддерживании таких колебаний мембраны в последней может произойти разрыв, вызванный смещением липидных молекул из пучностей стоячей волны к узловым точкам.

Некоторые из рассмотренных в диссертации процессов исследовались методом молекулярной динамики в рамках компьютерного моделирования. Поверхность мембраны строилась с помощью модельных атомов, обладающих параметрами и межмолекулярными силами взаимодействия, характерными для липидных молекул. На этой поверхности создавались ионные или дипольные центры. Пространство над поверхностью мембраны заполнялось молекулами воды со средней плотностью, равной

1 г/см3, а также помещались несколько модельных ионов различных знаков. Расчет динамической траектории "длиной" 10 не показал, что ионы адсорбируются на незанятых активных центрах, если таковые имеются, либо совершают случайные блуждания, не удаляясь от поверхности на расстояние, более 1 нм.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1° В диапазоне 109 — 1011 Гц липидные мембраны имеют собственные колебательные частоты. Колебания мембраны, связанные с деформацией изгиба, являются релаксационными. Колебания мембраны, связанные с тангенциальной деформацией (продольные звуковые волны в мембране), являются добротными ф ~ 50. Существование таких частот обусловливается, в первую очередь, поверхностным зарядом мембраны. В спектре поглощения гиперзвука на резонансной частоте должен наблюдаться пик сверхстоксова поглощения.

2° В ионном поверхностном слое (слое Штерна) мембраны возможно возбуждение коллективных колебательных мод ионной плотности типа поверхностных плазмонов. Собственные частоты таких мод лежат в микроволновом диапазоне. В поле внешнего излучения происходит поляризация везикул, которая носит резонансный характер. По величине поглощения на резонансной "частоте электромагнитной энергии можно судить о величине высокочастотной поверхностной проводимости.

3° Механические и ионные колебательные моды мембраны лежат в одном частотном диапазоне. Это позволяет возбудить механические колебания мембраны, воздействуя на ее заряженную поверхность внешним микроволновым излучением, модулируя локальную плотность поверхностного заряда. Имеем параметрическую колебательную систему, где глубина модуляции определяется отношением равновесной плотности заряда

к индуцируемой. Параметрический резонанс, т.е. неограниченное возрастание амплитуды механических колебаний мембраны, возможен при глубине модуляции порядка 0,02. Такая величина достигается только при очень больших напряженности* внешнего поля, сравнимых с внутримолекулярными.

4° В коллоидной системе везикул, на которых индуцируется высокочастотный дилольный момент, возникает дальнодействие, обусловленное ослаблением экранирования потенциала ионной атмосферой из-за ее инерционности. Если высокочастотная поверхностная проводимость является аномально большой, то индуцирование диполыюго момента на везикулах будет носить острорезонансный характер, что может привести к "селекции" частиц по их диполь-дипольному взаимодействию. Это будет восприниматься как "узнавание" одинаковыми резонансными частицами друг друга.

Список работ, опубликованных по теме диссертации.

1. Красильников П.М., Фисун О.И. Возбуждение двумерных колебательных мод зарядовой плотности в сферических бислой-ных мембранах. В сб.: Исследование динамических свойств распределенных сред. М: ИФТП, 1989. с. 12 - 23.

2. Красильников П.М., Фисун О.И. Роль поверхностной поляризации во взаимодействии коллоидных частиц. В сб.: Релаксационные процессы и явления в активных средах. М.: ИФТП, 1990. с. 3 - 10.

3. Красильников П.М. О возможности редукции к тепловому эффекту действия низкоинтенсивного СВЧ излучения на биохимические системы. В сб.: Динамические процессы в сложноор-ганизованных системах. М.: ИФТП, 1991. с. 43 - 48.

4. Красильников П.М. Ближний порядок в воде и ее высоко-

частотная диэлектрическая проницаемость. В сб.: Процессы и структуры в открытых системах. М.: ЙФТП, 1992. с. 100 - 107.

5. Красильников П.М. Влияние поверхностного заряда на упругие свойства липндных мембран. В сб.: Динамика сложных систем. М.: ИФТП, 1993. с. 66 - 70.

6. Красильников П.М., Фисун О.И. Собственные колебания заряженных сферических мембран.// Биофизика. 1994. Т.39. No

5. с. 876 - 880.

7. Выборнова Й.И., Гольцов А.Н., Епифанов С.Ю., Каданцев В.Н., Красильников П.М.// Физиология человека, 1994. Т.20. No

6. с. 124- 136.

8. Красильников П.М. Влияние поверхностного заряда на деформационную динамику липидных мембран. // Биофизика. В печати.

9. Красильников П.М. Резонансное взаимодействие поверхностно заряженных липидных везикул с микроволновым электромагнитным полем. // Биофизика. В печати.

Тезисы докладов

10. Красильников П.М., Фисун О.И. Коллективные поверхностные возбуждения в сферических бислойных мембранах. // Тезисы I Всесоюзного симпозиума с международным участием. Киев, 1989 (10 - 13 мая). Фундаментальные и прикладные аспекты применения мм излучения в медицине.

i

Издательство АО "Диалог-МГУ". ЛРЫ 063999 от 04.04.95 Подписано к печати 17.09.98 г. Усл.печ.л.1,25. Тираж 100 экз. Заказ 879. Тел. 939-3890, 939-3891, 928-1042. Тел./факс 939-3891. 119899, Москва, Воробьевы горы, МГУ.