Введение к работе
Актуальность темы. Мембраны являются одной из основных клеточных структур У животных и растений, принимающей участие практически во всех аспектах клеточной активности. Рад мембран, такій как миелиновая мембрана нервов, мембраны тилакоидов, диски фоторецепторов в палочках, аппарат Гольджи, представляют собой стопки мембран или мультислои с большим значением периода повторяемости (d > 15 нм). Стабильность таких мультислойных систем определяется балансом сил, действующих между поверхностями бислоев: отталкивания (расклинивающее давление двойных электрических слоев (ДЭС), взаимодействие гидратных оболочек полярных голов, силы энтропийного отталкивания) и притяжения (Вая-дер-Ваальсово взаимодействие).
Одна из наиболее часто встречающихся в природе систем, в которой взаимодействие мембран играет ключевую роль - это ткани многоклеточных организмов, существование которых определяется межмембранными контактами клеток. Показано, что присутствие электролита, адсорбция ионов на поверхности способны изменять фазовое состояние липидного бислоя, его гидратацию и менять характеристики упаковки липидов. Известен эффехт набухания мультислойных мембран ДПФХ в избытке воды под действием CaClz, ведущий к потере дальнего и ближнего порядков в положении мембран в мультислое. В этой связи исследование межмембранных взаимодействий имеет важное обшебиологическое значение.
Можно выделить два характерных диапазона межмембранных взаимодействий. На расстояниях более 2-3 нм в отталкивании заряженных мембран в электролите преобладают силы расклинивающего давления ДЭС. При сближении мембран на расстояние менее 2-3 нм в отталкивании доминируют силы, получившие название "сольвагашокных" или "гидратационных". До сих пор не существует единого мнения о природе сил отталкивания мембран на малых расстояниях.
Накопленные к настоящему времени электрохимические и структурные данные для липидных мембран позволяют провести экспериментальную проверку теорий, устанавливающих вклад собственных мембранных и привнесенных за счет адсорбции поверхностных зарядов в межмембранные взаимодействия.
Целью настоящей работы является изучение природы сил отталкивания межу лшшдными мембранами в мультислойных системах. Изучалось влияние поверхностных зарядов на устойчивость и структуру мультислойных фосфолипидных систем с помощью методов дифракции нейтронов и рентгеновских лучей. В первой части работы проводится проверка применимости теории Дерягина-Ландау-Фервея-Овербека (ДЛФО) к описанию взаимодействия между фосфолипидными мембранами в мультислойных структурах на больших расстояниях > 2 нм. Величина поверхностного заряда варьировалась за счет адсорбции на поверхность мембраны ионов разной химической природы. Вторая часть работы посвящена проверке теории "гидратационных сил", согласно которой на поверхности в целом электронейтральной мембраны могут возникать корреляции в положении поверхностных зарядов, которые изменяют расклинивающее давление между мембранами на малых расстояниях < 2 нм. Существование таких корреляций предполагает частичную упорядоченность в положении полярных фрагментов молекул липида в плоскости бислоя. Исследования проводились на липосомах и ориентированных на подложке мультислоях.
Научная новизна. Впервые проведены расчеты межмебранных взаимодействий в мультислоях на основе теории ДЛФО, использующие экспериментально промеренные значения поверхностного потенциала. Показана применимость теории для описания взаимодействий в мультислойных липосомах на расстояниях > 2 км. Обнаружено, что эффект разрушения периодичности мультислойной структуры при определенных концентрациях ионов имеет общий характер и наблюдается в присутствии катионов Са2*, органических катионов ряда локальных анестетиков и анионов СЮ4", SCN".
Впервые, обнаружено, что "хаотролные" анионы СЮ/, SCN', I* индуцируют образование фазы со взаимным проникновением цепей (interdigitated), сопровождающееся снижением коэффициента гидратации.
Впервые определена локализация в профиле бислоя дейтериевон метки молекулы локального анестетшса. Показано встраивание анестетика в липидный бислой.
Впервые определена толщина бислоя в составе монобислойных липосом в растворе.
Впервые показано отсутствие дальнего и, по-видимому, ближнего порядков для полярных фрагментов молекул лигаша в плоскости мембраны в жидкой, гель и кристаллических фазах.
Практическое значение. Полученные результаты важны для понимания фундаментальных проблем структуры и взаимодействия жидкокристаллических липидных мембран. Описанный эффект разрушения периодичности мультнелойной структуры под действием ионов разной химической природы может быть использован в технике приготовления липосом для практических применений.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Всесоюзной Научной Стуческой Конференции "Студент и научно-технический прогресс" (Новосибирск, 12-14 апреля, 1988), FEBS sattelite meeting "Molecular Dynamics in membranes" (Венгрия, Тихнари, 25-29 августа, 1990), IX международной конференции по поверхностным силам (Москва, 13-15 ноября, 1990), рабочих совещаниях "Исследование биологических и липидных мембран" (Дубна, май, 1989, 1990, 1991).
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 7 работ. Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, заключения и списка литературы. Работа изложена на 114 страницах, включает 37 рисунков и 8 таблнй. Список литературы содержит 91 наименование.