Введение к работе
Актуальность выбранной проблемы исследований связана с тем. что электрические взаимодействия .играют -чрезвычайно важную роль не только на уровне ионных и молекулярных взаимодействий, но и на более высоком уровне организации биофизической системы. Так, например, воротный механизм, позволяющий управлять работой ионных каналов, связан с перемещением заряда в области канала. Как правило, скорость ферментативной реакции зависит от концентрации ионов водорода в среде, а в сложной цепи биохимических реакций имеется звено, в котором осуществляется перенос заряда. Передача информации по нервному волокну сопряжена с перемещением ионов через мембраны. Часто первичное звено передачи информации из внешней среды внутрь клетки также связано с трансмембранным переносом заряженных частиц. Отметим также, что электрическая активность проявляется на клеточном и надклеточном уровнях. В отличие от классических электрохимических и физико-химических систем в биофизических системах, в силу их структурных особенностей, заряды проявляют себя индивидуальным образом, т.е. фактически речь идет о дискретно расположенных зарядах, а наиболее распростроненное представление о "размазанном" заряде является приближением, которое лишь в некоторых случаях достаточно хорошо описывает систему зарядов. Локальные электростатические поля играют важную роль во многих процессах, происходящих в клетке, и по этой причине их исследование является актуальным. Особенно важное место занимает учет локальных электростатических полей в мембранных процессах, поскольку практически все важные процессы, происходящие в клетке, так или иначе связаны с мембраной. Существующие в этой области отдельные теоретические работы, как правило, направлены на решение какой-либо конкретной задачи. Результаты, полученные в этих работах, имеют ограниченную область применения и описывают узкий круг явлений. Часто применяют приближенные формулы, ограничиваясь расчетом средних полей, хотя
очевидно..что следует рассчитать именно локальные поля . Основная цель работы. Исследование локальных электростатических полей в мембранных системах, обусловленных произвольным числом произвольным образом расположенных точечных зарядов и диполей. Особое внимание уделено получению для практических целей удобных приближенных формул. Важным аспектом работы является применение полученных формул для решения некоторых проблем транспорта диполей (воды) и ионов через мембраны, а также адсорбции заряженных частиц на мембране. При этом сопоставление теоретических формул с экспериментальными данными позволяет получить ценную информацию о свойствах мембраны.
Научная новизна. Детальное и всестороннее рассмотрение широкого спектра задач в данной работе позволяет говорить о создании нового научного направления - микроскопической' теории мембранных электростатических явлений. Научная новизна полученных в работе результатов заключается в том, что в работе впервые вычислены локальные электростатические поля при произвольном числе точечных зарядов, расположенных произвольным образом у границы раздела жидкий диэлектрик-раствор электролита, мембрана-раствор электролита, ионный канал-мембрана. Впервые рассчитаны электростатические эффекты при транспорте воды через бислойные липидные мембраны и ионные каналы. Впервые рассчитаны флуктуации поверхностного потенциала на мембране, возникающие в результате адсорбции и десорбции ионов. Полученные новые результаты электростатических расчетов позволили предсказать ряд новых эффектов при транспорте диполей и ионов через мембраны.
Наиболее важные из результатов, выносимых на зашиту, следующие: 1.Расчет распределения потенциала при произвольном числе произвольным образом расположенных точечных зарядов у границы раздела жидкий диэлектрик-раствор электролита, мембрана-раствор электролита, цилиндрический канал-мембранная фаза.
2. Исследование поведения дипольной молекулы у границы раздела
жидкий диэлектрик-раствор электролита, мембрана-раствор электро
лита и в цилиндрическом канале, пронизывашем бесконечную диэ
лектрическую среду.
-
Расчет электростатической части мемфазной энергии переноса дипольной молекулы из водной фазы в мембранную. Исследование \ влияния внешнего электрического поля на вхож воды в мембранную фазу. '
-
Расчет радиальных профилей энергии кока в ляпом в шииндри-
.3 * :''': ;:н:з Слуктуацггд заряда т лотощиала иа мембрано, обус-.-с.;.!?;"'/і-- ,ъ;ссрбцией и дессрбиие/і ионов на мембране. Расчет поз-Л! "-спла' .v, л этих условиях флуктуации то:са.
i7i/;'ffT",4::otf,an ценность Получепчпо л работе результаты представ--яет .:.тс тучную, так и практическую ценность. Научная ценность работы засипчается в том, что впервые получено подробное и детальное теоретическое описание распределения потенциала в мембранных системах при произвольном числе произвольным образом расположенных точечных частиц. Достижения структурных исследова-нпй позволяют использовать полученные аналитические формулы для построения префіля потенциальной энергии системы заряженных частиц волизи границ раздела фаз, что имеет важную практическую ценность при малинном моделировании поведения частиц. Важным аспектом практической ценности полученных результатов является их применение для решения ряда проблем гидратации биополимеров, транспорта воды и ионов через мембраны, а также адсорбции неорганических и органических ионов на мембране. Решение этих проблем тесно связано с биотехнологическим и биомедицинском их приложением. Отметим, что полученные в работе результаты используются на практике в биофизических исследованиях лабораторий в Ереванском Физическом институте, на кафедрах биофизики физического факультета ЕрГУ и биологического факультета МГУ, в Институте Электрохимии 124. А.И. Фруккина РА, а также за рубежом (Университет им. А.Гумбольдта, Берлин).
Апробация работы и публикации. Полученные в работе результаты докладывались иа советско-американском симпозиуме по биологическим мембранам (Киев, 1978), на конференции молодых ученых Москвы "Современные проблеми физической химии" (Москва. 1978), на Г и III Советско-Евейцарском аэтпозиумах по биологическим мембранам (Тбилиси, 1979 и Ташкент, 1933), на III республиканской научной сессии по вопросам биофизики (Ереван, 1982), на I Всесоюзном биофизическом съезде (Москва, 1932),на Всесоюзных рабочих совещаниях по биоэлектрохимии мембран (Суздаль. 1985, Каунас, 1937),на II республиканской конференции, посвяшенной проблемам физнко-хкмической биологии (Ереван, 1936), на Международном симпозиуме по гидратации биополимеров (Пуишо, 1987), на 4-ом Мелщународиом Фрумкинском симпозиуме "Биоэлектрохимия сегодня и загара" (Москва-Суздаль, 1988), на Всесоюзном симпозиуме "Одиночные ионные каналы в биологических мембранах" (Кара-Даг, 1989), на сим-
- 4- ,
позиуме по Arohaeliacteria СССР-ФРГ (Тбилиси. 1990), на годичном биофизическом совещании (Гамбург/Саар, Германия, 1991), на семинарах по коллоидной химии химического факультета МТУ, на биофизическом семинаре ФИАН СССР, на семинаре в университете им. А.Гумбольдта (Берлин, Германия), на теоретическом семинаре ЕрФИ. По теме диссертации опубликовано 44 работы.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, двух частей, выводов и списка литературы. Часть I посвяшена расчету локальных электростатических полей в мембранных системах и содержит три главы. Часть II состоит из трех глав и посвяшена транспорту воды и ионов через мембраны, а также адсорбции частиц на мембране. В каждой главе имеется постановка соответствующих задач, их решение, а также анализ и обсуждение результатов. В -работе содержится 235 страниц, 30 рисунков и 1 таблица.