Введение к работе
Актуальность. Вопрос о природе взаимодействий между лишщными мембранами на коротких расстояниях является в настоящее время одной из центральных проблем мембранной физики, не получившей до сих пор однозначного ответа.
Важность исследовании данного вопроса неоценима с различных точек зрения. В биофизике лнпидные мембраны рассматриваются в качестве подходящей модели биологических мембран. Сохраняя в общих чертах их основные физические свойства, лишщные иембраны значительно проще биологических мембран и удобнее для исследований физическими методами. В медицине лнпидные везикулы щироко применяются для переноски и иеленаправленной доставки необходимых лекарств к определенным органам. Липиды активно используются в косметической промышленности для создания легко проникающих в кожу препаратов. Привлекательно исгользован1е линидных мембран в электронной и фото промышленности в качестве ультратонких пленок с заданными свойствами для создания мнкросенсоров, датчиков и т.п. Помимо широкого практического значения содержание работы представляет особый интерес для коллоидной физики, физики жидких кристаллов и статистической физики.
Несмотря на достаточно продолжительную историю исследований в данной области, ряд ключевых проблем до сих пор остается открытым. Среди них особо следует отметить вопрос о природе короткодействующего отталкивания между липидными мембранами в воде [1], доминирующего на расстояниях до 20-30 А и не объясняемого общепринятой теорией устойчивости коллоидов Дерягина-Ландау-Фервея-Овербека (ДЛФО). Похожее взаимодействие было обнаружено
ТЙКЖС МСЖЛУ МОЛСЮ/ЛЭ,МИ ДНІХ ПОЛ1ТСЭ.ХЗ.ОИЛЭ.МТ1 и моJICKVJltlMH КО лЛЗ.ГЄНИ [2 "41
/То на СТОЯТИ РГО ЯПСМРНМ веTTVTCSI ТЇІІТПОКИЄ JTT'CKVCCT'I'T't по TTOnOTV ijO'' \f ОЖТ-IOlt
TT ТТгТ"ґ*ЇЛТТ-ПҐ1гГґ1TTWkf эТ^Ґ^ТЮТТРТ-ЇТЇТП ТТТ-»ТЮТ~Ч"1 ^ТТТ"Я TT WW ДЯТАETCT \ЯР*}ГТТV TTITTTI?ТТЇТТ^ТХ'Тit л.ff^MiSnflTT'll>f if
TTTiя f4\farX^m~*\-T(*UTA& 1ГПТПїЛГ\Т^ҐЛ ftLTrTHTTT-IVT'T^T ТТТДГ* C\CXТЛТЇТ-ТТ Tr1 TmiTГї 1 ТТ'ТТГТЯ ГТТ-»Т-ТґЛ
nn "jttttiiq ТОІТТТТРҐ^Я Т'ИпоТРЧТіТ* ГІ'ИПЯТЯ ТЇТТОЇ-ТТ1Т»ТТС РИТІ вОІТЇЇТТ'П ТОІ ТТТ-'Х Нг'—"ЧЯ
структурирования воды вблизи гидооАилышх поверхностей и энтшпийнсто
оТТЇ1 TTT^Htt Q TT"MQ Г*И (Па ЇТЇ-ТґЛГ'Л (* Т'^ТТТТҐ^ТїТ 1\{її ГПТТ\ f\fT\!d ТТТї GVf Lf і^Т ГП-*ТТТ*ТТТ- TV ТПТЇТТТі"Юв ІЛ
плоскости мембраны [1,2,4]. Не вполне ясен вклад тепловых длинноволновых флуктуации липидных мембран в баланс сил при нормальных условиях [5]. Непосредственно относящимися к этим вопросам являются такие принципиальные проблемы, как адгезия и слияние мембран, а также переход от связанного мультислойного состояния к несвязанному (отдельные мембраны) [6].
Цель настоящей работы состояла в изучении природы короткодействующего взаимодействия между липидными мембранами, а также в определении относительного вклада отталкивания, связанного с длинноволновыми тепловыми флуктуациями мембран, в общий баланс межмембранных сил.
Научная новизна. Для решения поставленных в настоящей работе задач был использован ряд новых подходов, таких как совместное использование упругого и неупругого рассеяния нейтронов при исследовании межмембранных взаимодействий, а также детальный анализ формы дифракционных пиков от мультислойных структур. Очень эффективными оказались также такие специальные приемы, как, например, использование полимеризуемых липидов для подавления флуктуации отдельных липидов из плоскости мембраны и температурные измерения в качестве инструмента для проверки существующих теорий межмембранных взаимодействий.
В настоящей работе впервые была изучена возможность исследования тепловых длинноволновых флуктуации липидных мембран с помощью нейтронного спип-эха и определен модуль изгиба липидных мембран этим методом. Впервые было предложено определять толщину липидных * мембран методом малоуглового рассеяния нейтронов при исследовании температурной зависимости баланса межмембранных взаимодействий.
Использованные в работе подходы позволили получить ряд принципиально новых результатов о доминирующей роли энтропийного отталкивания во взаимодействии между липидными мембранами. Впервые было продемонстрировано существование перехода от связанного состояния (липидпые мультислоп) к несвязанному (отдельные мембраны) для липидных мембран из димиристоилфосфатидилхолина и показано, что он происходит при температурах (Т~7(^80С) близких к физиологическим.
Практическая ценность работы. Полученные результаты имеют как фундаментальное, так и прикладное значение. Разработанные методики и
подходы представляют не только ограниченный интерес для исследования проблем, поставленных в данной работе, но также могут служить основой для решения более широкого круга новых задач. Представленные данные по вопросу межмембранных взаимодействий исключительно важны для понимания физики основных процессов, происходящих в живой клетке с участием мембран, а также могут быть использованы для усовершенствования технологических процессов при практическом применении липидных мембран.
Апробация работы. Основные положения работы и ее отдельные результаты докладывались на международном семинаре по исследованию биологических и липидных мембран (Дубна, май 1991, 1992); традиционной конференции студентов и аспирантов МФТИ (Долгопрудный, декабрь 1992); международной конференции "Neutron scattering applications" (Прага, октябрь 1995); международной конференции "Horizons in small-angle scattering from mesoscopic systems" (Стромболи, сентябрь 1995); 11 симпозиуме "Surfactants in solutions" (Иерусалим, июль 1996), международной конференции по жидким мембранам и полимерам (Берлин, сентябрь 1996), конференции молодых ученых (Дубна, март 1996).
Структура и объем диссертаиии. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов и списка цитируемой литературы. Объем диссертации составляет 119 страниц машинописного текста, включая 60 рисунков, 10 таблиц и 147 библиографических ссылок.