Введение к работе
Актуальность темы. Изучение физических механизмов
взаимодействия неорганических ионов и биологически активных веществ с мембранными структурами является одним из важнейших направлений биофизики, существенным как дпя решения Фундаментальных проблем биофизики клетки , так и для решения прикладных вопросов биоэлектроники и биомедицины.
В настоящее время в рамках таких новых направлений
микроэлектроники, как нанотехнология, молекулярная и
биоэлектроника, ключевой проблемой является создание принципиально
новой элементной базы, обеспечивающей достижение предельно малых
размеров (нанометры) компонентов электронных схем и устройств, и
использующей новые эффективные и надежные принципы передачи,
хранения и обработки информации. С этой точки зрения перспективным
представляется использование новейших достижений молекулярной
биофизики, имеющей дело с расшифровкой Физических механизмов
электронного и ионного транспорта в биологических системах, явлений
преобразования энергии и информации на молекулярном уровне. Решение
этой проблемы связывается с исследованием возможностей
использования в качестве потенциальных кандидатов на роль таких
элементов и компонентов отдельных (био)мопекул, ионных комплексов
и надмолекулярных структур. Большое внимание в связи с этим
уделяется изучению высокоупорядоченных искусственных пленарных
молекулярных структур - ленгмюровских пленок и липидных
мультиспоев. Исследование взаимодействия компонентов водной фазы с
ленгммровским моноспоем и их адсорбции на монослое важно и
актуально, поскольку открывает перспективы создания технологии для
получения разнообразных многокомпонентных пленок Ленгмюра-Блоджетт
(Л-Б), содержащих встроенные функционально важные молекулы без
использования сложных процедур синтеза. Кроме того,
высокоупорядоченные молекулярные ленгмюровские монослои на поверхности водной фазы являются оптимальной модельной системой для исследования процессов на границе раздела Фаз и физико-химических
свойств поверхности модельных и биологических мембран.
Важной проблемой является также исследование взаимолействи лекарственных и биологически активных веществ с мембранами макромопекулярными структурами организма. Большинство таких вешест являются сложными молекулами, обладающими выраженными гидрофобными гидрофильными или амфифипьными свойствами. Их взаимодействие различными молекулярными структурами организма лежит в основе и лекарственного действия, но зачастую является причиной побочного в ряде случаев негативного, действия на организм. Нами исследован взаимодействие Фуросемида (диуретика, вызывающего активно выделение ионов натрия, калия, магния, хлора, Фосоата и воды почках), DIDS (ингибитора анионного транспорта в эритроцитах) аламетицина (мембранного каналоформера, выделяемого из бактерий) ленгмюровскими монослоями. Данные модельные исследоваки существенны для понимания молекулярных механизмов взаимолействи этих Фармакологических препаратов с нативными мембранами.
Наряду с исследованием молекулярных пенгмюровских монослоев исследование пипидных мультиспоев представляет большой интерес дл получения менее дорогих и сложных технологий в соэдани микроэлектронных устройств. Значительные усилия направляются н развитие методик по производству полупроводников, в частности сульфида кадмия, в виде маленьких обособленных частиц. Таки і вещества, будучи представлены в нанометровом диапазоне, показывай квантовые Эффекты, не проявляющиеся, когда эти же материал составляют макроскопическое тело. Моноспойные методики уж применялись дпя получения таких малых кластеров, особенно Фендлеро и др. ,которые использовали сзндвичевые структуры в организованны монослоях для получения CdS в виде частиц нанометрового диапазона Небольшие кластеры CdS были получены Уангом и др.
В 1988 г Жао с соавторами описали способ получения полуволны пленок, состоящих из монокристапов CdS, CuS, RbS, ZnS, HgS и In2 на поверхности плоской биспойной пипидной мембраны (БЛМ) изготовленной по методу Мюллера.
Наша задача заключалась в исследовании возможности создан* дискретных полупроводниковых структур с использование
эазработанной ка кафедре биофизики методики (синтез нерастворимой ;оли полупроводника в порах мембранных каналоформеров). Для этого необходима матрица соответствующих размеров. Нами был выбран »гитохондриальный порин, известный также как VDAC (voltage dependent anion channel). Выбор обоснован следующими обстоятельствами. Порин ївляєтся каналом, относительно легко реконструируемым в БЛМ. В то ке время канал, образованный митохондриальным порином имеет достаточно большой диаметр около 2 нм, что обеспечивает прохождение зовольно больших ионов и может привести к Формированию юлупроводниковых структур необходимых размеров. Порин обладает эчень слабой акионосепективностью, что способствует прохождению <ереэ канал как положительных, так и отрицательных ионов. VDAC является потенциалзависимым, что позволяет управлять каналом, заставляя его бить либо в открытом, либо в закрытом состоянии при юдаче на мембрану различных значений потенциала. В отличие от других каналов, порин, по-видимому, образует структуру с фиксированным диаметром, что обеспечивает определенный стандарт. <роме того, порин содержит внутри канала и на поверхности множество юложительных и отрицательных зарядов, что может способствовать нормированию полупроводниковых структур внутри канала или вблизи їго входов.
Поскольку влияние двухвалентных ионов на свойства порина в іитературе не описано, нашей непосредственной задачей стало ізучение изменений в электрических характеристиках каналов, збраэованных порином в БЛМ, вызываемых ионами Cd и Na.
Целью настоящей работы являлось исследование взаимодейстивия іеорганических ионов и биологически активных веществ с модельными лембраными системами. 3 связи с этим были поставлены следующие основные задачи:
1.Исследовать изменения Формы изотермы сжатия моноспоя гтеариновой кислоты при варьировании рН и концентрации ионов меди з водной субфаэе в присутствии натрия.
2.Исследовать взаимодействие одновалентных катионов с >осфопипидными пипосомами.
3.Исследовать взаимодействия биологически активных вещест Фуросемида, DIDS, апаметицина с пекгмюровским моноспоем стеаринове кислоты.
4.Исследовать влияние супьфид-аниона на проводимое? поринового канала в присутствии двухвалентных катионов металлов.
Научная новизна результатов
а) Показано, что в процессе связывания меди
кпастерообразования на поверхности монослоя электростатическо
взаимодействие играет важную роль.
б) Обнаружено, что молекулы Фуросемида и DIDS зффєктивн
взаимодействуют с пекгмюровским монослоем, встраиваются в моносло
и изменяют его структуру, вызывая характерные изменения *орм
изотерм сжатия.
в) Обнаружено, что молекулы апаметицина, локализованные
смешанном монослое, конкурируют с молекулами стеариновой кислоты э
место на границе раздела Фаз.
г) Обнаружено, что сульфид натрия в концентрации 0.1 мН ні
влияет существенно на электрические характеристики пориновогс
канала в бислойной мембране.
Практическое значение работы
Изучен ряд модельных систем, существенных для понимание действия лекарственных препаратов и дпя развития новы: биофизических технологий наноэлектроники.
Апробация работы
По теме диссертационной работы опубликована одна печатна) работа и одна принята к публикации в международном журнале. Основные результаты диссертации докладывались на семинаре кафедрі Биофизики физического факультета МГУ(1994г.).
Структура и объем работы.